CN109565272A - 功率半导体电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率半导体电路(30)，功率半导体电路(30)包括功率半导体器件(10)和比较器(32)，功率半导体器件(10)用于切换负载(12)，比较器(32)借助第一输入在用于负载(12)的连接点处直接地或者间接地连接至功率半导体器件(10)，并且预定义或者可预定义参考电压可以在第二输入处馈送至比较器(32)，功率半导体器件(10)可借助比较器(32)的输出来激活。

Description

功率半导体电路
技术领域
本发明涉及一种包括功率半导体器件的电路，尤其是一种包括功率半导体器件的简称为功率半导体电路的电路，该功率半导体电路用于借助以时钟控制方式控制的功率半导体器件以时钟控制方式来激活连接的负载，所述负载包括至少寄生和/或分立电感器。
背景技术
待切换的负载所包括的电感器(特别是没有回扫路径的寄生电感器和/或分立电感器)在关闸过程期间不可避免地会在时钟控制的功率半导体器件处导致具有高电压峰值的瞬态过电压，这是因为半导体或者多个半导体试图维持电流的流动。这种过电压可能会导致功率半导体器件的破坏或者加速退化。为了避免这种过电压，常常会使用功率半导体器件的所称的有源箝位接线。
在此，齐纳二极管和二极管连接在所讨论的功率半导体器件的漏极端子与栅极端子之间，其中，齐纳二极管的击穿电压低于功率半导体器件的击穿电压。如果在漏极端子处出现电压峰值并且在阻塞功率半导体器件接合点处出现所产生的过电压，则齐纳二极管在高于其击穿电压下导电，并且功率半导体器件的栅极电位升高，于是功率半导体器件进入线性操作。因此，电感器中储存的能量可以在部分导电的功率半导体器件接合点中转换为热量并且因此可以安全地耗散。
然而，用于保护功率半导体器件的这种已知电路的缺点在于，只有在其能够可靠地且重复地识别瞬态过电压是否超过在下文称为箝位电压的阈值时，才能成功地应用有源箝位的原理。然而，由于尤其是有源箝位电路所包括的齐纳二极管或者有源箝位电路所包括的多个齐纳二极管的制造、温度和/或年龄所引起的相当高的偏差，所以有源箝位电路的精确设定非常困难。
发明内容
在此基础上，本发明的目的是描述一种替代功率半导体电路，该替代功率半导体电路包括用于保护功率半导体器件不受瞬态过电压影响的电路部分。该目的特别在于描述一种功率半导体电路，该功率半导体电路包括用于保护功率半导体器件不受瞬态过电压影响的电路部分，瞬态过电压可以容易地且以不复杂的方式设定为期望箝位电压。
根据本发明，该目的是借助具有权利要求1的特征的功率半导体电路来实现。在此，在包括功率半导体器件的功率半导体电路——功率半导体器件用于切换负载，负载包括分立和/或寄生电感器，其中，当借助功率半导体器件使负载断开连接时，在功率半导体器件处产生瞬态过电压——的情况下，规定了如下：功率半导体电路包括用于保护功率半导体器件不受瞬态过电压影响的电路部分。该电路部分包括比较器。该比较器借助第一输入直接地或者间接地连接至负载至功率半导体器件的连接点。预定义或者可预定义参考电压可以在第二输入处馈送至比较器并且在功率半导体电路的操作期间馈送至比较器。功率半导体器件可借助比较器的输出来激活，并且功率半导体器件取决于该输出的状态在功率半导体电路的操作期间激活。在此，比较器的输出是在对两个输入处施加的电位的比较的基础上给定。
本发明的优点在于，使得用于保护功率半导体器件的电路部分有效的箝位电压是借助参考电压来预定义。这避免了如下先前情况，在先前情况下，箝位电压需要借助单个电子部件及其合适的选择根据特定特征变量(在齐纳二极管的情况下根据其击穿电压)以复杂方式来预定义。借助比较器将在负载的连接点处(特别是在负载至功率半导体器件的连接点处)施加的电压与参考电压作比较。在当负载关断时所导致的瞬态过电压的情况下，该瞬态过电压也施加在该连接点处，例如，功率半导体器件的漏极端子。因此，直接地或者间接地将瞬态过电压与参考电压作比较。借助比较器对两个电压的直接或者间接比较是取决于所述比较器是直接地还是间接地连接至负载至功率半导体器件的连接点。在本文提出的创新的特定实施例中，比较器经由分压器的至少一个电阻器(即是说，不是直接地而是间接地)连接至负载至功率半导体器件的连接点。
本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。权利要求书中使用的从属参考指示所讨论的从属权利要求的特征对主权利要求的主题的进一步发展。其不应理解为贬损对所参考的从属权利要求的特征的组合所实现的独立客观保护。此外，关于权利要求书的解释，如果在从属权利要求中更加详细地指定了某一特征，则应假定在任何前述权利要求中都没有规定这种限制。最后，应该注意的是，在此描述的电路也可以根据从属方法权利要求来发展，并且反之亦然，例如，因为电路具有用于执行单个方法步骤的构件。
在功率半导体电路的一个实施例中，分压器(尤其是由两个欧姆电阻器形成的分压器的欧姆电阻器)布置在比较器的上游。发生在负载至功率半导体器件的连接点处的瞬态过电压借助分压器根据相应电阻值成比例地划分。馈送至比较器以进行比较的参考电压因此可以根据分压器的电阻比降低。此外，分压器的布置在功率半导体器件的上游的部分用作限流电阻器。
在功率半导体器件的又一实施例中，参考电压可以借助参考电压电路来进行调节。在操作期间将操作电压施加至所述电路。参考电压电路在每种情况下在并联支路中包括具有电子开关元件和参考电阻器的串联电路。参考电压电路所包括的所有开关元件都可以单独地受到控制。每个串联电路表示可以连接在参考电压电路内的路径。将在开关元件的激活以及所导致的特定路径的激活的情况下经由所讨论的电阻器下降的电压与在其它激活路径上下降的电压进行求和以便给出参考电压电路所提供的参考电压。通过恰当地选择电阻值(例如，所有路径中的不同电阻值)，在n个可连接路径的情况下，能够借助参考电压电路生成多达2n个不同的参考电压高低。在包括这种参考电压电路或者连接至这种参考电压电路的功率半导体电路的操作期间，通过选择性地激活参考电压电路的单个开关元件来设定期望参考电压，并且在功率半导体电路的操作期间将所述参考电压馈送至比较器。
在用于操作在此和下文描述的这种功率半导体电路的方法中，根据功率半导体器件的特定操作情况借助预定义参考电压来设定箝位电压。通过根据功率半导体器件的操作情况来设定参考电压，例如，能够考虑到功率半导体器件的击穿电压以及因此还有瞬态过电压的容许电平会随着功率半导体器件的温度(芯片温度)增加。相应地，参考电压因此可以以温度相关方式进行调整(尤其是增加)。
附图简介
下文将参照附图更加详细地解释本发明的示例性实施例。彼此相对应的项目或者元件在所有附图中设有相同的附图标记。
示例性实施例不应该理解为限制本发明。相反，在本公开的范围内，添加和修改也是很有可能的，尤其是本领域的技术人员为了实现目的而可推论出的那些添加和修改，实现该目的是通过结合一般描述或者更详细的描述部分进行描述的且包含在权利要求书和/或附图中的单个特征或者方法步骤的组合或者变型，并且这会通过可组合特征导致新颖的主题或者新颖的方法步骤或者方法步骤序列。
在附图中：
图1示出了具有已知有源箝位电路的功率半导体电路；
图2示出了具有功率半导体器件和用于保护功率半导体不受瞬态过电压影响的电路部分的功率半导体电路；以及
图3示出了可与根据图2的功率半导体电路一起使用的参考电压电路。
具体实施方式
现代功率半导体器件(尤其是功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管))具体用在切换应用中(例如，DC/DC变换器中)，用在所称的PWM操作中。
图1示出了具有功率半导体器件10的电路，其中，功率半导体器件10设计用于切换一个连接的负载12，连接负载12包括寄生电感器(Lpar)和分立电感器(L)。在PWM操作中，功率半导体器件10是借助信号源14来进行控制，信号源14输出脉宽调制信号(PWM信号；UPWM)。由于借助这种信号源14进行控制，所以功率半导体器件10选择性地操作在全断状态和全断状态。
进一步描述——在没有前述进一步一般性的情况下——应该在信号源14的基础上继续进行，信号源14输出用作控制信号的脉宽调制信号(UPWM)。信号源14大体上是一个用于输出时钟控制的控制信号的器件。这应该在下文中认为总是如此。
脉宽调制信号——或者通常由信号源14生成的控制信号——馈送至驱动器电路16。该驱动器电路16包括两个互补半导体开关，具体地是在控制信号的正脉冲期间导电的第一驱动器开关18和在控制信号的负脉冲期间导电的第二驱动器开关20，并且在每种情况下限流电阻器分别布置在电流流动方向上的上游或者下游。第一驱动器开关18和第二驱动器开关20经由所述电阻器连接至功率半导体器件10的栅极端子。例如，第一驱动器开关18体现为npn晶体管，并且第二驱动器开关20体现为pnp晶体管。
在控制信号的正脉冲期间，在第一驱动器开关18处施加的正驱动器电压+UTR的电位施加在功率半导体器件10的栅极端子处。正驱动器电压+UTR设定为使得功率半导体器件10由于正驱动器电压+UTR而接通。因此，功率半导体器件10的漏极-源极路径在控制信号的正脉冲期间是导电的，并且连接负载12被激活。
在控制信号的负脉冲期间，第一驱动器开关18阻塞，而第二驱动器开关20导电，以便使得在第二驱动器开关20处施加的负驱动器电压-UTR施加在功率半导体10的栅极端子处。负驱动器电压与正驱动器电压+UTR相比为负并且设定为使得功率半导体器件10由于负驱动器电压-UTR而阻塞。因此，功率半导体器件10的漏极-源极路径在控制信号的负脉冲期间是非导电的，并且负载12相应地停用。由于负载12的寄生和/或分立电感器，其初始地借助功率半导体器件10至少暂时地进一步驱动已中断的电流，并且这在功率半导体器件10的漏极端子处导致电压峰值并且在功率半导体器件10的漏极-源极路径上导致过电压。
仅仅非常短暂地施加该过电压，具体地是仅仅在负载12的电感器由于储存在那里的电能而驱动中断的电流之时长。过电压情况的持续时间通常小于毫秒(＞1ms)。相应地，在下文将过电压称为瞬态过电压Utrans。然而，虽然持续时间较短，但瞬态过电压Utrans也可能会导致功率半导体器件的破坏或者加速退化。因此，旨在避免这种瞬态过电压Utrans。在现有技术中，所称的有源箝位电路就此而言是已知的，并且图1中示出的电路包括这种有源箝位电路，其中，齐纳二极管22和二极管24连接在功率半导体器件10的漏极端子与功率半导体器件10的栅极端子之间。在所示出的实施例中，有源箝位电路包括齐纳二极管路径，该齐纳二极管路径具有串联连接的多个齐纳二极管22。
在瞬态过电压Utrans高于该齐纳二极管或者每个齐纳二极管22的击穿电压的情况下，该齐纳二极管或者齐纳二极管路径是导电的。这会在具有二极管24的电流路径上导致栅极电位的增加。因此，功率半导体器件10在线性操作中至少部分地导电，并且负载12的电感器中所储存的能量可以经由功率半导体器件10耗尽。同时，驱动器电路16在与二极管24电气并联的路径上受到控制，以便使得第一驱动器开关18接通，而第二驱动器开关20阻塞。随着瞬态过电压Utrans下降，对驱动器电路16的控制结束，以便使得第一驱动器开关18阻塞并且第二驱动器开关20接通。功率半导体器件10的栅极端子处的电位(所述电位由于瞬态过电压Utrans而增加)然后经由第二驱动器开关20耗散。最后，功率半导体10在线性操作中的暂时激活因此结束，具有负载12的电路中断并且负载12停用。负载12的电感器中所储存的一些能量也在功率半导体10和驱动器电路16的控制路径上耗散。
因此，在这种功率半导体电路中在所包括的有源箝位电路中遇到的问题尤其是相当高的偏差，该相当高的偏差是由齐纳二极管22或者多个齐纳二极管22关于其各个击穿电压的制造、温度和/或年龄引起的。单个齐纳二极管22的击穿电压或者——在齐纳二极管路径的情况下——所包括的串联连接的齐纳二极管22的击穿电压因而确定可检测的瞬态过电压Utrans。低于该击穿电压的瞬态过电压Utrans不会被识别，并且与其相关联的电能相应地不会以先前描述的方式耗散。因此，令人期望的是尤其精确地限定击穿电压。然而，由于上述偏差，所以使得该精确定义较困难。因此，设计必须考虑到前述偏差，并且因此通常需要较大储备量。由于这些储备量，所以在图1中示出的这种有源箝位电路可能在不需要功率半导体器件10的操作情况的情况下是有效的。
图2示出了根据在此呈现的方法包括功率半导体器件10的电路(功率半导体电路30)的实施例。功率半导体电路30包括：正如图1所示，用于发出控制信号的信号源14、以及包括第一驱动器开关18和第二驱动器开关20的驱动器电路16。功率半导体器件10在此同样再次用于负载12的时钟控制下切换，负载12包括寄生电感器Lpar和分立电感器L。正如根据图1的现有技术，功率半导体器件10的时钟控制激活在此也是借助由信号源14发出的控制信号(尤其是借助脉宽调制控制信号)来进行实施。
特殊特征在于，当功率半导体器件10关断时发生的瞬态过电压Utrans借助比较器32来与预定义或者预定义参考电压URef作比较。在图2中示出的实施例中，瞬态过电压Utrans借助分压器34(其本质上是可选的)成比例地划分，分压器34包括两个欧姆电阻器(R1、R2)。分压器34的其中一个电阻器(R1)然后有利地同时引起电流限制，并且瞬态过电压Utrans在另一电阻器(R2)上下降的部分借助比较器32来与参考电压URef作比较。
参考电压URef施加在功率半导体器件10的源极端子与比较器32的反相输入之间。比较器32的非反相输入间接地(具体地经由分压器34的部分)连接至功率半导体器件10的漏极输入，并且比较器32在该路径上检测可能的瞬态过电压Utrans并且将其与参考电压URef作比较。
如果瞬态过电压Utrans达到参考电压URef的设定值或者超过该设定值(Utrans≥URef)，则借助比较器32的输出，一方面，在具有二极管24的电流路径上，功率半导体器件10的栅极电位升高，以便使得所述功率半导体器件10进入线性操作并且部分地导电，并且另一方面，驱动器电路16受到控制。如上文结合图1描述的，负载12的电感器中所储存的能量可以经由部分导电的功率半导体器件10耗尽。驱动器电路16的同时暂时激活，具有已经在上文结合图1描述的同样效果，具体地是在功率半导体器件10的栅极端子处的增加电位(所述电位由于瞬态过电压Utrans而增加)不会由于如若不然接通的第二驱动器电路20以及施加在此的负驱动器电压-UTR而再次直接消失。因此，功率半导体器件10的至少暂时线性操作在存在瞬态过电压Utrans期间是可能的。
预定义或者预定义参考电压URef的使用允许以精确方式来设定待检测的瞬态过电压Utrans的电平。因此，上述偏差与设定在此提出的有源箝位电路的切换或者响应阈值无关。在功能上可选的齐纳二极管36用于保护比较器32。
图3中的视图示出了用作用于提供可调节参考电压URef的参考电压电路40的电路。在操作期间，在参考电压电路40处施加操作电压UB，并且从所述操作电压得出参考电压URef。参考电压电路40是分压器并且包括在分压器的一侧上的电阻器网络，该电阻器网络具有至少两个并联支路/路径。在每个支路/路径中，参考电压电路40包括串联电路，该串联电路具有电子开关元件42和参考电阻器44。例如，MOSFET是合适的电子开关元件42。每个开关元件42可以单独地受到控制，例如，借助控制电路(在此未示出)来控制。对开关元件42的控制会使得所讨论的路径激活并且因此使得全部并联路径的欧姆电阻器发生变化，因而导致分压器的两侧的电阻值的比率发生变化。全部并联路径形成分压器的一侧。以单个或者多个开关元件42的激活的形式设定的参考电压URef可以在分压器的中心分接头处分接。分压器的另一侧形成电阻器或者电阻器网络。操作电压UB按本身已知的方式在分压器的两侧之间成比例地划分。并联路径的总电阻越大，能够在参考电压电路40处分接的参考电压URef就越接近操作电压UB，以便使得产生越来越高的参考电压URef。并联路径的总电阻越低，能够在参考电压电路40处分接的参考电压URef就越低。通过在各单个并联路径中有利地选择参考电阻器44的电阻值，可以用这种参考电压电路40来设定多达2n个参考电压高低，其中，n代表并联路径的数量。在图3中的视图中，示出了具有三个并联路径的参考电压电路40。
尽管已经通过示例性实施例更加详细地图示和描述了本发明，但本发明不受所公开的(多个)示例的限制，并且本领域的技术人员在不背离本发明的保护范围的情况下可以从此得出其它变型。
因此，在此呈现的描述的各单个重要方面可以简要地概括为如下：所描述的是一种功率半导体电路30，功率半导体电路30包括功率半导体器件10和比较器32，功率半导体器件10用于切换负载12，比较器32借助第一输入直接地或者间接地连接至负载12至功率半导体器件10的连接点，并且预定义或者可预定义参考电压URef可以在第二输入处馈送至比较器32，功率半导体器件10可借助比较器32的输出来激活。
附图标记列表
10 功率半导体器件
12 负载
14 信号源
16 驱动器电路
18 (第一)驱动器开关
20 (第二)驱动器开关
22 齐纳二极管
24 二极管
26、82 (无)
30 功率半导体电路
32 比较器
34 分压器
36 齐纳二极管
38 (无)
40 参考电压电路
42 开关元件
44 参考电阻器

Claims (6)

1.一种包括功率半导体器件(10)的功率半导体电路(30)，所述功率半导体器件(10)用于切换一种包括分立和/或寄生电感器的负载(12)，
其中，当借助所述功率半导体器件(10)使所述负载(12)断开连接时，产生瞬态过电压，
其特征在于：
比较器(32)，所述比较器(32)借助第一输入直接地或者间接地连接至所述负载(12)至所述功率半导体器件(10)的连接点，并且预定义或者可预定义参考电压能够在第二输入处馈送至所述比较器(32)，
所述功率半导体器件(10)借助所述比较器(32)的输出来操作。
2.根据权利要求1所述的功率半导体电路(30)，其中，在所述比较器(32)的上游布置有分压器(34)。
3.根据权利要求1或者2所述的功率半导体电路(30)，其中，所述参考电压能够借助参考电压电路(40)来设定，在操作期间将操作电压施加至所述参考电压电路(40)，并且所述参考电压电路(40)在每种情况下在并联支路中具有包括电子开关元件(42)和参考电阻器(44)的串联电路，其中，所述参考电压电路(40)所包括的所有开关元件(42)能够单独地受到控制。
4.根据权利要求3所述的功率半导体电路(30)，其中，所述参考电压电路(40)所包括的所有参考电阻器(44)是不同的。
5.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体电路(30)的方法，其中，根据所述功率半导体器件(10)的特定操作情况所确定的可预定义参考电压来设定箝位电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，根据所述功率半导体器件(10)的特定温度来设定所述箝位电压高低。
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