CN104995837B - 半导体开关的保护装置以及用于运行半导体开关的保护装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有改善的响应特性的、用于半导体开关的一种过电压保护装置。该保护装置除了静态部件之外另外还包含有动态部件以及对该半导体开关上的开关操作的分析装置。过电压保护的动态部件在较小的过电压时就进行响应，但此外在响应特性上是有时间限制的。另外过电压保护的动态部件的响应也可以被限制为，使得仅在该半导体开关上的开关操作之后进行响应。
Description
技术领域
本发明涉及用于保护免遭过电压的一种半导体开关保护装置以及运行用于保护免遭过电压的半导体开关保护装置的一种方法。
背景技术
采用半导体开关来作为电气开关元件是已知的。在此在开关元件断开时、尤其在功率电子系统中例如在直流电压变换器或逆变器中，由于总是存在的漏感而导致过电压。如果流过半导体开关的电流流动中断，那么在该半导体开关上的集电极与发射极之间电压上升到可能大于供电电压的值。如果在此所出现的电压超过该半导体开关的最大截止电压，就可能导致该半导体开关的损坏。
图1示出了用于保护半导体开关T100免遭过电压的一种简单的保护电路。该半导体开关T100在此由栅极驱动电路400通过栅极电阻RG控制。在该半导体开关元件T100的集电极C与栅极G之间设置雪崩二极管D100。如果在该半导体开关T100上的集电极C与发射极E之间的电压超过由该雪崩二极管D100所预定的值，那么该雪崩二极管D100就开始导通。接着该半导体开关T100就至少部分地断开并从而轻微地导通。从而T100的集电极电流的断开速度di/dt就下降到以下程度，通过该程度把集电极-发射极电压限定到允许的高度。
根据该电路的静态实施，开始动作点必须高于最大可能的供电电压。否则就存在以下危险：该半导体开关T100转入到持续运行，这将导致该半导体开关的热损坏。
文件DE 10 2010 008 815 A1公开了一种用于半导体的过电压保护。在此仅当在该半导体开关上实际进行开关操作时，用于该半导体开关的保护电路才被激活。在此根据相应的许可，在这种情况下也要在集电极-发射极电压超过高于最大供电电压的阈值时，该保护电路才开始响应。
从而需要一种改善的用于半导体开关的过电压保护。尤其需要特别快速响应的用于半导体开关的过电压保护。另外还需要其中能够可靠地避免危险的持续运行的过电压保护。
发明内容
根据一个方面，本发明实现了一种用于半导体开关的保护装置，该保护装置具有第一过电压保护，该第一过电压保护被构造用于当在该半导体开关上的电压超过第一阈值时持续控制该半导体开关一个预定的时长；并具有第二过电压保护，该第二过电压保护被构造用于当在该半导体开关上的电压超过第二阈值时控制该半导体开关。
根据另一方面，本发明实现了运行用于半导体开关的保护电路的一种方法，其具有以下的步骤：当在该半导体开关上的电压超过第一阈值时，持续控制该半导体开关一个预定的时长；以及只要在该半导体开关上的电压超过第二阈值，就控制该半导体开关。
本发明的想法是，分两级地实施用于半导体开关的过电压保护。如果在该半导体开关上的电压超过第一阈值，就首先仅在时间上有限地控制该半导体开关。从而通过对该控制的时间上的限制，避免了该半导体开关在超过第一电压阈值时就已转入到持续导通的状态。从而该第一阈值可以被选择得相对低。在此有利的是，通过被设定为低的第一阈值，第一过电压保护已及早响应，并从而实现了特别快速的半导体开关保护。
在第二级中，一旦在该半导体开关上的电压超过第二阈值，就持续地控制该半导体开关。在此有利的是，该半导体开关之前已经通过该第一过电压保护而被时间上有限地控制，并从而该半导体开关的控制输入端（栅极）通过该第一控制而已经被预处理。从而半导体开关在第二过电压保护响应时可以特别快速地转换到导通状态。这导致该过电压保护更迅速的响应。如在断开过程中所出现的瞬时过电压脉冲的峰值由于更快速的响应而在此出现得明显更小。
在一种实施方式中，该第一阈值小于该第二阈值。从而在超过较小的第一阈值时该半导体开关首先被时间上有限地控制，并且该半导体开关的栅极在此已经得到偏压。然后在超过较大的第二阈值时，达到特别快速的过电压保护。
根据另一实施方式，该保护装置包含有开关探测器，该开关探测器被构造用于识别在该半导体开关上的开关操作。从而能够通过识别在该半导体开关上的开关操作而特别快速地对预期的过电压进行反应，或者把过电压保护仅限制于开关操作之后的时间间隔。
根据另一实施方式，该开关探测器被构造用于当该半导体开关断开时把该第一过电压保护设置为激活状态。从而该过电压保护的响应可以限制于在该半导体开关上的开关操作之后的时间段。
根据一种实施方式，该开关探测器被构造用于只要该半导体开关闭合或者完全断开就把该第一过电压保护设置为不激活状态。由此避免了由于外部事件而导致的过电压保护的响应。从而排除了由于其他事件而导致的该半导体开关的响应。
根据另一实施方式，该半导体开关是具有绝缘栅极的双极晶体管（IGBT）或者是MOSFET。
本发明另外还包括具有半导体开关的逆变器，其中该半导体开关包含有根据本发明一种实施方式的保护装置。
在一种实施方式中，根据本发明的方法包含有用于识别在该半导体开关上的开关操作的步骤，其中仅当在该半导体开关上的开关操作被识别到时，才实施用于持续控制该半导体开关一段预定时间的步骤。
其他特征和实施方式由结合附图的说明得到。
附图说明
图1示出用于保护免遭过电压的半导体开关保护电路的电路图的示意图；
图2示出根据本发明一种实施方式的用于半导体开关的保护装置的电路图的示意图；以及
图3示出根据本发明另一实施方式的运行用于半导体开关的保护电路的方法的示意图。
具体实施方式
半导体开关在本发明的意义上是能够基于半导体结构来闭合或断开电气连接的所有类型的开关元件。在此通过借助电气信号控制该半导体开关来进行该半导体开关的断开和闭合。半导体开关在本发明意义上尤其是MOSFET或IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管）。此外，根据本发明的保护装置同样可以应用于所有类型的半导体开关。
此外，即使结合半导体开关来阐述本保护装置，该保护装置同样也可以应用于其中在开关元件闭合时应该实现免遭过电压的保护的其他所有开关元件。
图2示出了根据本发明一种实施方式的用于半导体开关的保护装置的电路图的示意图。该半导体开关5在此通过晶体管T1来形成。通过在栅极G上施加合适的控制信号，在此可以在集电极C与发射极E之间断开或闭合导电连接。该半导体开关5的栅极G由控制信号控制，其中该控制信号由栅极驱动器4通过在该半导体开关5的栅极G上的栅极电阻RG来提供。该半导体开关5可以以这种方式被断开或闭合。
为了保护该半导体开关5免遭在发射极E与集电极C之间的过电压，该过电压保护包含有第一电路部分1，其中当在该半导体开关5的集电极C与发射极E之间的电压UCE超过预给定的阈值时，该第一电路部分就控制该半导体开关5的栅极G。该阈值通过半导体元件D10来预给定。该半导体元件D10例如可以是合适的雪崩二极管、齐纳二极管或在高于所定义的击穿电压时可逆地从截止状态转入到导通状态的其他器件。该半导体元件D10设置在该半导体开关5的集电极C与晶体管D10的控制输入端之间。
如果在该半导体开关5上的电压UCE超过由该半导体元件D10预给定的阈值，该晶体管D10就被控制并转入到导通状态。由此该半导体开关5的栅极G就被控制，接着该半导体开关5转入到至少轻微导通的状态。根据在该半导体开关5上的集电极C与发射极E之间据此产生的电流，该半导体开关5的集电极-发射极电压UCE也接着下降。通过合适地选择在该晶体管T10与该半导体开关5的栅极G之间的电阻R11和与该电阻R11并联的电容C10，可以在出现过电压时有目的地调节该控制特性。
该保护装置另外还包含有动态过电压保护2。该半导体开关5的最小集电极-发射极电压UCE的阈值在此通过半导体器件D20确定。该半导体器件D20可以与半导体器件D10相类似地是齐纳二极管、雪崩二极管或在预给定电压时可逆地从截止状态转入到导通状态的其他器件。在超过该半导体开关元件5上的集电极-发射极电压UCE的阈值之后，半导体器件D20就开始导通。接着通过电容C21来控制晶体管T20。这进一步导致在该晶体管T20断开时该半导体开关5的栅极G被控制，并且该半导体开关5接着至少轻微地转入到导通状态。
在该晶体管T20与该半导体开关5的栅极之间在此设置了电阻R21和电容C20的并联电路。通过这些器件可以在动态过电压保护2响应时形成控制信号。
通过设置在限压的半导体器件D20与该晶体管T20的控制信号输入端之间的电容C21，对通过该动态过电压保护2的控制的时长进行限制。从而在超过由该电容C21预给定的时长时，即使在该时间点在该半导体开关5上的集电极-发射极电压UCE还超过了由该半导体器件D20预给定的阈值，在超过高于由该半导体器件D20预给定的阈值的阈值的情况下对该半导体开关5的控制也被再次减少。
如果在该半导体开关5上的集电极-发射极电压UCE还进一步上升，那么由于通过该动态过电压保护2的时间上有限的控制已在该半导体开关5的栅极G上施加了偏压。从而当后续静态过电压保护1在高于由该半导体器件D10预给定的电压而响应时，通过该静态过电压保护1对该半导体开关5的栅极G的控制可以明显更快地导致该半导体开关5断开。该半导体开关5的特别快速的响应导致该集电极-发射极电压UCE的瞬时过电压尖峰出现得明显小于没有事先通过该动态过电压保护2的控制的情况。
因为该动态过电压保护2的控制可以通过该电容C21有目的地进行时间上的限制，所以不存在该动态过电压保护2导致持续地控制该半导体开关5的危险。从而可以为该半导体器件D20选择低于该半导体开关5的最大运行电压的阈值电压。由此实现了过电压保护的特别及早的响应。
根据本发明的保护装置此外还可以包含电路部分3，该电路部分3进一步限制该动态过电压保护2的响应。由此例如实现了仅当所探测的过电压也由通过栅极驱动器4的开关操作引起时，该动态过电压保护2才响应。从而尤其当该动态过电压保护的响应的阈值低于最大运行电压时，能够在开关操作之外的时间防止当在该半导体开关上的电压接近该最大运行电压并从而该半导体器件D20将触发保护响应时该动态过电压保护进行响应。
为此通过该电路片段3形成开关探测器，该开关探测器分析在栅极驱动器4与该半导体开关5的栅极G之间的栅极电阻RG上的电压降。通过这种方式，仅当要保护的半导体开关5的断开过程实际就是在该半导体开关5上的集电极C与发射极E之间过电压的原因时，才借助晶体管T30和T31激活该动态过电压保护2。否则该电路保持不激活。该半导体开关5的断开从而被限制于该栅极驱动器4的开关操作之后的时间点。
根据本发明的用于保护半导体开关免遭过电压的保护装置在此可以被应用在其中应该保护半导体开关免遭开关过程之后的瞬时过电压的情况。根据本发明的过电压保护装置尤其可以例如应用在具有半导体开关的直流电压变换器中或者应用在具有半导体开关的逆变器中。另外根据本发明的过电压保护也可以例如应用在用于控制电驱动装置的逆变器中，因为在这种构造中的寄生电感在开关操作时可能导致高的过电压。
图3示出了运行用于半导体开关的保护电路的方法100的示意图。在步骤110中，在此识别在该半导体开关5上的开关操作。例如这可以是来自栅极驱动器4的信号的变化，由该开关探测器3来识别所述变化。接着该开关探测器3释放第一过电压保护2。接着在另一步骤120中，当在该半导体开关5上的电压UCE超过第一阈值时，持续控制该半导体开关5一个预定的时长。在该预定时长之后，即使该电压UCE超过该第一阈值，也不控制该半导体开关5。
此外在另一步骤130中，只要在该半导体开关5上的电压UCE超过第二阈值，该半导体开关5就一直被控制。在此没有时间限制地来进行在高于该第二阈值时对该半导体开关5的这种控制。从而为该第二阈值选择高于最大运行电压的电压，以避免对该半导体开关5的持续控制，并从而预防该半导体开关5的热损坏。
总之，本发明涉及具有改善的响应特性的用于半导体开关的保护装置。该保护装置除了静态部件之外还包含有动态部件以及对该半导体开关上的开关操作的分析装置。过电压保护的动态部件在较小的过电压时进行响应，但此外在响应特性上是有时间限制的。另外过电压保护的动态部件的响应也可以被限制为，使得仅在该半导体开关上的开关操作之后进行响应。
Claims (9)
1.用于半导体开关（5）的保护装置，该保护装置具有
第一过电压保护（2），该第一过电压保护被构造用于当在该半导体开关（5）上的电压（UCE）超过第一阈值时持续控制该半导体开关（5）一个预定的时长；以及
第二过电压保护（1），该第二过电压保护被构造用于当在该半导体开关（5）上的电压（UCE）超过第二阈值时就控制该半导体开关（5），
其特征在于，
所述第一过电压保护（2）具有半导体器件（D20），当在该半导体开关（5）上的电压（UCE）超过第一阈值时，该半导体器件可逆地从截止状态转入到导通状态，并且所述半导体器件布置在所述半导体开关（5）的集电极（C）与所述半导体开关（5）的栅极（G）之间，以及
所述第二过电压保护（1）具有半导体器件（D10），当在该半导体开关（5）上的电压（UCE）超过第二阈值时，所述第二过电压保护的半导体器件可逆地从截止状态转入到导通状态，并且所述第二过电压保护的半导体器件在所述半导体开关（5）的集电极（C）与所述半导体开关（5）的栅极（G）之间与所述第一过电压保护（2）的半导体器件（D20）并联地布置。
2.根据权利要求1所述的保护装置，其中该第一阈值小于该第二阈值。
3.根据前述权利要求1或2之一所述的保护装置，另外还包含有开关探测器（3），该开关探测器被构造用于识别在该半导体开关（5）上的开关操作。
4.根据权利要求3所述的保护装置，其中该开关探测器（3）被构造用于当该半导体开关（5）断开时就把该第一过电压保护（2）设置为激活状态。
5.根据权利要求3所述的保护装置，其中该开关探测器（3）被构造用于只要该半导体开关（5）闭合就把该第一过电压保护（2）设置为不激活状态。
6.根据前述权利要求1至2之一所述的保护装置，其中该半导体开关（5）是具有绝缘栅极的双极晶体管或者是MOSFET。
7.具有半导体开关（5）的逆变器，该半导体开关具有根据前述权利要求之一所述的保护装置。
8.用于运行半导体开关（5）的根据权利要求1至6之一所述的保护装置的方法，具有以下的步骤：
当在该半导体开关（5）上的电压（UCE）超过第一阈值时，持续控制（120）该半导体开关（5）一个预定的时长；
只要该半导体开关（5）上的电压（UCE）超过第二阈值，就控制（130）该半导体开关（5）。
9.根据权利要求8所述的方法，另外还包含有用于识别在该半导体开关（5）上的开关操作的步骤（110）；
其中仅当识别到在该半导体开关（5）上的开关操作时，才实施持续控制（120）该半导体开关（5）一段预定时间的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |