CN103036547B

CN103036547B - 半导体器件中负载电流的过零检测

Info

Publication number: CN103036547B
Application number: CN201210378158.3A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·多梅斯
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-10-08
Also published as: US8471600B2; JP2013081360A; US20130082741A1; CN103036547A; DE102012217709A1; DE102012217709B4; JP5439564B2

Abstract

本发明涉及半导体器件中负载电流的过零检测，公开了一种电路布置，包括具有栅电极和在发射极与集电极之间的电流路径的反向导通晶体管。该晶体管被构造成允许在正向上和反向上传导的负载电流通过负载电流路径并且被构造成通过在栅电极的相应信号被激活或被禁用。该电路布置还包括栅极控制单元和监控单元。栅极控制单元被连接至栅电极并且被构造成禁用该晶体管或者防止当晶体管处于反向导通状态时经由栅电极的晶体管的激活。监控单元被构造成检测，在晶体管通过栅极控制单元被禁用或防止激活的同时，在该负载电流过零时产生的，反向导通晶体管的集电极-发射极电压的突然上升。

Description

半导体器件中负载电流的过零检测

技术领域

本公开涉及用于检测通过半导体器件的负载电流的过零的电路结构和方法，尤其是诸如绝缘栅双极晶体管的反向导通晶体管。

背景技术

绝缘栅双极晶体管（IGBT）被用在例如逆变器电路（invertercircuit）中，以调节诸如电机的电感负载。在逆变器电路中，IGBT与续流二极管并联连接，以允许在IGBT例如结合电感负载被应用的情况下变得必要的双向电流。然而，并联续流二极管的应用具有许多缺点。例如，IGBT外壳必须被设计成容纳IGBT主体和分立的续流二极管这二者并且两个组件的焊接复杂而昂贵。

为了克服这些缺点，反向导通IGBT（所谓的RC-IGBT）已变得流行，诸如在美国专利申请公开No.2007/0231973A1中所披露的那些，其中，IGBT和续流二极管被单片地形成为一个单个的半导体组件。p型掺杂的集电极区域通过切口被局部地中断，其中n型掺杂半导体材料与集电极金属接触，在MOS沟道区域中在发射极结构、轻微掺杂漏极区域与p型掺杂掺杂之间获得了所谓的PIN电极结构。

与IGBT反平行连接的续流二极管的导通状态并不取决于IGBT的导通状态，而RC-IGBT的内部续流二极管受RC-IGBT的MOS沟道区域的导通状态的影响。即，如果RC-IGBT在其反向导通状态期间经由其栅电极被激活，则MOS沟道导通。由于MOS沟道允许双向电流，所以在反向导通路径中的电子会沿着在触发栅电极的情况中的附加电流路径，在这个过程中，由于并不是所有的电子都贡献于在多数情况下是所不期望的PIN二极管的泛滥（flooding），所以在PIN二极管结构中正向电压降会大大提高。

在德国专利申请公开DE102009001029A1中，披露了克服前面所述问题的控制方法和相应的电路布置，控制方法涉及用于检测RC-IGBT中的电流方向的方法。此方法的一个缺点会是需要至少一个（或多个串联）的高阻断能力的二极管。这些二极管昂贵并且由于所需的爬电距离而在电力电子装置内需要较大的空间。

美国专利申请US12/943,079披露了用于克服前面所描述的问题并且用于防止RC-IGBT在其反向导通状态经由其栅电极被导通的电路布置及对应的控制方法，该控制方法涉及用于检测RC-IGBT中的电流方向的方法。此方法是基于在器件被被动切换的情况下检测通过RC-IGBT的栅极连接点传输的电荷电流。如果RC-IGBT在不存在其专门的栅极驱动的主动切换事件的情况下从正向阻断变成反向导通模式，则被动切换事件发生，或者与之相反。

然而，在半桥构造中，被动切换事件仅会发生在死时（dead-time）的开始这一情况导致问题产生。如果被动切换事件发生并且防止了RC-IGBT因此被导通以及在RC-IGBT仍是截止的同时负载电流的过零出现，这造成了高度失真的电流波形并且使得过零不可能。

存在的总的需要是克服或者至少减轻上面讨论的问题，另外存在的需要是提供一种用以检测负载电流的过零并且在过零出现的情况下将RC-IGBT导通的电路布置以及对应方法。

发明内容

根据一种实施方式，一种电路布置包括：反向导通晶体管，被构造成允许在正向上和反向上传导负载电流，该晶体管具有负载电流路径和栅电极；栅极控制单元，被连接至栅电极并且被构造成禁用晶体管或者防止当晶体管处于反向导通状态时经由其栅电极的晶体管的激活；监控单元，被构造成检测，在晶体管被禁用或通过栅极控制单元来防止激活时，在负载电流过零时产生的该反向导通晶体管的集电极-发射极电压的突然上升。

根据另一实施方式，公开了一种方法，用于在晶体管处于反向导通状态并且被禁用或通过栅极控制单元来防止激活的同时检测晶体管的负载电流的过零。

通过阅读下面的详细描述并且通过观看附图，本领域的那些技术人员将了解其他的特征和优点。

附图说明

可参照下面的附图和描述更好地理解发明。图中的组件并不一定是按比例的，而是强调示出发明的原理。在图中，相同的参考号表明对应的部件。在图中：

图1是示出被连接至包括电感器的负载阻抗的RC-IGBT半桥电路布置的示意图；

图2是示出包括用于每个晶体管的栅极控制单元的图1的RC-IGBT半桥的示意图；

图3是示出监视对应RC-IGBT的导通状态并且根据其导通状态来切换晶体管的带有栅极控制单元的RC-IGBT的示意图；

图4是示出利用栅极驱动电路的用于栅极电流感测的各种可选方案的示意图；

图5是示出借助于被连接至栅极驱动电路的电流镜感测的栅极电流的电流布置的示意图；

图6是示出在负载电流的过零未出现时图1中的逆变器半桥（inverterhalf-bridge）以及图4中的电路布置的控制信号、电流以及电压的时间响应的时间图；

图7是示出用于过零检测的电路布置的示意图；

图8是示出图7中的电路布置的控制信号、电流以及电压的时间响应的时间图；

图9是示出用于过零检测的另一电路布置的示意图；

图10是示出用于过零检测的另一电路布置的示意图；

图11是示出用于过零检测的另一电路布置的示意图；以及

图12是输出被连接至包括电感器的负载阻抗的场效应晶体管半桥电路布置的示意图。

具体实施方式

在使用晶体管的许多应用中，可使用不止一种晶体管。经常可使用例如场效应晶体管（FET）或绝缘栅双极晶体管（IGBT）。例如，IGBT通常与并联连接至其负载电流路径的续流二极管一起工作。所谓的反向导通IGBT（RC-IGBT）具有内部反向二极管，因此不再需要单独的续流二极管。这种RC-IGBT还可用来替代IGBT、FET或其他晶体管。

例如，RC-IGBT可被用在（电力）变流器中，其中IGBT半桥用于控制每相电流。图1示意性地示出了这种半桥。IGBT半桥可包括串联连接的两个n沟道IGBTT_1TOP、T_1BOT，其中操作电压V_DC（中间电压或DC链电压）被施加在半桥上，即，在高侧晶体管T_1TOP的集电极与低侧晶体管T_1BOT的发射极之间。高侧晶体管T_1TOP的集电极电位在本文中被称为V_CC，而下部晶体管T_1BOT的发射极电位在本文中被称为V_EE。晶体管T_1TOP和T_1BOT的公共电路节点是向所连接的负载阻抗提供输出电流i_OUT（也称作相位电流）的半桥的输出节点。在多数情况下，负载阻抗包括电感负载。一般来说，DC链电压关于基准电位GND是对称的；即，VCC=VDC/2并且VEE=-VDC/2。在此情况中，负载被连接在半桥的输出与基准电位GND之间。

针对每个晶体管IGBTT_1TOP、T_1BOT提供栅极控制单元10，以控制输出电流I_L（半桥输出电流）。栅极控制单元10可包括栅极切换单元102（参见在下面进一步描述的图3），其可被构造成获得电流I_L（即，渐进形电流梯级（edge-shapedcurrentstep））的特定时间响应和/或防止半桥被短路。栅极控制单元10都提供有均指示对应晶体管T_1TOP和T_1BOT的期望导通状态的（二进制）栅极控制信号S_1TOP和S_1BOT。包括栅极控制单元10的逆变器半桥在图2中示出。

以图2中所示的半桥为例的半桥可具有四种可能的切换状态。根据控制信号S_1TOP和S_1BOT和可通过电感负载确定的输出电流I_L的方向，半桥输出节点的输出电位取值约为值V_EE=-V_DC/2或V_CC=V_DC/2。

考虑RC-IGBT控制信号S_1TOP、S_1BOT二者都将其对应的晶体管切换至其截至状态（S_1TOP=0、S_1BOT=0）的第一状态，输出电流I_L可根据输出电流I_L的方向仅流过晶体管T_1TOP或晶体管T_1BOT的内部反向二极管。即，输出电流I_L或者流过上部晶体管T_1TOP的内部续流二极管或者流过下部晶体管的续流续流二极管。因此，输出电位是V_EE（在负输出电流I_L的情况下）或者V_CC（在正输出电流I_L的情况下），这仅仅是近似，因为内部二极管的正向电压降在上面的讨论中被忽略。

如果在第二状态中仅晶体管T_1BOT被切换成其导通状态（还称为接通状态），（S_1TOP=0，S_1BOT=1），则不依赖于输出电流I_L的方向，输出电位都约等于V_EE。在正输出电流I_L的情况中（正电流在如图2中通过称为输出电流I_L的箭头指示的方向上流过），晶体管T_1BOT处于其正向导通状态，而在负输出电流的情况中，晶体管T_1BOT处于其反向导通状态。其中仅晶体管T_1TOP被切换成其导通状态（S_1TOP=1,S_1BOT=0）的第三切换状态与上面描述的第二切换状态是互补的。因此，在此第三状态中，输出电位约等于V_CC。

第四状态指两个晶体管T_1BOT和T_1TOP都被切换至其正向导通状态（S_1TOP=S_1BOT=1）的状态。然而，在这种状态中，DC链电压V_DC将被短路，这可能造成故障或者甚至半桥的破坏。因此栅极驱动电路应被构造成防止这种半桥击穿。

在仅晶体管T_1TOP或晶体管T_1BOT被切换成接通的第二和第三切换状态中，当晶体管处于反向导通状态的同时被激活（即，S_1TOP=1或者相应地S_1BOT=1）时，可出现上述的问题。在这种情况下，其负载路径上的电压降会大大增加，不可避免地造成增加的损耗并且因此造成大量的热量产生。更准确地说，此问题可出现在负输出电流i_OUT情况下的第二状态中以及在正输出电流i_OUT情况下的第三状态中。

图3示出了包括能够经由其负载路径使在正向方向上（经由MOS沟道）和在反向方向上（经由内部反平行反向二极管）使负载电流导通的反向导通IGBTT₁的电路布置。

晶体管T₁包括被连接至栅极控制单元10的栅电极G，其根据对应的控制信号S₁来接通和切断IGBT的正向电流路径。栅极控制单元10包括耦接至栅电极G的栅极切换单元102，栅极控制单元10被构造成根据控制信号S₁向栅极G提供适当的栅极控制信号，因此，将晶体管的正向电流路径切换成接通状态或断开状态。

被提供至栅电极G的栅极控制信号根据晶体管T₁是电流驱动或电压驱动而可以是合适的栅极-发射极电压V_GE或栅极电流i_GATE。

有多种用于阻断或消灭（blank）信号S₁的选择，从而即使信号S₁在高电平时仍防止晶体管T₁的接通。例如，信号S₁在被允许进入产生栅极控制信号的栅极驱动单元102之前穿过与门103。电流方向信号S_VA通过栅极驱动单元102和其他组件（在下文中将进行描述）产生并且被施加于与门103的输入端。假设S_VR=0，如果晶体管T₁处于其反向导通状态，则信号S₁将在到达栅极驱动单元102之前被消灭。因此，在晶体管处于其反向导通状态的情况下防止了信号S₁激活晶体管T₁。此外，假设S_VR=1，如果晶体管并不处于其反向导通状态（接通状态或被阻断），则信号S₁并不被消灭并且继续通过栅极切换单元102，然后这会产生将晶体管切换成其导通状态的合适的栅极控制信号。

每个电子开关都被认为存在固有的寄生电容，因此对如在图1至图3中所介绍的实施方式中所使用的RC-IGBT也是固有的。在图5的电路图中示出了栅极-集电极电容C_GC和栅极-发射极电容C_GE。然而，与栅极-集电极电容C_GC相比，栅极-发射极电容C_GE在下面的考虑中可被忽略。所述电容（具体地，栅极-集电极电容C_GC）通过在栅电极G中的栅极电流i_GATE充电和放电。一旦RC-IGBT的负载路径（集电极-发射极路径）上的电压降的方向改变，则电容C_GC被充电或放电。电压降的方向改变是由于IGBT的负载电流的改变造成。电容C_GC的充电意味着导致可用来确定对应RC-IGBT的导通状态的对应栅极电流i_GATE的位移电流（displacementcurrent）。

如果通过RC-IGBT的二极管的电流I_L为正但随时间下降并在一个点处过零，则二极管不能被立刻阻断。这是因为二极管中存有载流子。在短时间内，负载电流已经为负，但仍流过晶体管。当从二极管完全地移除了所存储的载流子时，该器件不再能传导电流。在穿过此二极管的电流路径不再存在的时刻，电流不得不寻找不同的电流路径。在半桥电路中，在这种情况下，电流转向相对的晶体管（开关）的二极管。因此，与不会再传导电流的二极管相关的晶体管的集电极-发射极电压突然上升至V_DC水平。如果集电极发射极电压上升，则集电极-栅极电压也上升，引起寄生电容C_CG的充电电流。

为了获得导通状态信号S_VR，栅极驱动单元102被构造成能够感测流至和流自RC-IGBT的栅电极G的栅极电流。图4示出了可能的实施方式。电流测量装置，例如，合适的安培表，可设置在栅极驱动的第一供电线中（装置A1），和/或在第二供电线中（装置A2），和/或在栅极驱动输出线中（装置A3），栅极驱动输出线有时被称为栅极线。可以想到，也可在电路系统中设置这三个电流测量装置中的两个以上。然而，在许多应用中，三个电流测量装置中的一个就足够了。

根据图4中所示的实施方式，分流电阻R_S可作为电流测量装置被连接在栅极驱动单元102与所连接的晶体管的栅电极之间（即，栅极电阻器被插入栅极驱动输出线）。在这种情况下，例如，并联的电压测量装置V1可被用于感测栅极电流。可将用于本文所描述的栅电流感测的一个或多个电流测量装置或方法结合。根据另一实施方式，分流电阻可被设置在向栅极驱动单元102供电的第一（高侧）和或在第二（低侧）供电线中。此外，可测量分流电阻上的电压降，从而获得表示栅极电流的测量值。

通常将一电阻设置在栅极G与栅极驱动102的输出端之间。通常被称为栅极电阻R_G（未示出）的此电阻还可用作代替附加的分流电阻R_S的用于电流感测的分流电阻。即使在本文中未明确地指出，但可采用电流测量装置与分流（或栅极）电阻的任意结合。

仍参照图4，示出了要被提供电压源（V+，V-）的栅极切换单元102。可将电流测量装置A1或A2插入向栅极驱动单元102提供电流的供电线。可在栅极控制电路10中的各个位置感测代表栅极电流的信号。此外，可在同一电路中在多于一个的位置处执行电流感测。

图5示出了图4的电流测量装置A1的一个具体实现。在图5中示出栅极切换单元102的某些细节。栅极控制信号S₁（如果未被消灭）通过串联电阻R_V被提供至射极跟随器级的栅电极，该射极跟随器级（输出级）例如由双极晶体管D₁（可以是npn晶体管）和双极晶体管D₂（其可以是pnp晶体管）形成。可应用任意类型（例如，MOSFET）的晶体管代替双极型二极管来用于射极跟随器级的实现。射极跟随器级通过栅极控制输出线（或栅极线）向RC-IGBTT₁提供栅极电流i_GATE。为了控制切换速度（例如，“边缘整形（edgeshaping）”），在多数情况下，栅极电阻R_G被放置在栅极线中。

如图5中所示，电流测量装置可例如包括由晶体管M₁和M₂形成的电流镜（currentmirror）。电容C_G和与其并联连接1的电子开关E₁（例如，另一晶体管）被耦接至电流镜，使得镜像电流可将电容C_G充电。电流镜提供了穿过晶体管M₁的第一电流路径和穿过晶体管M₂的第二电流路径。第一电流路径承载栅极电流i_GATE，而第二电流路径承载等于或直接成比例于栅极电流i_GATE的镜像电流i_GATE*=n·i_GATE（其中，n通常低于或等于1）。栅极电流i_GATE和镜像电流i_GATE*可通过电压源V+和V-来提供。

如上文所描述的，RC-IGBT的属性是，一旦在其集电极-发射极路径上有电压上的突然变化（例如，V_CE电压峰值），则内部寄生电容C_GC（和C_GE）将被充电或放电，引起相应的栅极电流i_GATE。寄生的栅极-集电极电容C_GC的放电特别地由同时地从正向阻断向其反向导通状态转变的晶体管的集电极-发射极电压（V_CE）跌落造成，该电压跌落造成位移电流和可在栅极线（栅极供电线）中测量的相应栅极电流。如果栅极电流i_GATE通过晶体管M₁，则其将被电流镜反射，使得感应电容C_G将“看到”由镜像电流i_GATE*所造成的其充电状态的变化。开关E₁可被用于短路和将电容C_G充电。被存储在电容C_G中的电荷Q_G利用关系Q_G=C_G·V_CG，即，通过测量电容C_G上的电压降V_CG来近似地监控。电容C_G的近似值可根据电流i_GATE与i_GATE*之间的关系来选择。因此，被存储在电容C_G中的电荷是栅极电流i_GATE的度量，该栅极电流又是RC-IGBT的导通状态的度量。电路布置，特别是栅极切换电路，如针对RC-IGBT在图5中所描述的，针对逆变器半桥（如图1中所示）的每个RC-IGBT来设置。将在下面给出RC-IGBT的导通状态可如何从栅极电流i_GArE（即，从电容C_G的充电状态）得到的详细描述。

关于开关E₁，只要开关E₁断开，则电容C_G通过电流i_GATE*被充电。如果开关E₁闭合，则电容C_G将被放电并且因此使测量周期初始化。根据一个实施方式，开关E₁可与对应的RC-IGBT的栅极控制信号S₁同时被切换。开关E₁的目的是在感测周期开始之前重置感测电容C_G的充电状态（即，初始化步骤），感测周期是在RC-IGBT导通状态被确定的同时的时间间隔。

在图6中，示出了时序图，描绘了在具有栅极控制单元10的逆变器半桥（诸如图1中所示的）中的信号、电压以及电流的时间响应，每个半桥RC-IGBT（T_1BOT，T_1TOP）包括根据图5的栅极切换电路布置，其中，晶体管T₁可以是高侧晶体管（T_1TOP）或低侧晶体管（T_1BOT）。在RC-IGBT在反方向上导通的情况中，逻辑接通信号（logicalturn-onsignal）被阻断并且栅极切换单元保持在断开状态。

在图6中描绘了控制信号S_1BOT和S_1TOP的时间响应，其中高信号意味着“导通晶体管”而低信号意味着“截止晶体管”。假设是正负载电流I_L（指图1中所指示的负载电流方向），则上部晶体管T_1TOP将处于其反向导通状态，很快下部晶体管T_1BOT被其控制信号S_1BOT截止。由于晶体管T_1TOP的逻辑接通信号S_1TOP被阻断并且栅极切换单元保持在截止状态，所以信号S_1TOP以虚线示出。虚线示出了信号S_1TOP在其未被阻断的情况下的样子。对于负的负载电流方向I_L（还指图1中指示的方向），同样如此，但是标号“top（上）”和“bottom（下）”应互换。

从图6可看出，将下部晶体管T_1BOT截止（即，在时刻t₂或t₆）引起了上部晶体管T_1TOP的反向导通状态。实际上，在例如时刻t₂至t₃或t₆至t₇之间的死时（deadtime）或延迟时间t_DELAY是不可避免的，意味着控制信号S_1TOP或S_1BOT都不是高并且晶体管T_1TOP或T_1BOT都没有经由其栅电极G被导通，从而避免了击穿。在时刻t₃或t₇死时已过去，反向导通的上部晶体管T_1TOP的控制信号S_1TOP如果未被阻断将切换至高电平。

从图6还可看到，在电流反向导通RC-IGBT（在这种情况下是上部晶体管T_1TOP）并且逼近对应控制信号（即，S_1TOP）的低-高转变的情况下，其集电极-发射极电压V_CE(top)是零。集电极-发射极电压V_CE(top)在时刻t₂变成零，该时刻在时刻t₃信号S_1TOP通常变成高之前的瞬时。在下部晶体管V_CE(bot)上的电压是零，同时晶体管T_1BOT导通。当信号S_1BOT在时刻t₂变成零时，电压V_CEBOT变成高电平。

在t₂这一时刻，正向负载电流I_L转向上部晶体管并且反方向流过那里。对于开关T_1TOP，由于没有改变其栅极信号，所以此转变是被动转向，器件从正向阻断变成反向导通状态。因此，为了在时刻t₃阻断针对T_1TOP的逻辑接通信号，在时刻t₂，可例如借助于栅极驱动器的监控单元来监控被动切换事件。

在时刻t₂与t₆之间的时间间隔，T_1TOP的反向导通状态被阻断并且无T_1TOP的导通动作出现。此信息接下来在时刻t₆被更新。在图6的实施方式中，未发生负载电流I_L的过零。如果过零例如在时刻t₂与t₅之间发生，信号S_1TOP未被阻断，则电流将从T_1TOP二极管转向T_1TOPIGBT。在这种情况下，由于二极管在时刻t₂导通而信号被阻断并因此无接通信号被发送至IGBT，这造成了无真正过零可能的高度失真的电流和电压波形。在图8中示出了那些波形。

图8示出了如上所述的类似情形。不同之处在于在时刻t₂的负载电流I_L非常低，使得在时刻t₂与t₆之间发生过零。RC-IGBT的栅极G被截止。通过二极管的电流I_L在时刻t₂开始降低并且在时刻t₄过零。由于晶体管T_1TOP的内部二极管即使在其电流已是零的情况下也包含所存储的载流子，所以二极管不能被立刻阻断。因此，在时刻t₄与t₅之间负载电流变成负向但仍流过晶体管T_1TOP。在时刻t₅，从T_1TOP二极管完全地移除所存储的载流子，则该器件不再能传导电流。负载电感L_L然后被加载有负向电流，该电流之后由于通过T_1TOP的二极管的电流路径不再可用而需流过晶体管T_1BOT的二极管。因为这个原因，电压V_CE(bot)在时刻t₅下降至零并且造成在晶体管T_1TOP的集电极-发射极电压V_CE(top)突然上升。通过检测此突然的集电极-发射极电压V_CE(top)上升，还可检测负载电流I_L的过零。

如果集电极-发射极电压V_CE(top)上升，晶体管T_1TOP的集电极-栅极电压也上升，引起寄生电容C_CG的充电电流。此电流需通过栅极驱动级并且可借助于监控单元被检测到。这种监控单元的一个实施方式在图7中示出。图7中示出的监控单元包含形成电流镜的两个npn晶体管M3和M4以及被耦接至该电流镜的并联连接的开关S3（例如，另一晶体管）以及电容C2。并不是监控单元的一部分的在图7的电路中还示出的pnp晶体管M1和M2以及开关S2和电容C1负责检测反向电流流动。

在图8中，针对上部和下部栅极驱动单元还示出了开关S2和S3的操作以及电容C1上的电压V_C1和电容C2上的电压V_C2，以进一步解释图7中所示的监控单元的操作。分别借助于针对上部侧和下部侧的原始控制信号来控制开关S2和S3。逻辑“1”意味着对应的开关被闭合，而逻辑“0”意味着该开关被断开。如果开关S2是断开的，则开关S3是闭合的，反之亦然。在时刻t₃，上部开关S3被断开，允许电压跨越并联电容C2。如上所述，在时刻t₅，晶体管T_1TOP阻断并且正的栅极电流流进栅极。此电流通过晶体管D2和M3。晶体管M3是借助于晶体管M4反射栅极电流的电流镜的一部分。被反射的电流流过电容C2并引起在时刻t₅时电容C2上的电压集中（voltagehub）。

在给定的实施方式中，电容C2的电压上升是使得晶体管T_1TOP导通的信号。这通过将信号S_1TOP从0切换至1来进行。在时刻t₆，开关S3闭合并且在电容C2两端的电压被迫为0。此刻电路准备一个新周期。

在图8中还示出的在时刻t₆与t₉之间的下一周期，负载电流为负。假定此负的负载电流I_L（指图1中所指示的负载电流方向），上部晶体管T_1TOP通过其控制信号S_1TOP一截止，下部晶体管T_1BOT就将处于其反向导通状态。由于晶体管T_1BOT的逻辑接通信号S_1BOT被阻断并且栅极驱动器保持截止状态，则信号S_1BOT由于其无阻断而再次以虚线示出。在时刻t₆与时刻t₉之间的时段，负载电流I_L的过零未出现。

本领域的技术人员将容易地认识到，已在上面描述的图7的结构只是能被用于检测突然的集电极-发射极电压V_CE(top)上升以及由此的负载电流I_L的过零的监控单元的实现的一种实施方式。

在图9中，示出了监控单元的另一实施方式。示出了代替电流镜的监控单元，其包括与晶体管T₁的集电极-发射极路径并联电连接的电流源I_S和二极管D1。可利用电压测量装置V来检测集电极-发射极电压V_CE(top)的集中（hub）。电压测量装置V通过其输出端被连接至晶体管的发射极。电压测量装置V通过其输入端被连接至电流源I_S与二极管D1的连接点。

在图10和图11中示出了监控单元的实现的其他实施方式。在图10中，该结构包括与晶体管T₁的集电极-发射极路径并联电连接的电压源V_S、电阻R1和二极管D2。电压测量装置V通过其输出端被连接至晶体管的发射极并且通过其输入端被连接至电阻R1与二极管D2的连接点。图11中的结构包括频率补偿分压器，其包括与晶体管T₁的集电极-发射极路径并联电连接的两个电阻器R2和R3。电阻R2、R3分别具有并联连接的电容C3和C4。分压器的一个输出端被连接至电压测量装置V的输入端。电压测量装置V在其输出端被连接至晶体管的发射极。两个电阻器R2和R3的连接点表示分压器的输出端。在每个实施方式中，栅极切换单元102被连接在晶体管T₁的栅极与发射极之间。图11中所示的分压器包括两个电阻器R2和R3，但并不受限于此数量。还可实现具有两个或甚至更多电阻器的频率补偿分压器，每个电阻具有并联连接的电容。

正如上面已经描述的，根据本发明所公开的电流布置还可针对其他类型的晶体管来使用，例如，场效应晶体管，而不是限于IGBT。图12示出了利用场效应晶体管T_1top和T_1bot代替IGBT的图1中所示的半桥。此外，在图2至图11内所公开的电流结构中，可使用场效应晶体管代替IGBT。

诸如“第一”、“第二”等的术语用于描述各种元件、区域、部分等，而并不意在限制。在整个描述中，相同的术语指相同的元件。

如本文中所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括（including）”、“包括（comprising）”等是指示所述元件或特征的存在的开放目标术语，但并不排除附加的元件或特征。冠词“一（a）”、“一（an）”以及“该（the）”意在包括复数和单数，除非上下文明确指出并非如此。

应理解的是，本文所描述的各种实施方式可彼此结合，除非专门注明并非如此。

尽管在本文中示出和描述了具体实施方式，但本领域中的那些技术人员应当认识到，在不背离本发明的范围的情况下各种替代和/或等价实现可取代所示出和所描述的具体实施方式。本申请意在涵盖本文所讨论的具体实施方式的任意修改或变化。因此，所希望的是，本发明仅由权利要求及其等价物限制。

Claims

1.一种半导体电路，包括：

反向导通晶体管，具有栅电极和在发射极与集电极之间的负载电流路径，所述晶体管被构造成允许在正向上和反向上使负载电流传导通过所述负载电流路径，并且被构造成通过在栅电极的相应信号被激活或被禁用；

栅极控制单元，被连接至栅电极并且被构造成禁用所述晶体管或者防止当所述晶体管处于反向导通状态时经由所述栅电极激活所述晶体管；以及

监控单元，被构造成检测在所述晶体管被禁用或通过所述栅极控制单元防止激活时，在所述负载电流过零时产生的所述反向导通晶体管的集电极-发射极电压的突然上升，且其中，所述监控单元还被构造成在所述监控单元检测到所述集电极-发射极电压的所述突然上升时产生促使所述反向导通晶体管导通的信号。

2.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述集电极-发射极电压的突然上升引起栅极电流，并且所述监控单元被构造成根据所述栅极电流产生信号，根据所述栅极电流产生的所述信号指示所述晶体管的负载电流的过零。

3.根据权利要求2所述的半导体电路，其中，所述监控单元产生的信号激活所述晶体管。

4.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述监控单元通过电压源供电。

5.根据权利要求2所述的半导体电路，其中，所述监控单元包括电流镜。

6.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述监控单元包括电流源和二极管。

7.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述监控单元包括电压源、电阻器以及二极管。

8.根据权利要求1所述的半导体电路，其中，所述监控单元包括频率补偿分压器。

9.根据权利要求5所述的半导体电路，其中，

所述电流镜包括第一电流路径和第二电流路径；

所述电流镜被配置成使得在所述第一电流路径中的电流来源于所述栅极电流；以及

所述电流镜被构造成使得在所述第二电流路径中的电流等于或直接成比例于在所述第一电流路径中的所述电流。

10.根据权利要求9所述的半导体电路，其中，

一开关被设置在所述电流镜的所述第二电流路径中；

一电容与所述开关并联地被设置在所述电流镜的所述第二电流路径中，从而在所述开关被断开时通过在所述电流镜的所述第二电流路径中流动的所述电流来充电。

11.一种检测具有栅电极和在发射极和集电极之间的负载电流路径的反向导通晶体管的负载电流的过零的方法，所述方法包括检测在所述晶体管处于反向导通状态并且被禁用或通过在所述栅电极的相应信号防止激活的同时，在通过所述晶体管的负载电流过零时产生的所述反向导通晶体管的集电极-发射极电压的突然上升，并且在检测到所述集电极-发射极电压的所述突然上升时产生促使所述反向导通晶体管导通的信号。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：在作为连接至所述反向导通晶体管的监控单元的一部分的电容中产生电压集中。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括响应于在所述电容中的电压集中来激活所述反向导通晶体管。

14.一种半导体电路，包括：

半桥切换电路，包括被构造成允许在正向上和反向上传导负载电流的两个反向导通晶体管，所述晶体管具有负载电流路径和栅电极并且两个所述晶体管的公共电路节点是被构造成提供输出电流的半桥输出端；

每个所述晶体管的栅极控制单元，被连接至各自栅电极，并且被构造成禁用相应的所述晶体管或防止当所述晶体管处于反向导通状态时经由对应栅电极激活所述晶体管；以及

至少一个所述晶体管的监控单元，被连接至各个所述栅极控制单元并且被构造成检测在所述晶体管被禁用或通过所述栅极控制单元来防止禁用时，在通过所述晶体管的负载电流过零时产生的所述反向导通晶体管的集电极-发射极电压的突然上升，且其中，所述监控单元还被构造成在所述监控单元检测到所述集电极-发射极电压的所述突然上升时产生促使所述反向导通晶体管导通的信号。