CN105099417A - 用于功率半导体开关的布置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容描述了一种用于功率半导体开关的布置和方法。在该开关中，第一电极(e)与第二电极(c)之间的第一电流被配置成基于第三电极(g)与第一电极(e)之间的控制电压而被控制。该布置包括：与功率半导体开关串联连接的电感，其中该电感的第一端连接至第一电极(e)；用于基于所述第一端的电压来相对于参考电势生成第一测量电压的第一测量装置；用于基于电感的第二端电压来相对于参考电势生成第二测量电压的第二测量装置，用于将第一测量电压与第二测量电压进行比较的比较器；以及用于生成控制电压的驱动装置，该驱动装置被配置成生成该控制电压的第一控制电压水平和第二电压水平。

Description

用于功率半导体开关的布置和方法
技术领域
本发明涉及对功率半导体开关的控制，特别是涉及监视功率半导体开关的开关事件。
背景技术
控制功率半导体开关——例如IGBT和MOSFET——的栅极是逆变器或变频器的重要环节。逆变器或变频器中的功率半导体开关通常被配置成被控制处于下述两个操作状态中的一个操作状态：导通状态(即接通状态)，或者非导通状态(即，关断状态)。
在控制功率半导体开关的操作状态的驱动电路的设计中可能需要考虑许多方面。功率半导体开关的操作电压电势在操作期间可能在根本上改变，并且功率半导体可以以与控制整个系统的控制器的电压电势不同的电压电势进行操作。因此，控制功率半导体开关的驱动单元可以与控制器进行电隔离。
例如，控制器和驱动单元例如可以通过光隔离器彼此隔离。隔离电源可以用于生成正电压或者正电压和负电压，以便能够将半导体开关驱动至期望的操作状态。
例如，可以通过向半导体开关的控制端子如栅极端子提供正控制电压来将半导体开关驱动至导通状态。负电压可以用于在关断事件期间产生足够高的栅极电流，并且用于确保即使在栅极电压中出现电压尖峰，半导体开关也保持在关断状态。在IGBT中，所提供的一个电压/多个电压通常与IGBT的发射极或辅助发射极的电压电势相连。
为了实现较高的额定功率，可以在逆变器和变频器中使用并联连接的功率半导体开关。然而，由于并联连接的开关之间的物理差异和/或实现控制开关的驱动电路的部件之间的物理差异，所以所述开关可能不会同时导通(或关断)。这些非并发开关事件可能会导致额外的损失。
因此，可以期望的是，调节各个开关的导通和关断开关事件的时刻以实现并发开关事件。可以使用各种类型的反馈实现来确定实际开关事件的时刻。例如，如果功率半导体开关如IGBT设置有主发射极端子和辅助发射极端子，则可以使用在这些端子之间的接合线上的电压来估计发射极电流的变化率。然后，可以使用该变化率来检测导通或关断事件。
然而，由于要检测的变化率可能非常快，所以用于检测变化率的测量电路可能必须根据非常高的速度分量来构建。此外，为了以测量结果精确可比的方式从不同的开关获得测量结果，检测电路的传播延迟偏差可以还必须非常低，处于纳秒的量级。能够满足这些要求的实现可能需要昂贵的部件和/或制造过程，这可能会降低实现的成本效益。
此外，用于控制和/或反馈信号的隔离信道的数目也可能会对成本效益产生显著影响，特别是在使用现代高温额定的CMOS数字隔离器的情况下。可能还必须考虑部件的可用性。
具有DC中间电路的三相变频器通常需要至少六个功率半导体以用于输出。因此，驱动单元的成本效益的任何增加或减小可能会对变频器产生六倍的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用以减轻上述缺点的方法和一种用于实现该方法的装置。本发明的目的通过由独立权利要求中陈述的内容表征的方法和布置来实现。本发明的优选实施方式在从属权利要求中公开。
可以通过监视与功率半导体开关串联的电感上的电压来监视功率半导体开关的电流——例如发射极电流——的变化率。电感两端之间的电压差表示通过电感——并且因此也通过功率半导体开关——的电流的变化率。基于该电压差，可以检测该变化率超过用于该变化率的设定阈值水平的时刻。
在根据本公开内容的布置和方法中，可以测量电感两端的电压。用于测量电压差的测量电路可以被配置成使得：当通过电感的电流不改变(变化率为零)时，电感两端处的电压的测量仍显示它们之间的电压差。该差可以被认为表示用于变化率的阈值。
当变化率开始增加时，该差减小，并且最终该测量值彼此交叉。因此,为了检测变化率超过阈值水平，可以将电感两端处的电压的测量彼此进行比较。当变化率超过设定阈值时，两个测量值彼此交叉，比较器改变其状态，并且可以指示超过阈值。
然而，在开关的导通和关断事件时，变化率具有不同的极性。为了监视在导通事件和关断事件二者期间的变化率，测量电路可以耦接至驱动功率半导体开关的控制端子的驱动单元。测量电路可以耦接至该驱动单元，使得控制电压的水平的改变改变了电感器的电压电势。电感器端的电压的测量的增益和偏置可以被配置成使得控制电压的新水平在测量之间引起具有相反符号的新电压差。新电压差使比较器改变其状态。
新电压差表示负变化率的阈值。当负变化率开始增加时，该差减小，并且最终该测量值彼此交叉。同样，比较器改变其状态。因此，可以通过使用一个比较器来监视导通事件和关断事件期间的变化率。由于仅需要一个比较器，所以可以使用仅一根信号线来实现对导通和关断事件期间的变化率的监视。
此外，由于比较器还在控制信号的水平改变时改变其状态以例如使开关导通或关断，所以所述一根信号线还可以用于指示控制端子如栅极何时接收到导通或关断信号。因此，对于该信号线可以仅需要一个隔离部件。
根据本公开内容的实施方式可以例如与并联连接或串联连接的功率半导体开关一起使用。利用根据公开内容的实施方式，可以以关于栅极控制电路的最小额外成本来检测和调节功率半导体开关的开关事件的时刻。
根据本公开内容的实施方式可以引起部件数目、电路板的面积以及成本的显著降低。
此外，由于可以检测控制电压的水平的改变(例如，以使开关导通和关断)，所以还可以测量驱动单元控制链的环回时延，并且可以使隔离部件的延迟变化达到最小。
此外，当导通事件和变化率的指示使用相同的比较器和反馈隔离信道，它们被延迟相同的时间量。可以估计栅极转向(gateturn)与变化率脉冲的时间差，并且可以使比较器和隔离部件的延迟偏差的影响达到最小。
附图说明
在下文中将参照附图通过优选实施方式来更加详细地描述本发明，其中：
图1示出了根据本公开内容的布置的示例性简化框图；
图2a和图2b示出了根据本公开内容的布置的示例性实施方式的示例性波形；
图3示出了根据本公开内容的示例性简化实现；以及
图4示出了可以与驱动功率半导体开关的控制电压的H桥一起使用的软关断电路。
具体实施方式
本公开内容描述了一种用于监视功率半导体开关的开关事件的布置(和方法)。在功率半导体开关中，第一电极与第二电极之间的第一电流可以被配置成基于第三电极与第一电极之间的控制电压而被控制。例如，在IGBT作为功率半导体开关的情况下，第一电极可以是发射极，第二电极可以是集电极，第三电极可以是栅极，并且第一电流可以例如是发射极电流。控制电压可以是栅极-发射极电压。
根据本公开内容的布置和方法的实施方式不限于利用IGBT的应用。它们还适用于其他类型的电压控制半导体开关，例如功率MOSFET。此外，除了检测单个功率半导体开关的开关事件，根据本公开内容的布置和方法还可以与并联连接或串联连接的功率半导体开关一起使用。
可以通过监视在与功率半导体开关串联的电感上的电压来监视功率半导体开关的电流——例如发射极电流——的变化率。电感的两端之间的电压差表示通过电感和功率半导体开关的电流的变化率。因此，根据本公开内容的布置可以包括与功率半导体开关串联连接的电感，其中电感的第一端连接至第一电极。图1示出了根据本公开内容的布置的示例性简化框图。
在图1中，在IGBT模块10内，功率半导体开关具有IGBTQ1的形式。用作第一电极的发射极e和用作第二电极的集电极c之间的电流基于用作第三电极的栅极g与所述发射极e之间的控制电压vge而被控制。例如，如图1所示的，发射极e可以包括主端子emain和辅助端子eaux。控制电压vge可以被提供在第三电极g与第一电极e的辅助端子之间。
在模块10中，电感L1可以与IGBTQ1串联连接。例如，电感可以由模块10中的接合线来形成。电感上的电压可以在模块10的辅助发射极端子eaux与主发射极端子emain之间进行测量。
在根据本公开内容的布置或方法中，可以通过生成控制电压的第一控制电压水平和第二控制电压水平来控制功率半导体开关。控制电压的水平可以使得第一控制电压水平将功率半导体开关设置成非导通状态，而第二控制电压水平可以将功率半导体开关设置成导通状态。第一电压水平和第二电压水平相对于参考电势生成不同的第一电极电压。在图1中，本地接地电势被示出为用作参考电势的三角形接地符号。
根据本公开内容的布置可以包括生成控制电压的驱动装置。驱动装置可以被配置成生成控制电压的第一控制电压水平和第二电压水平。例如，生成控制电压的驱动装置可以耦接至参考电势。在图1中，驱动装置14生成控制电压vge。驱动装置14与本地接地电势相连。
为了确定变化率，第一测量电压可以是基于电感的第一端处的电压而生成的，而第二测量电压可以是基于电感的第二端处的电压而生成的。
例如，根据本公开内容的布置可以包括分别用于响应于第一端处的电压来生成第一测量电压的第一测量装置和用于响应于电感的第二端处的电压来生成第二测量电压的第二测量装置。第一测量装置可以具有第一增益和第一偏置，而第二测量装置具有不同于第一增益的第二增益和不同于第一偏置的第二偏置。第一测量电压可以是基于第一端的电压相对于参考电势而生成的。第二测量电压是基于第二端的电压相对于同一参考电势而生成的。
在图1中，第一测量装置11基于电感L1的第一端处的电压来生成第一测量电压vm,1。第二测量装置12基于电感L1的第二端处的电压来生成第二测量电压vm,2。第一测量装置11具有第一增益和第一偏置电压，并且第二测量装置12具有第二增益和第二偏置电压。用于电感L1的第一端和第二段处的电压的参考电势为图1中的本地接地电势。
在根据本公开内容的布置或方法中，为了确定变化率是否超过设定限制，可以将第一测量电压与第二测量电压进行比较，并且可以基于该比较来生成反馈信号。例如，可以使用比较器来将第一测量电压与第二测量电压进行比较。对于较低或零变化率，比较器输出vcmp保持在一种状态下。当变化率超过设定限制时，电压差改变极性，并且比较器输出vcmp改变其状态。只要变化率保持高于该设定限制，比较器就保持在该新状态下。因此，还可以检测变化率再次下降到设定限制(例如达到容许水平)以下的时刻。在图1中，比较器13将第一测量vm,1与第二测量vm,2进行比较。
为了能够监视在导通事件和关断事件二者期间的变化率。根据本公开内容的布置中的测量电路可以耦接至驱动功率半导体开关的控制端子的驱动装置。驱动装置还可以耦接至参考电势，使得在使用期间第一电压水平和第二电压水平相对于参考电势生成不同的第一电极电压。例如，当控制电压的水平在功率半导体开关的开关事件期间改变时，控制电压的水平的改变引起电感器两端的电压电势的改变。
在图1中，第一测量装置11基于用作第一电极的辅助发射极端子eaux与用作参考电势的本地接地电势之间的电压来生成第一测量电压vm,1。驱动装置14与本地接地电势相连，并且该驱动装置14被配置成使得第一电压水平和第二电压水平相对于本地接地电势生成不同的第一电极电压。例如，驱动装置14被实现为H桥。然而，根据本公开内容的布置或方法中的驱动装置的实现不限于H桥。
结合示出根据本公开内容的布置的示例性实施方式的示例性波形的图2a和图2b来讨论根据本公开内容的布置和方法的操作。图2a示出了导通开关事件，并且图2b示出了关断事件。
图2a和图2b的顶部曲线示出了呈发射极电流ie形式的第一电流。在图2a和图2b中，发射极电流ie向下增加。图2a和图2b的中间曲线示出了利用根据本公开内容的第一测量装置测量的第一测量电压vm,1(虚线)和利用根据本公开内容的第二测量装置测量的第二测量电压vm,2(实线)。底部曲线示出了比较器输出vcmp。
在根据本公开内容的布置和方法中，第一增益、第二增益、第一偏置和第二偏置可以被选择为使得：在操作中，当控制电压的水平改变时，比较器改变其状态，例如以使开关导通或关断。
控制信号的水平的改变与功率半导体实际上导通或关断之间存在延迟。因此，在控制信号改变的时刻处，发射极电流ie尚未改变，并且电感上的电压保持在零处。因此，第一控制电压水平在第一测量电压与第二测量电压之间引起第一电压差水平，该第一电压差水平将比较器设置成第一状态。类似地，第二控制电压水平在第一电压与第二电压之间引起第二电压差水平，该第二电压差水平将比较器设置成第二状态。
在图2a中的时刻t1处，控制功率半导体开关的控制电压响应于导通命令从第一控制电压水平改变至第二控制电压水平。作为结果，第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间的电压差改变成具有相反极性的新水平。响应于此，比较器输出vcmp改变其状态。类似地，在图2b中，在时刻t4处，控制电压的水平的改变使第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间的差改变其极性，并且使比较器改变其状态。
在根据本公开内容的布置和方法中，还可以选择第一增益、第二增益、第一偏置和第二偏置使得：在操作中，流过电感的发射极电流ie的变化率的改变引起第一测量电压与第二测量电压之间的电压差的改变。在根据本公开内容的布置和方法中，还可以选择第一增益、第二增益、第一偏置和第二偏置使得：该电压差随着变化率的幅度增加而减小。当变化率的幅度达到设定阈值时，电压差降低到零。如果变化率的幅度超过该阈值，则电压差改变极性(即符号)。例如，第一增益、第二增益、第一偏置和第二偏置可以被选择成使得：在操作中，如果在导通事件期间变化率增加到第一限制以上，则电压差改变其符号并且比较器改变其状态。该增益和偏置可以使得：如果在关断事件期间变化率降低到第二限制以下，电压差再次改变其符号并且比较器改变其状态。例如，第二增益可以低于第一增益，并且第二偏置可以高于第一偏置。
就在图2a中的时刻t2之前，发射极电流ie开始升高。与功率半导体开关串联的电感上的电压出现，从而指示发射极电流ie的非零变化率。作为结果，第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间的电压差在时刻t2处减小到零。作为变化率超过设定限制的指示器，比较器输出vcmp改变其状态。
就在时刻t3之前，发射极电流ie开始稳定在其导通状态水平，并且发射极电流ie的变化率的幅度开始减小。在时刻t3处，变化率的幅度下降到设定限制以下，第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间的电压差再次改变其极性，并且比较器输出vcmp改变其状态。
如图2b所示，在关断事件期间，示例性布置以与在导通期间相同的方式进行操作。就在时刻t5之前，发射极电流ie开始下降，并且(负)变化率增加。第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间的电压差在时刻t5处减小到零，并且比较器改变其状态。在时刻t6处，变化率的幅值再次下降到设定限制以下，第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间的电压差改变其极性，并且比较器输出vcmp改变其状态。
由于可以使用单个比较器来监视导通事件和关断事件二者期间的第一电流的变化率，所以关于导通事件和关断事件期间的变化率的指示器可以通过使用仅一个信号线来实现。因此，对于该信号线可以仅需要一个隔离部件。
由于可以检测控制端子导通和关断的时刻，所以还可以测量驱动单元控制链的环回延迟，并且可以使隔离部件的延迟变化达到最小。
当关于导通事件和变化率的指示器使用一个比较器和反馈隔离信道时，它们被延迟相同的时间量。因此，可以通过估计栅极转向和变化率脉冲的时间差来使比较器和隔离部件的时间偏差的影响达到最小。
图3示出了根据本公开内容的示例性的简化实现。在图3中，在IGBT模块30中，IGBTQ1与电感L1串联连接。IGBTQ1的发射极(用作第一电极)包括主端子emain和辅助端子eaux。电感L1由将辅助端子eaux连接至主端子emain的接合线形成。
主发射极端子emain与IGBTQ1的集电极c(用作第二电极)之间的发射极电流(用作第一电流)基于IGBTQ1的栅极g(用作第三电极)与辅助发射极端子eaux之间的栅极-发射极电压vge(用作控制电压)而被控制。
在图3中，用于生成栅极-发射极电压vge的驱动装置31由用于提供栅极g与发射极e之间的栅极-发射极电压vge的电源32和用于使所提供的栅极-发射极电压vge的极性反转的开关装置(switchingmeans)33形成。以此方式，即使在仅使用一个供电电压的情况下，也总是可以产生非零的负的或正的栅极-发射极电压vge。电阻器R7至R9用作栅极电阻器。
例如，电源32可以是提供+15V电压的正电压供给。图3中的驱动装置31因此可以生成为-15V或15V的栅极-发射极电压vge。
开关装置33具有图3中的H桥的形式。H桥33包括两个分支。第一分支包括在电源32的正极与负极之间串联连接的两个半导体开关Q2和Q3。第一分支的输出驱动IGBTQ1的栅极g。第二分支包括在所述正极与所述负极之间串联连接的两个半导体开关Q4和Q5。第二分支的输出驱动IGBTQ1的辅助发射极端子eaux。通过将开关Q2和Q5设置成导通状态来生成正栅极-发射极电压vge。可替选地，通过将开关Q3和Q4设置成导通状态来生成负栅极-发射极电压vge。
在图3中，通过使用互补控制信号s1和来控制开关Q2和Q5。通过使用互补控制信号s2和来控制开关Q3和Q4。生成这些信号的控制电路(包括一个隔离器/多个隔离器)可以与用作本地接地电势的电压供给32的负极相连。单端电源32使得能够使用单个隔离器单元来控制开关Q2至Q5。
本地接地电势可以用作参考电势。因此，驱动装置31生成第一栅极-发射极电压水平(用作第一控制电压水平)和第二栅极-发射极电压水平(用作第二控制电压水平)，该第一栅极-发射极电压水平和第二栅极-发射极电压水平可以相对于本地接地生成不同的栅极电压。在图3中，本地接地电势被示出为三角接地符号。
在图3中，电感上的电压在辅助发射极端子eaux(即电感L1的第一端)与主发射极端子emain(即电感L1的第二端)之间进行测量。
第一电阻器中和器(resistoraverager)34用作第一测量装置，该第一测量装置基于辅助发射极端子eaux处的电压来生成第一测量电压vm,1。
第一测量电压vm,1是基于辅助发射极端子电压相对于本地接地电势生成的。第一电阻器中和器34可以包括第一电阻R1、第二电阻器R2和第三电阻器R3。第一电阻器R1将辅助发射极端子eaux连接至第一测量点。第二电阻器R2将本地接地电势连接至第一测量点。本地接地电势连接至用于提供栅极-发射极电压vge的电源的负极。第三电阻器R3将电压参考vpp的输出连接至第一测量点。第一测量电压vm,1可以从第一测量点来测量。电阻器R1至R3一起形成第一电阻器中和器34的第一增益和第一偏置。
第二电阻器中和器35用作第二测量装置，该第二测量装置基于在主发射极端子emain处的电压来相对于参考电势生成第二测量电压vm,2。
第二测量电压vm,2是基于主发射极端子电压而相对于本地接地电势生成的。第二电阻器中和器35可以包括第四电阻器R4、第五电阻器R5和第六电阻器R6。第四电阻器R4将主发射极端子emain连接至第二测量点；第五电阻器R5将本地接地电势连接至第二测量点；以及第六电阻器R6将电压参考的输出连接至第二测量点。第二测量电压vm,2可以从第二测量点来测量。电阻器R4至R6一起形成第二电阻器中和器35的第二增益和第二偏置。第二电阻器中和器35还可以包括与第五电阻器并联的电容器C1，从而形成滤除主发射极端子电压的测量中的尖峰和振荡的低通滤波器。
图3中的布置还包括比较器36，该比较器36将第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2进行比较。比较器36的输出可以与本地接地电势相连。
电阻器R1至R3以及R4至R6的电阻可以被选择成使得该布置能够利用一个比较器来检测四种类型的情况:栅极-发射极电压vge的水平改变以使IGBTQ1导通；栅极-发射极电压vge的水平改变以使IGBTQ1关断；在导通期间发射极电流的变化率超过设定限制的时间(开始和结束)；以及在关断期间发射极电流的变化率低于用于变化率的(负)限制的时间(开始和结束)。例如，电阻器R1至R3以及R4至R6的电阻可以被选择成使得第二增益低于第一增益并且第二偏置高于第一偏置。
电阻器R1至R3以及R4至R6的电阻可以被配置成：在导通事件和关断事件二者期间，电感器L1上的电压随着变化率的幅度增加而减小。
如果在导通事件期间变化率达到用于该变化率的第一阈值，则第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间的电压差降低至零。如果该变化率增加到该第一阈值以上，则电压差改变其符号并且比较器改变其状态。
因此，如果在关断事件期间变化率减小到第二设定阈值(具有相反符号)以下，则电压差改变其符号并且比较器改变其状态。电阻器R1至R3以及R4至R6的电阻可以被选择成使得第一阈值水平和第二阈值水平具有不同的幅度。
另外，图3的布置还指示使栅极-发射极电压vge接通和关断的时刻。在栅极-发射极电压vge改变的时刻，发射极电流尚未改变。因此，在导通事件期间，栅极-发射极电压vge的第一水平在第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间引起第一电压差水平，该第一电压差水平将比较器设置成第一状态。因此，第二栅极-发射极电压vge水平在第一测量电压vm,1与第二测量电压vm,2之间引起第二电压差水平，该第二电压差水平将比较器设置成第二状态。
在图3中，控制H桥33的开关的信号和比较器输出与相同电势——即本地接地——相连。因此，单个多信道隔离单元可以用于比较器输出并且用于对H桥33进行控制。
由于可以检测控制端子导通和关断事件的时刻，所以可以测量环回延迟，并且可以使隔离部件的延迟变化达到最小。例如，可以使用FPGA来经由两个隔离信道(例如，一个隔离信道用于生成用于开关Q2和Q5的互补控制信号s1和而另一个隔离信道用于生成用于开关Q3和Q4的互补控制信号s2和)控制H桥33的切换。当栅极-发射极电压vge响应于FPGA的控制而改变时，比较器输出改变其状态，并且通过隔离信道将指示发送回FPGA。FPGA可以通过测量一个控制信号或多个控制信号离开的时刻与导通或关断反馈到达的时刻之间的时间差来计算环回延迟。
由于在图3中关于导通事件和变化率的指示使用相同的比较器和反馈隔离信道，所以它们被延迟相同的时间量。因此，可以通过估计栅极转向与变化率脉冲的时间差来使比较器和隔离部件的延迟偏差的影响达到最小。
在图3中，以简化的形式示出了驱动装置31。在根据本公开内容的一些实现中，驱动装置还可以适用于在导通状态下的过电流情况期间执行IGBT的软(慢)关断。如果过电流状态下的IGBT快速关断，则可以引起电压尖峰。在实现中，该电压尖峰可能会超过针对IGBT本身和/或其他IGBT设置的最大集电极-发射极电压。因此，可以期望的是，能够检测过电流状态并且缓慢地关断IGBT。
图4示出了软关断电路的示例性实施方式。在图4中，图3的H桥还包括软关断电路40。
图4中的软关断电路40包括在H桥的第一分支的输出与用作参考电势的本地接地之间串联连接的电阻器R13与软关断半导体开关Q6。
软关断电路40还可以包括用于基于控制H桥的第一分支和第二分支中的半导体开关Q2至Q5的控制信号来控制软关断半导体开关Q6的装置。该装置可以被配置成：在控制信号将半导体开关Q2至Q5设置成非导通状态时将软关断半导体开关Q6设置成导通状态。
例如，软关断电路40可以包括用作用于控制软关断开关Q6的装置的电阻器中和器，如在图4中。该中和器的输出可以被连接成控制开关Q6的栅极。
图4中的电阻器中和器包括电阻器R10、R11和R12。电阻器R10和R11将控制信号和连接至电阻器中和器的输出，同时电阻器R12将本地接地连接至该输出。电阻器R10、R11和R12的电阻可以被选择成使得：当经反相的控制信号和二者被设置成高——即，当开关Q2至Q5全部被设置成非导通状态时，电阻器R10和R11能够将该开关拉回到导通状态。
图4中的软关断电路40还包括在本地接地与H桥的第二分支的输出之间的二极管。例如，在图4中，所有开关Q2至Q5具有可以是开关的体二极管的反向并联二极管。可替选地，单独的反向并联二极管可以耦合至开关Q5。
当经反相的控制信号和二者被设置成高并且开关Q6被设置成导通状态时，形成通过电阻器R13、开关Q6和开关Q5的反向并联二极管的电流路径。由电阻器R13限制的电流使栅极-发射极电压vge以受控的方式减小。
例如，还可以通过使用已知的去饱和电压测量来检测导通状态过电流。在导通状态期间，如果发生短路，则开关上的电压——例如集电极-发射极电压vce——上升到设定阈值以上并且检测到过电流。去饱和电压检测可以与和上述开关事件/变化率监视信号相同的电势相连。因此，可以使用相同的隔离单元。
本发明构思可以以各种方式来实现对于本领域技术人员来说将是明显的。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内改变。

Claims (14)

1.一种用于功率半导体开关(Q1)的布置，在所述功率半导体开关(Q1)中，第一电极(e)与第二电极(c)之间的第一电流被配置成基于第三电极(g)与所述第一电极(e)之间的控制电压而被控制，其中，所述布置包括：
电感(L1)，所述电感(L1)与所述功率半导体开关串联连接，其中，所述电感(L1)的第一端连接至所述第一电极(e)，
第一测量装置(11；34)，所述第一测量装置(11；34)用于基于所述第一端的电压来相对于参考电势生成第一测量电压，其中，所述第一测量装置具有第一增益和第一偏置，
第二测量装置(12；35)，所述第二测量装置(12；35)用于基于所述电感(L1)的第二端电压来相对于参考电势生成第二测量电压，其中，所述第二测量装置具有不同于所述第一增益的第二增益和不同于所述第一偏置的第二偏置，
比较器(13；36)，所述比较器(13；36)用于将所述第一测量电压与所述第二测量电压进行比较，以及
驱动装置(14；31)，所述驱动装置(14；31)用于生成所述控制电压，所述驱动装置(14；31)被配置成生成所述控制电压的第一控制电压水平和第二电压水平，其中，所述驱动装置(14；31)耦接至所述参考电势，使得在使用期间所述第一电压水平和所述第二电压水平相对于所述参考电势生成不同的第一电极电压。
2.根据权利要求1所述的布置，其中，所述第二增益低于所述第一增益，并且所述第二偏置高于所述第一偏置。
3.根据权利要求1或2所述的布置，其中，所述第一增益、所述第二增益、所述第一偏置和所述第二偏置被选择成使得：在操作中，
流过所述电感(L1)的所述第一电流的变化率的改变引起所述第一测量电压与所述第二测量电压之间的电压差的改变，以及
如果所述变化率的幅度超过设定限制，则所述电压差改变极性并且所述比较器(13；36)改变其状态。
4.根据权利要求3所述的布置，其中，所述第一增益、所述第二增益、所述第一偏置和所述第二偏置被选择成使得：在操作中，
如果在导通事件期间所述变化率增加到第一限制以上，则所述电压差降低到零并且所述比较器(13；36)改变其状态，以及
如果在关断事件期间所述变化率降低到第二限制以下，则所述电压差降低到零并且所述比较器(13；36)改变其状态。
5.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述第一增益、所述第二增益、所述第一偏置和所述第二偏置被选择成使得：在使用所述布置期间，如果所述电感(L1)上的电压为零，则
所述第一控制电压水平在所述第一测量电压与所述第二测量电压之间引起第一电压差水平，所述第一电压差水平将所述比较器(13；36)设置成第一状态，
所述第二控制电压水平引起第一电压与第二电压之间的第二电压差水平，所述第二电压差水平将所述比较器(13；36)设置成第二状态。
6.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述功率半导体开关为下述单元：在所述单元中，
所述第一电极(e)包括主端子(emain)和辅助端子(eaux)，所述控制电压被提供在所述第三电极(g)与所述第一电极(e)的辅助端子之间；以及
所述电感(L1)是由所述单元中的接合线形成的，所述电感上的电压是在所述辅助端子(eaux)与所述主端子(emain)之间测量的。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述第一测量装置为第一电阻器中和器(34)，所述第一电阻器中和器(34)包括：
第一电阻器，所述第一电阻器将所述电感(L1)的第一端连接至第一测量点，
第二电阻器，所述第二电阻器将所述参考电势连接至所述第一测量点，其中，所述参考电势连接至用于提供所述控制电压的电源(32)的负极，
第三电阻器，所述第三电阻器将电压参考的输出连接至所述第一测量点，以及
其中，所述第二测量装置为第二电阻器中和器(35)，所述第二电阻器中和器(35)包括：
第四电阻器，所述第四电阻器将所述电感(L1)的第二端连接至第二测量点，
第五电阻器，所述第五电阻器将所述参考电势连接至所述第二测量点，
第六电阻器，所述第六电阻器将所述电压参考的输出连接至所述第二测量点。
8.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中，所述驱动装置(31)包括：
电源(32)，所述电源(32)用于提供所述第三电极(g)与所述第一电极(e)之间的控制电压，以及
开关装置(33)，所述开关装置(33)用于使所提供的控制电压的极性反转。
9.根据权利要求8所述的布置，其中，所述开关装置(33)为H桥，所述H桥包括：
第一分支，所述第一分支包括在所述电源(32)的正极与负极之间串联连接的两个半导体开关(Q2,Q3)，其中，所述第一分支的输出被配置成驱动所述第三电极(g)，以及
第二分支，所述第二分支包括在所述正极与所述负极之间串联连接的两个半导体开关(Q4,Q5)，其中，所述第二分支的输出被配置成驱动所述第一电极(e)。
10.根据权利要求9所述的布置，其中，所述开关装置(33)包括软关断电路(40)，所述软关断电路(40)包括：
所述参考电势与所述第二分支的输出之间的二极管，
在所述参考电势与所述第一分支的输出之间串联连接的电阻器与软关断半导体开关，
用于基于控制所述第一分支和所述第二分支中的半导体开关的控制信号来控制所述软关断半导体开关的装置，所述装置被配置成：当所述控制信号将所述第一分支和所述第二分支中的半导体开关设置成非导通状态时，所述装置将所述软关断半导体开关设置成导通状态。
11.一种用于功率半导体开关(Q1)的方法，在所述功率半导体开关(Q1)中，第一电极(e)与第二电极(c)之间的第一电流是基于第三电极(g)与所述第一电极(e)之间的控制电压而被控制的，所述功率半导体与电感(L1)串联连接，并且所述电感(L1)的第一端连接至所述第一电极，其中，所述方法包括：
通过以下述方式生成所述控制电压的第一控制电压水平和第二电压水平来控制所述功率半导体开关：所述第一电压水平和所述第二电压水平相对于参考电势生成不同的第一电极电压，
通过使用具有第一增益和第一偏置的测量装置，基于所述电感的第一端电压相对于所述参考电势生成第一测量电压，
通过使用具有不同于所述第一增益的第二增益和不同于所述第一偏置的第二偏置的测量装置，基于所述电感的第二端电压相对于所述参考电势生成第二测量电压，以及
将所述第一测量电压与所述第二测量电压进行比较，以及
基于比较来生成反馈信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二增益低于所述第一增益，并且所述第二偏置高于所述第一偏置。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一增益、所述第二增益、所述第一偏置和所述第二偏置被选择成使得：在导通事件和关断事件期间，
流过所述电感的所述第一电流的变化率的改变引起所述第一测量电压与所述第二测量电压之间的电压差的改变，以及
如果所述变化率的幅度超过限制，则所述电压差改变极性并且所述比较器改变其状态。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述第一增益、所述第二增益、所述第一偏置和所述第二偏置被选择成使得：如果所述电感上的电压为零，则
所述第一控制电压水平在所述第一测量电压与所述第二测量电压之间引起第一电压差水平，所述第一电压差水平将所述比较器设置成第一状态，
所述第二控制电压水平在第一电压与第二电压之间引起第二电压差水平，所述第二电压差水平将所述比较器设置成第二状态。
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