CN111656686A - 开关运行模式中运行的场效应晶体管针对过载电流的保护 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于保护在开关运行模式中运行的场效应晶体管(12、14)免受在接通的开关状态下的过载电流影响的方法,其中:‑检测场效应晶体管(12、14)的漏极接头(18)与源极接头(20)之间的漏源极电压(16),‑将漏源极电压(16)与预设的电压比较值(90)进行比较,并且‑当漏源极电压(16)大于电压比较值(90)时将场效应晶体管(12、14)切换到断开的开关状态,其中,为了该保护的温度补偿,‑检测场效应晶体管(12、14)的温度,并且‑取决于温度地设置电压比较值(90),其中,在接通的开关状态下还附加地使电压比较值(90)取决于时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于保护在开关运行模式中运行的场效应晶体管免受在接通的开关状态下的过载电流影响的方法,其中,检测在场效应晶体管的漏极接头与源极接头之间的漏源极电压,将漏源极电压与预设的电压比较值进行比较,并且当漏源极电压大于电压比较值时将场效应晶体管切换到断开的开关状态,其中,为了该保护的温度补偿,检测场效应晶体管的温度,并且取决于温度地设置电压比较值。本发明还涉及一种用于在开关运行模式中运行的场效应晶体管的保护装置,保护装置用于保护场效应晶体管免受在接通的开关状态下的过载电流影响,为了该保护目的,保护装置被设计成,检测在场效应晶体管的漏极接头与源极接头之间的漏源极电压,将漏源极电压与预设的电压比较值进行比较,并且当漏源极电压大于电压比较值时将场效应晶体管切换到断开的开关状态,并且为了该保护的温度补偿检测场效应晶体管的温度,并且取决于温度地设置电压比较值。最后,本发明还涉及一种场效应晶体管。
背景技术
场效应晶体管用于电子学的许多领域,以便能够实现不同的电功能。场效应晶体管用在用于实现预定功能的硬件电路中。这样的硬件电路可以用在数据处理领域,例如用于数字存储器、计算装置、逻辑电路和/或类似物。同时,还可以使用例如用于电力工程的大功率场效应晶体管,例如用于静态变流器、电网和/或类似物。场效应晶体管可以根据应用领域具有不同的结构。
场效应晶体管通常具有至少三个作为接头的电极,即源极接头、漏极接头和栅极接头。通过栅极接头与源极接头之间的合适的控制电压,能够设置漏极接头与源极接头之间的电流。
场效应晶体管原则上可以被设计为阻挡层场效应晶体管或绝缘层场效应晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))等。特别地,绝缘层场效应晶体管也可以具有作为接头的第四电极,即所谓的体端,然而体端通常不会被设计为场效应晶体管的单独接头,而是通常能够在场效应晶体管内连接源极接头。
场效应晶体管通常在开关运行模式中运行。场效应晶体管的开关运行模式表示:在接通的开关状态下,在场效应晶体管的形成开关路径的接头(在此为漏极接头和源极接头)之间提供非常小的电阻或阻抗,从而在较小的导通电压或者漏源极电压的情况下可以实现较大的电流。相反,在断开的开关状态下,场效应晶体管的开关路径具有大电阻,即其提供大电阻,从而即使在开关路径上施加高的电压或漏源极电压时也基本上没有或只有很小的、特别是可忽略的电流。这不同于线性运行模式,在线性运行模式中几乎可以连续地使用中间状态。然而,在数字技术和能源技术领域中,场效应晶体管通常在开关运行模式中运行。MOSFET类型的场效应晶体管尤其在能量技术领域中用于能量转换器,例如用于变流器、逆变器、直流电压转换器和/或类似物。
为了提高能量转换器、例如逆变器、直流电压转换器或类似物中的功率密度,与现有技术中常规的双极型晶体管相比,尤其是单极宽带隙功率半导体类型的场效应晶体管由于可能的开关损耗较小而有大的使用潜力。
在能量转换器的确定类型的运行期间,由于能量转换器的组件或连接的部件中的干扰可能会发生故障。
这些故障之一能够是短路。在此能够确定不同的短路情况。
在短路的第一种情况下,场效应晶体管能够首先处于断开的开关状态,然后在存在短路的情况下接通。
在短路的第二种情况下,如果由于另一个与场效应晶体管相互作用的晶体管(例如在半桥电路或类似物中)引起短路,则处于接通的开关状态下的场效应晶体管已经可以通过其开关路径传导确定的电流。该晶体管例如也可以是场效应晶体管。
在短路的第三种情况下,如果由于二极管和/或类似物的短路而发生短路,则场效应晶体管已经可以在其接通的开关状态下通过其开关路径传导确定的电流。
第一种、第二种和第三种短路情况的特征在于,通过开关路径的电流上升非常快,其中,在极端情况下,该电流只能被寄生电感限制,直到使场效应晶体管不饱和为止并且由此限制了电流进一步增加。
此外,可以区分过电流的情况,其中场效应晶体管的漏极电流或源极电流增加得更慢。
在接通的开关状态下,场效应晶体管通常被尽可能地偏置导通,以使漏极接头与源极接头之间的剩余电压尽可能小,从而使在接通的开关状态下的传输损耗尽可能小。
总的来说,希望尽可能取决于温度地检测不同的短路情况或过电流情况,以使相应的短路情况或过电流情况能与接通的开关状态下的确定类型的运行区分开,即与无故障的运行情况区分开。
为了能够确定上述的故障情况,在现有技术中已经公开的是,检测开关路径的去饱和。这通常也用于双极型晶体管。为此目的,从预设的固定的消隐时间开始检测开关路径上的电压,在该消隐时间内将短路检测去激活。将检测到的电压与设定为固定的预设值(例如15V或类似值)的比较电压进行比较。如果检测到的电压大于比较电压并且从晶体管在接通的开关状态下接通开始经过的时间大于消隐时间,则认为这是短路。在这种情况下,消隐时间被设定为固定的预设值。
由于作为单极型半导体组件的场效应晶体管(特别是MOSFET)包括在接通的开关状态下具有类似电阻的表现的开关路径,因此可以将用于检测短路的电压比较值选择为较小的值,例如7V或类似。电压比较值优选是在接通的开关状态下的漏源极电压的大约三倍,该漏源极电压是在向开关路径施加额定电流时在开关路径上的压降。
在接通的开关状态下的漏源极电压(也称为导通电压)取决于场效应晶体管的温度,尤其取决于阻挡层温度。由于导通电压有时会具有高的温度相关性,尤其在平面和沟槽式的SiC(碳化硅)MOSFET的情况下,温度相关性会导致导通电压根据温度变化几乎两倍。这会影响短路的识别。
为了减少这方面的问题,在现有技术中通常取决于温度地设置电压比较值。为此目的可以提出:借助于温度传感器(例如取决于温度的电阻)来检测场效应晶体管的温度。在这种情况下,US 2017/0331369A1公开了能量转换器及其控制方法。US 2017/0163255A1公开了具有集成保护过程的装置及其方法。
即使已知的措施已经被证明有效,但仍然存在改进的空间。已经表明的是,因为电压比较值是固定的,即使根据温度对其进行设定,也必须将该电压比较值的大小选择成,使得不能在每个运行情况都安全地确保对场效应晶体管的可靠保护。至少必须考虑到,诸如上述的过载电流情况之类的过载情况可能导致场效应晶体管过早老化并且可能导致不希望的后果。
发明内容
本发明的基本目的是,针对过载电流改善对场效应晶体管的保护。
作为解决方案,本发明提出了根据独立权利要求的方法、保护装置和场效应晶体管。
有利的改进方案由从属权利要求的特征给出。
关于这种方法特别提出:在接通的开关状态期间还附加地使电压比较值取决于时间。
关于这种保护装置特别提出:该保护装置还被设计成,在接通的开关状态期间还附加地取决于时间地设置电压比较值。
关于这种场效应晶体管特别提出:该场效应晶体管具有根据本发明的保护装置。
本发明基于如下构思,即通过随时间适当地调整电压比较值,可以显著改善针对过载电流的保护功能。在此,对电压比较值的调整不仅取决于温度,还取决于场效应晶体管的或能与其连接的电路的时间特性。因此,电压比较值优选地不仅取决于温度,还至少部分取决于时间。温度相关性也可以被限制在场效应晶体管处于接通的开关状态的时间段的特定区间。由此,能够以高度灵活的方式处理场效应晶体管在每种情况下可能存在的特殊性能。
被证明是特别有利的是,保护装置还被设计为能设置的,从而能够几乎单独地设置根据本发明的保护效果。例如可以提出:保护装置是可编程的,并且可以根据需要设置电压比较值与温度和时间的相关性。可以提出:保护装置的设置在其制造期间实现或者也可以在场效应晶体管在其所连接的电子电路中被首次启动时实现。另外,当然还能以如下方式设计保护装置,即还能在较晚的时间点例如在维护等的范畴内进行设置。
该保护装置可以由硬件电路形成,该硬件电路也可以至少部分地集成在提供场效应晶体管本身的半导体芯片中。然而,例如也可以提供单独的组件,其例如集成地布置在场效应晶体管的壳体中并以合适的方式连接至场效应晶体管。
保护装置可以包括提供期望或要求的功能的硬件电路。但是,硬件电路也可以至少部分地由计算机单元形成,该计算机单元通过合适的计算机程序来控制以提供期望的功能。由此,保护装置也能以简单的方设计为成可编程的。
场效应晶体管优选是MOSFET,特别是增强型的MOSFET。
“在接通的开关状态期间”表示,在表征接通的开关状态的该时段中场效应晶体管的开关状态没有变化。但是,在时间上能够跟随有交替接通的和断开的开关状态。因此,接通的开关状态和断开的开关状态优选总是交替地彼此跟随。“在接通的开关状态期间”尤其表示如下时间段,在该时间段中,场效应晶体管处于接通的开关状态并且处于断开的开关状态的两个紧邻的开关状态之间。
在以指数方式改变电压减小值方面还提出:与漏源极电压的振荡的衰减时间常数匹配地选择时间常数。该设计方案可能够考虑到:在占据接通的开关状态时或场效应晶体管被接通时会发生被衰减的振荡。当以指数方式改变电压减小值时,可以考虑该衰减的振荡的相应的衰减时间常数。由此可以实现根据本发明的保护功能的几乎最佳的适配。
根据一个有利的改进方案提出:在接通的开关状态期间,取决于时间地减小电压比较值。由此可以实现,由于在预期的运行中产生不期望的效果(然而其不会形成上述的短路情况)而错误地识别出短路情况。例如,通过这种方式可以实现,当从断开的开关状态转换到接通的开关状态时可能发生的过渡过程以不希望的方式不导致短路检测。通过取决于时间地减小电压比较值,仅在场效应晶体管接通后立即出现的振动过程当其导致电流值增加时才被考虑。由此能够进一步改善过载电流的检测可靠性。
还提出:在接通的开关状态期间,在预设的第一时间点将电压比较值减小一个预设的电压减小值。这种设计方案还可以提高电压检测的可靠性。在此,通过这种改进方案,能以特别有利的方式实现取决于时间地降低电压比较值的实施方式。例如,在从场效应晶体管被立即接通到第一时间点的时间段内,可以提供第一电压比较值,其中,该电压比较值在第一时间点被设置为较小的电压比较值。这可以通过降低减小值来实现。但是,也可以提供两个不同的电压比较值,它们仅在第一时间点被切换。由此可以实现简单且低成本的实施方式。
根据一个有利的改进方案提出:第一时间点也取决于温度。这可以进一步改善本发明的保护效果。可以提出:随着温度升高而将第一时间点提前。由此,可以减小在第一时间点之前的电压比较值的时间窗口,以便能够更好地考虑场效应晶体管、特别是半导体芯片的热效应。在能够有利的可替换的设计方案中还能提出:随着温度升高而将第一个时间点延后至较晚的时间点。当然,还可能将这些设计方案彼此组合,并且例如能够在接通的开关状态内取决于温度地实现第一时间点的位置之间的功能关系。利用这种设计方案,可以更好地考虑场效应晶体管的不同物理效应。
优选的是,随着温度升高而将第一时间点提前。由此,可以很好地考虑场效应晶体管的典型的特别的热特性。
根据一个改进方案提出:在场效应晶体管的接通时间点与第一时间点之间将电压比较值设置为固定值。以这种方式,尤其可以很好地检测第一情况和第二情况以及可能还有第三情况的短路。通常,这种短路特别重要并且经常仅与温度不明显地相关。因此,在该设计方案中,没有必要也必须根据温度来设置场效应晶体管的接通时间与第一时间点之间的电压比较值。相反,在此提供可以与温度无关地设置的固定值就足够了。
此外提出:在接通的开关状态期间,在比第一时间点更晚的第二时间点激活电压减小值。因此,在该设计方案中,不必同时以第一时间点激活电压减小值。反而可以选择较晚的第二时间点以激活电压减小值。
优选的是,电压减小值取决于温度。优选地,电压减小值也能随着温度的升高而增加。在此也可以选择功能关系,使得其适合于场效应晶体管的物理特性。
此外还提出:在接通的开关状态期间,电压减小值在比第二时间点更晚的第三时间点增大。这能够特别简单地实现取决于温度的电压减小值。因此可以通过在各个时间点切换电压减小值来进行适当的调整。由此可以考虑场效应晶体管和/或与场效应晶体管连接的电路的另外的特性。
证明是特别有利的是,在第一时间点与第二时间点之间取决于时间地连续改变电压比较值。在该改进方案中能提出:电压比较值不跳跃。相反,从第一时间点之前的电压比较值到第二时间点之后的电压比较值存在连续的过渡。由此,针对过载电流的保护功能也可以实现改进的功能。
优选的是,至少部分地线性改变电压减小值。因此,在第一时间点和第二时间点之间至少部分实现了不同电压比较值之间的线性过渡。这可以通过至少部分地线性改变电压减小值来实现。
但是,电压减小值不需要被线性地改变。根据一个改进方案,能够至少部分地以指数方式改变电压减小值。当然,这些设计方案也可以彼此组合,以便能够实现特别有利和匹配的功能。
针对根据本发明的方法提出的优点和效果同样适用于根据本发明的保护装置以及具有根据本发明的保护装置的场效应晶体管,并且反之亦然。在这方面,装置的特征也可以转用为方法的特征,并且反之亦然。
附图说明
从下面参考附图描述的实施例得出另外的优点和效果以及特征。在附图中,相同的附图标记表示相同的特征和功能。附图示出:
图1示出了具有两个串联连接的作为开关元件的MOSFET的半桥电路的示意性电路图;
图2示出了说明在1200V的截止电压的情况下的平面式SiC MOSFET中的短路检测阈值的示意图,该阈值取决于在约15V的作为控制电压的栅源极电压的情况下的MOSFET的温度;
图3示出了类似于图2的示意图,其中作为控制电压的栅源极电压约为20V;
图4示出了关于SiC MOSFET的接通表现的示意图,该接通表现取决于MOSFET的温度以及第一换向电感;
图5示出了类似于图4的示意图,然而此时针对大于第一换向电感的第二换向电感;
图6示出了根据本发明的保护装置的示意性框图;
图7示出了根据图1的具有本发明的保护装置的半桥电路中的MOSFET的驱动器电路的示意性电路图;以及
图8示出了说明能够用本发明的保护装置实现的保护范围的示意图。
具体实施方式
图1以示意性电路图布置示出了用于能量转换器(例如逆变器、整流器、直流电压转换器等)中的半桥电路10。半桥电路10包括串联电路,该串联电路包括两个在此设计为MOSFET 12、14的场效应晶体管,其中,该串联电路包括与未进一步示出的直流电压中间电路的电势42、44连接的MOSFET 12、14。
直流电压中间电路具有连接到电势42、44的中间电路电容器26。在电势42、44之间提供了中间电流直流电压28。
MOSFET 12、14中的每一个具有相应的漏极接头18、相应的源极接头20和相应的栅极接头22。在当前情况下,MOSFET 12、14被设计为增强型并且各自包括集成的反向二极管,反向二极管不再进一步说明。
对于两个MOSFET 12、14中的每一个分别提供相应的驱动器电路46,其通过参考电势连接到相应的源极接头20并且通过(未进一步示出的)电阻器连接到相应的MOSFET 12、14的相应栅极接头22。驱动器电路46用于在开关运行模式中控制MOSFET 12、14,从而使MOSFET 12、14交替地接通和断开。为此,驱动器电路46从(未进一步示出的)时钟发生器接收相应的控制信号。在当前情况下,控制信号是合适的矩形信号,其代表预设的时钟模式,以使半桥电路10提供期望的功能。
MOSFET 12、14在开关运行模式中借助于驱动器电路46运行,即在这种运行中,相应的漏极接头18与相应的源极接头20之间的开关路径仅呈现接通的开关状态或断开的开关状态。为此,控制电路46在相应的栅极接头22处提供通常基本上由矩形信号形成的相应的栅极控制信号30,以使MOSFET 12、14呈现各自期望的开关状态。
通常提出:在任何情况下两个MOSFET 12、14中只有一个处于接通的开关状态,而在同一时间段中两个MOSFET 12、14中的相应另一个处于断开的开关状态。由此基本避免了同时流过两个MOSFET 12、14的短路电流。
MOSFET 12、14的串联连接如下地形成,即MOSFET 12的源极接头20直接电连接至MOSFET 14的漏极接头18。以这种方式,形成了串联连接的中间接头36。
作为示意性负载38的电感利用第一接头与中间接头36连接,其中,负载38的第二接头连接到正电势44,其在当前情况下代表中间电路直流电压28的正电势。在当前情况下,负电势42电耦联到接地接头48。负载38的这些连接在这里仅是示意性的,并且当然也能够根据负载38的功能和/或类型进行不同的选择或者在某些情况下也能省略。
从图1中还可看到,相应的漏源极电压16(UDS)在相应的MOSFET12、14处有压降。在图1仅示意性地示出了MOSFET 14的漏源极电压16。然而,以相同的方式也可以在MOSFET 12处确定相应的漏源极电压。
在接通的开关状态下,可以检测漏源极电压16(UDS),以便针对MOSFET 12、14中的相应一个来确定其是否承受过载电流。为此,可以将漏源极电压16(UDS)与预设的电压比较值进行比较。
场效应晶体管、特别是MOSFET 12、14作为接通的开关状态下的单极半导体组件提供了具有类似电阻特性的开关路径。由此,电压比较值相对于双极性晶体管中的应用、例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)能够显著减小。优选地,能够测量开关路径上的电压降以测量电压比较值,该电压降大约对应于在MOSFET 12、14的三倍额定电流处存在的漏源极电压。
由于漏源极电压在这种负载的情况中至少取决于MOSFET的温度、特别是MOSFET12、14的半导体芯片的芯片温度,因此在当前情况下还提出:取决于通过没有进一步示出的温度传感器检测到芯片温度来设置电压比较值。
由于为了短路检测而将在接通的开关状态下的漏源极电压16评估为温度敏感参数,因此在固定设置的电压比较值的情况下相应的电流值(超过该值则被测定为过载电流)取决于MOSFET 12、14的温度、尤其取决于其芯片温度地变化。在此,以下公式能是相关的:
ISCD/IN~1/IRds,on。
由于MOSFET 12、14的开关路径的接通电阻的高的温度相关性,尤其当它们设计为平面或沟槽式的SiC MOSFET时,则在正常工作期间可能会发生2倍的偏差,如图2和图3的示意图所示。
图2示出了示意图,其中将横坐标分配给以℃为单位的芯片温度TJ,并且纵坐标表示对应于过载电流的电流ISCD相对于额定电流IN的电流比。图2所示的曲线50、52、54、56、58涉及不同的负载。因此,曲线50对应于MOSFET 12、14的额定电流和导通电阻的五倍的乘积(5*IN*RDS,on)。曲线52对应于四倍的额定电流和导通电阻的乘积。相应地,曲线54对应于三倍的乘积,曲线56对应于两倍的乘积,曲线58对应于单倍的乘积。为该图提供大约15V的栅源极电压30。
图3示出了与图2相对应的图,但是其中栅源极电压30约为20V。在硅的MOSFET的情况下可以提供补偿,使得提供电压比较值的分压器包括取决于温度的电阻,该电阻用作温度传感器,以检测各个MOSFET12、14的芯片温度。
可以将检测到的漏源极电压16与电压比较值进行比较,例如通过提供相应的比较器或比较器电路或者还借助于计算机单元进行数字处理。此外,还可以提供消隐时间,该时间可以通过模拟的RC(电阻电容)元件实现。
即使本发明整体上可以用在场效应晶体管、特别是MOSFET中,也证明了对于在具有宽带隙的半导体、也称为宽带隙半导体的半导体中的使用是特别有利的。宽带隙半导体是如下的半导体,其带隙即价带与导带之间的能隙位于半导体范围的上端,例如大于约3eV至大于约4eV等。
半导体材料的性能主要由带隙确定。电导体没有带隙,而非导体的带隙通常大于约4eV。在迄今为止常规的大量半导体中,带隙例如在明显小于约3eV的范围内,因此例如在室温下,对于锗约为0.67eV,对于硅约为1.12eV,对于砷化镓约为1.42eV等等。
对于带隙较宽的半导体,带隙通常大于约3eV。具有宽带隙的半导体、特别是用于晶体管、特别是用于场效应晶体管的半导体的使用可以导致在开关过程中更低的开关损耗。另外,在断开的开关状态下的耐压强度可以更高。最后,这种半导体也适合在高温下使用。更高的频率也可以用于确定类型的运行,并且可以提高可靠性。具有宽带隙的半导体材料例如是碳化硅、氮化镓、氧化锌和/或类似物。
图4示出了在不同的芯片温度TJ和大约20nH的换向电感Lσ的情况下的SiC MOSFET(例如MOSFET 12、14)的接通表现的示意图。此处的工作电压约为600V。在接通的开关状态下,将漏极电流被设定为约200A。在当前情况下,RG,ext为17.2Ω。
在图4中,将横坐标分配给以ns为单位的时间。相反,纵坐标即分配给以V表示的电压,还分配给以A表示的电流。当MOSFET 12接通时,漏源极电压16以曲线60示出。在当前情况下,芯片温度约为25℃。曲线62显示了相同的电压,但此处的芯片温度为150℃。相应地分配有曲线64和66,它们示出了当MOSFET 14接通时的相应的漏极电流。曲线64被分配给芯片温度25℃,曲线66被分配给芯片温度150℃。可以看出,电流振荡在接通过程中被激发,并随着时间的增加而衰减。
图5示出了如图4的相应的示意图,但是这里电感Lσ约为125nH。可以看出,根据曲线60、62的电压降的斜率在此小于根据图4的运行情况中的斜率。同样,漏极电流的较小的振荡被激发,其衰减也更快。在较高温度下,激发振荡的幅度也较大。
从图4和图5可以看出,比较电压值可以例如在至少部分考虑电流振荡的衰减特性的情况下被设定。这使得过载电流检测得到显著改善。例如,可以提供能取决于温度地设置的消隐时间,其在图4和图5所示的开关状态之间可以改变约100ns。这例如在以每秒约3安培的电流上升速率时使过载电流值的识别减少约300A。由此,可以显著改善过载电流的检测。
因此,本发明利用以下事实:电压比较值不仅可以取决于场效应晶体管的温度、特别是其芯片温度,而且还可以提供电压比较值的温度相关的时间相关性。因此,本发明实现了对过载电流的检测的二维的跟踪。
图6示出了用于可以实现本发明的电路装置的示意性框图。图6示出了示意性框图布置68,其包括具有电路布置70的数字信号处理。在当前情况下,电路布置70由现场可编程门阵列(FPGA)形成。替代地或附加地,还可以提供计算机单元,其由合适的计算机程序相应地控制。作为输入变量的温度信号80由(未进一步示出的)温度传感器提供给电路装置70,该温度传感器检测相应的MOSFET 12、14的芯片温度。
另外,电路装置70接收作为输入信号82的控制信号,该控制信号还用于以合适的方式在开关运行模式中驱动MOSFET 12、14。电路装置70提供作为输出信号的数字信号84,该数字信号用于相应地控制数字电压源72。数字电压源72提供作为电压比较值90的参考信号。电压比较值90被馈送到比较器76,漏源极电压16也被馈送到比较器76。比较器76比较漏源极电压16和电压比较值90这两个信号,并提供作为输出信号94的数字比较信号,该数字比较信号被馈送到与门78。
与此并行的设计是,电路装置70提供数字控制信号86,其用于设置第一时间点。该信号被馈送到可设置的延时电路74,其提供作为输出信号的控制信号88,该控制信号也被馈送到与门78以作为输入信号。同时,还向延时电路74提供输入信号82以作为输入信号。与门78提供输出信号92(SCDS),其用于指示过载电流。在另外的过程中,该信号然后用于相应地关断各个MOSFET 12、14。
在当前情况下提出:可以借助于可调电压源72经由电路装置70以256级设置电压比较值90。为此,电压源72具有8位输入。这表示:不仅可以设定一个固定值,而且可以设定一个随时间变化的电压比较值,这从下面根据图7的图示中可以看出。
图7示出了用于MOSFET 14的驱动器电路46的示意性电路图。同样可以为MOSFET12提供相应的电路。
电路装置46包括输入端,时钟发生器在该输入端处提供用于MOSFET 14的确定类型的运行的控制信号108。控制信号108被馈送到光耦合器96,该光耦合器用于将控制信号108与MOSFET 14的电隔离。由此,光耦合器96提供无电势的控制信号110,该控制信号在其时间特性方面对应于控制信号108。
控制信号110经由或非门98被提供给延时电路74以作为输入信号82。关于直至与门78的其他功能,参考图6的说明。应当注意,输出信号92被馈送到RS触发器104的S输入端,其相应地将输出信号输出到或非门106。控制信号110也作为输入信号被馈送到或非门106。或非门106传送用于栅极驱动器电路102的控制信号以作为输出信号,该栅极驱动器电路相应地在其栅极接头22处驱控MOSFET 14。
比较器76在图7中更详细地示出。它具有比较电路112,在比较电路112的同相输入端提供电压比较值90。从漏源极电压16导出的参考电压100被提供给反相输入。比较电路112如上所述提供输出信号94。
本发明的电路装置68还可以借助于数字延时电路74的电路装置70取决于温度地跟踪消隐时间、特别是第一时间点。这产生了用于相应的MOSFET12、14的保护区域,该保护区域能以二维进行温度补偿。如果漏源极电压16在接通的开关状态下超过电压比较值90,则输出信号94跳至“高电平”,并且所经历的时间t大于第一时间点,则将其检测为过载电流情况,从而产生相应的短路信号。这将短路检测信号(SCDS)设置到RS触发器104。尽管控制信号110继续请求接通的开关状态,一旦该信号出现,用于MOSFET 14和12的栅极驱动器电路102就被去激活。
当然,驱动器电路46也可以具有不同的结构设计,以便实现根据本发明的期望功能。在这方面,该描述仅应被理解为使用实施例的说明,而不是为了限制本发明的主题。
可以通过以下方式跟踪电压比较值90,即在接通的开关状态的初始点到第一时间点t1之间的第一时间段中,可以将电压比较值设置为最大值,以便在快速地检测第一种情况的短路。在大于第二时间点t2的时间段中,其中第二时间点t2晚于第一时间点t1,为了快速地检测第二情况和第三情况的短路以及检测过电流情况,电压比较值90可以被调节到更低的值。对于第一时间点t1与第二时间点t2之间的过渡时间段,电压比较值90可以从固定的最大值转移到时间点t2时的值。为此,例如能提供两种不同的方法。
这使得线性地执行过渡成为可能,这当然也使对过渡进行编程变得容易。编程可以例如考虑以下公式:
Uref,1-on=Uref,1-((Uref,1-Uref,on)/(t2-t1))·t。
还可能实现以指数方式的过渡。这可以例如使用以下公式:
Uref,1-on=(Uref,1-Uref,on)·(1-e∧((t-t1)/τ)+Uref 1。
在此,可以选择与衰减常数匹配的e函数的时间常数t,例如参照图4和图5进行说明。
图8示出了示意图,其表示与相应的第一至第三情况有关的、用于过载电流检测的保护区域。横坐标在此分配给以ns为单位的时间,并且纵坐标被分配给以V表示的电压或以A表示的电流。当前的工作电压约为600V。电感Lσ约为125nH。漏极电流为约200A,电阻RG,ext为约17.2Ω。
在图8中,曲线114示出了漏极电流的电流曲线,而曲线116示出了漏源极电压16的电压曲线。用曲线118示出电压比较值90的电压曲线。曲线120表示消隐时间,该时间由作为第一时间点的时间点t1限定。
本发明既可以通过硬件模拟电路又可以通过数字电路或通过计算机单元来实现。当然,这些实现选项也能够以适当的方式彼此组合。
利用本发明,可以使用已经存在的模拟解决方案的变体,其中借助于温度相关的电阻器经由例如数字电压源数字式地实现电压比较值90的温度跟踪。同时还能数字式地设置消隐时间或第一时间点t1。由此能实现二维跟踪。这使用户可以单独定义保护区域,同时提供适当的温度补偿。
因此,对于本发明而言,没有必要通过单独的检测路径来提供针对电压比较值和消隐时间的单独评估。本发明允许例如提供两个单独的电压比较值,并使用单独的消隐时间实现这些值。因此,为了探测第一情况的过载电流时间,能够实现具有短的消隐时间的大电压比较值并且能够实现较小的电压比较值,该较小的电压比较值允许被数字式地补偿,以便探测第二和第三情况下的过载电流情况以及在另外的消隐时间之后的过载电流。
实施例仅用于解释本发明,而不应限制本发明。
Claims (15)
1.一种用于保护在开关运行模式中运行的场效应晶体管(12、14)免受在接通的开关状态下的过载电流影响的方法,其中:
-检测在所述场效应晶体管(12、14)的漏极接头(18)与源极接头(20)之间的漏源极电压(16),
-将所述漏源极电压(16)与预设的电压比较值(90)进行比较,并且
-当所述漏源极电压(16)大于所述电压比较值(90)时将所述场效应晶体管(12、14)切换到断开的开关状态,
其中,为了所述保护的温度补偿,
-检测所述场效应晶体管(12、14)的温度,并且
-在所述接通的开关状态期间还附加地使所述电压比较值(90)取决于时间,
其特征在于,
取决于所述温度地设置所述电压比较值(90),其中,以指数方式改变电压减小值,其中,与所述漏源极电压(16)的振荡的衰减时间常数匹配地选择时间常数。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述接通的开关状态期间,取决于时间地减小所述电压比较值(90)。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在所述接通的开关状态期间,在预设的第一时间点将所述电压比较值(90)减小一个预设的电压减小值。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述第一时间点也取决于所述温度。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,随着所述温度升高而将所述第一时间点提前。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法,其特征在于,在所述场效应晶体管(12、14)的接通时间点与所述第一时间点(t1)之间将所述电压比较值(90)设置为固定值。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,在所述场效应晶体管(12、14)的接通时间点与所述第一时间点(t1)之间,与所述温度无关地将所述电压比较值(90)设置为固定值。
8.根据前述权利要求3至7中任一项所述的方法,其特征在于,在所述接通的开关状态期间,在比所述第一时间点(t1)更晚的第二时间点(t2)激活所述电压减小值。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述电压减小值取决于所述温度。
10.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于,在所述接通的开关状态期间,所述电压减小值在比所述第二时间点(t2)更晚的第三时间点增大。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法,其特征在于,在所述第一时间点与所述第二时间点(t1、t2)之间取决于所述时间地连续改变所述电压比较值(90)。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,至少部分地线性改变所述电压减小值。
13.根据权利要求11或12所述的方法,其特征在于,至少部分地以指数方式改变所述电压减小值。
14.一种用于在开关运行模式中运行的场效应晶体管(12、14)的保护装置(24),所述保护装置用于保护所述场效应晶体管免受在接通的开关状态下的过载电流影响,所述保护装置(24)为了保护目的被设计成,
-检测在所述场效应晶体管(12、14)的漏极接头(18)与源极接头(20)之间的漏源极电压(16),
-将所述漏源极电压(16)与预设的电压比较值(90)进行比较,并且
-当所述漏源极电压(16)大于所述电压比较值(90)时将所述场效应晶体管(12、14)切换到断开的开关状态,
并且为了所述保护的温度补偿,
-检测所述场效应晶体管(12、14)的温度,并且
-在所述接通的开关状态期间还附加地取决于时间地设置所述电压比较值(90),
其特征在于,
所述保护装置(24)还被设计成,取决于所述温度地设置所述电压比较值(90)并且以指数方式改变电压减小值,其中,与所述漏源极电压(16)的振荡的衰减时间常数匹配地选择时间常数。
15.一种具有根据权利要求14所述的保护装置(24)的场效应晶体管(12、14)。
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