本申請要求2014年7月9日提交的名稱為“MULTI-STAGE GATE TURN-OFF WITH DYNAMIC TIMING”的第62/022,304號美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)。

本申請要求2015年6月19日提交的名稱為“MULTI-STAGE GATE TURN-OFF WITH DYNAMIC TIMING”的第14/744,862號美國申請的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體開關(guān)的斷開(turn off)電路、包括用于半導(dǎo)體開關(guān)的斷開電路和有源箝位電路的系統(tǒng)以及用于斷開半導(dǎo)體開關(guān)的方法。

背景技術(shù)：

已知若干種用于在短路狀態(tài)和/或過電流狀態(tài)的情況下斷開半導(dǎo)體開關(guān)(并且尤其是功率半導(dǎo)體開關(guān))的方法。在一個示例中，半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端(例如柵極端子)可以耦合至第一電阻和第二電阻，其中在正常運行期間，第一電阻被布置為將半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端耦合至參考電位(例如半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極電壓)，并且因此使半導(dǎo)體開關(guān)斷開。在短路和/或過電流的情況下，現(xiàn)在可以在半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端與參考電位之間耦合較大的第二電阻。結(jié)果，用以使半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端放電的電流減小。半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓比正常運行期間減小得要慢。因此可以防止過度突然的斷開操作，這樣的過度突然的斷開操作可能會導(dǎo)致由半導(dǎo)體開關(guān)的輸出端處的負(fù)載兩端的寄生電感確定的、半導(dǎo)體開關(guān)中的危險的過電壓狀況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

用于半導(dǎo)體開關(guān)的第一斷開電路包括：具有可變電阻的元件，所述元件耦合至半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端；用于生成控制輸入端參考信號的電路；以及控制電路，該控制電路被設(shè)計為以閉合控制環(huán)路響應(yīng)于控制輸入端參考信號來調(diào)整具有可變電阻的元件的電阻，以便使半導(dǎo)體開關(guān)斷開。

以閉合控制環(huán)路對具有可變電阻的元件進(jìn)行調(diào)整使得可以提供動態(tài)斷開電路，該動態(tài)斷開電路對于各種不同的半導(dǎo)體開關(guān)實現(xiàn)了令人滿意的結(jié)果。由于可以通過具有可變電阻的元件的經(jīng)調(diào)整的電阻來調(diào)整通過半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端(例如通過柵極輸入端)的電流，所以斷開電路可以動態(tài)地與相應(yīng)的半導(dǎo)體開關(guān)匹配。在來自先前參考文獻(xiàn)的一些斷開電路中，對于不同的半導(dǎo)體開關(guān)需要使用不同的部件，以便確保控制輸入端電壓的令人滿意的分布(profile，曲線)。例如，在以上示例中可能指明的是，對不同類型的半導(dǎo)體開關(guān)使用不同大小的電阻。如果未發(fā)生這種匹配，則可能出現(xiàn)以下情形：短路狀態(tài)持續(xù)較長時間(如果電阻高于所需的電阻)，或者半導(dǎo)體開關(guān)的輸出端處的負(fù)載上的電壓未減小到足夠的程度。其他更復(fù)雜的斷開電路需要更多數(shù)量和/或昂貴的部件。

用于半導(dǎo)體開關(guān)的第二斷開電路包括：具有可變電阻的元件，所述元件耦合至半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端；檢測電路，該檢測電路被設(shè)計為檢測半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端電壓或?qū)?yīng)的控制輸入端電流的米勒平坦區(qū)(Miller plateau，米勒平臺)的結(jié)束；以及控制電路，該控制電路被設(shè)計為控制具有可變電阻的元件的電阻值，使得存在于半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓在米勒平坦區(qū)結(jié)束之后以預(yù)定速率減小。

通過將半導(dǎo)體開關(guān)的斷開分布與米勒平坦區(qū)的結(jié)束的檢測相結(jié)合，第二斷開電路同樣可以與不同的半導(dǎo)體開關(guān)動態(tài)地匹配。對于不同的半導(dǎo)體開關(guān)(在許多情況下，甚至對于寬范圍的溫度和工藝參數(shù))，米勒平坦區(qū)(即這樣一區(qū)域，在該區(qū)域中，通過控制輸入端的基本上總電流促使對半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端與漏極、集電極或陽極輸入端之間的寄生電容進(jìn)行充電，使得半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端與半導(dǎo)體開關(guān)的源極、發(fā)射極或陰極輸入端之間的電壓基本上保持恒定)可以處于類似的電壓范圍內(nèi)。例如，在許多IGBT中，米勒平坦區(qū)可以在9.5伏到11.5伏之間。此外，米勒平坦區(qū)的結(jié)束可以指示這樣一時刻，在該時刻處，半導(dǎo)體開關(guān)的漏極、集電極或陽極電流在短路和/或過電流的情況下減小至安全水平，并且另一方面，斷開運行的持續(xù)不會導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)的輸出端上的高過電壓。因此，可以針對半導(dǎo)體開關(guān)的斷開特性的改變選擇有利的動態(tài)切換點。

在第一實施方案中，用于半導(dǎo)體開關(guān)的斷開電路包括：具有可變電阻的元件，所述元件耦合至半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端；用于生成控制輸入端參考信號的電路；以及控制電路，該控制電路被設(shè)計為以閉合控制環(huán)路響應(yīng)于控制輸入端參考信號來調(diào)整具有可變電阻的元件的電阻，以便使半導(dǎo)體開關(guān)斷開。

該斷開電路可以具有以下特征中的一個或多個。例如，具有可變電阻的元件是半導(dǎo)體開關(guān)。在另一示例中，具有可變電阻的元件是MOSFET半導(dǎo)體開關(guān)，具有可變電阻的元件是MOSFET半導(dǎo)體開關(guān)。此外，具有可變電阻的元件的可變電阻形成在半導(dǎo)體開關(guān)的漏極、陽極或集電極端子與源極、陰極或發(fā)射極端子之間。此外，具有可變電阻的元件與另一電阻串聯(lián)耦合在半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端與參考電位之間。例如，控制輸入端參考信號具有按第一速率的第一下降、具有基本上恒定的信號電平的區(qū)域以及按第二速率的第二下壓。作為另一示例，第二速率高于第一速率。此外，第一速率和第二速率在時間上是可變的。在另一示例中，斷開電路還包括檢測電路，該檢測電路被設(shè)計為檢測半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端電壓或控制輸入端電流的米勒平坦區(qū)的結(jié)束，其中，用于生成控制輸入端參考信號的電路被設(shè)計為響應(yīng)于檢測到米勒平坦區(qū)的結(jié)束使控制輸入端參考信號的電平以預(yù)定速率減小。此外，米勒平坦區(qū)的結(jié)束是基于具有可變電阻的元件的控制輸入端處的電壓來檢測的。此外，當(dāng)具有可變電阻的元件的控制輸入端處的電壓下降到確定的信號電平以下時，檢測到米勒平坦區(qū)的結(jié)束。例如，預(yù)定信號電平在具有可變電阻的元件的預(yù)期柵極閾值電壓的50％至150％的范圍內(nèi)。在另一示例中，預(yù)定信號電平在0.3到2伏的范圍內(nèi)。此外，該預(yù)定信號電平是借助于參考電流并且借助于基于與上述具有可變電阻的元件相同的技術(shù)的第二元件來確定的。在一些情況下，第二元件的面積或柵極寬度是上述具有可變電阻的元件的面積或柵極寬度的K倍，并且其中參考電流被選擇成使得其為針對米勒平坦區(qū)的結(jié)束設(shè)計的、具有可變電阻的元件的輸出電流的閾值的K倍。例如，參考電流被耦合至具有可變電阻的第二元件的控制輸入端，尤其是柵極，以及耦合至具有可變電阻的第二元件的輸出端，尤其是漏極。此外，參考電流被選擇為小于100微安，并且K被選擇為小于1％。在一些情況下，控制輸入端參考信號的電平在米勒平坦區(qū)的結(jié)束到達(dá)之前基本上是恒定的，并且響應(yīng)于檢測到米勒平坦區(qū)的結(jié)束，控制輸入端參考信號的信號電平以預(yù)定速率減小。此外，斷開電路還包括用于檢測半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓的電路。如在另一示例中，控制電路被設(shè)計為響應(yīng)于控制輸入端參考信號和半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓來調(diào)整具有可變電阻的元件的電阻。此外，控制電路包括第一比較電路，以便將控制輸入端參考信號與半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓進(jìn)行比較。例如，用于響應(yīng)于第一比較電路的輸出而生成用于具有可變電阻的元件的控制信號的電路。例如，用于生成控制信號的電路包括第二比較電路，該第二比較電路被設(shè)計為響應(yīng)于第一比較電路的輸出與故障信號的比較而生成用于具有可變電阻的元件的控制信號，該故障信號指示半導(dǎo)體開關(guān)的故障狀態(tài)。此外，斷開電路被設(shè)計為接收指示半導(dǎo)體開關(guān)的故障狀態(tài)的故障信號。此外，半導(dǎo)體開關(guān)的故障狀態(tài)是短路狀態(tài)和/或過電流狀態(tài)。在另一示例中，半導(dǎo)體開關(guān)是功率半導(dǎo)體開關(guān)。作為另一示例，功率半導(dǎo)體開關(guān)是IGBT、IEGT、功率MOSFET或功率雙極型晶體管。在一些情況下，斷開電路還包括有源箝位電路。例如，米勒平坦區(qū)的結(jié)束是基于具有可變電阻的元件上的電壓來檢測的。此外，米勒平坦區(qū)的結(jié)束是基于半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電流來檢測的。此外，米勒平坦區(qū)的結(jié)束是基于半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓來檢測的。在一些情況下，米勒平坦區(qū)的結(jié)束是基于通過半導(dǎo)體開關(guān)的有用電流來檢測的。例如，控制電路被設(shè)計為基于控制輸入端參考信號和具有可變電阻的元件上的電壓、半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電流、半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓或通過半導(dǎo)體開關(guān)的有用電流來檢測具有可變電阻的元件的電阻。在另一示例中，用于生成控制輸入端參考信號的電路包括兩個或更多個電流源和一電容，其中電容被布置為在故障情況下從這兩個或更多個電流源放電。此外，在半導(dǎo)體開關(guān)的接通運行之后，電容被耦合至預(yù)定電壓。此外，兩個或更多個電流源中的第一電流源被設(shè)計為在已經(jīng)檢測到米勒平坦區(qū)的結(jié)束的時刻之后使電容放電。在一些情況下，兩個或更多個電流源中的第二電流源被設(shè)計為使電容放電一直到在電容兩端呈現(xiàn)閾值電壓的時刻。例如，斷開電路還包括停用電路，響應(yīng)于停用信號，該停用電路阻止控制電路響應(yīng)于控制輸入端參考信號調(diào)整具有可變電阻的元件的電阻。

在第二實施方案中，斷開系統(tǒng)包括：第一實施方案的斷開電路中的一個斷開電路以及該斷開電路的一個或多個特征；有源箝位電路，該有源箝位電路被設(shè)計為主動地將半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動電路的輸出電壓增加至為了使半導(dǎo)體開關(guān)的輸出電壓保持在確定的閾值電壓以下所需的程度；以及選擇電路，該選擇電路響應(yīng)于選擇信號啟用斷開電路或有源箝位電路，以便在故障情況下斷開半導(dǎo)體開關(guān)。

斷開系統(tǒng)可以具有以下特征中的一個或多個。例如，有源箝位電路的輸出端耦合至具有可變電阻的元件的控制輸入端。此外，當(dāng)具有可變電阻的元件的控制輸入端與半導(dǎo)體開關(guān)的源極、集電極或陰極輸入端之間的電壓接近預(yù)定閾值電壓時，有源箝位電路使具有可變電阻的元件的控制輸入端處的電壓減小。此外，斷開系統(tǒng)被設(shè)計為使得當(dāng)有源箝位電路被啟用時，阻止控制輸入端參考信號耦合至具有可變電阻的元件的控制輸入端。

在第三實施方案中，用于半導(dǎo)體開關(guān)的斷開電路包括：具有可變電阻的元件，所述元件耦合至半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端；檢測電路，該檢測電路被設(shè)計為檢測半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端電壓或控制輸入端電流的米勒平坦區(qū)的結(jié)束；以及控制電路，該控制電路被設(shè)計為控制具有可變電阻的元件的電阻值，使得存在于半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓在米勒平坦區(qū)結(jié)束之后以預(yù)定速率減小。

斷開電路可以具有以下特征中的一個或多個。例如，米勒平坦區(qū)的結(jié)束是基于具有可變電阻的元件的控制輸入端處的電壓來檢測的。在一些情況下，當(dāng)具有可變電阻的元件的控制輸入端處的電壓下降到確定的信號電平以下時，檢測到米勒平坦區(qū)的結(jié)束。此外，預(yù)定信號電平在具有可變電阻的元件的預(yù)期柵極閾值電壓的50％至150％的范圍內(nèi)。此外，預(yù)定信號電平在0.3到2伏之間。例如，控制輸入端參考信號的電平在米勒平坦區(qū)的結(jié)束到達(dá)之前基本上是恒定的，并且響應(yīng)于檢測到米勒平坦區(qū)的結(jié)束，控制輸入端參考信號的信號電平減小。

在第四實施方案中，用于斷開半導(dǎo)體開關(guān)的方法包括：生成控制輸入端參考信號，以及以閉合控制環(huán)路響應(yīng)于控制輸入端參考信號調(diào)整具有可變電阻的元件的電阻，所述元件耦合至半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端。

在第五實施方案中，用于在控制功率開關(guān)的開關(guān)控制器中使用的驅(qū)動電路包括：被耦合以接收接通信號的接通狀態(tài)驅(qū)動器，其中該接通狀態(tài)驅(qū)動器響應(yīng)于該接通信號輸出用以使功率開關(guān)接通的第一控制信號，并且該第一控制信號基本上等于高閾值；被耦合以接收斷開信號的斷開狀態(tài)驅(qū)動器，其中該斷開狀態(tài)驅(qū)動器響應(yīng)于該斷開信號輸出用以使功率開關(guān)斷開的第一控制信號，并且該第一控制信號基本上等于低閾值；以及被耦合以接收第一控制信號的軟關(guān)斷電路，其中軟關(guān)斷電路以閉合環(huán)路響應(yīng)于故障狀況調(diào)節(jié)第一控制信號，其中軟關(guān)斷電路使第一控制信號從高閾值降低到中間閾值達(dá)一時間段，然后使第一控制信號降低到低閾值，其中該時間段響應(yīng)于功率開關(guān)的米勒平坦區(qū)的結(jié)束而結(jié)束。

驅(qū)動電路可以具有以下特征中的一個或多個。例如，當(dāng)斷開信號達(dá)到第一閾值時，軟關(guān)斷電路檢測到功率開關(guān)的米勒平坦區(qū)的結(jié)束。在另一示例中，斷開狀態(tài)驅(qū)動器還包括晶體管，其中軟關(guān)斷電路被耦合以接收表示該晶體管的柵極電流或柵極電壓的柵極信號，并且在晶體管的柵極信號達(dá)到第一閾值時檢測到功率開關(guān)的米勒平坦區(qū)的結(jié)束。此外，當(dāng)晶體管的柵極信號在消隱時間之后達(dá)到第一閾值時，檢測到功率開關(guān)的米勒平坦區(qū)的結(jié)束。此外，關(guān)斷電路包括被耦合以接收第一控制信號和參考信號的放大器，其中響應(yīng)于故障狀況和功率開關(guān)的米勒平坦區(qū)的結(jié)束，參考信號從高閾值降低到中間閾值達(dá)一時間段，然后降低到低閾值。在一些情況下，當(dāng)晶體管的柵極信號在消隱時間之后達(dá)到第一閾值時，檢測到功率開關(guān)的米勒平坦區(qū)的結(jié)束，其中，消隱時間可以在參考信號基本上等于中間閾值時結(jié)束。例如，如果不存在故障狀況，則參考信號基本上不會在該時間段內(nèi)等于中間閾值。作為另一示例，驅(qū)動電路可以接收有源箝位信號，其中當(dāng)有源箝位信號介于第一閾值與第二閾值之間時，禁用軟關(guān)斷電路。有源箝位信號包括在第一控制信號使功率開關(guān)斷開之前的附加電流。此外，故障狀況可以是功率開關(guān)的過電流狀況。

在第六實施方案中，用于斷開功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路包括：斷開晶體管，該斷開晶體管被耦合以將用于斷開功率半導(dǎo)體開關(guān)的信號接入到功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子上；以及反饋控制環(huán)路，該反饋控制環(huán)路用于控制斷開期間功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子上的電壓，反饋控制環(huán)路。反饋控制環(huán)路包括：反饋路徑，其用于反饋功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子的電壓的測量值；控制端子參考電壓發(fā)生器，其用于生成時間相關(guān)的參考電壓；誤差放大器，用于生成表示控制端子的電壓與時間相關(guān)的參考電壓之間的差值的誤差信號；以及前向路徑，用于向前傳送誤差信號，以用于控制通過斷開晶體管將用于斷開功率半導(dǎo)體開關(guān)的信號接入到功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子上。

該電路可以具有以下特征中的一個或多個。例如，該電路還包括米勒平坦區(qū)檢測電路，該米勒平坦區(qū)檢測電路被耦合以：檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子的電壓在功率半導(dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)附近的電壓電平以下，并輸出指示功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子的電壓在功率半導(dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)附近的電壓電平以下的信號。作為另一示例，控制端子參考電壓發(fā)生器響應(yīng)于指示功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子在米勒平坦區(qū)附近的電壓電平以下的信號，使時間相關(guān)的參考電壓的時間變化率增加。在一些情況下，米勒平坦區(qū)檢測電路包括被耦合以檢測流到功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子的電流的控制端子電流檢測電路。此外，米勒平坦區(qū)檢測電路包括電壓比較器，該電壓比較器被耦合以將功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子與參考電壓進(jìn)行比較。此外，控制端子參考電壓發(fā)生器包括：第一電路，其用于將時間相關(guān)的參考電壓從第一值改變?yōu)樵诠β拾雽?dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)附近的第二值，其中功率半導(dǎo)體開關(guān)在該第一值下接通；以及第二電路，其用于將時間相關(guān)的參考電壓從在功率半導(dǎo)體開關(guān)的米勒電壓附近的第三值改變?yōu)榈谒闹?，其中功率半?dǎo)體開關(guān)在該第四值下斷開。例如，第一電路用于以比第二電路改變時間相關(guān)的參考電壓的時間變化率小的時間變化率改變該參考電壓。作為另一示例，第一電路用于在400納秒到4000納秒的時間內(nèi)將時間相關(guān)的參考電壓從第一值改變?yōu)榈诙?。在一些情況下，第二電路用于在100納秒到2000納秒的時間內(nèi)將時間相關(guān)的參考電壓從第三值改變?yōu)榈谒闹?。在另一示例中，第二電路用于?0納秒到100納秒的時間內(nèi)將時間相關(guān)的參考電壓從第三值改變?yōu)榈谒闹怠４送?，第二值在功率半?dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)以上，并且第三值在功率半導(dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)以下。此外，控制端子參考電壓發(fā)生器包括使時間相關(guān)的參考電壓在第二值與第三值之間保持恒定的電路。對于一些示例，故障檢測電路被耦合以響應(yīng)于檢測到通過功率半導(dǎo)體開關(guān)的電流傳導(dǎo)的故障而輸出故障信號，其中控制端子參考電壓發(fā)生器對故障信號作出響應(yīng)，以使參考電壓從功率半導(dǎo)體開關(guān)在其下開路的值開始改變。作為另一示例，故障檢測電路包括用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓的電路。此外，用于使功率半導(dǎo)體開關(guān)斷開的信號是電流，并且該電路還包括斷開柵極電阻器。此外，功率半導(dǎo)體開關(guān)是IGBT。在一些情況下，斷開晶體管是NMOS晶體管。

附圖說明

參考以下附圖描述了本發(fā)明的非限制性且非窮舉的示例性實施方案，其中在未另作規(guī)定的情況下，在不同的附圖中相同的附圖標(biāo)記涉及相同的部件。

圖1A示出了用于向消耗裝置提供電能的示例性設(shè)備，所述設(shè)備具有用于半導(dǎo)體開關(guān)的控制電路，該控制電路具有本文所描述的斷開電路。

圖1B示出了在正常運行期間或在短路的情況下半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子上的電壓的示例性信號分布和半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓的信號分布。

圖2示出了用于半導(dǎo)體開關(guān)的示例性控制電路，該控制電路具有本文所描述的斷開電路和有源箝位電路。

圖3示出了示例性斷開電路。

圖4示出了具有用于半導(dǎo)體開關(guān)的控制電路的系統(tǒng)中的示例性信號分布，該控制電路具有本文所描述的斷開電路。

圖5示出了與有源箝位電路組合的示例性斷開電路。

圖6示出了示例性斷開電路中的模擬信號分布。

圖7示出了用于檢測米勒平坦區(qū)的結(jié)束的電路中用于生成閾值電壓的示例性電路。

具體實施方式

在下面的描述中給出了許多細(xì)節(jié)以使得能夠透徹地理解本發(fā)明。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說清楚的是，對于實現(xiàn)本發(fā)明而言，所述具體細(xì)節(jié)不是必需的。在另一點上，未詳細(xì)敘述已知的設(shè)備和方法，以便不會不必要地妨礙對本發(fā)明的理解。

在本說明書中，對“實現(xiàn)(implementation)”、“配置(configuration)”、“一示例(an example)”或“示例(example)”的提及意指結(jié)合該實施方案描述的具體的特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，本說明書中不同位置處的措辭“在一種實現(xiàn)中(in one implementation)”、“在一個實施方案中(in one embodiment)”、“一個示例(one example)”或“在一個示例中(in one example)”未必全都指相同的實施方案或相同的示例。

另外，可以在一個或多個實施方案或示例中以任何期望的合適組合和/或子組合來組合具體的特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)。特定的特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)可以包括在提供所描述的功能的集成電路、電子電路、電路邏輯或者其他合適的部件中。此外，將參考以下事實：附圖是用于向本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行說明的目的，并且附圖不一定真正按比例例示。

圖1A示出了用于向消耗裝置110提供電能的設(shè)備100(也稱為功率轉(zhuǎn)換器)，所述設(shè)備具有用于半導(dǎo)體開關(guān)的控制電路，該控制電路具有本文所描述的斷開電路。然而，能量流也可以指向另一方向。在這種情況下，元件110是發(fā)電裝置。在其他設(shè)備中，元件110可以在不同的運行狀態(tài)下運行，既作為消耗裝置又作為發(fā)電裝置。在下文中，僅論述用于提供能量的設(shè)備，其包括剛剛提及的所有情況(可以在不同的輸出端提供能量)。該設(shè)備包括耦合在一起的兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)104、106。另外，設(shè)備100可以接收DC輸入電壓102(U_IN)。該設(shè)備被設(shè)計成通過控制功率半導(dǎo)體開關(guān)104、106而將電能從輸入端傳輸?shù)脚c消耗裝置110連接的輸出端(或?qū)㈦娔苎叵喾捶较騻鬏?。在這種情況下，用于提供電能的設(shè)備可以控制輸出到消耗裝置的電壓電平、電流電平或這兩個變量的組合。在圖1A所示的示例中，功率半導(dǎo)體開關(guān)104、106是IGBT。

在接下來的內(nèi)容中，使用IGBT的示例來說明設(shè)備和方法。然而，本文所描述的斷開設(shè)備不限于與IGBT一起使用。替代地，它們也可以與其他功率半導(dǎo)體開關(guān)組合使用。例如，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極型晶體管(BJT)、注入增強(qiáng)柵晶體管(IEGT)和門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)可以與本文所描述的斷開設(shè)備一起使用。本文所描述的斷開設(shè)備還可以與基于氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體或碳化硅(SiC)半導(dǎo)體的功率半導(dǎo)體開關(guān)一起使用。

功率半導(dǎo)體開關(guān)在切斷狀態(tài)下的最大標(biāo)稱集電極-發(fā)射極電壓、陽極-陰極電壓或漏極-源極電壓可以大于500V，優(yōu)選地大于2kV。

另外，本文所描述的斷開設(shè)備不限于與功率半導(dǎo)體開關(guān)一起使用。因此，其他半導(dǎo)體開關(guān)也可以與本文所描述的斷開設(shè)備一起使用。這里提到的效果和優(yōu)點還至少部分地在具有其他半導(dǎo)體開關(guān)的系統(tǒng)中出現(xiàn)。

由于在下面論述IGBT，因此功率半導(dǎo)體開關(guān)的端子被稱為“集電極”、“柵極”和“發(fā)射極”。然而，如以上已經(jīng)說明的，設(shè)備和方法不限于IGBT。為了避免不必要地冗長的描述，本文的名稱“發(fā)射極”還包括對應(yīng)功率半導(dǎo)體開關(guān)的由“源極”或“陰極”表示的端子。同樣地，文中的術(shù)語“集電極”還包括由“漏極”或“陽極”表示的端子，并且術(shù)語“柵極”表示對應(yīng)功率半導(dǎo)體開關(guān)的由“基極”表示的端子。在接下來的內(nèi)容中，術(shù)語“集電極-發(fā)射極電壓”還包括“漏極-源極電壓”和“陰極-陽極電壓”，并且術(shù)語“集電極電壓”和“發(fā)射極電壓”還分別包括“漏極電壓”或“陽極電壓”和“源極電壓”或“陰極電壓”。

功率半導(dǎo)體開關(guān)104、106各自由第一控制電路118和第二控制電路120控制。所述控制電路提供第一柵極-發(fā)射極驅(qū)動信號130(U_GE1)和第二柵極-發(fā)射極驅(qū)動信號132(U_GE2)，以便控制第一IGBT和第二IGBT的開關(guān)時間?？刂齐娐?18、120二者可以可選地依次由系統(tǒng)控制器114控制。系統(tǒng)控制器114可以具有用于接收系統(tǒng)輸入信號116的輸入端。在圖1A所示的示例中，例示了具有半橋配置的兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)104、106。然而，斷開設(shè)備還可以用在其他拓?fù)渲?。例如，可以耦合具有用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓的分布的設(shè)備或具有控制電路的單個功率半導(dǎo)體開關(guān)(例如單個IGBT)。在其他示例中，在具有六個功率半導(dǎo)體開關(guān)或十二個功率半導(dǎo)體開關(guān)的三相系統(tǒng)中，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)均可以具有用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓的分布的設(shè)備。

除了輸出柵極-發(fā)射極驅(qū)動信號之外，控制電路118、120還接收表示存在于功率半導(dǎo)體開關(guān)104、106上的電壓的信號。這些信號可以是電壓信號或電流信號。在圖1A所示的示例中，每個控制電路118、120在每種情況下具有一個表示集電極-發(fā)射極電壓并且被標(biāo)記為集電極-發(fā)射極電壓信號122、124(U_CE1，U_CE2)的信號。

圖1A將控制電路118、120示為單獨的控制電路。然而，兩個控制電路118、120還可以組合在單個電路中。在這種情況下，單個控制電路控制兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)104、106。此外，第二柵極-發(fā)射極驅(qū)動信號132(U_GE2)可以是反相的第一柵極-發(fā)射極驅(qū)動信號130(U_GE1)。

兩個控制電路118、120包括本文所描述的斷開設(shè)備中的一個。響應(yīng)于短路狀態(tài)和/或過電流狀態(tài)的確立，相應(yīng)的功率半導(dǎo)體開關(guān)104、106可以借助于本文所描述的斷開設(shè)備斷開。

圖1B示出了在正常運行期間和在短路情況下半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子上的電壓的示例性信號分布和半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓的信號分布。在圖1B的上半部分示出了柵極端子與發(fā)射極端子之間的電壓130(U_GE)的信號分布。電壓130(U_GE)被示為具有第一信號電平(V_ON)和不同的第二信號電平(V_OFF)。如果柵極端子處于第一信號電平(V_ON)，則半導(dǎo)體開關(guān)接通(在時間t_ON131內(nèi))。在圖1B的下半部分示出了半導(dǎo)體開關(guān)接通時在正常情況下(左手側(cè))以及在示例性短路和/或過電流情況下(右手側(cè))半導(dǎo)體開關(guān)上的集電極-發(fā)射極電壓125的信號分布。在示出的短路情況下，集電極-發(fā)射極電壓125在接通之后并未迅速降低至相對低的值(然而，還存在集電極-發(fā)射極電壓呈現(xiàn)其他特性分布的另外的短路情況)。這可能導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)和負(fù)載的損壞。因此，應(yīng)當(dāng)快速斷開半導(dǎo)體開關(guān)。然而，如果這發(fā)生得過快，可能在負(fù)載上出現(xiàn)過電壓。為了防止這種情況，可以使用本文所描述的斷開電路。

圖2示出了用于半導(dǎo)體開關(guān)的示例性控制電路218，該控制電路包括本文所描述的斷開電路242和(可選的)有源箝位電路236。控制電路從系統(tǒng)控制器214接收控制命令(所述控制命令又是響應(yīng)于系統(tǒng)輸入信號216生成的)。在驅(qū)動器接口226處，這些控制命令被轉(zhuǎn)換成控制信號250(U_CMD)，這些控制信號經(jīng)由隔離變壓器232傳輸?shù)津?qū)動電路228。驅(qū)動電路228響應(yīng)于經(jīng)由隔離變壓器232接收的控制信號250(U_CMD)來控制半導(dǎo)體開關(guān)204。為此目的，驅(qū)動電路228耦合至半導(dǎo)體開關(guān)204的控制輸入端(例如，柵極輸入端)。

圖2所示的示例性驅(qū)動電路228具有用于半導(dǎo)體開關(guān)的接通(ON)狀態(tài)的驅(qū)動器244和用于半導(dǎo)體開關(guān)的斷開(OFF)狀態(tài)的驅(qū)動器246。所述驅(qū)動器244、246各自生成用于半導(dǎo)體開關(guān)204的驅(qū)動信號230(U_GE)。經(jīng)由驅(qū)動器信號處理單元238對兩個驅(qū)動器244、246進(jìn)行控制，驅(qū)動器信號處理單元從隔離變壓器232接收控制信號250(U_CMD)(并且將它們轉(zhuǎn)換成接通信號254(U_ON)和斷開信號258(U_OFF)，以用于相應(yīng)的驅(qū)動器244、246)。

本文所描述的斷開電路242耦合在驅(qū)動器信號處理單元238與用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器246之間。所述斷開電路242可以確保短路情況下和/或過電流情況下的斷開運行，其中在斷開運行期間，通過半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)電流240(在該示例中為集電極-發(fā)射極電流I_CE)的下降不如正常運行期間那樣陡峭(所謂的“軟關(guān)斷”)。結(jié)果，可以防止在半導(dǎo)體開關(guān)的輸出端上出現(xiàn)危險的過電壓。結(jié)合圖3、圖4和圖5論述關(guān)于各種斷開電路的性質(zhì)的細(xì)節(jié)。

斷開電路242接收：用于用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器246的斷開信號252(U_OFF)；指示短路情況和/或過電流情況的存在的故障信號248；以及存在于半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子處的信號230(例如，柵極-發(fā)射極電壓U_GE)?；谶@些信號，斷開電路242可以動態(tài)地控制半導(dǎo)體開關(guān)204的斷開運行。在一個示例中，存在于半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子處的信號230的分布可以閉合控制環(huán)路進(jìn)行調(diào)整，以便斷開半導(dǎo)體開關(guān)204。在圖2所示的示例中，調(diào)整可以包括生成修改的斷開信號256(U_OFF*)，該修改的斷開信號從斷開電路242傳輸?shù)接糜跀嚅_狀態(tài)的驅(qū)動器246。在一個示例中，該修改的斷開信號256(U_OFF*)可以改變用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器246中具有可變電阻的元件的可變電阻，并且因此影響存在于半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子處的信號230(例如，柵極-發(fā)射極電壓U_GE)的分布。換句話說，修改的斷開信號256(U_OFF*)可以是控制環(huán)路的被操縱變量。在圖2所示的示例中，存在于半導(dǎo)體開關(guān)的控制端子處的信號230(例如柵極-發(fā)射極電壓U_GE)是控制環(huán)路的反饋參數(shù)。然而，其他參數(shù)也可以用作反饋參數(shù)。

另外地或作為替代，可以對用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器246進(jìn)行控制，使得存在于半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓230(例如柵極-發(fā)射極電壓U_GE)在米勒平坦區(qū)的結(jié)束之后以預(yù)定速率減小。以這種方式，動態(tài)斷開電路242可以確保對不同半導(dǎo)體開關(guān)的合適的“軟關(guān)斷”。在一個示例中，可以基于用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器246中具有可變電阻的元件的控制輸入端處的電壓258(U_{G_OFF})的分布來檢測半導(dǎo)體開關(guān)204的控制輸入端電壓或控制輸入端電流的米勒平坦區(qū)的結(jié)束。

控制電路218包括生成故障信號248(U_FLT)的短路和/或過電壓檢測電路234。在一個示例中，短路和/或過電壓保護(hù)電路234可以監(jiān)測半導(dǎo)體開關(guān)204的集電極-發(fā)射極電壓222(U_CE)。如結(jié)合圖1B所提及的，所述集電極-發(fā)射極電壓222(U_CE)在短路情況和/或過電流情況下可能會呈現(xiàn)出特征分布，并且短路和/或過電壓保護(hù)電路234可以檢測該特征分布。

可選地，控制電路218可以包括有源箝位電路236。這可以在故障的情況下提供用于“軟關(guān)斷”的第二電路，該電路可以用作斷開電路242的替代。

由于已經(jīng)關(guān)于圖2論述了用于半導(dǎo)體開關(guān)的、具有本文所描述的斷開電路242和有源箝位電路236的示例性控制電路，將關(guān)于圖3來說明示例性斷開電路。

圖3示出了用于接通狀態(tài)的驅(qū)動器344、用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器346、斷開電路342和半導(dǎo)體開關(guān)304。驅(qū)動器344、346各自包括具有可變電阻的元件361、364(在圖3所示的示例中為NMOS半導(dǎo)體開關(guān)，但是也可以使用具有可變電阻的其他可切換半導(dǎo)體開關(guān)或其他元件)。具有可變電阻的元件361、364各自與可選的電阻362、363串聯(lián)耦合。

用于接通狀態(tài)的驅(qū)動器344的具有可變電阻的元件361(和電阻362)耦合在半導(dǎo)體開關(guān)304的控制輸入端(圖3所示的示例中的柵極輸入端)與第一參考電位360(V_DD)之間。此外，具有可變電阻的元件361被布置為使得該具有可變電阻的元件361可以在其控制端子處(例如在NMOS 361的柵極輸入端處)接收控制電路的接通信號354(U_ON)。因此，如果意在使半導(dǎo)體開關(guān)接通，則減小具有可變電阻的元件361的電阻(例如使NMOS半導(dǎo)體開關(guān)361接通)，使得半導(dǎo)體開關(guān)304的控制輸入端(例如IGBT 304的柵極端子)耦合至高到足以接通該半導(dǎo)體開關(guān)的電位(例如，圖3中的第一參考電位360V_DD)。

類似地，用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器346的具有可變電阻的元件364(和電阻363)耦合在半導(dǎo)體開關(guān)304的控制輸入端(圖3所示示例中的IGBT的柵極輸入端)與第二參考電位312之間。另外，具有可變電阻的元件364被布置為使得其可以在控制端子364(示為NMOS 364的柵極端子)處接收控制電路的修改的斷開信號356(U_OFF*)。因此，如果意在切斷半導(dǎo)體開關(guān)304，則減小具有可變電阻的元件364的電阻(例如使NMOS半導(dǎo)體開關(guān)364接通)，使得半導(dǎo)體開關(guān)304的控制輸入端(IGBT 304的柵極端子)耦合至對于使該半導(dǎo)體開關(guān)切斷而言足夠低的電位(例如第二參考電位312)。通過將控制端子(IGBT的柵極端子)立即拉到第二參考電位來切斷半導(dǎo)體開關(guān)304導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)304的集電極-發(fā)射極電流相對快速地下降。然而，如果存在短路情況，那么由于寄生耦合，集電極-發(fā)射極電流的快速下降可能會導(dǎo)致生成可能危險的過電壓。為了防止可能危險的過電壓的影響，可以在短路情況和/或過電流情況下使用斷開電路342以實現(xiàn)軟關(guān)斷。

在圖3所示的示例中，開關(guān)366(S3)由故障信號348(U_FLT)控制，使得當(dāng)存在故障時(例如，當(dāng)相應(yīng)的檢測電路已經(jīng)識別到故障時)開關(guān)366(S3)開路。結(jié)果，在故障情況下，由斷開電路342修改(原始)斷開信號352(U_OFF)。另一方面，在正常運行期間，開關(guān)S3 366閉合并耦合至固定參考電位312，使得斷開電路342不影響用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器346的具有可變電阻的元件364。

斷開電路342包括：用于生成控制輸入端參考信號370(U_REF)的電路；檢測電路369，其被設(shè)計為檢測半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端電壓或?qū)?yīng)的控制輸入端電流的米勒平坦區(qū)的結(jié)束；以及第一比較電路368，以便將控制輸入端參考信號370(U_REF)與半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓330(U_GE)進(jìn)行比較。

首先，說明用于生成控制輸入端參考信號370(U_REF)的電路。所述電路包括電容，其中參考信號370(U_REF)由電容兩端的電壓形成。在圖3所示的示例中，電容可以耦合至兩個電流源372、373(I₁、I₂)，并且該電容可以通過電流源372、373(I₁、I₂)放電以便使參考信號370(U_REF)的信號電平以第一速率或第二速率減小。第一速率和第二速率可以與電流源372、373(I₁、I₂)和電容的值成比例。首先，一旦半導(dǎo)體開關(guān)304已經(jīng)響應(yīng)于接通信號354(U_ON)接通，電容的第一端子就可以耦合至確定的參考電位360(V_DD)。這在圖3所示的示例中對應(yīng)于半導(dǎo)體開關(guān)304的控制輸入端在接通狀態(tài)下所耦合至的第一參考電位360。由于電容的第二端子處于較低的電位(這在圖3所示的示例中對應(yīng)于半導(dǎo)體開關(guān)304的控制輸入端在斷開狀態(tài)下所耦合至的第二參考電位312)，電容在半導(dǎo)體開關(guān)304的接通狀態(tài)期間被充電到上述確定的電壓，并且因此就在接通開始之前是靜止的。結(jié)果，控制輸入端參考信號370(U_REF)以對應(yīng)于確定的參考電位360(V_DD)的預(yù)定信號電平“開始”。

第一電流源373經(jīng)由開關(guān)377(S1)耦合至第二參考電位312。當(dāng)開關(guān)377(S1)閉合時，第一電流源373使電容以第一速率(對應(yīng)于電流I₁)進(jìn)行放電。用于開關(guān)377(S1)的控制電路可以被設(shè)計為使得開關(guān)377(S1)從檢測到短路情況和/或過電流情況的時刻(或在檢測到短路情況和/或過電流情況之后的預(yù)定時間跨度(time span，時間間隔))一直到半導(dǎo)體開關(guān)304的控制輸入端處的電壓330達(dá)到與半導(dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)對應(yīng)的電壓(示出為信號U_M 375)的時刻保持閉合。因此，在該時間跨度中，電容以第一速率放電。

在圖3所示的示例中，用于開關(guān)377(S1)的控制電路包括比較電路374，該比較電路將電容兩端的電壓(即參考信號370(U_REF))與閾值375(U_M)進(jìn)行比較。該閾值375(U_M)可以被選擇為使得其反映與半導(dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)相對應(yīng)的電壓。對于許多IGBT，該電壓可以在9.5伏與11.5伏之間。如果參考信號370(U_REF)的信號電平達(dá)到閾值375(U_M)，則開關(guān)377(S1)開路。電容現(xiàn)在不再通過電流源373放電。這可能導(dǎo)致參考信號370(U_REF)的信號電平保持基本上(例如，最大變化為初始信號電平的10％)恒定達(dá)確定的時間段。該時間段通過開關(guān)376(S2)的閉合而結(jié)束，并且因此電容的放電運行再次由第二電流源372發(fā)起。

可以通過檢測電路369來確定另一開關(guān)376(S2)的閉合的此時間，該檢測電路被設(shè)計為檢測半導(dǎo)體開關(guān)304的控制輸入端電流或控制輸入端電壓的米勒平坦區(qū)的結(jié)束。在圖3所示的示例中，基于在用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器的具有可變電阻的元件364的控制輸入端處的電壓358(U_{G_OFF})(例如，具有可變電阻的元件364的柵極電壓)來確定米勒平坦區(qū)的結(jié)束。如果該電壓下降到預(yù)定閾值U_TH以下，則這可以指示米勒平坦區(qū)的結(jié)束(米勒平坦區(qū)的結(jié)束與對該閾值的下沖的一致在這種情況下可能是不完美的，但是對該閾值的下沖提供對米勒平坦區(qū)的結(jié)束時間的良好估計)。

在圖7中示出了用于生成閾值U_TH的示例性電路。在一個示例中，閾值U_TH在具有可變電阻的元件364的預(yù)期柵極閾值電壓的50％至150％的范圍內(nèi)。在另一示例中，閾值U_TH可以在0.3到2伏的范圍內(nèi)。在圖7所示的示例中，用于生成閾值U_TH的電路包括具有可變電阻的第二元件799，該具有可變電阻的第二元件基于與用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器的具有可變電阻的元件764相同的技術(shù)(在圖7所示的示例中為NMOS半導(dǎo)體開關(guān))。參考電流785(I_REF)可以耦合至第二元件799的控制輸入端(例如柵極端子)和第二元件799的第一端子(例如漏極端子)。第二元件799的面積或柵極寬度可以是用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器的具有可變電阻的元件764的面積或柵極寬度的K倍，其中參考電流785(I_REF)被選擇為使得其為針對米勒平坦區(qū)的結(jié)束設(shè)計的、具有可變電阻的元件764的輸出電流的閾值的K倍。在一個示例中，參考電流785(I_REF)小于100微安，并且K小于1％。給定這樣的電路，閾值U_TH可以對應(yīng)于具有可變電阻的第二元件799的控制輸入端處的電壓。

在圖3所示的示例中，用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器346的具有可變電阻的元件364的控制輸入端處的電壓(NMOS 364的柵極電壓)可以用于檢測米勒平坦區(qū)結(jié)束的時刻。然而，該時刻還可以基于其他信號來確定。在其他示例中，使用用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器的具有可變電阻的元件364的控制輸入端處的電流來確定米勒平坦區(qū)的結(jié)束。例如，當(dāng)米勒平坦區(qū)的結(jié)束到達(dá)時，用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器346的具有可變電阻的元件364的控制輸入端處的電流趨于零。在又一示例中，可以使用半導(dǎo)體開關(guān)304的控制電壓或控制電流。在另外的示例中，可以檢測半導(dǎo)體開關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓或半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)電流，以便檢測米勒平坦區(qū)的結(jié)束。

通過閉合開關(guān)376(S2)，電容從米勒平坦區(qū)結(jié)束開始以第二速率放電。該放電運行可以持續(xù)，直到電容已經(jīng)完全放電為止(或者直到電容已經(jīng)放電到預(yù)定最小值為止)。因此，參考信號370(U_REF)可以具有圖4所示的分布，其中兩個區(qū)域具有下降的信號電平。在這種情況下，可以根據(jù)需要設(shè)置第一速率和第二速率。例如，第二速率可以是第一速率的兩倍高或更高。在其他示例中，第一速率和第二速率相同。

由圖3所示的用于生成控制輸入端參考信號的電路生成的參考信號370(U_REF)可以包括兩個具有下降的信號電平的區(qū)域，其中在所述區(qū)域之間嵌入有具有基本上恒定的信號電平的區(qū)域。然而，該區(qū)域順序不是必需的。例如，第一速率和/或第二速率可以在時間上變化。在其他示例中，參考信號370(U_REF)可以具有不止兩個具有下降的信號電平的區(qū)域，在這些具有下降的信號電平的區(qū)域中，信號以不同的速率下降。具有基本上恒定的信號電平的另外的區(qū)域可以嵌入在這些區(qū)域之間。

由于已經(jīng)在前面的段落中論述了參考信號370(U_REF)的生成，下面將描述使用該參考信號370(U_REF)來實現(xiàn)“軟關(guān)斷”。在這點上，可以通過第一比較電路368將參考信號370(U_REF)與半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓330(U_GE)進(jìn)行比較。響應(yīng)于該比較，可以為用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器346的具有可變電阻的元件364生成修改的控制信號356(U_OFF*)。在圖3所示的示例中，為此目的將斷開信號352(U_OFF)轉(zhuǎn)換為修改的斷開信號356(U_OFF*)。這可以在減法電路365中進(jìn)行。

以這種方式，可以閉合控制環(huán)路調(diào)整具有可變電阻的元件364的可變電阻，以便實現(xiàn)與參考信號370(U_REF)的分布對應(yīng)的、半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓330(U_GE)的分布。以這種方式，半導(dǎo)體開關(guān)經(jīng)受“軟關(guān)斷”。

在其他示例中，用于閉合控制環(huán)路的反饋變量可以是與半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電壓330(U_GE)不同的、基于其可以監(jiān)測半導(dǎo)體開關(guān)的斷開運行的信號(例如，半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端處的電流或半導(dǎo)體開關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓)。在這些情況下，可能需要給予參考信號370(U_REF)與圖3的示例中所示的分布不同的分布。然而，同樣在這些示例中，閉合控制環(huán)路的被操縱變量可以是用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器346的具有可變電阻的元件364的電阻(或改變具有可變電阻的元件364的電阻的控制信號)。

圖4示出了具有用于半導(dǎo)體開關(guān)的控制電路的系統(tǒng)中的示例性信號分布，該控制電路具有本文所描述的斷開電路。圖4中的信號示出了半導(dǎo)體開關(guān)的兩個示例性切換周期。第一切換周期(頁面左手側(cè)的曲線圖)具有正常分布，而在第二切換周期(頁面右手側(cè)的曲線圖)出現(xiàn)短路情況或過電流情況。第一曲線圖示出了例如從圖2中的驅(qū)動器接口226傳輸?shù)娇刂齐娐?28的控制信號450(U_CMD)。可以由這些控制信號450(U_CMD)生成接通信號452(U_ON)和斷開信號454(U_OFF)。第五曲線圖示出了半導(dǎo)體開關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓422(V_CE)的分布和半導(dǎo)體開關(guān)的集電極-發(fā)射極電流423(I_CE)的分布。已經(jīng)關(guān)于圖1B對這些分布的一些特性進(jìn)行了說明。在第二接通時段的開始，發(fā)生故障。集電極-發(fā)射極電壓422(V_CE)不會像在正常情況下所預(yù)期的那樣嚴(yán)格地下降。此外，集電極-發(fā)射極電流423(I_CE)增加到與在正常情況下相比較高的值(增加的故障電流449(I_FT)在流動)。這可以通過短路和/或過電壓檢測電路進(jìn)行檢測，該短路和/或過電壓檢測電路隨即輸出圖4中示為第六曲線圖的故障信號448(U_FLT)。結(jié)果，可以啟用斷開電路，以便確?！败涥P(guān)斷”。

為此目的，可以生成控制輸入端參考信號470(U_REF)。圖4中的示例性參考信號470(U_REF)首先以第一速率從預(yù)定電平下降，然后在一時間段內(nèi)保持基本上恒定，該時間段通過半導(dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)的結(jié)束而結(jié)束。然后，參考信號470(U_REF)的信號電平以第二速率下降。如圖4所示，當(dāng)檢測到過電流和/或短路時，斷開電路將半導(dǎo)體開關(guān)的柵極-發(fā)射極電壓430(U_GE-例示為從底部起的第三曲線圖)調(diào)整至參考信號470(U_REF)。這可以產(chǎn)生以下結(jié)果：半導(dǎo)體開關(guān)的斷開運行與正常運行期間的“硬關(guān)斷”相比延長。該延長可以在圖4中通過將第一切換周期和第二切換周期中的柵極-發(fā)射極電壓430的下降沿進(jìn)行比較來識別。斷開運行的延時在這種情況下與半導(dǎo)體開關(guān)的米勒平坦區(qū)的結(jié)束的檢測相關(guān)：半導(dǎo)體開關(guān)僅在米勒平坦區(qū)的結(jié)束已經(jīng)到達(dá)時才最終斷開。因此，可以避免負(fù)載上的危險的高電壓。

圖4中的第四曲線圖示出了由斷開電路(例如圖3所示的斷開電路)修改的示例性斷開信號456(U_OFF*)。該信號可以被饋送到用于半導(dǎo)體開關(guān)的斷開狀態(tài)的驅(qū)動器的具有可變電阻的元件的控制輸入端，以便調(diào)整半導(dǎo)體開關(guān)的斷開運行。在圖4所示的示例中，修改的斷開信號456(U_OFF*)的上升沿比斷開信號454(U_OFF)的上升沿長。這可以導(dǎo)致用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器中的半導(dǎo)體開關(guān)(例如圖3中的NMOS 364)的接通運行并且因此導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)(例如圖3中的IGBT 304)的斷開運行在時間上被拉長，以便實現(xiàn)“軟關(guān)斷”。圖4中最下面的曲線圖示出了用于檢測電路369的檢測信號458(U_{G_OFF})，該檢測電路被設(shè)計為檢測半導(dǎo)體開關(guān)的控制輸入端電壓或?qū)?yīng)的控制輸入端電流的米勒平坦區(qū)的結(jié)束。檢測信號458(U_{G_OFF})可以對應(yīng)于修改的斷開信號456(U_OFF*)或者可以基于修改的斷開信號456(U_OFF*)生成。

圖6示出了用于斷開電路的、對應(yīng)于圖4中的信號的模擬信號分布。特別地，在從頂部起的第四曲線圖中，可以看出如何通過示例性斷開電路將待切換的功率半導(dǎo)體開關(guān)的柵極處的電壓(U_GE)的分布調(diào)整至柵極參考信號(V_Gref)。

圖5示出了與有源箝位電路組合的示例性斷開電路542。在這種情況下斷開電路的元件以及用于接通狀態(tài)的驅(qū)動器和用于斷開狀態(tài)的驅(qū)動器的元件對應(yīng)于圖3所示的相應(yīng)元件。斷開電路542還包括開關(guān)S3 566，該開關(guān)耦合至比較器568的同相輸入端和具有控制輸入端參考信號(U_REF)的電容570。當(dāng)沒有檢測到故障(故障信號U_FLT548為邏輯低，而反相的故障信號為邏輯高)時，開關(guān)S3 566閉合，比較器568的同相輸入端處的電壓基本上等于返回電壓(return)512。這樣，類似于圖3，修改的斷開信號556(U_OFF*)基本上是斷開信號552(U_OFF)。當(dāng)檢測到故障(故障信號U_FLT 548為邏輯高并且開關(guān)S4B 576接通)時，控制輸入端參考信號570(U_REF)以預(yù)定信號電平“開始”，該預(yù)定信號電平對應(yīng)于確定的參考電位560(V_DD)。當(dāng)開關(guān)S4A接通時(即當(dāng)U_ON554為邏輯高時)，控制輸入端參考信號570(U_REF)被充電至確定的參考電位560(V_DD)。另外，然而當(dāng)相應(yīng)的信號560(U_ACL)有所指示時，圖5中的斷開電路可以被停用。這意味著，使用圖5的示例，有源箝位電路確保“軟關(guān)斷”，使得斷開電路不需要變?yōu)閱⒂玫摹?/p>

在圖5所示的示例中，信號560(U_ACL)的近似為零的信號電平意味著有源箝位電路是未啟用的。如果有源箝位電路被啟用，則信號560(U_ACL)具有正電平或負(fù)電平。該狀態(tài)由比較電路578、579(例如通過將信號560(U_ACL)的信號電平與第一(較低)閾值(E1)和第二(較高)閾值(E2)進(jìn)行比較)來檢測。比較電路耦合至NOR(或非)電路580，使得檢測到信號560(U_ACL)的信號電平既不在第二閾值(E2)以上也不在第一閾值(E1)以下。隨即，可以生成用于斷開電路的對應(yīng)啟用信號577(SSD_EN)。例如，NOR電路580的輸出端可以耦合至D觸發(fā)器581的數(shù)據(jù)輸入端，響應(yīng)于該D觸發(fā)器的輸出生成啟用信號566(SSD_EN)。在這種情況下，故障信號548(U_FLT)可以耦合至D觸發(fā)器581的時鐘輸入端。這與斷開電路的第一比較電路568的輸出信號相關(guān)聯(lián)。因此，如果啟用信號566(SSD_EN)具有高信號電平，則斷開電路進(jìn)行如上所進(jìn)一步描述的斷開運行。另一方面，如果啟用信號566(SSD_EN)具有低信號電平(這指示有源箝位電路的運行)，則抑制斷開電路的影響。在這種情況下，有源箝位電路確?！败涥P(guān)斷”?？梢元毩⒂谟性大槲浑娐返拇嬖趤硖峁┯糜趩⒂脭嚅_設(shè)備的設(shè)備。然后如果在確定的控制電路中提供了有源箝位電路，則用于啟用斷開設(shè)備的設(shè)備可以具有對應(yīng)的電路。

在其他示例中，用于在斷開電路與有源箝位電路之間進(jìn)行選擇的選擇電路可以包括另外的元件。例如，在每次斷開運行之前，可以向用于信號560(U_ACL)的輸入端饋送電流。由內(nèi)部電路提供并且提供信息至相同網(wǎng)(net)(即圖5中的U_ACL)的附加電流可以用于測試提供給該網(wǎng)的電流是否將在該網(wǎng)處引起電壓。如果是這種情況，則有源箝位信號可能是有效的。此外，觸發(fā)器581的輸出脈沖的持續(xù)時間可以被延長至預(yù)定的最小持續(xù)時間，其中啟用信號566(SSD_EN)是響應(yīng)于該觸發(fā)器的輸出脈沖生成的。替代地，可以將比較電路578、579的輸出脈沖的持續(xù)時間延長至預(yù)定的最小持續(xù)時間。利用這些措施，可以使對選擇電路的故障的敏感性降低。對本發(fā)明的所例示示例的以上描述并非意在是窮舉的或限于所述示例。雖然為了說明的目的在本文中描述了本發(fā)明的具體實施方案和示例，但是可以在不脫離本發(fā)明的情況下進(jìn)行各種修改。電壓、電流、頻率、功率、范圍值、時間等的具體示例僅僅是說明性的，使得還可以用這些變量的其他值來實現(xiàn)本發(fā)明。

根據(jù)以上詳細(xì)描述，可以使用本發(fā)明的示例來實現(xiàn)這些修改。在所附權(quán)利要求書中使用的術(shù)語不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制于在說明書和權(quán)利要求書中公開的具體實施方案。本說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。