CN102422535B - 用于保护晶体管的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于保护布置在至少一个线路中的晶体管(S1，S3；S2，S4)的方法和设备，其中串联连接的晶体管(S1，S3；S2，S4)布置在线路(2)中，并且向它们施加输入电压(Ue)，线路中的所述晶体管(S1，S3；S2，S4)在导通状态和截止状态之间交替切换，以在所述线路的中央处产生输出电压(Ua)。为了防止线路的两个晶体管(S1，S3；S2，S4)都触发，在将晶体管(S1；S2)切换到所述导通状态之前检查第二晶体管(S3；S4)的截止状态，并且通过在所述检查过程中产生的信号允许所述切换。

Description

用于保护晶体管的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于保护布置在至少一个线路中的晶体管的方法，其中被施加输入电压的串联连接的两个晶体管布置在线路中，线路中的所述晶体管在导通状态和截止状态之间交替地切换，以便在所述线路的中央处产生输出电压。
本发明还涉及用于保护布置在至少一个线路中的晶体管的设备，其中被施加输入电压的串联连接的两个晶体管布置在线路中，其中所述晶体管被布置成在导通状态和截止状态之间交替地切换，以便产生在所述线路的中央处形成的输出电压
背景技术
US5737169A示出了一种保护场效应晶体管免受过热的电路，其中如果晶体管的栅极引出线的阈值被超过则确定并且截止漏电压。通过所述电路不能防止在线路中串联连接的两个晶体管同时触发。
发明内容
本发明的目的是防止串联连接的两个晶体管同时切换到导通状态，所述两个晶体管在导通状态和截止状态之间交替地切换。
本发明的目的通过所述方法来实现，其中在将晶体管切换到所述导通状态之前检查第二晶体管的截止状态，并且通过在所述检查过程中产生的信号允许所述切换。由于依赖布置在所述线路中的另一晶体管的状态进行所述晶体管的切换过程，能够保证串联连接的两个晶体管绝不会同时处于导通状态，因而避免了短路。其结果是，可以在不同应用中使用晶体管，因而能够使功率耗散最小，并增加了效率。另外能够保证由晶体管构建的电路可靠地操作，这是因为晶体管将只在特定时间才被切换到导通状态，从而排除了电路的未确定行为。
有利的是，通过电压测量部和评价电路在线路的至少两个截止晶体管处进行所述检查。
在所述检查过程中，通过与线路的所述晶体管并联连接的分压器预先确定所述线路的中央出的电位。由此生成作为检查的起始点的确定电位。
根据本发明的进一步的特征，将所述预先确定的电位与参考电压比较，并由此产生所述信号。所述信号将用于允许所述晶体管的切换。
所产生的信号优选包括两个不同状态，其中在一个状态即所谓的允许状态中允许所述切换。
当在所述检查过程中产生的信号在预定切换时间具有所述允许状态时通过控制器(1)进行所述切换。
本发明的目的还通过上述设备来实现，其中为每个线路布置至少一个测量装置，所述测量装置被设计成用于在将第二晶体管切换到所述导通状态之前检查晶体管的截止状态。这种保护装置或保护电路的特征在于其特别简单。
当通过与所述晶体管并联连接的分压器预先确定所述线路的中央处的电位时，以及当所述分压器与所述测量装置连接使得所预先确定的电位被供应至所述测量装置时，可以保证检查电路不会不期望地产生允许信号。这例如在启动过程中或功率较小的情况下有可能发生。
有利的是，所述测量装置与用于所述晶体管的控制器连接，并且所述测量装置被设计成用于产生用于晶体管的切换的信号。
有利的是，线路中的一个晶体管由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成，并且该线路的第二晶体管由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成。
附图说明
下面通过所附的示意图更详细地说明本发明，其中：
图1示出了以晶体管作为切换元件的公知全桥电路的示意图；以及
图2示出了包括本发明的晶体管保护的全桥电路的示意图。
具体实施方式
如从图1明显可见的，由全桥电路形成的输出级由包括晶体管S1和S3的第一线路和包括晶体管S2和S4的第二线路形成。线路中的晶体管串联连接。根据输入电压Ue产生输出电压Ua，该输出电压Ua可以在所述线路的中央接出。为此，线路中的晶体管由控制器1完全相反地或交替地驱动。因而，在作为示例示出的该全桥电路中，同时地驱动不同线路的相应的两个晶体管。同时被驱动的晶体管的数量与所使用的电路(全桥电路、半波整流器、桥接整流器等)对应地匹配。在所描绘的全波电路的情况下，根据从逆变器的中间电路作为输入电压Ue施加在电容器C1处的直流电压，通过晶体管S1和S4产生输出电压Ua的正半波，并且通过晶体管S2和S3产生负半波。关于此点，在正半波产生过程中，晶体管S1和S4导通，而晶体管S2和S3截止。对于负半波的产生，通过控制器1对应地切换晶体管，使得晶体管S1和S4截止，晶体管S2和S3导通。如从现有技术中的逆变器可知，产生了作为能够馈送至电网的输出电压Ua的交流电压。在切换过程中的预定切换时间，晶体管S1至S4截止较短时间，使得电位实质上由电网确定，并且输出级处于所谓的非正常操作。因此，来自电网的其他对应干涉会影响线路中央处的电位，在该处，晶体管S1至S4的反激二极管导通。因为通过将与反激二极管串联连接的晶体管切换到导通状态引起高电流变化di/dt，所以反激二极管也可以通过它们所谓的在相反方向上的“反向恢复特性”而变得导通。由于晶体管的内部电容，由此产生的漏电压的快速变化会导致在控制作用发生自我开启或自我切换到导通状态。可能的是，当晶体管S3(S4)的反激二极管由于电网引起的电位而导通时，例如如果晶体管S1(S2)被切换到导通状态，则这会导致C1或输入电压Ue的短路。这会致使晶体管毁坏。关于此点，特别是在使用像MOSFET之类的晶体管时，反激二极管是从现有技术中普遍公知的由所述晶体管的结构的层构造产生的内部二极管。
为了避免上述状态，根据本发明，在线路中串联连接的晶体管S1或S2被切换到导通状态之前检查晶体管S3或S4的反激二极管的状态。为此，如从图1明显可见的，首先，预先确定输入电压Ue在线路的中央处的电位，例如对称化或从350V二等分为175V，使得基本在晶体管S1和S3之间，施加输入电压Ue的电位的一半。这可以通过具有两个电阻器R1和R3的分压器来实现。由于这些电阻器通过晶体管被切换到导通状态而短路，电位的预先确定将仅仅在非正常操作时进行。为了能够监测在非正常操作(由此确定电位)时产生的电位变化，其次设置具有电压测量部的测量装置2。所述电压测量优选在晶体管S3和S4处进行，使得在晶体管S3和S4的反激二极管由于电位变化而将变成导通的情况下晶体管S1和S2不会被切换到导通状态。因此，电压测量部例如测量MOSFET的漏-源电压或预定电位，二者均表示晶体管的反激二极管的导通性。因此，当电位下降时，该电位下降将被不断地测量非正常操作时的电位的电压测量部检测到。测量装置2根据电压测量部和评价电路(例如比较器)产生信号。所述信号特别可以是方波信号，控制器1可以根据该方波信号的状态(高或低)推断出关于晶体管S1(S2)是否能够被切换到导通状态的信息。
关于此点，电压测量部由分压器形成，该分压器将电阻器R2的电压供应至比较器并对应地降低预定电位，电阻器R2与R1串联连接并且远远小于电阻器R1。比较器将在R2处测量的所述电压与参考电压Uref比较并产生信号。如果在R2处测量的电压小于参考电压Uref，则比较器的输出具有低状态，因而所产生的信号也具有低状态。但是如果在R2处测量的电压大于参考电压Uref，则输出具有高状态，因而所产生的信号也具有高状态，该高状态对应于用于晶体管S1(S2)的切换的允许状态。相应地，如果电位已经下降至设定阈值(例如90V)以下，则所产生的方波信号具有低状态。如果此时所确定的切换时间与方波信号的该时间点一致，晶体管S1(S2)将不会被切换到导通状态，即所述切换不会被允许。这可能是由于如下事实：已经认识到电位具有下降趋势，通过该趋势晶体管的反激二极管将很快变成导通。因而，控制器1等待，直到信号输出高状态，使得能够进行所述切换。因而切换的时间点将被例如推迟到下一个确定的切换时间。然而，当电位在切换时间处高于上述阈值时，则晶体管S1(S2)将切换到导通状态，即切换将被允许。
通过这种电压测量，具体是通过永久地测量电位，能够检测到电压的快速变化，使得也能够检测到毫微秒范围内的变化。电压的这种快速变化具体是由不对称性和叠加的“浪涌”(像闪电和过零时交流电压的浪涌电压)引起的。
因此，通过本发明的方法和本发明的设备，能够确保晶体管S1(S2)将仅仅在线路中的第二晶体管S3(S4)截止时才随后被切换到导通状态。因而，同样在非正常操作时电位的快速变化的情况下，也避免了晶体管发生不明确的切换。非正常操作时的这种电位快速变化具体是由串联连接的晶体管同时开启引起的，即当晶体管切换到导通状态时，另一个晶体管的反激二极管是导通的。这里也可以说直接切换到晶体管的导通通反激二极管。所述快速变化致使元件因为晶体管的漏栅电容而发生不期望的开启。根据本发明，将始终发生可靠的状态切换，并且确保了输出级的输入-即中间电路电压-将不会短路。关于此点，像上述事实方式那样，根据本发明的方法与直流电压是否转换成交流电压或交流电压是否转换成直流电压无关。
当使用导致极低功率耗散的类型的晶体管S3和S4时，根据本发明的方法特别重要。这种晶体管具有非常低的漏源导通电阻RDS(on)，使得它们对电位变化的反应非常敏感。例如在使用AdvancedPowerTechnology的COOLMOS类型的晶体管时尤其如此。根据类型APT60N60BCS，APT60N60BCSG，APT60N60SCS，APT60N60SCSG的所述晶体管050-7239RevB3-2006的数据表(参见www.advancedpower.com)，可以推断出，当期望快速电流变化或电位变化时不建议使用所述类型。另一方面，然而，所述晶体管使得能够获得实质上更好的效率，并且根据本发明，它们可以用在逆变器、电池充电器、焊接设备等的输出级中。

Claims (4)

1.一种用于保护布置在至少一个线路中的晶体管的方法，该方法包括如下步骤：
提供布置在所述至少一个线路中的、串联连接的两个晶体管；
向所述两个晶体管施加输入电压；
使所述两个晶体管在导通状态和截止状态之间交替切换，以在所述至少一个线路的中央处产生输出电压，以防止所述两个晶体管的同时导通状态；
检查所述两个晶体管中的一个第二晶体管的截止状态，之后将所述两个晶体管中的一个第一晶体管切换到导通状态；
通过在所述检查的过程中产生的信号允许所述切换，所述信号包括第一状态和第二状态；
在所述两个晶体管中的一个晶体管被切换到导通状态之前检查所述两个晶体管中的另一个晶体管的反激二极管的状态；
其中在所述第一状态中允许所述切换，所述第一状态包括允许状态；并且
其中当所产生的信号在预定切换时间具有所述允许状态时通过控制器进行所述切换，并且
在所述检查的过程中，通过与所述一个第二晶体管并联连接的分压器预先确定所述至少一个线路的中央处的电位,并且将所述电位与参考电压比较，从而产生所述信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过电压测量部和评价电路对所述至少一个线路的两个晶体管的截止状态进行检查。
3.一种用于保护布置在至少一个线路中的晶体管的设备，该设备包括：
布置在所述至少一个线路中的串联连接的两个晶体管，输入电压被施加至所述两个晶体管，其中所述两个晶体管被布置成在导通状态和截止状态之间交替切换，以在所述至少一个线路的中央处产生输出电压；
为所述至少一个线路布置的至少一个测量装置，以防止所述两个晶体管的同时导通状态，所述至少一个测量装置被设计成用于在将所述两个晶体管的第一晶体管切换到所述导通状态之前检查所述两个晶体管中的第二晶体管的截止状态；
用于所述两个晶体管的控制器，该控制器与所述至少一个测量装置连接；以及
连接至所述两个晶体管中的一个晶体管的反激二极管，其中所述反激二极管被构造成用于在所述两个晶体管中的一个晶体管被切换到导通状态之前检查所述两个晶体管中的另一个晶体管的反激二极管的状态；
其中所述至少一个测量装置被设计成产生用于所述两个晶体管中的晶体管的切换的信号，并且
该设备进一步包括与所述第二晶体管并联连接的、预先确定所述至少一个线路的中央处的电位的分压器，所述分压器与所述至少一个测量装置连接，使得所述电位被供应至所述至少一个测量装置，其中在所述检查的过程中，通过所述分压器预先确定所述至少一个线路的中央处的电位,并且将所述电位与参考电压比较，从而产生所述信号。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第一晶体管由绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管形成，并且其中
所述第二晶体管由金属氧化物半导体场效应晶体管形成。
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