專利名稱：半導(dǎo)體元件的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件的控制，特別地涉及IGBT元件的軟關(guān)斷。
背景技術(shù)：
IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是一種由于良好的特性而被廣泛地用于功率電子應(yīng)用中的開關(guān)元件。該元件 可以在高壓電平中使用，并且它可以安全地導(dǎo)通和關(guān)斷高電流。IGBT元件的特性之一是在短路的情況下也能夠關(guān)斷電流的能力。在短路情況下，源電壓全部加在開關(guān)元件上。在一般使用中，一個(gè)或更多個(gè)IGBT元件用于切換到負(fù)載(例如可能是電動(dòng)機(jī))的電壓。IGBT元件中的短路電流可以由負(fù)載的短路引起。在這樣的情況下，切換的高壓不會(huì)遇到任何阻抗，并且通過元件的電流迅速上升。在電壓源逆變器的情況下，短路電流可以由直通電流引起。IGBT元件將短路電流限制到元件特定值，該元件特定值取決于施加到元件的柵極的柵極電壓。該操作點(diǎn)被稱為線性區(qū)或退飽和區(qū)。當(dāng)IGBT元件處于它的線性區(qū)時(shí)，元件的電流跟隨施加在柵極上的電壓?？梢酝ㄟ^使柵極電壓降低到元件的閾值電壓以及閾值電壓以下來關(guān)斷該電流。與關(guān)斷所述短路電流有關(guān)的問題涉及非常高的電流變化率(dic/dt)。高的變化率引起在短路電流路徑的雜散電感中的高電壓尖峰。該電壓尖峰使加在IGBT元件上的電壓高于耐受電壓，并因此損壞元件。由于上述原因，當(dāng)關(guān)斷短路電流時(shí)，采用了被稱為“軟關(guān)斷”的過程。在軟關(guān)斷中，來自元件的存儲(chǔ)電荷以與正常關(guān)斷相比慢得多的速度放電。這可以通過使用電阻值高于正常關(guān)斷操作中的電阻值的柵極電阻器或使用低于正常關(guān)斷電壓的關(guān)斷電壓(即電位差不和正常操作中的一樣高)來實(shí)現(xiàn)。同樣，當(dāng)使用電流來控制元件時(shí)，使用較小的關(guān)斷電流。額外的柵極電阻器的缺點(diǎn)是在柵極驅(qū)動(dòng)電路中需要獨(dú)立的并行支路，這使得驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。當(dāng)不同的控制電壓用于關(guān)斷操作時(shí)，必須在導(dǎo)通和關(guān)斷電壓電平之間構(gòu)造一個(gè)獨(dú)立的電壓電平。上述方案的一個(gè)共同缺點(diǎn)是需要到達(dá)浮置電位范圍的額外控制信號(hào)。一般地，以控制電路的電位產(chǎn)生用于IGBT元件的控制信號(hào)，該電位不同于IGBT的發(fā)射極電位，其是柵極控制的電位。一般地，使用光隔離器來分離電位，并且用于軟關(guān)斷的信號(hào)的需求使這些元件的數(shù)量翻倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供解決上述問題的電路和方法。本發(fā)明的目的通過具有后附的具有最大保護(hù)范圍的技術(shù)方案中所表述的特征的方法和電路來實(shí)現(xiàn)。在后附的進(jìn)一步要求保護(hù)的技術(shù)方案中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。本發(fā)明基于如下構(gòu)思測(cè)量受控元件的電流并以元件的發(fā)射極電位來執(zhí)行邏輯操作。如果需要軟關(guān)斷操作，本發(fā)明的電路和方法修改由控制器給出的控制信號(hào)。本發(fā)明提出的技術(shù)方案涉及一種控制功率半導(dǎo)體元件的方法，該方法包括產(chǎn)生用于控制所述元件的控制信號(hào)；根據(jù)所述控制信號(hào)形成在所述受控元件的電位中的第二控制信號(hào)，其特征在于如下步驟測(cè)量流經(jīng)所述元件的電流；將測(cè)量電流與設(shè)置限值進(jìn)行比較；基于在所述測(cè)量電流與所述設(shè)置限值之間的比較，提供具有邏輯狀態(tài)的故障信號(hào)；根據(jù)所述故障信號(hào)和所述第二控制信號(hào)產(chǎn)生元件控制信號(hào)，使得如果表示有故障，則所述元件控制信號(hào)具有在高狀態(tài)和低狀態(tài)之間的值，否則所述元件控制信號(hào)的狀態(tài)等于所述第二控制信號(hào)的狀態(tài)；以及使用所述元件控制信號(hào)來控制所述元件。本發(fā)明提出的技術(shù)方案還涉及一種用于控制功率半導(dǎo)體元件的控制電路，所述控制電路包括用于產(chǎn)生控制所述元件的控制信號(hào)的裝置；用于根據(jù)所述控制信號(hào)來形成在所述受控元件的電位中的第二控制信號(hào)的裝置，其特征在于，所述電路包括用于測(cè)量流經(jīng)所述元件的電流的裝置；用于將所述測(cè)量電流與設(shè)置限值進(jìn)行比較的裝置；用于基于在所述測(cè)量電流與所述設(shè)置限值之間的比較來提供具有邏輯狀態(tài)的故障信號(hào)的裝置；用于根據(jù)所述故障信號(hào)和所述第二控制信號(hào)來產(chǎn)生元件控制信號(hào)的裝置，使得如果表示有故障，則 所述元件控制信號(hào)具有在高狀態(tài)和低狀態(tài)之間的值，否則所述元件控制信號(hào)的狀態(tài)等于所述第二控制信號(hào)的狀態(tài)；以及用于使用所述元件控制信號(hào)來控制所述元件的裝置。本發(fā)明的電路和方法具有如下的優(yōu)點(diǎn)不需要額外的分離元件就可以實(shí)現(xiàn)選擇性關(guān)斷。當(dāng)元件的電流高到危險(xiǎn)的程度時(shí)，即需要軟關(guān)斷時(shí)，本發(fā)明的電路和方法總是能夠自動(dòng)地產(chǎn)生軟關(guān)斷。由于該特征，避免了已知結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。在已知結(jié)構(gòu)中，IGBT有時(shí)會(huì)在上層控制系統(tǒng)將故障解釋成短路或過電流之前多次切換高電流。電路也可使用不具有編程電路或處理器的模擬和數(shù)字電子器件來實(shí)現(xiàn)。


下面，將通過優(yōu)選的實(shí)施方式并參照附圖來更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖I示出了本發(fā)明的實(shí)施方式的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式圖I示出了本發(fā)明的實(shí)施方式的簡(jiǎn)化電路圖。圖I示出了受控IGBT元件Tl以及連接至元件的柵極的柵極電阻器Rg。該電路包括傳感器1，所述傳感器I用于測(cè)量開關(guān)Tl的集電極或發(fā)射極電流。用于測(cè)量電流的傳感器例如為連接至將測(cè)量電流轉(zhuǎn)換成電壓電平的轉(zhuǎn)換裝置的測(cè)量電阻器。測(cè)量電阻器使得能夠以差分方式測(cè)量電流，測(cè)量電阻器布置在開關(guān)Tl的電流路徑中，使得將電流檢測(cè)成電阻器上的壓降。傳感器I將測(cè)量電流Ifault轉(zhuǎn)換成電壓電平Ucur。傳感器I處于受控IGBT元件的輔助發(fā)射極Aux emitter的電位中并接收電壓+Ucc作為操作電壓。電壓+Ucc是柵極驅(qū)動(dòng)電路的正輔助電壓，其還被用作開關(guān)元件的導(dǎo)通電壓。+Ucc的值可以為例如+15V。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，使用Rogowski線圈來測(cè)量元件的電流。Rogowski線圈的次級(jí)電壓優(yōu)選地被積分以獲得表示測(cè)量電流的電壓Ucur。
獲得的與測(cè)量電流成比例的電壓電平Ucur被饋送給比較器2。在比較器中，電壓電平Ucur與參考電壓Uref 3進(jìn)行比較。參考電壓Uref設(shè)置為對(duì)應(yīng)于故障電流的檢測(cè)電平的電平。從而，當(dāng)由集電極電流Ifault產(chǎn)生的電壓值Ucur超過參考電壓時(shí)，測(cè)量的電流被認(rèn)為是過電流。比較器2的操作如下當(dāng)獲得的電壓電平Ucur超過參考電壓Uref時(shí)，比較器的輸出被設(shè)置為高。否則，輸出被設(shè)置為低狀態(tài)。在此處，模擬測(cè)量信號(hào)被數(shù)字化。如圖I所示，比較器的結(jié)果Ufault被進(jìn)一步饋送給框5。故障信號(hào)Ufault還可以被發(fā)送給上層控制系統(tǒng)，作為故障情況的指示。用于上層控制系統(tǒng)的該信息對(duì)于本發(fā)明的操作不是必要的。如進(jìn)一步從圖I中看到的，比較器2接收電壓+Ucc和-Uee。電壓-Uee是柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)輔助電壓。-Uee的值可以例如為-15V，并且被用作關(guān)斷電壓。圖I的框4表示隔離元件，該隔離元件用于將控制信號(hào)從控制電位轉(zhuǎn)換成元件的發(fā)射極的浮置電位?？?接收控制信號(hào)Ucin，根據(jù)該控制信號(hào)Ucin來控制元件。輸入信號(hào)被輸出為在發(fā)射極的電位中的第二控制信號(hào)Ucout。 信號(hào)Ufault以及Ucout被輸入至的框5是如下邏輯元件確保只要故障存在，無論該元件的控制如何變化都使用軟關(guān)斷信號(hào)來控制該元件。另一方面，當(dāng)沒有檢測(cè)到故障時(shí)，框5轉(zhuǎn)發(fā)第二控制信號(hào)Ucout的狀態(tài)。從而，框5是產(chǎn)生輸出信號(hào)Uxor的異或邏輯功能單元。信號(hào)Uxor被饋送給計(jì)算輸入值的平均值Uave的框6。平均值計(jì)算框6的另一個(gè)輸入是來自框4的第二控制信號(hào)Ucout。平均值與對(duì)稱輔助電壓+Ucc和-Uee相關(guān)，其為OV0從平均值計(jì)算框6獲得的元件控制信號(hào)Uave被用作實(shí)際控制電壓。信號(hào)Uave被饋送給線性放大器電路7，該線性放大器電路7產(chǎn)生到控制開關(guān)Tl的柵極電阻器的柵極電壓Urgo柵極電壓Urg等于信號(hào)Uave。線性放大器電路7用于產(chǎn)生需要的電流水平，以控制元件。雖然框6計(jì)算其輸入電壓的平均值，但是其輸出的值可以被設(shè)置為期望的電平。如果該計(jì)算通過傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)，用于軟關(guān)斷的輸出電壓電平可以被設(shè)置成在輔助電壓之間的任意值。然而，另外，在使用0伏進(jìn)行軟關(guān)斷的情況下，電流被關(guān)斷得顯著地慢于正常關(guān)斷電壓的情況。表I是給出當(dāng)信號(hào)Ufault以及Ucout作為輸入時(shí)圖I中的框5和框6的輸出的真值表。表I
Ufault Ucout Uxor Uave ~LLL~
~LHH+U^~
~LH0
~HL0
在表I的真值表中，信號(hào)的狀態(tài)被表不為高(K)或低(L)。由表可見，當(dāng)故障信號(hào)Ufault為低時(shí)，即測(cè)量電流低于限值時(shí)，信號(hào)Uxor具有與第二控制信號(hào)Ucout相同的狀態(tài)，而作為(在放大前的)控制信號(hào)的Uave具有值-Uee和+Ucc。從而，在電流低于設(shè)置限值的情況下，該電路不影響控制。當(dāng)測(cè)量的電流大于設(shè)置限值時(shí)，Ufault信號(hào)為高。在這種情況下，產(chǎn)生的元件控制信號(hào)Uave具有0值，該0值是高狀態(tài)和低狀態(tài)的平均值(在對(duì)稱輔助電壓的情況下)。在圖I中，信號(hào)Ufault、Uxor以及Ucout具有邏輯狀態(tài)高和低。這些狀態(tài)被表示為電壓+Ucc和 _Uee。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，邏輯信號(hào)具有+5V(高)和OV(低)的值，并且低電壓狀態(tài)為受控元件的輔助發(fā)射極的電位。這進(jìn) 一步意味著在電路的實(shí)現(xiàn)中，電路的操作電壓是5伏。由于操作被執(zhí)行為邏輯步驟，選擇的電壓電平不改變本發(fā)明的操作。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，在元件控制信號(hào)Uave的計(jì)算中，應(yīng)當(dāng)考慮選擇的電壓電平。例如，在由于故障情況而需要軟關(guān)斷的情況下，施加到受控元件的柵極的電壓不應(yīng)該是表示邏輯狀態(tài)的電壓的直接平均值，而應(yīng)該被換算成控制IGBT的電壓的平均值。因此，如果柵極驅(qū)動(dòng)器的正電壓為+15V，柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電壓為-15V，電路的平均電壓(即，2. 5V)應(yīng)當(dāng)被換算成等于0V。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，電路還包括用于鎖定故障信號(hào)Ufault的保持電路。鎖定的故障信號(hào)阻止開關(guān)元件的使用，直至故障信號(hào)被一些其它信號(hào)釋放為止。釋放信號(hào)可以由電路被組合到其中的設(shè)備的用戶給出?？商娲?，可以當(dāng)與電路相關(guān)的一些標(biāo)準(zhǔn)被滿足時(shí)給出該釋放信號(hào)。本發(fā)明的電路包括用于執(zhí)行該方法的多種裝置。所述裝置可以例如使用數(shù)字和模擬電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。所使用的電路結(jié)構(gòu)例如可以是具有無源元件的運(yùn)算放大器。在上面的描述中，本發(fā)明的方法和電路結(jié)合IGBT進(jìn)行描述。然而，方法和電路可以與基于多數(shù)電荷載流子的任何開關(guān)元件例如MOSFET以及JFET相結(jié)合進(jìn)行操作。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員非常明顯的是隨著技術(shù)的進(jìn)步，本發(fā)明構(gòu)思可以以各種不同的方式來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明及其實(shí)施方式并不限制于上面描述的示例，而是可以在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
1.一種控制功率半導(dǎo)體元件的方法，包括 產(chǎn)生用于控制所述元件的控制信號(hào)(Ucin)； 根據(jù)所述控制信號(hào)(Ucin)形成在所述受控元件的電位中的第二控制信號(hào)(Ucout)，其特征在于如下步驟 測(cè)量流經(jīng)所述元件的電流； 將測(cè)量電流與設(shè)置限值進(jìn)行比較； 基于在所述測(cè)量電流與所述設(shè)置限值之間的比較，提供具有邏輯狀態(tài)的故障信號(hào)(Ufault)； 根據(jù)所述故障信號(hào)(Ufault)和所述第二控制信號(hào)(Ucout)產(chǎn)生元件控制信號(hào)(Uave)，使得如果表示有故障，則所述元件控制信號(hào)具有在高狀態(tài)和低狀態(tài)之間的值，否則所述元 件控制信號(hào)(Uave)的狀態(tài)等于所述第二控制信號(hào)(Ucout)的狀態(tài)；以及使用所述元件控制信號(hào)(Uave)來控制所述元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述元件控制信號(hào)(Uave)通過如下方式產(chǎn)生 將所述第二控制信號(hào)(Ucout)和所述故障信號(hào)(Ufault)饋送給異或電路，以獲得第三控制信號(hào)(Uxor);以及 計(jì)算獲得的所述第三控制信號(hào)(Uxor)與所述第二控制信號(hào)(Ucout)兩者之間的平均值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述元件控制信號(hào)(Uave)被產(chǎn)生為所述第三控制信號(hào)(Uxor)和所述第二控制信號(hào)(Ucout) 二者的數(shù)學(xué)平均值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟通過改變所述元件控制信號(hào)(Uave)的電壓電平來產(chǎn)生柵極電壓(Urg)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生柵極電壓(Urg)包括如下步驟放大所述元件控制信號(hào)(Uave)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求I至5中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟將所述故障信號(hào)饋送給上層控制級(jí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟鎖定所述故障信號(hào)(Ufault)，以禁用對(duì)所述元件的控制。
8.一種用于控制功率半導(dǎo)體元件的控制電路，所述控制電路包括 用于產(chǎn)生控制所述元件的控制信號(hào)(Ucin)的裝置； 用于根據(jù)所述控制信號(hào)(Ucin)來形成在所述受控元件的電位中的第二控制信號(hào)(Ucout)的裝置，其特征在于，所述電路包括 用于測(cè)量流經(jīng)所述元件的電流的裝置； 用于將所述測(cè)量電流與設(shè)置限值進(jìn)行比較的裝置； 用于基于在所述測(cè)量電流與所述設(shè)置限值之間的比較來提供具有邏輯狀態(tài)的故障信號(hào)(Ufault)的裝置； 用于根據(jù)所述故障信號(hào)(Ufault)和所述第二控制信號(hào)(Ucout)來產(chǎn)生元件控制信號(hào)(Uave)的裝置，使得如果表示有故障，則所述元件控制信號(hào)具有在高狀態(tài)和低狀態(tài)之間的值，否則所述元件控制信號(hào)(Uave)的狀態(tài)等于所述第二控制信號(hào)(Ucout)的狀態(tài)；以及用于使用所述元件控制信號(hào)(Uave)來控制 所述元件的裝置。
全文摘要
一種用于控制功率半導(dǎo)體元件的方法和控制電路。該方法包括產(chǎn)生用于控制所述元件的控制信號(hào)(Ucin)；根據(jù)控制信號(hào)(Ucin)形成在受控元件的電位中的第二控制信號(hào)(Ucout)；測(cè)量流經(jīng)所述元件的電流；比較測(cè)量電流與設(shè)置限值；基于所述測(cè)量電流與所述設(shè)置限值之間的比較提供具有邏輯狀態(tài)的故障信號(hào)(Ufault)；根據(jù)故障信號(hào)(Ufault)和第二控制信號(hào)(Ucout)產(chǎn)生元件控制信號(hào)(Uave)，使得如果表示有故障，則所述元件控制信號(hào)具有在高狀態(tài)和低狀態(tài)之間的值，否則所述元件控制信號(hào)(Uave)的狀態(tài)等于所述第二控制信號(hào)(Ucout)的狀態(tài)；以及使用所述元件控制信號(hào)(Uave)來控制所述元件。
文檔編號(hào)H03K17/567GK102655405SQ20121004828
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者尤卡·帕洛邁基, 馬蒂·萊蒂寧 申請(qǐng)人:Abb公司