CN113474667A - 用于监测功率半导体的栅极信号的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于监测功率半导体(SI)的栅极信号的方法及装置，功率半导体(SI)的栅极信号由栅极驱动器(12)提供，生成与在栅极驱动器(12)和/或功率半导体(SI)和/或联接至功率半导体(SI)的负载不存在劣化时由栅极驱动器(12)输出的信号相对应的预期信号(VGexp)；比较预期信号(VGexp)和由栅极驱动器(12)输出的信号(VGmeas)；使用预期信号(VGexp)与由栅极驱动器(12)输出的信号(VGmeas)的比较结果，来确定栅极驱动器(12)和/或功率半导体(SI)和/或联接至功率半导体(SI)的负载是否存在劣化。
Description
技术领域
本发明总体涉及用于监测功率半导体的栅极信号的装置的方法及系统。
背景技术
在诸如牵引之类的现场应用中，功率半导体的栅极驱动器的故障大多报告为去饱和错误，即，栅极驱动器报告栅极电压处于高电平且半导体两端的电压高于阈值的异常情况。此类异常的报告通常是误报，即，尽管栅极驱动器和功率半导体工作正常，但仍会被通知问题。在一些其它情况下，此类报告可能是真实的，即，在发生短路时。
短路通常由栅极驱动器本身、控制器、功率半导体或负载引起。通常实现的保护方法避免了灾难性故障，但无助于维护团队了解故障的根源。在栅极驱动器出现故障的一些情况下，虽然仅以低成本更换栅极驱动器板就应该解决问题，但是可能改变整个系统。
因此，重要的是有效地监测栅极驱动器本身的运行、功率半导体的运行并且改进诊断。
发明内容
本发明旨在允许有效地监测栅极驱动器和功率半导体。
为此，本发明涉及用于监测功率半导体的栅极信号的装置，功率半导体的栅极信号由栅极驱动器提供，其中，该装置包括：
-用于生成与在栅极驱动器和/或功率半导体和/或联接至功率半导体的负载不存在劣化时由栅极驱动器输出的信号相对应的预期信号的装置；
-用于比较预期信号和由栅极驱动器输出的信号的装置；
-用于使用预期信号与由栅极驱动器输出的信号的比较结果，来确定栅极驱动器和/或功率半导体和/或联接至功率半导体的负载是否存在劣化的装置。
本发明还涉及用于监测功率半导体的栅极信号的方法，功率半导体的栅极信号由栅极驱动器提供，其中，该方法包括以下步骤：
-生成与在栅极驱动器和/或功率半导体和/或联接至功率半导体的负载不存在劣化时由栅极驱动器输出的信号相对应的预期信号；
-比较预期信号和由栅极驱动器输出的信号；
-使用预期信号与由栅极驱动器输出的信号的比较结果，来确定栅极驱动器和/或功率半导体和/或联接至功率半导体的负载是否存在劣化。
因此，在换向期间高速提取栅极信号轨迹中的异常。然后改进诊断。
根据特定特征，用于生成预期信号的装置至少包括电容器和电阻器。因此，用现成的和低成本的电子组件执行实现。
根据特定特征，栅极驱动器包括第一隔离模块，并且用于确定是否发生劣化的装置的输出被连接至第二隔离模块。因此，对第二次隔离的要求(例如，响应时间、带宽)低。
根据特定特征，栅极驱动器和用于生成预期信号的装置接收脉宽调制信号以及与栅极信号不同的在半导体的连接部上取得的信号。因此，能够诊断使用来自用于保护或栅极轨迹控制的功率半导体的信号的栅极驱动器。
根据特定特征，用于确定是否发生劣化的装置通过将比较结果与阈值进行比较，和/或通过执行对比较结果求积分和/或求平均值和/或求极值并将这些积分和/或平均值和/或极值与阈值进行比较以检测劣化，和/或通过将比较结果与所存储的信号包络线进行比较，来处理预期信号与由栅极驱动器输出的信号的比较结果。因此，能够用高带宽模拟电路来实现用于确定是否发生劣化的装置。
根据特定特征，至少一个阈值的值是预定的。因此，该方法从功率半导体的第一次运行开始可运行，并且设计者能够选择对某些故障的灵敏度。
根据特定特征，至少一个阈值的值等于在该装置的前100个运行周期期间所观察到的最大值的X％，X是预定义的并且高于100％。因此，该方法不需要设计者事先定义并适应它所集成于的系统的特异性(例如，功率半导体的可变性、运行条件)。
根据特定特征，阈值的值等于从该装置开始运行时观察到的最大值的X％，X是预定义的并且高于100％。因此，该方法检测突然劣化而不检测渐进式劣化。
附图说明
通过阅读以下示例性实施方式的描述，本发明的特征将更加清楚，所述描述是参照附图而产生的，在附图中：
[图1A]
图1A表示实现本发明的功率半导体的栅极驱动器的架构的第一示例。
[图1B]
图1B表示实现本发明的功率半导体的栅极驱动器的架构的第二示例。
[图1C]
图1C表示实现本发明的功率半导体的栅极驱动器的架构的第三示例。
[图1D]
图1D表示实现本发明的功率半导体的栅极驱动器的架构的第四示例。
[图2]
图2是表示实现本发明的诊断模块的架构的图。
[图3]
图3表示根据本发明所执行的算法。
[图4]
图4表示在功率半导体的栅极驱动器运行期间可能出现的信号的示例。
[图5]
图5表示诊断模块为了确定在驱动器和功率半导体运行期间是否出现故障所使用的包络线的示例。
[图6]
图6表示与未发生劣化时和发生各种不同劣化时所观察到的差异相对应的平均值、最小值、最大值和积分值。
具体实施方式
图1A表示实现本发明的功率半导体的栅极驱动器的架构的第一示例。
根据实现的第一示例，调节器10a从提供给栅极驱动器12a的输入信号In生成预期栅极信号VGexp，栅极驱动器12a向功率半导体S1提供栅极信号VGmeas。由差分检测模块13a将栅极信号VGmeas与预期栅极驱动器信号VGexp进行比较，以确定VGmeas和VGexp的偏差。比较可以是将一个信号减去另一信号并且将减法结果放大。差分检测模块13a的输出被提供给诊断模块14a，该诊断模块14a使用例如与不同种类的信号包络线的比较、数学运算(例如，求最大值、求平均值和积分)来量化差分检测模块13a的输出。
由调节器10a生成预期栅极信号VGexp可以被调谐以反映相对于功率半导体的特异性和/或运行条件。基于输入信号，使用其传递函数再现栅极驱动器12a在正常运行下的传递函数的模型来执行VGexp的生成。
输入信号In例如是由图1A中未示出的外部控制器生成的PWM信号。
调节器10a所使用的传递函数是由引入固定延迟t1的缓冲器buf以及RC电路组成的电路，VGexp是R组件和C组件之间的电压。可以依据功率半导体S1调谐R和/或C值。固定延迟t1具有与栅极驱动器12a产生的延迟相同的值。电路RC的时间常数等于典型栅极电阻器(内部+外部)和功率半导体S1的等效输入电容的时间常数。例如，电阻器的值约为10Ω，电容C约为10nF。调节器10a可以实现非线性受控的电容器和/或电阻器值。
在特定特征中，调节器10a的电压供应比栅极驱动器12a的电压供应低除数因子K。在这种情况下，R和C之间的电压被放大因子K。因此，供应调节器10a所需的功率减少了因子K2。
预期信号VGexp是与在栅极驱动器和/或功率半导体和/或联接至功率半导体的负载不存在劣化的情况下由栅极驱动器输出的信号相对应的信号。
图1B表示实现本发明的功率半导体的栅极驱动器的架构的第二示例。
根据实现的第二示例，调节器10b从提供给栅极驱动器12b的输入信号In生成预期栅极信号VGexp，栅极驱动器12b向功率半导体S1提供栅极信号VGmeas。由差分检测模块13b将栅极信号VGmeas与预期栅极驱动器信号VGexp进行比较，以确定VGmeas和VGexp的偏差。比较可以是将一个信号减去另一信号并且将减法结果进行放大。差分检测模块13b的输出被提供给诊断模块14b，诊断模块14b使用例如与不同种类的信号包络线的比较、数学运算(例如，求最大值、求平均值和积分)来量化差分检测模块13b的输出。
由调节器10b生成预期栅极信号VGexp通过诊断模块14b控制，以实现由诊断模块提供的受控的电容器和/或电阻器的值，以更准确地表示预期栅极信号VGexp。诊断模块14b可以从几个传递函数当中选择一个传递函数。调节器10b可以基于由诊断模块14b提供的查找表、模型或传递函数，使用处理单元和数模转换器来生成信号VGexp。
预期信号VGexp是与在栅极驱动器和/或功率半导体和/或联接至功率半导体的负载不存在劣化的情况下由栅极驱动器输出的信号相对应的信号。
图1C表示实现本发明的功率半导体的栅极驱动器的架构的第三示例。
根据实现的第三示例，调节器10c从提供给栅极驱动器12c的输入信号In生成预期栅极信号VGexp，栅极驱动器12c向功率半导体S1提供栅极信号VGmeas。由差分检测模块13c将栅极信号VGmeas与预期栅极驱动器信号VGexp进行比较，以确定VGmeas和VGexp的偏差。比较可以是将一个信号减去另一信号并且将减法结果进行放大。差分检测模块13c的输出被提供给诊断模块14c，诊断模块14c使用例如与不同种类的信号包络线的比较、数学运算(例如，求最大值、求平均值和积分)来量化差分检测模块13c的输出。
由调节器10c生成预期栅极信号VGexp可以利用考虑了反馈信号的特定处理，如图1A或图1B中公开的那样进行。
输入信号In例如是由图1C中未示出的外部控制器所生成的PWM信号。
在实现的第三示例中，栅极驱动器12c将输入信号In与来自功率半导体的反馈信号一起使用。反馈信号的一个示例是能够用于保护和/或有源栅极信号轨迹控制的功率半导体的集电极电压。反馈信号通常通过栅极驱动器12c和调节器10c与PWM信号组合在一起。
由调节器10c生成预期栅极信号VGexp可以利用考虑反馈信号的特定处理，如图1A或图1B中公开的那样进行。
预期信号VGexp是与在栅极驱动器和/或功率半导体和/或联接至功率半导体的负载不存在劣化的情况下由栅极驱动器输出的信号对应的信号。
图1D表示实现本发明的功率半导体的栅极驱动器的架构的第四示例。
根据实现的第四示例，调节器10d从提供给栅极驱动器12d的输入信号In生成预期栅极信号VGexp，栅极驱动器12d向功率半导体S1提供栅极信号VGmeas。差分检测模块13d将栅极信号VGmeas与预期栅极驱动器信号VGexp进行比较，以确定VGmeas和VGexp的偏差。比较可以是将一个信号减去另一信号并且将减法结果进行放大。差分检测模块13d的输出被提供给诊断模块14d，诊断模块14d使用例如与不同种类的信号包络线的比较、数学运算(例如，求最大值、求平均值和积分)来量化差分检测模块13d的输出。
输入信号In例如是由图1D中未示出的外部控制器所生成的PWM信号。
在图1D的示例中，驱动器12c由预处理模块PR、绝缘模块IS和缓冲器BU组成。绝缘模块IS的输出作为输入信号提供给调节器10d。
在诊断模块14d的输出端提供第二绝缘模块IS2。预期信号VGexp是与在栅极驱动器和/或功率半导体和/或联接至功率半导体的负载不存在劣化的情况下由栅极驱动器输出的信号相对应的信号。
图2是表示实现本发明的诊断模块的架构的图。可以为10a、10b、10c或10d的诊断模块10具有例如基于由总线201连接在一起的组件和由图3中公开的程序所控制的处理器200的架构。
总线201将处理器200链接至只读存储器ROM 202、随机存取存储器RAM 203、输入输出接口205和最终的报警模块206。
存储器203包含旨在接收变量和与图3中公开的算法有关的程序指令的寄存器。
只读存储器202包含与图3中所公开的算法有关的程序指令，该程序指令在诊断模块10上电时被传送至随机存取存储器203。
下文关于图3描述的算法的任何步骤和所有步骤可以通过由诸如PC(个人计算机)、DSP(数字信号处理器)或微控制器之类的可编程计算机器执行一组指令或程序以软件实现；或者由诸如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)之类的机器或专用组件以硬件来实现。
换言之，诊断模块10包括电路或含有电路的装置，使得诊断模块10执行下文关于图3描述的算法步骤。存储器202包括如图5中公开的包络线信号。
图3表示根据本发明执行的算法。在步骤S30，如参照图1A至图1D所公开的那样接收输入信号。在步骤S31，栅极驱动器向功率半导体S1提供栅极信号VGmeas。
在步骤S32，调节器10提供预期信号VGexp。在步骤S33，差分检测模块13向诊断模块10提供表示栅极信号VGmeas与预期信号VGexp的比较结果的信号。在步骤S34，诊断模块10分析从差分检测模块13接收到的信号。
在图4中给出了从差分检测模块13接收到的信号的示例。图4表示在功率半导体的栅极驱动器的运行期间可能出现的信号的示例。在图4中，在标记为T1至T6的不同间隔期间示出了信号In、VGmeas、VGexp、作为差分检测模块13的输出处的信号的信号D。
在时间间隔T1中，信号VGmeas和VGexp几乎相同。信号VGmeas和VGexp的形状代表栅极驱动器12和功率半导体S1的正常运行。
在时间间隔T2内，栅极驱动器12的输出提供了错误的逻辑电平，信号差D饱和指示故障。
在时间间隔T3内，功率半导体S1的输入特性呈现更低的电阻(例如，栅极电阻短路)，信号差D将异常指示为过渡期间的短且高值的脉冲。此外，在过渡期间，与正常运行相比差分信号D具有相反的符号。
在时间间隔T4内，功率半导体S1的输入特性呈现更高的电阻(比正常值大两倍)，差分信号D将异常指示为大且高值的脉冲。
在时间间隔T5内，栅极驱动器12的电源电平具有电压降，差分信号D指示不回到0的恒定误差。
在时间间隔T6内，栅极驱动器12具有异常的延迟时间，差分信号D指示在过渡期间高值的尖峰。
诊断模块10可以将差分信号D与阈值进行比较以检测劣化，例如在时间间隔T2、T3和T6中给出的示例。阈值的值是预定义的，或最初自动定义的(例如，在运行的前100个周期期间所观察到的最大值的120％)，或不断自动定义的(例如，直到目前所观察到的最大值的120％)。诊断模块10可以对差分信号D进行积分以检测劣化，如时间间隔T5中所公开的劣化。诊断模块10可以检查信号D是否在存储于存储器中的预定包络线内以便检测劣化。
在图5中给出了这种包络线的示例。图5表示由诊断模块确定在驱动器和功率半导体运行期间是否出现故障所使用的包络线的示例。
包络线EnvA对应于在图4的时间间隔T1中示出的信号。包络线EnvB对应于在图4的时间间隔T2中示出的信号。包络线EnvC对应于在图4的时间间隔T3中示出的信号。
包络线EnvD对应于图4的时间间隔T4中示出的信号。包络线EnvE对应于图4的时间间隔T5中示出的信号。包络线EnvF对应于图4的时间间隔T6中示出的信号。
图6表示与在未发生劣化时和发生各种不同劣化时所观察的差分相对应的平均值、最小值、最大值和积分值。
标记为calc1的部分的计算对应于对如图4的时间间隔T1中示出的信号执行的计算。标记为Me1的计算结果对应于时间间隔T1中示出的信号的平均值，标记为Mi1的计算结果对应于如时间间隔T1中示出的信号的最小值，标记为Ma1的计算结果对应于如时间间隔T1中示出的信号的最大值，并且标记为In1的计算结果对应于如时间间隔T1中示出的信号的积分。
标记为calc2的部分中的计算对应于对如图4的时间间隔T2中示出的信号所执行的计算。标记为Me2的计算结果对应于如时间间隔T2中示出的信号的平均值，标记为Mi2的计算结果对应于如时间间隔T2中示出的信号的最小值，标记为Ma2的计算结果对应于如时间间隔T2中示出的信号的最大值，并且标记为In2的计算结果对应于如时间间隔T2中示出的信号的积分。
标记为calc3的部分中的计算对应于对如图4的时间间隔T3中示出的信号所执行的计算。标记为Me3的计算结果对应于如时间间隔T3中示出的信号的平均值，标记为Mi3的计算结果对应于如时间间隔T3中示出的信号的最小值，标记为Ma3的计算结果对应于如时间间隔T3中示出的信号的最大值，并且标记为In3的计算结果对应于如时间间隔T3中示出的信号的积分。
标记为calc4的部分中的计算对应于对如图4的时间间隔T4中示出的信号所执行的计算。标记为Me4的计算结果对应于如时间间隔T4中示出的信号的平均值，标记为Mi4的计算结果对应于如时间间隔T4中示出的信号的最小值，标记为Ma4的计算结果对应于如时间间隔T4中示出的信号的最大值，并且标记为In4的计算结果对应于如时间间隔T4中示出的信号的积分。
标记为calc5的部分的计算对应于对如图4的时间间隔T5中示出的信号所执行的计算。被标记为Me5的计算结果对应于如时间间隔T5中示出的信号的平均值，被标记为Mi5的计算结果对应于如时间间隔T5中示出的信号的最小值，被标记为Ma5的计算结果对应于如时间间隔T5中示出的信号的最大值，并且被标记为In5的计算结果对应于如时间间隔T5中示出的信号的积分。
被标记为calc6的部分中的计算对应于对如图4的时间间隔T6中示出的信号所执行的计算。被标记为Me6的计算结果对应于如时间间隔T6中示出的信号的平均值，被标记为Mi6的计算结果对应于如时间间隔T6中示出的信号的最小值，被标记为Ma6的计算结果对应于如时间间隔T6中示出的信号的最大值，并且被标记为In6的计算结果对应于如时间间隔T6中示出的信号的积分。
例如，如果平均值优于空值，则认为该值对应于没有劣化，否则认为该值对应于劣化。如果最小值优于负十值，则认为该值对应于没有劣化，否则认为该值对应于劣化。如果最大值优于十值，则认为该值对应于没有劣化，否则认为该值对应于劣化。如果积分值优于负五，则认为该值对应于没有劣化，否则认为该值对应于劣化。
可以用简单的快速模拟电路来实现这些计算。作为上述比较，这些指标与阈值的比较给出了允许标识劣化的独特模式。如果比较之一显示劣化，则诊断模块检测到劣化。诊断模块可以提供比较结果作为输出信号。
结果，如果发生了劣化，则激活报警块206或输出信号Out，以通知发生了劣化以及发生了哪种劣化。
如果发生这种劣化，则差分信号D和/或比较结果由诊断模块存储，以便提供可能对维护人员有用的数据。
在操作的变型中，诊断模块执行与栅极驱动器的通信的初始验证。在这种模式下，栅极驱动器被停用，使得VGmeas＝0。因此，D＝VGexp，信号D是输入信号的图像。因此，在输入或输出信号误连接的情况下，或者在调节器中出现故障情况下，容易检测到异常。
Claims (9)
1.一种用于监测功率半导体的栅极信号的装置，所述功率半导体的所述栅极信号由栅极驱动器提供，其中，该装置包括：
用于生成与在所述栅极驱动器和/或所述功率半导体和/或联接至所述功率半导体的负载不存在劣化时由所述栅极驱动器输出的信号相对应的预期参考信号的装置；
用于比较所述预期参考信号和由所述栅极驱动器输出的所述信号的装置；
用于使用所述参考预期信号与由所述栅极驱动器输出的所述信号的比较结果，来确定所述栅极驱动器和/或所述功率半导体和/或联接至所述功率半导体的负载是否存在劣化的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述用于生成所述预期参考信号的装置至少包括由电容器和电阻器组成的一阶模型。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的装置，其中，所述栅极驱动器包括第一隔离模块，并且用于确定是否发生劣化的装置的输出连接至第二隔离模块。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述栅极驱动器和用于生成预期信号的装置接收脉宽调制信号以及与所述栅极信号不同的在所述半导体的连接部上取得的信号。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，用于确定是否发生劣化的所述装置通过将所述比较结果与阈值进行比较，和/或通过执行对所述比较结果求积分和/或求平均值和/或求极值并将所述积分和/或平均值和/或极值与阈值进行比较，和/或通过将所述比较结果与所存储的信号包络线进行比较，来处理所述预期信号与由所述栅极驱动器输出的所述信号的比较结果。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述至少一个阈值的值是预定的。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述至少一个阈值的值等于在该装置的前100个运行周期期间所观察到的最大值的X％，X是预定义的并且高于100％。
8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述阈值的值等于从该装置开始运行时观察到的最大值的X％，X是预定义的并且高于100％。
9.一种用于监测功率半导体的栅极信号的方法，所述功率半导体的栅极信号由栅极驱动器提供，其中，该方法包括以下步骤：
生成与在所述栅极驱动器和/或所述功率半导体和/或联接至所述功率半导体的负载不存在劣化时由所述栅极驱动器输出的信号相对应的预期参考信号；
比较所述预期参考信号和由所述栅极驱动器输出的所述信号；
使用所述预期参考信号与由所述栅极驱动器输出的所述信号的比较结果，来确定所述栅极驱动器和/或所述功率半导体和/或联接至所述功率半导体的负载是否存在劣化。
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