CN112204865A - 金属氧化物半导体场效应晶体管的驱控 - Google Patents

金属氧化物半导体场效应晶体管的驱控 Download PDF

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于尔根·伯默尔
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埃伯哈德·乌尔里希·克拉夫特
贝恩德·拉斯卡
安德烈亚斯·纳格尔
斯特凡·汉斯·维尔纳·舍内沃夫
简·魏格尔
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Abstract

本发明涉及一种用于驱控MOSFET(1)、特别是基于具有宽的带隙的半导体的MOSFET(1)的方法和驱控装置(3)。根据本发明，监控MOSFET(1)的体二极管(2)是否是电导通的。当体二极管(2)是电导通的时，接通MOSFET(1)，并且当体二极管(2)是电阻断的时，根据驱控信号(S1)驱控MOSFET(1)。

Description

金属氧化物半导体场效应晶体管的驱控
技术领域
本发明涉及一种用于驱控金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET＝金属氧化物半导体场效应晶体管)、特别是基于具有宽的带隙(宽带隙半导体)的半导体的MOSFET的方法和驱控装置。
背景技术
MOSFET是反向导通的，并且在基极和漏极之间具有pn结，在基极和漏极电连接时，pn结作为本征二极管，该本征二极管被称为MOSFET的反向二极管或体二极管。如果MOSFET断开，则反向电流流过体二极管。由于体二极管具有高电阻，在此产生高损耗。当在故障的情况中，变流器的所有MOSFET断开，并且反向电流从与变流器连接的供电网或与变流器连接的负载流过变流器的MOSFET的体二极管时，这种类型的重大的损耗尤其出现在以MOSFET技术实施的变流器中。目前，在特定的变流器、例如在牵引变流器中使用越来越多的MOSFET，该MOSFET基于具有宽的带隙的半导体，例如基于碳化硅或氮化镓，并承受高电流负载。因此在这些变流器中尤其出现以下问题，即在错误地断开所有MOSFET时，穿过MOSFET的反向电流导致高损耗。
德州仪器的文献“UCD7138 4-A and 6-A Single-Channel Synchronous-Rectifier Driver With Body-Diode Conduction Sensing and Reporting”(2015年5月31日，链接http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucd7138.pdf)公开了一种具有栅极驱动器的MOSFET驱动器、用于检测体二极管导通状态的电路和用于优化接通延迟的电路。
发明内容
本发明的目的在于给出一种用于驱控MOSFET的方法和驱控装置，该方法和驱控装置在减少由反向电流导致的损耗方面得到改进。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求9的特征的驱控装置实现。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的方法涉及MOSFET，特别是基于具有宽的带隙的半导体的MOSFET的驱控，MOSFET有漏极端子、源极端子、栅极端子以及体二极管，其中，MOSFET布置在具有多个MOSFET的变流器中。在此，在出现导致了变流器的所有MOSFET断开的故障情况后，监控体二极管是否是电导通的。如果体二极管是电导通的，则接通MOSFET，并且如果体二极管是电阻断的，则根据驱控信号来驱控MOSFET。
因此，本发明提出，在出现导致了变流器的所有MOSFET断开的故障情况后，如果MOSFT的体二极管是导通的并且因此是载流的，则接通该MOSFET。通过接通MOSFET，在MOSFET的断开状态下仅流过二极管的反向电流至少部分地被引导通过在源极端子与漏极端子之间的MOSFET沟道，从而显著减少流过体二极管的反向电流以及由此导致的损耗。如果体二极管是电阻断的，通常根据驱控信号驱控MOSFET，使得MOSFET的驱控在这种情况下不变。
本发明的一个设计方案提出，对于MOSFET的漏极端子与源极端子之间的漏极源极间电压U预先给定第一电压阈值，检测漏极源极间电压，如果漏极源极间电压低于第一电压阈值，推导出体二极管是电导通的。此外能够对于漏极源极间电压预先给定第二电压阈值，如果漏极源极间电压高于第二电压阈值，推导出体二极管是电阻断的。两个电压阈值例如是负的，并且第二电压阈值大于第一电压阈值。
本发明的上述设计方案使用漏极源极间电压，以便识别体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的。对此，使用电压阈值，未达到或超过电压阈值信号通知体二极管是否是电导通或者是否是电阻断的。
本发明的另一设计方案提出，对于在MOSFET的漏极端子与源极端子之间的体二极管流通方向流动上流动的漏极源极间电流的漏极源极间电流强度预先给定第一电流阈值，检测漏极源极间电流强度并且如果漏极源极间电流强度超过第一电流阈值，则推导出体二极管是电导通的。此外，对于漏极源极间电流强度能够预先给定第二电流阈值，第二电流阈值小于第一电流阈值，并且当漏极源极间电流强度未达到第二电流阈值时，则推导出体二极管是电阻断的。
本发明的另一设计方案提出，检测MOSFET的漏极端子和源极端子之间流动的漏极源极间电流的方向，并且如果漏极源极间电流沿体二极管的流通方向流动，则推导出体二极管是电导通的。此外，如果漏极源极间电流沿与体二极管的流通方向相反的方向流动，则推导出体二极管是电阻断的。
本发明的前述设计方案使用漏极源极间电流，以便识别体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的。对此，对于在在体二极管流通方向上的漏极源极间电流的电流强度使用电流阈值，未达到或者超过该电流阈值标志着体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的。例如用布置在漏极源极间电流的电流路径中的分流电阻器测量漏极源极间电流强度。替代地或附加地，检测漏极源极间电流的方向，以便识别体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的。漏极源极间电流的方向例如通过对触发电压脉冲进行计数或者通过触发器来确定，触发器随着触发电压脉冲改变其状态。
根据本发明的用于执行本发明的方法的驱控装置包括监视单元和控制单元，该监视单元设计用于得出体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的，控制单元设计用于在出现导致了变流器的所有MOSFET断开的故障情况后，如果监视单元得出体二极管是电导通的，则接通MOSFET，如果体二极管是电阻断的，则根据驱控信号驱控MOSFET。
根据本发明的驱控装置的设计方案提出，监视单元设计用于检测漏极源极间电压，并且根据漏极源极间电压得出体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的，和/或监视单元设计用于检测漏极源极间电流强度，并且根据漏极源极间电流强度得出体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的，和/或监视单元设计用于检测漏极源极间电流的方向，并且根据漏极源极间电流的方向得出体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的。
根据本发明的驱控装置的另一设计方案提出，监视单元设计用于通过附加驱控信号通知控制单元体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的，并且控制单元具有用于根据附加驱控信号和驱控信号驱控MOSFET的端级。根据本发明的驱控装置的替代的设计方案提出，监视单元设计用于通过附加驱控信号通知控制单元体二极管是否是电导通的或者是否是电阻断的，并且控制单元具有在体二极管电阻断的情况下用于根据驱控信号驱控MOSFET的第一端级和在体二极管电导通的情况下用于根据附加驱控信号驱控MOSFET的第二端级。
根据本发明的驱控装置能够实现执行根据本发明的方法。因此，根据本发明的驱控装置的优点对应上面已经提及的根据本发明的方法的优点，并且这里不再特别叙述。
总体上，在体二极管电导通的情况下，本发明上仅在出现导致了变流器的所有MOSFET断开的故障情况后修改MOSFET的驱控。对此，在出现故障的情况后，当体二极管电导通时，使用驱控装置接通MOSFET，该驱控装置将通常的驱控器扩展了附加功能。除此之外，MOSFET的常规驱动器和本发明的普通保护方案不受影响。
根据本发明的变流器、特别是牵引变流器具有多个MOSFET，特别是多个基于具有宽的带隙的半导体的MOSFET，并且针对每个MOSFET具有根据本发明用于驱控MOSFET的驱控装置。本发明尤其适合于牵引变流器的MOSFET的驱控，因为牵引变流器的MOSFET的电流负载(特别是通过反向电流)能够非常高并且因此会引起高损耗。
附图说明
结合以下参照附图对实施例的描述更详细地解释本发明的上述特性、特征以及优点以及如何实现这些特性、特征以及优点的方式和方法。在此，示出：
图1示出了MOSFET的电路图，
图2示出了MOSFET和用于驱控MOSFET的驱控装置的第一实施例的电路图，
图3示出了与MOSFET的漏极源极间电压相关的附加制动信号，
图4示出了变流器的电路图，
图5示出了用于驱控MOSFET的方法的流程图。
具体实施方式
在附图中相互对应的部分设有相同的附图标记。
图1示出具有漏极端子D、源极端子S、栅极端子G以及体二极管2的MOSFET1。MOSFET1设计为通常阻断的n沟道MOSFET，其基于例如具有宽的带隙的半导体，例如基于碳化硅或氮化镓。反向电流，即(根据技术电流方向)从源极端子S到漏极端子D定向的电流，该电流在MOSFET1的断开的状态下流过体二极管2。
图2示出如在图1中设计的MOSFET1的电路图和根据本发明的用于驱控MOSFET1的驱控装置3的第一实施例。
驱控装置3包括监视单元5和控制单元7。监视单元5设计用于得出MOSFET1的体二极管2是否是电导通的或者是否是电阻断的，并将其通知控制单元7。对此，监视单元5检测在MOSFET1的漏极端子D与源极端子S之间的漏极源极间电压U并且将取决于漏极源极间电压U的值为0或1的二进制的附加驱控信号S2输出至控制单元7。附加驱控信号S2的值为1表示体二极管2是电导通的。附加驱控信号S2的值为0表示体二极管2是电阻断的。
图3示出了由监视单元5输出的与漏极源极间电压U相关的附加驱控信号S2。当漏极源极间电压U未达到预先给定的第一电压阈值U1时，附加驱控信号S2的取值为1。当漏极源极间电压U超过预先给定的第二电压阈值U2时，附加驱控信号S2的取值为0。两个电压阈值U1、U2是负值，其中，第二电压阈值U2大于第一电压阈值U1。例如第一电压阈值U1具有大约-1V的值，第二电压阈值U2具有大约-0.5V的值。当漏极源极间电压U的值在两个电压阈值U1、U2之间时，附加驱控信号S2不改变，即保持其当前值。
MOSFET1布置在具有多个MOSFET1的变流器19中(对此也参见图4)。控制单元7根据取值为0或1的二进制驱控信号S1控制MOSFET1，并且在出现导致了变流器19的所有MOSFET1断开的故障情况后附加地根据附加驱控信号S2控制MOSFET1。为此，控制单元7具有或门9和端级11。驱控信号S1和附加驱控信号S2被提供至或门9。当驱控信号S1和附加驱控信号S2的取值为0，则或门9将值0输出至端级11。否则，或门9将值1输出至端级11。当或门9输出值1，端级11通过将正接通电压施加到MOSFET1的栅极端子G和源极端子S之间来接通MOSFET1。否则，通过将断开电压施加到MOSFET1的栅极端子G和源极端子S之间来断开MOSFET1。
图4示出具有MOSFET1和根据本发明用于驱控MOSFET1的驱控装置3的第二实施例的变流器19的电路图。变流器19例如是具有另外的(这里未示出)的MOSFET1和用于另外的MOSFET1的驱控装置3的牵引变流器，其中，另外的MOSFET1以已知的方式电路连接成半桥或全桥。
该实施例的驱控装置3与图2中示出的实施例的不同之处仅在于控制单元7的实施。该实施例的控制单元7具有两个端级11、13和开关15。驱控信号S1被提供至第一端级11。在出现导致了变流器19的所有MOSFET1断开的故障情况后，由相应的驱控装置3的监视单元5输出的附加驱控信号S2被提供至第二端级13。如果附加驱控信号S2取值为1，则开关15将第一端级11的输出端与由驱控装置3驱控的MOSFET1的栅极端子G分开。在这种情况下，通过将正接通电压施加到MOSFET1的栅极端子G和源极端子S之间，MOSFET1被第二端级13接通。如果附加驱控信号S2的取值为0，则第一端级11的输出端通过开关15与由驱控装置3驱控的MOSFET1的栅极端子G连接，并且MOSFET1由第一端级11驱控，也就是说，第二端级13在MOSFET1的栅极端子G和源极端子S之间不施加任何电压，并且如果驱控信号S1取值为1，则MOSFET1由第一端级11接通，如果驱控信号S1的值为0，MOSFET1由第一端级11断开。
变流器19的MOSFET1的驱控信号S1由变流器19的控制装置17产生。能够设置为，仅当控制装置17对此许可时，根据附加驱控信号S2通过第二端级13激活MOSFET1的驱控。
图5示出根据本发明的用于驱控具有根据图2或图4实施的驱控装置3的MOSFET1的方法的实施例的流程图。
在第一方法步骤21中预先给定漏极源极间电压U的电压阈值U1、U2。
在第二方法步骤22中由监视单元5检测漏极源极间电压U，并且以上文根据图3所描述的方式根据漏极源极间电压U形成附加驱控信号S2，并将其输出至控制单元7。
在第三方法步骤23中在出现导致了变流器19的所有MOSFET1断开的故障情况后，由控制单元7接通MOSFET1，也就是说，当附加驱控信号S2取值为1时，在MOSFET1的栅极端子G和源极端子S之间施加接通电压。否则，由控制单元7根据驱控信号S1驱控MOSFET1，也就是说，当驱控信号S1的取值为1时，在MOSFET1的栅极端子G和源极端子S之间施加接通电压，或者当驱控信号S1的取值为0时，在MOSFET1的栅极端子G和源极端子S之间施加断开电压。在第三方法步骤23之后，该方法继续执行第二方法步骤22。
上述根据附图描述的根据本发明的驱控装置3和根据本发明的方法的实施例能够以不同方式修改为替代的实施例。监视单元5尤其以其他方式设计为在上述根据附图描述的实施例。
监视单元5例如能够设计用于，代替漏极源极间电压U，检测并评估漏极端子D和源极端子S之间的体二极管2的流通方向流动上流动的漏极源极间电流的漏极源极间电流强度。在这种情况下，对于漏极源极间电流强度的预先给定第一电流阈值并且对于漏极源极间电流强度预先给定第二电流阈值。当漏极源极间电流强度超过第一电流阈值，将附加驱控信号S2设为1。当漏极源极间电流强度为超过第二电流阈值，将附加驱控信号S2设为0。当漏极源极间电流强度的值在在两个电流阈值之间，附加驱控信号S2不变，即保持其当前值。例如用布置在漏极源极间电流的电流路径中的分流电阻器测量漏极源极间电流强度。
替代地，监视单元5例如能够设计用于检测漏极源极间电流的方向。在这种情况下，如果漏极源极间电流沿体二极管2流通方向流动，则将附加驱控信号S2设为1。否则，将附加驱控信号S2设为0。例如，使用铁磁芯确定漏极源极间电流方向，铁磁芯随着每次漏极源极间电流的方向改变触发电压脉冲。
漏极源极间电流方向例如通过对触发的电压脉冲计数或通过触发器来确定，其中，触发器随着每个触发的电压脉冲改变其状态。
通过在图2中描述的实施例或开头描述的修改的实施例之一的驱动装置3替换在图4中示出的驱动装置3给出替代于图4变流器19的实施例。
虽然通过优选的实施例详细阐明并描述了本发明，但本发明不受公开的实例的限制，本领域的专业人员能够在不脱离本发明的保护范围的情况下得出其他变体方案。

Claims (15)

1.一种用于驱控MOSFET(1)的方法，所述MOSFET特别是基于具有宽的带隙的半导体的MOSFET(1)，所述方法用于驱控具有多个MOSFET(1)的变流器(19)，其中，在导致了所述变流器(19)的所有MOSFET(1)断开的故障出现之后，
-监控：所述MOSFET(1)的体二极管(2)是否是电导通的；
-当所述体二极管(2)是电导通的时，接通所述MOSFET(1)；并且
-当所述体二极管(2)是电阻断的时，根据驱控信号(S1)驱控所述MOSFET(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，预先给定用于所述MOSFET(1)的漏极端子(D)与源极端子(S)之间的漏极源极间电压(U)的第一电压阈值(U1)，检测所述漏极源极间电压(U)，并且当所述漏极源极间电压(U)未达到所述第一电压阈值(U1)时，推导出所述体二极管(2)是电导通的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，预先给定用于所述漏极源极间电压(U)的第二电压阈值(U2)，并且当所述漏极源极间电压(U)超过所述第二电压阈值(U2)时，推导出所述体二极管(2)是电阻断的。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，两个电压阈值(U1、U2)是负的，并且所述第二电压阈值(U2)大于所述第一电压阈值(U1)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，预先给定用于在所述MOSFET(1)的漏极端子(D)与源极端子(S)之间沿所述体二极管(2)的流通方向流动的漏极源极间电流的漏极源极间电流强度的第一电流阈值，检测所述漏极源极间电流强度，并且当所述漏极源极间电流强度超过所述第一电流阈值时，推导出所述体二极管(2)是电导通的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，预先给定用于所述漏极源极间电流强度的第二电流阈值，所述第二电流阈值小于所述第一电流阈值，并且当所述漏极源极间电流强度未达到所述第二电流阈值时，推导出所述体二极管(2)是电阻断的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检测在所述MOSFET(1)的漏极端子(D)与源极端子(S)之间流动的漏极源极间电流的方向，并且当所述漏极源极间电流沿所述体二极管(2)的流通方向流动时，推导出所述体二极管(2)是电导通的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述漏极源极间电流沿与所述体二极管(2)的流通方向相反的方向流动时，推导出所述体二极管(2)是电阻断的。
9.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的驱控装置(3)，所述驱控装置(3)包括：
-监视单元(5)，所述监视单元设计用于得出：所述体二极管(2)是否是电导通的或者是否是电阻断的；以及
-控制单元(7)，所述控制单元设计用于，在导致了所述变流器(19)的所有MOSFET(1)断开的故障出现之后，当所述监视单元(5)得出所述体二极管(2)是电导通的时，则接通所述MOSFET(1)，并且当所述体二极管(2)是电阻断的时，则根据驱控信号(S1)驱控所述MOSFET(1)。
10.根据权利要求9以及权利要求2至4之一所述的驱控装置(3)，其中，所述监视单元(5)设计用于检测所述漏极源极间电压(U)并且根据所述漏极源极间电压(U)得出：所述体二极管(2)是否是电导通的或者是否是电阻断的。
11.根据权利要求9以及权利要求5或6所述的驱控装置(3)，其中，所述监视单元(5)设计用于检测所述漏极源极间电流强度并且根据所述漏极源极间电流强度确定：所述体二极管(2)是否是电导通的或者是否是电阻断的。
12.根据权利要求9以及权利要求7或8所述的驱控装置(3)，其中，所述监视单元(5)设计用于检测所述漏极源极间电流的方向并且根据所述漏极源极间电流的方向得出：所述体二极管(2)是否是电导通的或者是否是电阻断的。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的驱控装置(3)，其中，所述监视单元(5)设计用于通过附加驱控信号(S2)通知控制单元(7)：所述体二极管(2)是否是电导通的或者是否是电阻断的，并且其中，所述控制单元(7)具有用于根据所述附加驱控信号(S2)和驱控信号(S1)驱控所述MOSFET(1)的端级(11)。
14.根据权利要求9至12中任一项所述的驱控装置(3)，其中，所述监视单元(5)设计用于通过附加驱控信号(S2)通知控制单元(7)：所述体二极管(2)是否是电导通的或者是否是电阻断的，并且其中，在所述体二极管(2)是电阻断的情况下，所述控制单元(7)具有用于根据所述驱控信号(S1)驱控所述MOSFET(1)的第一端级(11)，并且在所述体二极管(2)是电导通的情况下，所述控制单元具有用于根据所述附加驱控信号(S2)驱控所述MOSFET(1)的第二端级(13)。
15.一种变流器(19)，所述变流器特别是牵引变流器，所述变流器具有多个MOSFET(1)，其中，所述变流器(19)针对每个MOSFET(1)具有用于驱控所述MOSFET(1)的、根据权利要求9至14中任一项设计的驱控装置(3)。
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