CN105934886A - 半导体开关和用于确定通过半导体开关的电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体开关和一种用于确定半导体开关的功率路径中的电流的方法。为此，建议了一种拥有多个感测端子的半导体开关，其中所述感测端子中的每个都供应与半导体开关的功率路径中的电流成比例的单独的输出信号。通过根据半导体开关的功率路径中的电流适当地选出所述多个感测端子之一，可以优化功率路径中的电流的分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体开关和一种用于确定在半导体开关的输入端子与输出端子之间的电流的方法。
背景技术
为了测量和分析通过半导体开关（诸如通过IGBT模块（IGBT＝具有绝缘栅极的双极型晶体管））的电流，给半导体开关配备附加的感测端子（Sense-Anschluss）是公知的。在该感测端子上被提供的电流在此与通过半导体开关的主电流大致成比例。
欧洲专利申请EP 0 467 681 A2公开了一种针对具有感测端子的这种IGBT的操控电路（Ansteuerschaltung），用于确定发射极电流。基于这样确定的电流强度，控制电压与IGBT匹配，以便避免过电流。
因为在这样的IGBT的集电极－发射极电流与集电极－发射极电压之间的关系是非线性的，所以只有当在集电极与发射极之间的电压和在集电极与感测端子之间的电压相同时，在发射极电流与感测电流之间的电流变换比才也是近似恒定的。为了正确地设置必要的电压比，通过适当的补偿电路利用电流来给感测端子加负荷，使得集电极－发射极电压和集电极－感测电压一样高。
在此，挑战是：找到在发射极电流与感测电流之间的适当的变流比。如果从很大的最大或峰值电流出发选择相对大的变流比，那么因为IGBT的干扰效应、分析电路的偏移误差和器件的容差在这种情况下有相对大的影响，所以在小电流时只能在某种条件下达到必要的精确度。而在小的变流比的情况下虽然可以在微小的电流时达到高的精确度，然而在感测端子上的补偿电流也升高。此外，因为在这种情况下电流输出信号可能运行到极限，所以必要时也不再可能正确地测量很大的最大电流。
因而，存在对如下半导体开关的需求：所述半导体开关的功率电流可在大的动态范围上可靠地并且有效地被确定。
发明内容
在一个方面，本发明提出了一种具有输入端子、输出端子和控制端子以及多个感测端子的半导体开关，所述控制端子被设计为：基于附在控制端子上的电压信号来设置在输入端子与输出端子之间的电流，所述多个感测端子被设计为：分别提供与在输入端子和输出端子之间流动的电流成比例的电流。
按照另一方面，本发明提出了一种用于确定在半导体开关的输入端子与输出端子之间的电流的方法，所述方法具有如下步骤：提供具有多个感测端子的半导体开关，所述多个感测端子被设计为分别提供与半导体开关的在输入端子和输出端子之间流动的电流成比例的电流；选出所述多个感测端子之一；并且在使用在所选出的感测端子上被提供的电流的情况下输出电压信号。
本发明的优点
本发明所基于的想法在于：不是仅基于唯一的对应的测量信号来分析半导体开关的功率路径中的电流，而是为了分析功率路径中的电流提供并且分析多个不同的测量信号。以这种方式可以提供并且分析针对不同的测量范围的不同的测量信号。在此，各个测量信号的每个都可以针对另一测量范围优化地被适配。以这种方式，在很大的动态范围上可能非常精密地确定半导体开关的功率路径中的电流。
因此，一方面可以在功率路径中的相对微小的电流的情况下提供比较灵敏的测量信号，所述比较灵敏的测量信号抵制半导体开关的可能的干扰效应、可能出现的偏移误差或者大的构件容差。另一方面可以在半导体开关的功率路径中的相对大的电流的情况下提供不要求大的补偿电流的测量信号。以这种方式可以降低能耗并且可以减少针对所提供的测量信号的分析电路将运行到极限的危险。
按照一实施形式，在多个感测端子上所提供的电流是不同的。因此，针对不同的测量范围分别提供在不同的感测端子上的电流信号，所述电流信号已经针对各个测量范围被优化。
按照一实施形式，半导体开关被实施为具有绝缘栅极的双极型晶体管（IGBT）。这种IGBT特别良好地适合作为半导体开关，其中同时可提供用于电流分析的多个测量信号。
按照一实施形式，该半导体开关此外还包括分析电路，所述分析电路被设计为：在使用至少一个由所述多个感测端子提供的电流的情况下输出电压信号。通过使用这种分析电路，可以从在感测端子上被提供的电流信号生成适合于进一步分析和处理的电压信号。
按照一实施形式，该分析电路包括控制端子，其中该分析电路被设计为：根据附在控制端子上的信号选出所述多个感测端子中的一个，并且其中在使用这样被选出的感测端子的电流的情况下输出电压信号。以这种方式可以通过适当地操控分析电路的控制端子来分别选择半导体开关的适当的感测端子，并且因此在半导体开关的不同的感测端子之间转接所述感测端子。
按照一实施形式，该分析电路被设计为：根据在感测端子上被输出的电流来选出多个感测端子中的一个。通过基于当前电流来选出所述感测端子之一，可自动地选出适当的感测端子并且因此针对相应的电流范围分别选出适当的感测端子。
按照一实施形式，该分析电路包括指示器端子，所述指示器端子被设计为：根据所选出的感测端子来输出选出信号（Auswahl-Signal）。在进一步处理时，通过将这种输出信号输出给适当的端子也可以一同考虑当前所选出的感测端子，并且因此可推断出当前在半导体开关的功率路径中流动的电流。
按照用于确定半导体开关中的电流的方法的另一实施形式，用于选出感测端子的步骤根据在感测端子上被提供的电流选出多个感测端子中的一个。
按照另一实施形式，该方法此外还包括用于根据所选出的感测端子来输出选出信号的步骤。
附图说明
本发明的其它的实施形式和优点从参考附上的附图的随后的描述得到。在此：
图1示出了具有感测端子的半导体开关的示意图；
图2示出了按照一实施例的半导体开关的示意图；
图3示出了如一实施例所基于的电流－电压曲线图的示意图；
图4示出了如另一实施例所基于的电流－电压曲线图的示意图；和
图5示出了如本发明的另一实施形式所基于的流程图的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有感测端子S的半导体开关10的示意图。半导体开关10被实施为IGBT，而且除了感测端子S之外还具有输入端子C、输出端子E和控制端子G。两个电阻RS和RE是感测路径和功率路径中的寄生电阻。因此，通过半导体开关的物理结构得到电流和功率路径IE与感测路径中的电流IS之比：
IE:IS＝RE:RS＝恒定的。
因而，在公知的半导体开关的情况下，可从感测路径的电流IS推断出功率路径的电流IE。因为在功率或感测路径中的电流与电压降之间的关系是非线性的，所以只有当在输入端子C与感测端子S之间的电压和在输入端子C与输出端子E之间的电压相同时，所述恒定的比例才适用。为了设置相同的电压比，补偿电路20被连接在感测端子S和输出端子E上，所述补偿电路20在感测端子S和输出端子E上设置相同的电压比。对于这里所示出的实施例，该补偿电路20包括运算放大器OP，所述运算放大器OP的两个输入端子被连接在感测端子S和输出端子E上，而且所述运算放大器OP在感测端子S与运算放大器OP的输出端之间具有分流电阻RX。以这种方式，电压US附在半导体开关10的感测端子S与运算放大器OP的输出端之间，所述电压US与感测端子S上的电流IS成比例。因此，在半导体开关10（例如IGBT）的情况下，可以利用感测端子S来提供与在感测端子S上的电流IS成比例并且因此也与半导体开关10的输出端子E上的电流IE成比例的电压信号US。
图2示出了按照本发明的一实施形式的半导体开关1的示意图。
在此，除了输入端子C和输出端子E以及控制端子E之外，半导体开关1还包括至少两个感测端子S1和S2。在此，除了这里所示出的两个感测端子S1和S2之外，具有多于两个的感测端子的半导体开关1原则上也是可能的。
在此，单独的寄生电阻RE、RS1、RS2分别被关联给输出端子E以及所述两个感测端子S1和S2。在此，半导体开关1包括多个优选地相同的半导体开关单元。通过并联所述半导体开关单元，可以针对相对应地大的电流来设计半导体开关1。在此，在半导体开关1的功率路径中的电流IE与所述两个感测端子S1和S2的路径中的电流IS1、IS2之比从相对应的端子的所有单元的对应的总面积得到。在此，感测端子S1和S2的输出信号被输送给分析电路2。此外，该分析电路2也与半导体开关1的输出端子E相连。
分析电路2选出感测端子S1、S2中的至少一个并且在此调节在所选出的感测端子S1、S2上的电流，使得在半导体开关1的所选出的感测端子S1、S2与输出端子E之间设置相同的电压比。在此，根据所选出的感测端子S1或者S2，由于所述两个感测端子S1、S2的不同的设计而在分析电路2中出现不同的电流IS1或者IS2。为了优化半导体开关1的功率路径中的电流IE的测量值检测，例如可以在半导体开关1的功率路径中的微小的电流IE的情况下选出导致相对大的感测电流IS1、IS2的感测端子S1、S2，而在半导体开关1的功率路径中的相对大的电流IE的情况下优选地选出导致相对微小的感测电流IS1、IS2的感测端子S1、S2。
在此，可以在分析电路2中自动地选出适当的感测端子S1、S2。例如，分析电路2可基于当前所确定的电流值来选出所述感测端子S1、S2之一。例如，首先可选出针对微小电流已经被优化的感测端子S1、S2。在此，如果在分析期间电流超出预先确定的阈值，那么于是可转接到另一针对较大的电流值已经被优化的感测端子S1、S2。如果多于两个的感测端子供支配，那么于是在超过另一阈值时也还可以被更换到另一感测端子。此外，在低于预先给定的阈值时也还可以被更换到针对较微小的电流被设计的另一感测端子。因此，可以自适应地分别选出如下感测端子：所述感测端子很好地适合于确定功率路径中的当前电流。
于是，通过在分析电路2中分析分别被选出的感测端子S1、S2，在分析电路2中生成至少在为此所设置的范围中与半导体开关的功率路径中的电流IE成比例的电压信号US。该电压信号US在分析电路2的输出端子21上被提供。在此，优选地，该电压信号US以模拟电压值的形式被提供。然而，可替换地也可能的是：在分析电路2中在确定与半导体开关1的功率路径中的电流IE之后将该电流的所确定的值数字化，而且于是将在输出端子21上的数字信号提供为输出信号。
替换于在所述感测端子S1、S2之间的自动的更换，同样可能的是：通过在分析电路2的输入端22上的另一信号来外部地选出相应的感测端子S1、S2，而且因此针对随后的分析分别选择确定的感测端子S1、S2。如果该半导体开关1例如拥有两个感测端子S1、S2，那么例如根据在分析电路2的输入端22上的高电位或低电位可以分别选出所述两个感测端子S1、S2中的一个。除此之外，尤其是即使在多个两个的感测端子S1、S2的情况下，以模拟信号或者数字信号为形式的其它的、可替换的信号也是可能的。
为了在自动地或者也可以即使在手动地选出所述各个感测端子S1、S2时针对连接在下游的进一步处理也分别获得关于当前所选出的感测端子S1、S2的信息，分析电路2也可拥有另一指示器端子23，所述指示器端子23分别提供与当前所选出的感测端子S1、S2有关的信号。这里，例如在只由两个现存的感测端子S1、S2时也可以通过适当的高电平或低电平进行相对应的信令化。除此之外，为了说明分别被选出的感测端子，任意的其它的模拟或者数字信令化当然也是可能的。
图3示出了针对如本发明的实施例所基于的信号特性曲线的电流－电压曲线图的示意图。在此，首先在第一范围Ⅰ中选出第一感测端子S1，所述第一感测端子S1被设计用于半导体开关1的功率路径中的相对微小的电流IE。在此，在所述第一范围Ⅰ期间，与半导体开关1的功率路径中的电流IE成比例的电压信号US被输出。在从范围Ⅰ过渡到范围Ⅱ时转接到第二感测端子S2。所述第二感测端子S2被设计用于较大的电流。如在图3中要识别的那样，电流－电压线在该点的过渡是不连续的。因为在针对相对大的电流的范围Ⅱ中通过分析电路2来输出同样也可能会与第一范围中的较微小的电流IE对应的电压US，所以因此仅基于输出电压US不可能明确地关联半导体开关1的功率路径中的电流IE。因而在这种情况下，对在指示器端子23上的附加的指示器信号进一步进行观察是必要的，所述附加的指示器信号表明分别被选出的感测端子S1、S2。接着，通过共同分析电压信号US和指示器信号可推断出半导体开关1的功率路径中的电流IE。
图4示出了按照另一实施形式的可替换的电流－电压特性曲线。在所述电流－电压特性曲线中，在从第一感测端子S1转接到第二感测端子S2时实现电流－电压特性曲线的连续过渡。在此，然而第二范围Ⅱ中的斜率可以与第一范围Ⅰ中的斜率有偏差。因为在这种情况下，在整个测量范围上都可实现将输出信号US明确地关联到半导体开关1的功率路径中的对应的电流IE，所以在这种情况下可以省去对在指示器端子23上的用于表明分别被选出的感测端子的指示器信号的进一步分析。
图5示出了如用于确定半导体开关1的输入端子C与输出端子E之间的电流IE的方法100所基于的流程图的示意图。在步骤110中，首先提供具有多个感测端子S1、S2的半导体开关1，其中所述感测端子S1、S2被设计为分别提供与在输入端子C与输出端子E之间流动的电流IE成比例的电流IS1、IS2。在步骤120中，从多个感测端子S1、S2选出所述感测端子S1、S2之一。于是，在步骤130中，在使用在所选出的感测端子S1、S2上被提供的电流IS1、IS2的情况下输出电压信号US。
在此，在用于从多个感测端子选出一个感测端子S1、S2的步骤120中，根据在所述感测端子上被提供的电流IS1或者IS2可以选出感测端子S1或者S2。
此外，该方法还可拥有步骤140，所述步骤140根据所选出的感测端子S1、S2输出适当的选出信号。
概括而言，本发明涉及一种半导体开关和一种用于确定半导体开关的功率路径中的电流的方法。为此，建议了一种拥有多个感测端子的半导体开关，其中所述感测端子中的每个都供应与半导体开关的功率路径中的电流成比例的单独的输出信号。通过根据半导体开关的功率路径中的电流适当地选出所述多个感测端子之一，可以优化对功率路径中的电流的分析。
Claims (10)
1.半导体开关（1），其具有：
输入端子（C）；
输出端子（E）；
控制端子（G），所述控制端子（G）被设计为：基于附在所述控制端子（G）上的电压信号来设置在输入端子（C）与输出端子（E）之间的电流（IE）；和
多个感测端子（S1、S2），所述多个感测端子（S1、S2）被设计为：分别提供与在输入端子（C）与输出端子（E）之间流动的电流（IE）成比例的电流（IS1、IS2）。
2.根据权利要求1所述的半导体开关（1），其中，在所述多个感测端子（S1、S2）上被提供的电流（IS1、IS2）是不同的。
3.根据权利要求1或2所述的半导体开关（1），其中，所述半导体开关（1）被实施为具有绝缘栅极的双极型晶体管。
4.根据权利要求1至3之一所述的半导体开关（1），其具有分析电路（2），所述分析电路（2）被设计为：在使用至少一个由所述多个感测端子（S1、S2）提供的电流（IS1、IS2）的情况下输出电压信号（US）。
5.根据权利要求4所述的半导体开关（1），其中，所述分析电路（2）包括控制端子（22），而且所述分析电路（2）被设计为：根据附在所述控制端子（22）上的信号来选出所述多个感测端子（S1、S2）中的一个，并且其中所述电压信号（US）在使用所选出的感测端子（S1、S2）的电流（IS1、IS2）的情况下被输出。
6.根据权利要求4所述的半导体开关（4），其中，所述分析电路（2）被设计为：根据在感测端子（S1、S2）上被输出的电流（IS1、IS2）来选出所述多个感测端子（S1、S2）中的一个。
7.根据权利要求6所述的半导体开关（1），其中，所述分析电路（2）包括指示器端子（23），所述指示器端子（23）被设计为：根据所选出的感测端子（S1、S2）来输出选出信号。
8.用于确定在半导体开关（1）的输入端子（C）与输出端子（E）之间的电流的方法（100），所述方法（100）具有如下步骤：
提供（110）具有多个感测端子（S1、S2）的半导体开关（1），所述多个感测端子（S1、S2）被设计为：分别提供与在输入端子（C）与输出端子（E）之间流动的电流（IE）成比例的电流（IS1、IS2）；
选出（120）所述多个感测端子（S1、S2）中的一个；
在使用在所选出的感测端子（S1、S2）上被提供的电流（IS1、IS2）的情况下输出（130）电压信号（US）。
9.根据权利要求8所述的方法（100），其中，用于选出一个感测端子（S1、S2）的步骤（120）根据在所述感测端子（S1、S2）上被提供的电流（IS1、IS2）选出所述多个感测端子（S1、S2）中的一个。
10.根据权利要求8或9所述的方法（100），所述方法（100）具有用于根据所选出的感测端子来输出选出信号的步骤（140）。
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