用于控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的方法和電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于功率半導(dǎo)體開關(guān)、諸如IGBT的控制電路和一種相應(yīng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功率半導(dǎo)體開關(guān)、諸如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)或M0SFET如今在多種應(yīng)用中、例如在變流器電路中被使用。與功率半導(dǎo)體開關(guān)的具體應(yīng)用無關(guān)地，通常期望在短路中的魯棒的表現(xiàn)。在短路的負(fù)載的情況下，接通的功率半導(dǎo)體開關(guān)處于短路運(yùn)行中，即在功率半導(dǎo)體開關(guān)的負(fù)載電流路徑上同時高的電壓降(在變流器的情況下大多等于中間回路電壓)的情況下，高的短路電流流經(jīng)功率半導(dǎo)體開關(guān)。結(jié)果是在功率半導(dǎo)體開關(guān)中的十分高的損耗功率并且相應(yīng)高的加熱到臨界溫度以上，這導(dǎo)致熱散逸(thermal runaway)進(jìn)而功率半導(dǎo)體開關(guān)的破壞。
[0003]為了防止功率半導(dǎo)體開關(guān)在短路運(yùn)行中(或一般在過載運(yùn)行中)的破壞，必須在確定的時間(例如10 μ s)之后切斷功率半導(dǎo)體開關(guān)，因此在過載運(yùn)行期間散失的能量(短路電流乘以運(yùn)行電壓乘以時間)保持在臨界值以下，其中該臨界能量與功率半導(dǎo)體開關(guān)的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了防止熱散逸，可以控制功率半導(dǎo)體開關(guān)，使得短路電流不超過所定義的最大值并且因此直至功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷臨界能量沒有被超過。然而，這能夠負(fù)面地作用于功率半導(dǎo)體開關(guān)的正常運(yùn)行中的性能(例如鑒于在接通狀態(tài)中的損耗)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所基于的任務(wù)可以在于，提供一種改進(jìn)的控制電路和一種用于功率半導(dǎo)體開關(guān)、諸如IGBT的改進(jìn)的控制方法，該控制方法一方面防止短路運(yùn)行中的熱散逸并且另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)功率半導(dǎo)體開關(guān)在正常運(yùn)行中的好的性能。
[0005]該任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求1的控制電路以及根據(jù)權(quán)利要求12的方法來解決。本發(fā)明的不同的實(shí)例和改進(jìn)形式是從屬權(quán)利要求的主題。
[0006]描述一種用于控制半導(dǎo)體開關(guān)的控制電路。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)例，控制電路包括與半導(dǎo)體開關(guān)連接的過載探測電路，該過載探測電路被構(gòu)造用于探測半導(dǎo)體開關(guān)的過載狀態(tài)。控制電路此外包括與半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子連接的驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路被構(gòu)造用于在探測過載狀態(tài)時產(chǎn)生具有這樣的電平的驅(qū)動信號，使得半導(dǎo)體開關(guān)被切斷或防止接通。驅(qū)動電路此外被構(gòu)造用于按照控制信號來產(chǎn)生用于控制半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動信號，其中為了接通晶體管在第一時間點(diǎn)產(chǎn)生具有第一電平的驅(qū)動信號，并且如果直至預(yù)先給定的時間段結(jié)束沒有探測到過載狀態(tài)，那么該電平被提高到第二電平。
[0007]此外，描述一種用于控制半導(dǎo)體開關(guān)的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)例，該方法包括鑒于過載狀態(tài)的出現(xiàn)來監(jiān)控半導(dǎo)體開關(guān)以及通過產(chǎn)生輸送給半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端的驅(qū)動信號來接通半導(dǎo)體開關(guān)，其中在第一時間點(diǎn)產(chǎn)生具有第一電平的驅(qū)動信號，以便接通半導(dǎo)體開關(guān)，并且其中如果直至預(yù)先給定的時間段結(jié)束過載狀態(tài)沒有出現(xiàn)，那么將電平提高到第二電平。
【附圖說明】
[0008]隨后，借助在圖中示出的實(shí)例詳細(xì)地解釋本發(fā)明。圖示不必與比例完全相符并且本發(fā)明不僅僅局限于所示出的實(shí)施例和方面。更確切地說，重視本發(fā)明所基于的原理。
[0009]圖1是示出用于控制IGBT的控制電路的一個實(shí)例的電路圖；
圖2借助時間圖說明在IGBT的接通過程期間控制信號和柵極電壓的示例變化；
圖3借助時間圖說明在接通過程期間控制信號和柵極電壓的另一示例變化；
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)例的控制電路的電路圖；
圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)例的控制電路的電路圖；
圖6是其中示出柵極電壓電平和允許的短路持續(xù)時間之間的關(guān)系的圖；
圖7是示出用于探測短路的電路的一個實(shí)例的電路圖；以及圖8是用于示意性地示出柵極驅(qū)動器的工作原理的電路圖。
[0010]在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的組件或具有相同或相似意義的信號。
【具體實(shí)施方式】
[0011]在圖1中，以電路圖示出功率半導(dǎo)體開關(guān)1\和與該功率半導(dǎo)體開關(guān)連接的控制電路10。在所示出的實(shí)例中，IGBT作為功率半導(dǎo)體開關(guān)被示出，然而如開頭已經(jīng)提及的也可以使用其他晶體管類型(例如M0SFET)作為功率半導(dǎo)體開關(guān)。根據(jù)圖1，IGBT 1\被構(gòu)造為低側(cè)開關(guān)，即IGBT !\被連接在負(fù)載和參考電位端子GND之間，該參考電位端子位于參考電位(地電位)上。負(fù)載利用&來表示并且被連接在IGBT !\和供應(yīng)電壓端子(在運(yùn)行電壓VB上)之間。IGBT !\的與負(fù)載L連接的第一負(fù)載端子被稱為集電極端子，IGBT的與參考電位端子GND連接的第二負(fù)載端子被稱為發(fā)射極端子。在M0SFET的情況下，通常將負(fù)載端子命名為漏極端子和源極端子。所示出的低側(cè)配置可以僅作為實(shí)例來理解。IGBT ?\也可以作為高側(cè)開關(guān)或以橋電路來運(yùn)行。功率半導(dǎo)體開關(guān)的具體應(yīng)用對于進(jìn)一步的討論是不重要的。
[0012]控制電路10與功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子G連接，該控制端子在IGBT的情況下被稱為柵極端子。(二進(jìn)制)控制信號IN作為輸入信號被輸送給控制電路10，并且控制電路10被構(gòu)造用于按照控制信號IN產(chǎn)生用于控制IGBT ?\的驅(qū)動信號Vs。驅(qū)動信號Vs (直接地或經(jīng)由電阻)被輸送給IGBT ?\的柵極端子G?？刂齐娐?0通常包括控制邏輯電路12和柵極驅(qū)動器11。柵極驅(qū)動器11由改變的二進(jìn)制控制信號IN’來產(chǎn)生用于IGBT ?\的驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號在本實(shí)例中是(參考發(fā)射極端子Ε的電位的)柵極電壓Vp根據(jù)所改變的控制信號IN’的邏輯電平，柵極驅(qū)動器例如產(chǎn)生用于去激活/切斷IGBT的0V的柵極電壓和用于激活/接通IGBT !\的12￥或15V的柵極電壓作為驅(qū)動信號。實(shí)際的值與應(yīng)用和所使用的功率半導(dǎo)體開關(guān)有關(guān)。
[0013]在最簡單的情況下，控制邏輯電路12將控制信號IN轉(zhuǎn)發(fā)給柵極驅(qū)動器11并且只要需要就引起邏輯電平轉(zhuǎn)化或邏輯電平的適配。在本實(shí)例中，控制邏輯電路12將控制信號IN與過載信號0L進(jìn)行邏輯運(yùn)算，該過載信號表明IGBT ?\的過載狀態(tài)。例如邏輯電平0L=1表示IGBT ?\的過載狀態(tài)(例如在IGBT的電路運(yùn)行中)并且邏輯電平0L = 0表示正常運(yùn)行。在該情況下，控制邏輯電路12被構(gòu)造用于將控制信號IN和過載信號0L進(jìn)行邏輯運(yùn)算，使得在正常運(yùn)行中(0L = 0)被改變的控制信號IN’等于控制信號IN。在過載運(yùn)行中(OL = 1)，然而控制信號IN被無用化(ausgetastet)并且所改變的控制信號IN’等于零。作為布爾方程來書寫，該關(guān)系的內(nèi)容是:
IN? = IN AND (NOT OL),(1)
其中AND表示與邏輯運(yùn)算并且NOT表示邏輯非。即一旦探測到和顯示過載運(yùn)行(0L =1)，就切斷IGBT ?\ (IN’ =0)或防止接通。在正常運(yùn)行中，在IGBT的接通狀態(tài)下，IGBT的負(fù)載電流k由運(yùn)行電壓VB和負(fù)載(負(fù)載電阻Rl)來限制。負(fù)載電流iL為(VB— VCE’SAT) /L其中飽和電壓Vffi,SAT (也是導(dǎo)通電壓)表示IGBT的接通狀態(tài)下的最小集電極-發(fā)射極電壓VCE。在正常運(yùn)行中在IGBT中散失的損耗功率為Pv= i L *Vffi,SAT。在接通的狀態(tài)下，IGBT在給定的柵極電壓I的情況下可以引導(dǎo)確定的最大負(fù)載電流i y該最大負(fù)載電流被稱為飽和電流iui。因?yàn)樵诙搪非闆r下整個運(yùn)行電壓VB降落在IGBT !\的集電極-發(fā)射極電流路徑(負(fù)載電流路徑)上(