CN104734681A - 用于功率半导体开关的监测方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于功率半导体开关的监测方法和设备。该功率半导体开关被配置成基于通过栅极驱动器单元驱动的栅极电压信号受控。该设备包括：测量装置，该测量装置用于基于功率半导体开关上的电压生成饱和电压信号；辅助开关，该辅助开关连接在携载该饱和电压信号的饱和电压信号线与驱动栅极电压信号的栅极驱动器单元的输出之间，其中，该辅助开关被配置成基于该栅极电压信号被控制为导通状态或不导通状态；以及反馈装置，该反馈装置用于基于该饱和电压信号生成饱和反馈信号。

Description

用于功率半导体开关的监测方法和设备
技术领域
本发明涉及监测功率半导体开关的操作，特别涉及监测控制该开关的栅极驱动器的电源电压。
背景技术
在逆变器或频率转换器中，功率半导体开关通常各自被控制为两个操作状态中的一个操作状态：导通状态(即，接通状态)或者不导通状态(即，断开状态)。简单地说，在导通状态中电流流过开关并且该开关上的电压接近零。在不导通状态中，开关不传导电流，并且该开关上的电压处于较高电平。例如，在逆变器的情况下，在不导通状态中的开关上的电压可以为逆变器的直流(DC)链路的全电压(或该电压的一半)。功率半导体开关可以为例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
栅极驱动器可以用于将开关接通或断开。栅极驱动器可以使用正电压将功率半导体开关接通和使用负电压将该开关断开。通过使用负的断开电压，可以防止在开关的栅极上的电压尖峰的情况下开关虚接通。可以通过隔离电源来提供电源电压。
检测短路状况在一些使用功率半导体开关的应用中会是重要的。例如，可以期望快速且可靠的短路检测来避免对开关和/或相关电路元件的永久损害。
为了检测短路，可以测量开关的饱和电压。该饱和电压可以通过例如IGBT的集电极-发射极电压来表示。了解该电压在一定限度以上还是以下可能是足够的。例如，可以将饱和电压与栅极驱动器的电源的正电压进行比较。
为了避免在切换事件期间的假短路故障，短路检测可以包括防止在IGBT完全接通之前读取饱和输入的小延迟。
图1a和图1b示出了基于集电极-发射极电压vCE的测量值的短路检测的示例性波形。图1a示出了在正常操作期间的波形。栅极电压vG被用于控制半导体开关。在时刻t1，栅极电压从-15V切换至15V，并且开关接通。集电极-发射极电压vCE降低至接近零的值。通过将集电极-发射极电压vCE与在此情况下为15V的设定检测限度进行比较来生成二电平饱和反馈vfb信号。集电极-发射极电压vCE比该限度低，并且从而饱和反馈vfb被设定为在此情况下为5V的高电平。
在图1a的时刻t2，栅极电压切换回-15V。开关断开并且集电极-发射极电压vCE升高至设定限度以上。在小延迟之后，饱和反馈信号vfb被设定为在此情况下为0V的低电平。
图1b示出了在短路期间的波形。再次，在时刻t1，栅极电压从-15V切换至15V，开关接通并且集电极-发射极电压vCE降低至接近零的值。集电极-发射极电压vCE比检测限度低并且被设定为高电平。然而，由于大的短路电流开始流过开关所以集电极-发射极电压vCE开始再次升高而不是保持接近零。集电极-发射极电压vCE超过检测限度，并且在小延迟之后，饱和反馈信号vfb被再次设定为低电平。
在图1b的时刻t2，栅极电压切换回-15V。开关断开并且集电极-发射极电压vCE升高至高的不导通状态电平。
图1a和图1b中的饱和反馈vfb被用作故障信号。通过监测饱和反馈vfb，可以检测部件的失灵并且系统可以关闭以便于防止损害和安全危害。例如，可以缓慢地关断开关以便于防止损害该开关。
饱和反馈信号还可以与其他的失灵结合。例如，栅极驱动器的失灵还可能引起故障的指示。然而，用此方式不能将一种类型的失灵与另一种类型的失灵进行区分。
发明内容
本公开的目的是提供一种方法和用于实现该方法的设备使得减轻以上缺点。通过以独立权利要求中所述的内容表征的方法和设备来实现本发明的目的。从属权利要求中公开本发明的优选实施例。
所公开的方法可以用于监测半导体开关和控制该开关的栅极驱动器。功率半导体开关可以被配置成响应于通过栅极驱动器单元生成的栅极电压信号被控制为导通状态或不导通状态。所公开的方法可以包括基于饱和电压信号生成饱和反馈信号。饱和电压信号可以响应于所述开关上的电压使得可以检测在功率半导体开关的导通状态期间的短路。
另外，还可以基于栅极电压信号控制饱和电压信号。例如，在不导通状态期间，饱和电压信号可以响应于栅极电压信号的电平。以此方式，饱和反馈(其响应于饱和电压)可以被用于传递关于栅极电压信号和生成该栅极电压信号的栅极驱动器的状态的信息。饱和反馈信号可以指示用于生成将开关驱动成不导通状态的电压电平的电源电压是否具有满足针对其而设定的限度的电压电平。
通过将不导通状态信息与导通状态信息结合，所公开的方法能够给出比仅短路故障更有意义的故障信息。所公开的方法可以指示栅极驱动电路中的破损部件。此另外的信息可以被用于甚至在功率半导体开关示出异常行为之前检测损坏部件。因此，可以在停止处理的故障发生之前给出警告。
所公开的方法可以用最少的另外的部件来实施。由于另外的监测不需要增加隔离通道而是使用现有的饱和电压信号，所以价格不显著上涨。
附图说明
以下将参照附图通过优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中：
图1a和图1b示出了基于集电极-发射极电压的测量值的短路检测的示例性波形；
图2示出了实现所公开的方法的示例性监测设备；
图3a至图3d示出了如图2所示的设备的操作的示例性波形；
图4示出了所公开的设备的一个示例性简化实施例；
图5示出了监测设备的另一示例性简化实施例；
图6示出了监测设备的又一示例性实施例；
图7示出了所公开的监测设备的再一示例性实施例；以及
图8a至图8f示出了图7的设备的示例性波形。
具体实施方式
此文献公开了一种用于栅极控制功率半导体开关的方法。功率半导体开关可以被配置成响应于通过栅极驱动器单元生成的栅极电压信号而被控制为导通状态或不导通状态。
所公开的方法可以包括生成响应于功率半导体开关上的电压的饱和电压信号。还可以基于栅极电压信号控制该饱和电压信号。可以基于该饱和电压信号来确定饱和反馈信号。
所公开的方法可以基于功率半导体开关的操作状态控制饱和电压。在功率半导体开关的导通状态期间，饱和电压可以用于检测短路。然而，在不导通状态期间，饱和电压信号可以响应于栅极电压信号的电平。从而，饱和电压信号可以用于诊断栅极驱动器的电源电压。然后，可以分析作为结果的饱和信号波形以便于检测不同的故障状况，如缺失正电源电压和/或负电源电压。甚至在开关元件示出不正确的行为之前可以检测出损坏部件。从而，除了短路信息以外，所公开的方法还能够产生进一步的诊断信息。
图2示出了实现所公开的方法的示例性监测设备。在图2中，通过栅极驱动器22来控制以IGBT的形式的功率半导体开关21。可替代地，功率半导体开关可以为例如MOSFET。栅极驱动器22基于控制信号cG控制栅极电压vG。
在图2中，设备包括用于测量功率半导体开关21上的电压vCE的测量装置23。该测量装置23基于电压vCE生成饱和电压vsat。反馈装置24基于第一电压差vref,1-vsat即图2中的第一参考vref,1与饱和电压vsat之间的电压差确定饱和反馈电压vfb。例如，可以将第一电压差与第一阈值进行比较，并且可以基于该比较生成饱和反馈电压vfb。
在图2中，可以通过使用控制装置25基于栅极电压信号vG来控制饱和电压信号vsat。在功率半导体开关21的不导通状态期间，控制装置25可以将驱动栅极电压信号vG的栅极驱动器单元22的输出连接至携载饱和电压信号vsat的饱和电压信号线，使得饱和电压信号vsat响应于栅极驱动器22输出。
例如，控制装置25可以包括连接在携载饱和电压信号vsat的饱和电压信号线与驱动栅极电压信号vG的栅极驱动器单元22的输出之间的辅助开关。该辅助开关可以被配置成基于栅极电压信号的电平被控制为导通状态或不导通状态。控制装置25可以基于第二电压差vref,2-vG即栅极电压信号vG与第二参考vref,2之间的电压差控制辅助开关。如果该差超过第二阈值，则辅助开关被驱动成导通状态。
在正常操作下，栅极驱动器22在功率半导体开关21的导通状态期间将栅极电压驱动为正电压。第二参考信号vref,2与栅极电压信号vG之间的差没有超过设定的阈值，并且控制装置25将辅助开关控制为不导通状态。从而，仅测量装置23驱动饱和电压信号vsat。饱和电压信号vsat响应于功率半导体开关21上的电压vCE。
然而，在功率半导体开关21的不导通状态期间，栅极电压vG是负的，并且第二参考信号vref,2与栅极电压信号vG之间的差超过设定的限度。控制装置25将辅助开关接通，并且饱和电压信号vsat成为响应于栅极电压信号vG。
图3a至图3d示出了图2中的设备的操作的示例性波形。在图3a至图3d中，IGBT 21被配置成受控于在电压电平-15V与15V之间交替的栅极电压vG。相对于功率半导体开关21的发射极的电压电位来表示这些电压电平。可以从例如IGBT 21的辅助发射极获得用作地电位的发射极电压电位。第二参考电压vref,2与功率半导体开关的发射极电压电位紧密相关。
图3中的饱和反馈信号vfb为具有5V高电平和0V低电平的二电平信号。基于第一电压差vref,1-vsat生成饱和反馈信号vfb。如果第一电压差超过第一阈值则生成低饱和反馈信号vfb，如果第一电压差没有超过第一阈值则代替地生成高饱和反馈信号vfb。在图3a至图3d中第一参考vref,1为15V。
图3a示出了正常操作期间的波形。处于正常不导通状态电平的栅极电压信号vG为-15V。第二电压差vref,2-vG比第二阈值高，因此辅助开关被设定为导通状态并且栅极驱动器22将饱和电压vsat拉低。因此，第一电压差超过第一阈值，并且从而，饱和反馈最初为低。
在时刻t1，栅极电压vG从-15V切换至15V，并且功率半导体开关21接通。第二电压差vref,2-vG不再比第二阈值高，并且从而，栅极驱动器22不驱动饱和电压vsat。代替地，通过测量装置23来驱动饱和电压vsat。在此情况下为集电极-发射极电压的饱和电压vsat降低至接近零的值。第一电压差vref,1-vsat超过第一阈值，并且从而饱和反馈vfb保持低。
在图3a中的时刻t2，由于栅极电压切换回-15V，所以功率半导体开关21断开。差vref,2-vG升高至第二阈值以上，并且控制装置25将辅助开关接通。从而，栅极驱动器22将饱和电压vsat拉低，并且饱和反馈信号vfb保持低。
图3b示出了短路期间的波形。最初，第二电压差vref,2-vG超过第二阈值，并且栅极驱动器22驱动饱和电压vsat。从而，饱和反馈最初为低。
在时刻t1，栅极电压从-15V升高至15V，并且功率半导体开关21接通。饱和电压vsat通过测量装置23来驱动并且降低至接近零的值。第一电压差vref,1-vsat比第一阈值高，并且饱和反馈vfb保持低。然而，由于短路电流，饱和电压vsat开始再次升高。第二电压差vref,1-vsat下降直到其在第一阈值以下，并且在小延迟之后，饱和反馈信号vfb被设定为高电平。
在图3b中的时刻t2，栅极电压切换回-15V。功率半导体开关21断开，并且栅极驱动器22驱动饱和电压vsat。第一电压差vref,1-vsat再次超过第一阈值，并且饱和反馈信号vfb变为低电平。
图3c示出了在异常的负电源电压期间的波形。在图3c中，栅极电压vG的负电平为-10V。第二电压差vref,2-vG不比第二阈值高，并且从而，栅极驱动器22不驱动饱和电压vsat。测量装置23将饱和电压vsat驱动为功率半导体开关21上的电压的电平。因此，电压差vref,1-vsat没有超过第一阈值，并且饱和反馈最初为高。可替代地，设备可以被配置成使得-10V第二电压差vref,2-vG超过第二阈值并且栅极驱动器22驱动饱和电压vsat。然而，栅极电压vG的低的负电平生成对于要超过第一阈值的电压差vref,1-vsat太低的饱和电压vsat。因此电压差vref,1-vsat没有超过第一阈值，并且饱和反馈最初为高。
在时刻t1，栅极电压vG从-10V切换至15V，并且功率半导体开关21接通。第二电压差vref,2-vG不比第二阈值高，并且从而，栅极驱动器22不驱动饱和电压vsat。通过测量装置23来驱动饱和电压vsat。由于不存在短路，所以饱和电压vsat降低至接近零的值。电压差vref,1-vsat比第一阈值高，并且从而，饱和反馈vfb被设定为低电平。
在图3c中的时刻t2，栅极电压切换回-10V。功率半导体开关21断开。第二电压差vref,2-vG不足以高到将辅助开关设定为导通状态。从而，栅极驱动器22不驱动饱和电压vsat。测量装置23将饱和电压vsat驱动为功率半导体开关21上的电压的电平，并且从而，饱和反馈vfb再次被设定为高电平。
图3d示出了在检测异常的正电源电压电平期间的波形。由于异常的正电源电压，将功率半导体开关21驱动为导通状态的栅极电压vG的电平为0V。负电源电压为正常的，并且第二电压差vref,2-vG比第二阈值高。从而，栅极驱动器22驱动饱和电压vsat。然而，由于第一参考vref,1处于异常低电平，所以第一电压差vref,1-vsat没有超过第一阈值。从而，饱和反馈最初在高电平。
在时刻t1，栅极电压vG从-15V切换至0V，这不足以将功率半导体开关21接通。第二电压差vref,2-vG不比第二阈值高，并且从而，栅极驱动器22不驱动饱和电压vsat。代替地，通过测量装置23来驱动饱和电压vsat。由于没有接通功率半导体开关21，所以饱和电压vsat不会降低。从而，第一电压差vref,1-vsat比第一阈值低，并且饱和反馈vfb保持在高电平。
在图3d中的时刻t2，栅极电压切换回-15V。功率半导体开关21断开。第二电压差vref,2-vG将辅助开关25设定为导通状态。栅极驱动器22将饱和电压vsat拉低。然而，由于第一参考vref,1的异常低电平，第一电压差vref,1-vsat没有超过第一阈值。从而，饱和反馈保持在高电平。
图3a至图3d中的每幅图示出了不同的饱和反馈信号波形。该波形可以用于将不同的故障状况彼此区分。例如，在图3c和图3d中，在功率半导体开关的不导通状态期间的高饱和反馈信号可以用于指示栅极驱动器中的故障电压源。
此文献还公开了一种用于功率半导体开关的设备，该功率半导体开关被配置成基于栅极电压信号被控制为导通状态或不导通状态。该栅极电压信号可以通过栅极驱动器单元来生成。
该设备可以包括：测量装置，该测量装置用于基于功率半导体开关上的电压生成饱和电压信号；以及反馈装置，该反馈装置用于基于该饱和电压信号生成饱和反馈信号。可以基于第一电压差即第一参考电压与饱和电压信号之间的电压差来确定该饱和反馈信号。可以将该第一电压差与第一阈值进行比较，并且例如可以基于该比较生成饱和反馈信号。
设备还包括连接在携载饱和电压信号的饱和电压信号线与驱动栅极电压信号的栅极驱动器单元的输出之间的辅助开关，其中该辅助开关可以被配置成基于栅极电压信号被控制为导通状态或不导通状态。例如，该设备可以包括用于基于栅极电压信号生成辅助开关的栅极与源极(或基极与发射极)之间的电压的装置。
辅助开关可以被配置成基于第二电压差即第二参考信号与栅极电压信号之间的电压差被控制。可以将该第二电压差与第二阈值进行比较。例如，第二参考电压可以为从功率半导体开关的辅助发射极测量的发射极电压电位。从而，第二阈值可以为辅助开关的阈值电压。例如，如果功率半导体开关为MOSFET，则第二参考电压可以为源极电压电位。
图4示出了所公开的监测设备的示例性简化实施例。在图4中，功率半导体开关为IGBT 41。由栅极驱动器42通过栅极电阻器Rgate来控制该IGBT 41。下拉电阻Roff连接在功率半导体开关41的栅极与发射极之间。
在图4中，通过包括测量装置43和反馈装置44在内的饱和反馈电路基于饱和电压信号vsat生成饱和反馈vfb。
由连接至功率半导体开关的集电极(或漏极)端子的至少一个二极管形成测量装置43以用于生成饱和电压信号vsat。在图4中，使用三个二极管D1至D3。该二极管可以为高电压PN二极管。
二极管D1至D3使携载饱和电压vsat的饱和电压线在集电极电位低于饱和电压vsat时被驱动为功率半导体开关的集电极电位，然而该二极管D1至D3阻止来自所述集电极端子或漏极端子的电流向饱和电压信号vsat流动。从而，在不导通状态期间保护监测设备免于功率半导体开关41的高集电极-发射极电压。
反馈装置可以包括用于提供饱和反馈信号与饱和电压信号之间的电流隔离(galvanic isolation)的隔离器。该隔离器可以被配置成基于饱和电压信号与第一参考电压信号之间的差产生饱和反馈信号。
例如，在图4中，反馈装置44包括电阻器R1和光耦合器的形式的隔离器U1。该隔离器U1的两个输出端子之间的电阻响应于两个输入端子之间的电流。该输入可以与输出电流隔离。在隔离器的两个输出端子之间读取饱和反馈信号。
在图4中，输入端子中的一个输入端子通过电阻器R1连接至饱和电压信号。另一个输入端子连接至第一参考电压信号vref,1，该第一参考电压信号vref,1在图4中为供给栅极驱动器单元42的15V正电源电压。功率半导体开关的发射极电位(或者源极电位，如果使用功率MOSFET)用作用于正电源电压的地电位。
隔离器U1的输入端子之间的电流响应于在隔离器U1与电阻器R1的串联连接上的第一电压差。该第一电压差还表示第一参考vref,1与饱和电压vsat之间的电压差vref,1-vsat。当第一电压差vref,1-vsat升高至第一阈值以上时，通过隔离器U1的输入的电流升高至阈值以上，并且输出之间的电阻显著地降低。例如，可以通过将该输出与上拉电阻器串联地连接来生成饱和反馈信号vfb。这生成了有源低指示信号，即输出电压在输入端子之间的电压差超过设定限度时被拉低。
在图4中，辅助开关M1为NPN型双极结型晶体管(BJT)。饱和电压信号线连接至辅助开关M1的集电极端子。栅极驱动器单元42的输出vG通过电阻器Rdiag连接至辅助开关M1的发射极端子。辅助开关M1的基极端子通过电阻器R2连接至第二参考电压线。该第二参考电压线携载第二参考电压vref,2并且连接至IGBT 41的辅助发射极。可以基于第二参考电压vref,2与栅极驱动器输出vG之间的第二电压差vref,2-vG控制辅助开关M1的操作状态。当第二电压差vref,2-vG升高时，辅助开关M1的基极-发射极电压超过其阈值，并且该辅助开关开始导通。
图5示出了监测设备的另外的示例性简化实施例。图5的实施例与图4的实施例大部分相同。通过栅极驱动器52来控制IGBT 51。三个高电压PN二极管D1至D3形成测量装置53。该二极管D1至D3生成饱和电压信号。反馈装置54包括光耦合器U1和电阻器R1。
在图5中，辅助开关M1为逻辑电平N沟道MOSFET。饱和电压信号线通过电阻器Rdiag连接至辅助开关M1的漏极端子。栅极驱动器单元52的输出连接至辅助开关的源极端子，并且第二参考电压线通过电阻器R2连接至辅助开关的栅极端子。
图6示出了监测设备的又一示例性实施例。图6的实施例与图5的实施例大部分相同。通过栅极驱动器62来控制IGBT 61。三个高电压PN二极管D1至D3形成测量装置63。该二极管D1至D3生成饱和电压信号。反馈装置64包括光耦合器U1、电阻器R1和连接在光耦合器U1的输入之间的肖特基二极管D8。用于反馈装置64的第一参考电压信号为供给栅极驱动器单元的15V正电源电压。
在图6中，饱和电压信号线通过齐纳二极管D5连接至辅助开关M1的漏极端子。连接齐纳二极管D5使得该齐纳二极管D5阻止来自饱和电压信号线的电流向漏极端子流动直到超过齐纳二极管D5的齐纳电压VD5,z为止。栅极驱动器单元62的输出通过肖特基二极管D6与齐纳二极管D7的串联连接而连接至辅助开关M1的源极端子。连接肖特基二极管D6使得该肖特基二极管D6阻止来自栅极驱动器输出的电流向源极端子流动。连接齐纳二极管D7使得该齐纳二极管D7阻止来自源极端子的电流向栅极驱动器输出的流动直到超过齐纳二极管D7的齐纳电压VD7,z为止。第二参考电压线连接至功率半导体开关的发射极电位。第二参考电压线通过电阻器R2连接至辅助开关的栅极端子。
在下文中，通过使用示例性部件值来说明图6的实施例的操作。
电阻器R1的电阻可以为例如大约400Ω；在接通状态下时用于光耦合器U1的正向电压VU1,f可以为大约1.5V；用于光耦合器的阈值电流IU1,th可以为大约1.5mA；从而，可以将用于第一电压差vref,1-vsat即用于第一参考vref,1与饱和电压vsat之间的电压差的第一阈值Vth,1计算为如下：
Vth,1＝(R1·IU1,th)+VU1,f≈2V.       (1)
齐纳二极管D7的齐纳电压VD7,z可以为例如10V；肖特基二极管D6的正向电压VU6,f可以为0.3V；以及用于辅助开关M1的栅极与源极之间的电压的阈值电压VM1,th可以为大约2V。在阈值电压VM1,th以上，辅助开关M1处于导通状态。从而，用于第二电压差即用于第二参考信号Vref,2与栅极电压信号vG之间的电压差的第二阈值Vth,2成为
Vth,2＝VM1,th+VD6,f+VD7,z≈12V。         (3)可以通过调节齐纳电压VD7,z来设定第二参考信号vref,2的电压电平。
在正常操作下的不导通状态期间，栅极驱动器62输出断开状态栅极电压vG,off以便于将功率半导体开关61驱动为不导通状态。功率半导体开关的集电极-发射极电压处于高电平。在图6中，断开状态栅极电压VG,off可以为-15V。从而，第二电压差vref,2-vG,off(＝0V-(-15V)＝15V)超过第二阈值Vth,2。辅助开关M1的栅极与源极之间的电压为足以将辅助开关M1接通的大约5V。齐纳二极管D5的齐纳电压VD5,z可以为14V。栅极驱动器62驱动饱和电压vsat，针对饱和电压vsat可以计算出以下值
vsat＝vG,off+VD7,z+VD6,f+VD5,z＝9V。        (4)
第一电压差vref,1-vsat(＝15V-9V＝6V)大于第一阈值电压Vth,1，并且从而，反馈信号被驱动为低。
当功率半导体开关61在正常操作期间接通时，现在由第二参考vref,2与导通状态栅极电压vG,on之间的电压差表示的第二电压差不再超过第二阈值Vth,2：
vref,2-vG,on(＝0V–15V)<Vth,2。        (5)
因此，辅助开关M1的栅极-源极电压落在其阈值电压VM1,th以下，并且辅助开关M1被断开。因此，通过二极管D1至D3来驱动饱和电压vsat。在正常操作下，功率半导体开关上的电压如此低使得作为结果的电压差vref,1-vsat超过第一参考vref,1。通过光耦合器U1的输入的电流高于阈值电流IU！,th并且光耦合器U1输出被设定为低。
然而，如果短路发生，则功率半导体开关61的集电极-发射极电压升高，并且二极管D1至D3不能将饱和电压vsat拉低。因此，作为结果的电压差vref,1-vsat没有超过第一阈值电压Vth,1，并且通过高信号来指示短路。
除了检测短路以外，图6的实施例还能够在功率半导体开关61的不导通状态期间检测异常栅极电压电平。例如，如果断开状态栅极电压vG,off异常低，即第二电压差vref,2-vG,off低于第二阈值Vth,2,，则辅助开关M1的栅极-源极电压落在其阈值电压VM1,th以下，并且辅助开关M1被断开。在图6中，第二阈值Vth,2为12V，因此栅极电压的不如-12V负(less negativethan-12V)的断开状态电压电平vG,off将使辅助开关M1断开。功率半导体开关61的集电极-发射极电压为高不导通状态电平，并且二极管D1至D3不能将饱和电压vsat拉至低电压电平。作为结果的电压差vref,1-vsat没有超过第一参考vref,1，并且通过高反馈信号来指示异常栅极电压。
由于15V正电源电压用作第一参考vref,1，所以图6的实施例还能够在功率半导体开关61的不导通状态期间检测正电源电压的异常。
在不导通状态期间，饱和电压vsat可以为9V(参见等式4)。为了第一电压差vref,1-vsat超过第一阈值电压Vth,1(＝2V，等式1)，在此情况下作为正电源电压的第一电压参考vref,1必须为11V或者更大。如果正电源电压小于11V，则第一电压差vref,1-vsat小于第一阈值电压Vth,1，通过光耦合器的电流低于阈值电流IU！,th并且光耦合器U1输出被设定为高电平。可以通过调节齐纳二极管D5的齐纳电压VD5,z来控制用于触发低正电源电压的阈值电平。负电源电压的类似的电压降可以给出类似的结果。
以上示例性部件值示出了图6的实施例的一个实现。然而，该实施例不限于在此文献中给出的值，然而还可以使用其他的值。
图7示出了所公开的监测设备的又一示例性实施例。图7的实施例示出了与前述实施例类似的特征。通过栅极驱动器72来控制IGBT 71。三个高电压PN二极管D1至D3形成测量装置73并且生成饱和电压信号。反馈装置74包括光耦合器U1、电阻器R1和肖特基二极管D8。用于反馈装置74的第一参考电压信号vref,1为供给栅极驱动器单元的15V正电源电压。用于栅极驱动器单元的负电源电压为-15V。IGBT 71的发射极电位用作用于电源电压的地电位。电阻器R4、辅助开关M1和电阻器R3的串联连接形成控制装置75。基于第二参考信号vref,2与栅极电压信号vG之间的差控制辅助开关M1。栅极驱动器单元72的输出通过电阻器R3连接至辅助开关M1的源极端子。饱和电压信号线通过电阻器R4连接至辅助开关M1的漏极端子。
在图7中，通过参考电压生成装置76来生成第二参考信号vref,2，该参考电压生成装置76通过电阻器R2连接至辅助开关M1的栅极端子。
参考电压生成装置76可以被配置成在功率半导体开关71的不导通状态期间调制第二参考信号vref,2以调制反馈信号vfb，使得对反馈信号vfb的调制响应于正电源电压的电平和/或负电源电压的电平。例如，对反馈信号vfb的调制的切换频率和/或占空比可以被配置成响应于电源电压中的一者或二者。
在图7中，在IGBT 71的不导通状态期间，参考电压生成装置76生成脉冲宽度调制的第二参考信号vref,2，该脉冲宽度调制的第二参考信号vref,2又产生脉冲宽度调制的反馈信号vfb。该反馈信号vfb的切换频率和占空比响应于正电源电压的电平和负电源电压的电平。参考电压生成装置76包括比较器、电压参考、电压电平移位器以及RC电路。
电阻器R8、齐纳二极管D7和电容器C2被用于生成第三参考电压vref,3。
RC电路由电阻器R4和Rfb以及电容器C1形成。比较器由比较器电路U2与生成滞后的电阻器Rhyst.1和Rhyst.2形成。比较器将RC电路的电容器C1上的电压与电压参考进行比较。比较器输出通过电阻器Rfb被反馈回RC电路。结果，生成PWM信号。比较器输出被用作第二参考信号vref,2。
图7中的电压电平移位器由齐纳二极管D6和电阻器R7形成。电平移位器测量正电源电压和负电源电压之间的电压差。电平移位器然后通过使用齐纳二极管D6根据该差来降低固定的电压幅度。可以在电阻器R7上测量作为结果的电压差vmeas。
电压差vmeas通过电阻器R9被反馈给RC电路。从而，电容器上的电压响应于该电压差vmeas。栅极驱动器电源的一个电平或多个电平的改变导致所生成的PWM信号的输出频率和占空比的改变。在低电压差vmeas下，占空比和调制频率小，反之，在高电压差vmeas下，占空比和调制频率大。
在下文中，通过使用示例性部件值来说明图7的实施例的操作。
电阻器R8的电阻可以为11kΩ；齐纳二极管D7的齐纳电压可以为9V；以及电容器C2的电容可以为1μF。
比较器电路U2可以被供给0V(即，功率半导体开关发射极电位)和-15V。从而，比较器电路的输出可以在0V和-15V之间交替。
电阻器Rhyst.1和Rhyst.2可以分别具有值1kΩ和510kΩ；电容器C1的电容可以为100nF；以及电阻器Rfb的电阻可以为7kΩ。比较器的滞后和RC时间常数的组合给出了大约90kHz的基础调制频率。
正电源电压(15V)与负电源电压(-15V)之间的电压差例如在正常操作状况下可以接近30V的电平。如果一个或两个电源电压的电平太高(例如，正电源>15V或负电源<-15V)，则该差在30V以上。如果一个或两个电源电压的电平太低(例如，正电源<15V或负电源>-15V)，则该差在30V以下。
例如，在图7中，齐纳二极管D6具有20V的齐纳电压。从而，作为结果的电压差vmeas接近10V。
图8a至图8f示出了图7的设备的示例性波形。在图8a至图8f中，t1至t2时段示出了功率半导体开关的不导通状态。
图8a至图8c示出了其中IGBT 71正确地切换并且没有检测到短路的波形。
图8a示出了当用于栅极驱动器的电源电压在设定的操作范围内时的操作。在IGBT 71的导通状态期间，反馈信号用作短路检测器。没有检测到短路，并且从而该反馈信号为低。在IGBT 71的不导通状态期间，调制该反馈信号。该调制的切换频率和占空比响应于正电源电压的电平和负电源电压的电平。
图8b示出了当正电源电压太小时的操作的波形。脉冲成形反馈信号的切换频率和占空比现在更小。太小的负电源电压引起了相对应的波形。
图8c示出了当正电源电压太高时的操作的波形。脉冲成形反馈信号的切换频率和占空比现在更高。太大的负电源电压(即，更负的电压)引起了相对应的波形。
图8d至图8f示出了其中IGBT 71的集电极没有被连接并且没有电流流过它的波形。集电极-发射极电压在整个切换周期保持在高电平。
图8d示出了当用于栅极驱动器的电源电压在设定的操作范围内时的操作。在IGBT 71的导通状态期间，反馈信号用作短路检测器。然而，由于集电极没有被连接并且没有电流流过IGBT 71，所以IGBT 71的集电极-发射极电压保持在高电平。从而，反馈信号为高。在IGBT 71的不导通状态期间，调制该反馈信号。
图8e示出了当正电源电压太小时的操作的波形。脉冲成形反馈信号的切换频率和占空比现在更小。太小的负电源电压引起了相对应的波形。在IGBT 71的导通状态期间，反馈信号为高。
图8f示出了当正电源电压太高时的操作的波形。脉冲成形反馈信号的切换频率和占空比现在更高。太大的负电源电压(即，更负的电压)引起了相对应的波形。在IGBT 71的导通状态期间，反馈信号为高。
用此信息可以生成电压反馈。基于该电压反馈可以调节电源电压以便于实现正确的栅极驱动器输出电压电平。此外，可以测量在功率半导体开关的高频率切换期间的电压降，或者可以检测故障栅极驱动器电源。
对本领域的技术人员明显的是，可以以各种方式来实现该创造性构思。本发明及其实施例不限于上述示例而可以在权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种用于功率半导体开关的设备，所述功率半导体开关被配置成基于通过栅极驱动器单元驱动的栅极电压信号受控，其中，所述设备包括：
测量装置，所述测量装置用于基于所述功率半导体开关上的电压生成饱和电压信号；
辅助开关，所述辅助开关连接在携载所述饱和电压信号的饱和电压信号线与驱动所述栅极电压信号的所述栅极驱动器单元的输出之间，其中，所述辅助开关被配置成基于所述栅极电压信号被控制为导通状态或不导通状态；以及
反馈装置，所述反馈装置用于基于所述饱和电压信号生成饱和反馈信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置成基于所述功率半导体开关的操作状态控制所述饱和电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述饱和反馈信号是基于第一参考电压与所述饱和电压信号之间的差确定的。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述辅助开关被配置成基于第二参考信号与所述栅极电压信号之间的差被控制为导通状态或不导通状态。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，
所述第二参考电压为所述功率半导体开关的发射极电压电位或源极电压电位。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，
从所述功率半导体开关的辅助发射极测量所述第二参考电压。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其中，
所述辅助开关为N沟道FET，
所述饱和电压信号线通过电阻器连接至所述辅助开关的漏极端子，
所述栅极驱动器单元的输出连接至所述辅助开关的源极端子，以及
携载所述第二参考电压的第二参考电压线通过电阻器连接至所述辅助开关的栅极端子。
8.根据权利要求5或6所述的设备，其中，
所述辅助开关为NPN型BJT，
所述饱和电压信号线连接至所述辅助开关的集电极端子，
所述栅极驱动器单元的输出通过电阻器连接至所述辅助开关的发射极端子，
携载所述第二参考电压的第二参考电压线通过电阻器连接至所述辅助开关的基极端子。
9.根据权利要求4所述的设备，其中，所述设备包括：
参考电压生成装置，所述参考电压生成装置用于生成所述第二参考信号，其中，所述参考电压生成装置被配置成在所述功率半导体开关的不导通状态期间调制所述第二参考信号以调制所述反馈信号，使得对所述反馈信号的调制响应于正电源电压的电平和/或负电源电压的电平。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述测量装置包括：
至少一个二极管，所述至少一个二极管连接至所述功率半导体开关的集电极端子或漏极端子以用于生成所述饱和电压信号，所述二极管阻止来自所述集电极端子或漏极端子的电流向所述饱和电压信号流动。
11.根据权利要求3所述的设备，其中，所述反馈装置包括：
隔离器，所述隔离器被配置成基于所述饱和电压信号与第一参考电压信号之间的差产生所述饱和反馈信号。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述隔离器为光耦合器，在所述光耦合器中两个输出端子之间的电阻响应于两个输入端子之间的电压差，其中输入与输出电流隔离，以及其中，所述输入端子中的一个输入端子通过电阻器连接至所述饱和电压信号，另一个输入端子连接至所述第一参考电压信号，并且在所述隔离器的所述两个输出端子之间读取所述饱和反馈信号。
13.根据权利要求6所述的设备，其中，
所述第一参考电压信号为供给所述栅极驱动器单元的正电源电压。
14.一种装置，包括：
功率半导体开关，所述功率半导体开关被配置成基于栅极电压信号受控；以及根据前述权利要求中任一项所述的设备。
15.一种用于半导体开关的方法，所述半导体开关基于栅极电压信号受控，其中，所述方法包括：
基于所述功率半导体开关上的电压生成饱和电压信号；
通过使用辅助开关来控制所述饱和电压信号，所述辅助开关连接在携载所述饱和电压信号的饱和电压信号线与驱动所述栅极电压信号的栅极驱动器单元的输出之间，所述辅助开关基于所述栅极电压信号被控制为导通状态或不导通状态；
基于所述饱和电压信号确定饱和反馈信号。
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