CN113615086A - 半导体开关的保护 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半导体开关(3)的保护电路(9)，半导体开关具有通过栅极驱动器(7)能够驱控的栅极(5)。保护电路(9)包括用于检测栅极(5)的栅极电荷的积分器(15)和用于根据栅极电荷相对于参考电荷的值来关断半导体开关(3)的比较单元(19)。

Description

半导体开关的保护

技术领域

本发明涉及一种用于半导体开关的保护电路、具有这种保护电路的电路布置和一种用于保护半导体开关免受过高的功率损耗的方法，该半导体开关具有能够通过栅极驱动器驱控的栅极。

背景技术

半导体开关的栅极表示半导体开关的控制端。本发明尤其用作保护电压控制的半导体开关、例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，经由在栅极处的栅极电压或栅极电势来驱控该半导体开关。在过高的功率损耗中、例如在短路的情况下，半导体开关能够被损坏或摧毁。为了避免这样的损坏必须确保，例如在短路的情况下，栅极电压不会明显地升高到栅极电压的特定的接通值之上(保持所谓的“安全操作区域”)。否则栅极电压的上升能够导致过高的电流通过半导体开关、例如在IGBT的情况下的过高的集电极电流或在MOSFET的情况下的漏极电流，并且显著提高功率损耗。

为了阻止过高的功率损耗，能够借助于高压二极管或运算放大器检测并且监控例如在半导体开关的负载端处的电压、例如在IGBT的情况下的集电极电压或在MOSFET的情况下的漏极电压。替代地，能够例如利用分流器或变流器检测并且监控通过半导体开关的电流。然而，这些方法有时不能足够快速地关断半导体开关，因为必须克服潜在障碍，潜在障碍是复杂的和成本高的和/或由于空气间隙和泄漏路径具有高的空间需求。

US 2004/0027762 A1公开一种具有栅极电压探测器的控制回路，栅极电压探测器在检测时间周期中检测功率半导体构件的栅极发射极电压。当栅极发射极电压超过参考值时，控制回路在功率半导体构件中识别到异常的发生。

发明内容

本发明的目的在于，保护具有能够通过栅极驱动器驱控的栅极的半导体开关免受过高的功率损耗。

根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1的特征的保护电路、具有权利要求4的特征的保护电路、具有权利要求7的特征的电路布置、一种具有权利要求10的特征的方法和一种具有权利要求11的特征的方法实现。

本发明有利的设计方案是从属权利要求的内容。

用于具有能够通过栅极驱动器驱控的栅极的半导体开关的根据本发明的保护电路包括用于检测栅极的栅极电荷的积分器和根据栅极电荷相对于参考电荷的值用于关断半导体开关的比较单元。

本发明利用了，使得能够根据半导体开关的栅极的栅极电荷确定电压控制的半导体开关的运行状态(例如阻止运行、饱和运行或线性运行)。因此，根据本发明的保护电路具有用于检测栅极电荷的积分器。保护电路还具有比较单元，利用比较单元比较栅极电荷与参考电荷。选择参考电荷，使得栅极电荷利用参考电荷的值发信号指示半导体开关的临界运行状态。因此，比较单元对此被构造用于，当栅极电荷达到或未超过参考电荷的值时，根据栅极电荷相对于参考电荷的值关断半导体开关——例如关断半导体开关。因此，如果由栅极电荷发信号指示的运行状态要求的话，根据本发明的保护电路能够监控半导体开关的运行状态和关断半导体开关。

在保护电路的第一实施方案中，参考电荷与时间无关(静态的)并且比较单元对此被构造用于，如果栅极电荷未超过参考电荷，关断半导体开关。在此，保护电路具有用于设置在通过比较单元接通半导体开关与关断半导体开关之间的最短持续时间(所谓的选通时间)的计时器。选择最短持续时间，使得在最短持续时间期间，将半导体开关的栅极电容和密勒电容在接通半导体开关的正常运行之后至少近乎完全地再充电、例如至少再充电到90％。这要考虑，必须在接通半导体开关之后才通过半导体开关的栅极电容和密勒电容的再充电积累栅极电荷，直到通过栅极电荷与静态的参考电荷的比较实现半导体开关的运行状态的评价。

计时器例如具有计时电阻、计时电容器和计时二极管。在此，计时二极管的阳极与计时电阻的第一极和计时电容器的第一电极连接，并且积分器的输出端与输出二极管的阴极连接，输出二极管的阳极与计时二极管的阳极、计时电阻的第一极和计时电容器的第一电极连接。在此，通过计时电阻的电阻值和计时电容器的电容设置在接通半导体开关之后的关断的最短持续时间。计时器的实施方案是成本尤其低的，因为仅使用了电阻和电容器。

为了实现具有静态参考电荷的保护电路，比较单元例如具有npn双极型晶体管、pnp双极型晶体管、两个比较二极管、比较电容器和三个比较电阻。在此，npn双极型晶体管的集电极与pnp双极型晶体管的基极连接，pnp双极型晶体管的集电极与npn双极型晶体管的基极和第一比较二极管的阳极连接，比较电容器和第一比较电阻分别与pnp双极型晶体管的基极发射极路径并联接通，第二比较电阻与npn双极型晶体管的基极发射极路径并联接通，第一比较二极管的阴极与输出二极管的阳极连接，npn双极型晶体管的发射极与计时电容器的第二电极连接，pnp双极型晶体管的发射极经由第三比较电阻与计时电阻的第二极连接，并且pnp双极型晶体管的基极与第二比较二极管的阴极连接。在比较单元的实施方案中，pnp双极型晶体管和npn双极型晶体管与晶闸管结构连接，通过晶闸管结构的触发关断半导体开关。第一比较二极管例如是Z二极管，Z二极管的齐纳电压限定参考电荷以用于触发晶闸管结构。

在本发明的第二实施方案中，保护电路具有参考充电电路，参考电荷通过参考充电电路在接通半导体开关之后在上升持续时间期间由零升高到终值，其中，比较单元被构造用于，当栅极电荷未超过参考电荷时，关断半导体开关。例如选择上升持续时间，使得半导体开关的栅极电容和密勒电容在接通半导体开关的正常运行之后的上升持续时间过去之后，至少近乎完全地被再充电、例如至少被再充电到90％。

在保护电路的上述的实施方案中，参考电荷因此不被静态实现，而是在接通半导体开关之后逐渐升高到终值。由此，区别于具有静态的参考电荷的设计方案，在接通半导体开关之后，不需要等待最短时间，直到能够进行栅极电荷与参考电荷的比较。这尤其实现短路的及早的识别和半导体开关的相应的及早的关断，例如在接通半导体开关之后的2μs以内。

为了实现具有这种动态的参考电荷的保护电路，比较单元例如具有比较运算放大器和比较二极管，并且参考充电电路例如具有参考充电电容器、参考充电电阻和两个参考充电二极管。在此，比较运算放大器的正极输入端与积分器的输出端连接，比较运算放大器的负极输入端与参考充电电阻的第一极、参考充电电容器的第一电极和第一参考充电二极管的阳极连接，比较运算放大器的输出端与比较二极管的阴极连接，第一参考充电二极管的阴极与第二参考充电二极管的阴极连接，并且第二参考充电二极管的阳极与积分器的输入端连接。在保护电路的设计方案中，通过参考充电电容器的充电动态地积累参考电荷。通过参考充电二极管的特性限定参考电荷的终值。通过参考充电电阻的电阻值和参考充电电容器的电容设置用于积累参考电荷的上升持续时间。比较运算放大器实现栅极电荷与参考电荷的比较并且通过比较运算放大器的输出电压经由比较二极管实现半导体开关的关断。

根据本发明的电路布置包括半导体开关，半导体开关具有栅极、用于驱控栅极的栅极驱动器和根据本发明的保护电路。栅极驱动器具有通过栅极驱动器的驱动电压能够控制的电子开关单元，利用该电子开关单元，为了接通半导体开关，栅极与接通电势连接并且为了关断半导体开关，栅极与关断电势连接。根据本发明的电路布置的优点由根据本发明的保护电路的以上所述的优点得出。

在具有静态参考电荷的保护电路的上述实施方案中，npn双极型晶体管的发射极与关断电势连接，计时电阻的第二极与接通电势连接，并且第二比较二极管的阳极与电子开关单元的控制输入端连接。

在具有动态参考电荷的保护电路的上述实施方案中，参考充电电阻的第二极与接通电势连接，参考充电电容器的第二电极与关断电势连接并且比较二极管的阳极与电子开关单元的控制输入端连接。

在用于保护具有通过栅极驱动器能够驱控的栅极的半导体开关的根据本发明的方法中，检测栅极的栅极电荷并且根据栅极电荷相对于参考电荷的值关断半导体开关。

与根据本发明的保护电路的上述第一实施方案对应，参考电荷在第一方法变体方案中与时间无关并且如果在接通半导体开关之后的最短持续时间过去之后，栅极电荷未超过参考电荷，则关断半导体开关。

与根据本发明的保护电路的上述第二实施方案对应，参考电荷在第二方法变体方案中在接通半导体开关之后在上升持续时间期间由零升高到终值，并且如果栅极电荷未超过参考电荷，则关断半导体开关。

附图说明

本发明以上描述的特性、特征和优点以及这些如何实现的方式和方法，结合下面的实施例的描述变得更加清楚易懂，实施例结合附图作详细解释。在此附图示出：

图1示出根据本发明的电路布置的第一实施例的框图；

图2示出按照第一实施例的根据本发明的电路布置的电路图；

图3示出在图2中示出的电路布置的电流和电压的时间曲线；

图4示出根据本发明的电路布置的第二实施例的框图；

图5示出按照第二实施例的根据本发明的电路布置的电路图；

图6示出在图5中示出的电路布置的电流和电压的第一时间曲线；

图7示出在图5中示出的电路布置的电流和电压的第二时间曲线；

图8示出根据本发明的电路布置的第三实施例的框图；

图9示出按照第三实施例的根据本发明的电路布置的电路图。

在附图中彼此对应的部分设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据本发明的电路布置1的第一实施例的框图。

电路布置1包括具有栅极5的半导体开关3、用于驱控栅极5的栅极驱动器7和根据本发明的保护电路9的第一实施例。该实施例的半导体开关3是绝缘栅门极晶体管(IGBT)。

栅极驱动器7具有电子开关单元11，电子开关单元具有推挽输出级和控制输入端13，该推挽输出级具有输出级双极型晶体管Q1、Q2。

保护电路9包括积分器15、计时器17和比较单元19。按照根据本发明的方法的第一方法变体方案，利用积分器15检测栅极5的栅极电荷，利用计时器17设置在接通半导体开关3之后用于关断半导体开关3的最短持续时间，并且当接通半导体开关3之后最短持续时间过去之后，栅极电荷未超过参考电荷时，利用比较单元19关断半导体开关3。在此，参考电荷与时间无关。选择最短持续时间，使得在最短持续时间期间，半导体开关的栅极电容和密勒电容在接通半导体开关的正常运行之后至少近乎完全地被再充电、例如至少被再充电到90％。通过比较单元19持久地或仅针对栅极驱动器7的一个时钟周期关断半导体开关3。

图2示出按照第一实施例的电路布置1的电路图。

利用栅极驱动器7的电子开关单元11，为了接通半导体开关3，栅极5与接通电势连接并且为了关断半导体开关，栅极与关断电势连接。接通电势由接通电压源V1产生。关断电势由关断电压源V2产生。电子开关单元11通过驱动器电压控制。驱动器电压由驱动器电压源V3经由驱动器电阻R3施加在电子开关单元11的控制输入端13处。电压源V1、V2、V3分别是直流电压源。

保护电路9的积分器15具有积分运算放大器O1、积分电容器C1和积分电阻R4。积分电容器C1和积分电阻R4设置积分器15的时间常数。积分器15经由在测量电阻R5处下降的电压检测栅极电荷。测量电阻R5与半导体开关3的发射极连接并且在该实施例中也被用作为栅极电阻。替代地，测量电阻R5能够被布置在半导体开关3的栅极导线中，然而这对于积分器15来讲需要更高的要求，因为测量电阻R5随后交替地施加在接通电势处和关断电势处。此外，除了如图2中布置的测量电阻R5之外，分离的栅极电阻R2(见图5)也能够接通至半导体开关3的栅极导线中。

计时器17具有计时电阻R1、计时电容器C2和计时二极管D2。计时二极管D2的阳极与计时电阻R1的第一极R1_1和计时电容器C2的第一电极C2_1连接。积分器15的输出端与输出二极管D3的阴极连接，输出二极管的阳极与计时二极管D2的阳极、计时电阻R1的第一极R1_1和计时电容器C2的第一电极C2_1连接。

比较单元19具有npn双极型晶体管Q3、pnp双极型晶体管Q4、第一比较二极管D1、第二比较二极管D4、比较电容器C3、第一比较电阻R8、第二比较电阻R6和可选的第三比较电阻R7。

npn双极型晶体管Q3的集电极与pnp双极型晶体管Q4的基极连接。pnp双极型晶体管Q4的集电极与npn双极型晶体管Q3的基极和第一比较二极管D1的阳极连接。比较电容器C3和第一比较电阻R8分别与pnp双极型晶体管Q4的基极发射极路径并联接通。第二比较电阻R6与npn双极型晶体管Q3的基极发射极路径并联接通。第一比较二极管D1的阴极与输出二极管D3的阳极连接。npn双极型晶体管Q3的发射极与计时电容器C2的第二电极C2_2连接。pnp双极型晶体管Q4的发射极经由第三比较电阻R7与计时电阻R1的第二极R1_2连接。pnp双极型晶体管Q4的基极与第二比较二极管D4的阴极连接。

npn双极型晶体管Q3的发射极与关断电势、也就是说与关断电压源V2的负极连接。计时电阻R1的第二极R1_2与接通电势、也就是说与接通电压源V1的正极连接。第二比较二极管D4的阳极与电子开关单元11的控制输入端13连接。

图3示出，在半导体开关3在接通之后达到该半导体开关的去饱和极限的情况下，在图2中示出的电路布置1的电流I1、I2和电压U1至U4的有关于时间t的曲线。利用模拟产生曲线，在模拟中半导体开关3如在图2中所示与第二半导体开关4连接以形成半桥，并且通过负载电感L1、漏电感L2和负载电压源V4模拟与半桥连接的负载。负载电压源V4是直流电压源。漏电感L2与第二半导体开关4串联。负载电感L1与漏电感L2和第二半导体开关4的串联电路并联接通。

实施模拟用于10Ω的测量电阻R5、1.5kΩ的驱动电阻R3、电容为500pF的积分电容器C1、220Ω的积分电阻R4、2.2kΩ的计时电阻R1、电容为10nF的计时电容器C2、电容为2nF的比较电容器C3、470Ω的第一比较电阻R8、470Ω的第二比较电阻R6、2.2kΩ的第三比较电阻R7、15μH的负载电感L1、150μH的漏电感L2、15V的接通电压源V1、8V的关断电压源V2、600V的负载电压源V4，构造为肖特基二极管的二极管D2、D3、D4以及构造为Z二极管的二极管D1。

在模拟开始之后大约100μs接通半导体开关3。接着半导体开关3的栅极发射极电压U1、栅极电流I1和集电极电流I2上升并且半导体开关3的集电极电压U2快速下降至大约0V。同时，积分输出电压U3在否定积分运算放大器O1的输出端处下降，并且控制信号U4上升，该控制信号是在计时电容器C2的电极C2_1、C2_2之间的电压。在接通半导体开关3不久之后栅极电流I1再次下降至0A。在栅极电流I1再次降到0A之后，积分输出电压U3和控制信号U4最初保持恒定。然而，栅极发射极电压U1和集电极电流I2继续上升。

在模拟开始之后大约104.5μs，半导体开关3达到该半导体开关的去饱和极限并且集电极电压U2再次上升(最初仅缓慢地)。接着半导体开关3的密勒电容开始自充电并且栅极电流I1开始在相反的方向上流动(该电流回流至栅极5)。回流的栅极电流I1使积分输出电压U3上升。

在模拟开始之后大约106μs，半导体开关3的密勒电容被完全充电，栅极电流I1再次变为0A并且积分输出电压U3和集电极电压U2分别采取恒定值。然而，控制信号U4继续上升。在模拟开始之后大约110μs，计时电容器C2的第一电极C2_1达到电压，在该电压处第一比较二极管D1和npn双极型晶体管Q3的基极发射极路径变为能传导的。最后，经由第一比较二极管D1激励由npn双极型晶体管Q3和pnp双极型晶体管Q4形成的晶闸管结构并且关断半导体开关3。这里第一比较二极管D1的齐纳电压限定参考电荷。在图2中示出的电路布置1的第三比较电阻R7引起，使得持久地关断半导体开关3。如果移除第三比较电阻R7，仅针对栅极驱动器7的一个时钟周期关断半导体开关3。

图4示出根据本发明的电路布置1的第二实施例的框图。

该实施例的电路布置1与在图1中示出的电路布置1的区别在于，即该实施例的电路布置没有计时器17，而是由参考充电电路18代替。按照根据本发明的方法的第二方法变体方案，利用积分器15检测栅极5的栅极电荷，利用参考充电电路18在接通半导体开关3之后在上升时间期间参考电荷由零升高到终值，并且当栅极电荷未超过参考电荷时，利用比较单元19关断半导体开关3。选择上升持续时间，使得在最短持续时间期间，半导体开关的栅极电容和密勒电容在接通半导体开关3的正常运行之后在上升持续时间过去之后至少近乎被完全地再充电、例如至少被再充电到90％。通过比较单元19针对栅极驱动器7的一个时钟周期关断半导体开关3。

图5示出按照第二实施例的电路布置1的电路图。

栅极驱动器7和积分器15被构造为如在图2示出的电路布置1。积分器15经由在测量电阻R5处下降的电压检测栅极电荷。测量电阻R5与半导体开关3的发射极连接。栅极驱动器7与半导体开关3的栅极5经由栅极电阻R2连接。在电路布置1的替代的实施方案中，能够省略测量电阻R5并且在栅极电阻R2处分接积分器15的电压，对此见图2的描述中的附注。

比较单元19具有比较运算放大器O2和比较二极管D4。参考充电电路18具有参考充电电容器C4、参考充电电阻R9、第一参考充电二极管D5和第二参考充电二极管D6，该第二参考充电二极管是Z二极管。比较运算放大器O2的正极输入端与积分器15的输出端连接。比较运算放大器O2的负极输入端与参考充电电阻R9的第一极R9_1、参考充电电容器C4的第一电极C4_1和第一参考充电二极管D5的阳极连接。比较运算放大器O2的输出端与比较二极管D4的阴极连接。第一参考充电二极管D5的阴极与第二参考充电二极管D6的阴极连接。第二参考充电二极管D6的阳极与积分器15的输入端连接。第一参考充电二极管D5的阳极还经由重置二极管D7、D8、D9的串联电路与驱动电压源V3的正极连接。

参考充电电阻R9的第二极R9_2与接通电势、也就是说与接通电压源V1的正极连接。参考充电电容器C4的第二电极C4_2与关断电势、也就是说与关断电压源V2的负极连接。比较二极管D4的阳极与电子开关单元11的控制输入端13连接。

在图5中示出的电路布置1中，区别于在图2中示出的实施例，积分器15不以否定的方式工作。参考充电电阻R9和参考充电电容器C4确定上升持续时间，在上升持续时间内参考电荷在接通半导体开关3之后升高至参考电荷的终值。当在参考充电电容器C4处的电压达到第一参考充电二极管D5的正向电压和第二参考充电二极管D6的齐纳电压之和时，达到终值。达到终值之后，在参考充电电容器C4处的电压保持恒定。在接通半导体开关3之后，栅极5的栅极电荷上升，利用积分器15测量栅极电荷并且借助于比较运算放大器O2将栅极电荷与参考电荷比较。在半导体开关3的无误差的运行中，栅极电荷始终高于参考电荷。在误差情况下，栅极电荷下降到参考电荷以下，并且通过比较单元19关断半导体开关3。重置二极管D7、D8、D9在关断半导体开关3之后用作快速重置参考电荷。

图6示出，在半导体开关3在接通之后达到该半导体开关的去饱和极限的情况下，在图5中示出的电路布置1的电流I1、I2和电压U1至U3、U5、U6的时间曲线。利用模拟产生该曲线，在模拟中半导体开关3如在图2中所示与第二半导体开关4连接以形成半桥，并且通过电感L1、L2和负载电压源V4模拟与半桥连接的负载。

实施模拟用于6.8Ω的测量电阻R5、1kΩ的驱动电阻R3、6.8Ω的栅极电阻R2、电容为100pF的积分电容器C1、1.5kΩ的积分电阻R4、电容为620pF的参考充电电容器C4、4.7kΩ的参考充电电阻R9、15μH的负载电感L1、150nH的漏电感L2、15V的接通电压源V1、8V的关断电压源V2和600V的负载电压源V4。

在模拟开始之后大约100μs接通半导体开关3。接着栅极发射极电压U1、栅极电流I1短暂上升，半导体开关3的集电极电流I2上升并且半导体开关3的集电极电压U2快速下降至大约0V。同时，积分输出电压U3在非否定的积分运算放大器O1的输出端处上升，并且在比较运算放大器O2的负极输入端处邻接的参考电压U5上升，该参考电压是参考电荷的量度，其中，积分输出电压U3大于参考电压U5，因为栅极电荷大于参考电荷。

半导体开关3在模拟开始之后大约104.5μs达到该半导体开关的去饱和极限并且集电极电压U2再次上升(最初仅缓慢地)。接着半导体开关3的密勒电容开始自充电并且栅极电流I1开始在相反的方向上流动(电流回流至栅极5)。回流的栅极电流I1使积分输出电压U3下降。

积分输出电压U3在模拟开始之后大约105μs下降到参考电压U5以下，因为栅极电荷下降到参考电荷以下。这由比较运算放大器O2探测并且比较输出电压U6在比较运算放大器O2的输出端处下降至-8V的关断电压，由此关断半导体开关3。区别于在图3中示出的模拟，在这种情况下没有达到半导体开关3的去饱和，因为在关断半导体开关3之前没有等待最短持续时间，使得半导体开关3得以快速关断。

图7示出在图5中示出的电路布置1的电流I1、I2和电压U1至U3、U5、U6的时间曲线，其中，利用模拟实施该曲线用于0.5μH的负载电感L1，同时如在图6中所示的模拟选择模拟的所有其他的参数。区别于在图6中示出的模拟，集电极电压U2在这种情况下未达到饱和水平并且半导体开关3的密勒电容几乎不被充电。因此，栅极电荷和积分输出电压U3在接通半导体开关3之后上升至小于在图6中示出的模拟的高值，使得积分输出电压U3提前下降至低于参考电压U5并且比较器19接着关断半导体开关3。集电极电流I2持续少于2μs(大约1.7μs)。这显示，在图5中示出的根据本发明的保护电路9的第二实施例在小的负载电感L1的情况下能够引起半导体开关3的非常快速的关断。

图8示出根据本发明的电路布置1的第三实施例的框图。第三实施例仅由此区别于在图4中示出的实施例，即保护电路9具有两个P元件21、23用于补偿积分器15的输入偏移电压。在积分器15的输出端与负极输入端之间接通第一P元件21。在积分器15的正极输入端与栅极驱动器7的电子开关单元11的控制输入端13之间接通第二P元件23。

P元件21、23防止，输入偏移电压在积分运算放大器O1的输入端处导致积分运算放大器O1的输出电压的不期望的飘移。测量P元件21、23，以补偿输入偏移电压并且输出电压的漂移与积分运算放大器O1的电源电压保持足够的余量，以确保积分运算放大器安全的运行。

第一P元件21利用积分输出信号的反向反馈到积分器15的输入端，使得积分器15不能进入极限。通过第一P元件21的积分输出信号的放大率通过高阻的电阻保持在较低水平，使得误差被缓慢平衡。该反馈仅使积分器15缓慢地再次运行至零。为了防止这种情况，在栅极驱动器7的电子开关单元11的控制输入端13处，利用第二P元件23的同样低的放大率不反向地向积分器15的输入端提供驱动信号。因此，积分器15被强制保持在用于接通和关断的分别具有长积分常数的预定义的值上。只要第一P元件21允许，积分运算放大器O1的输入偏移电压在一定程度上移动这些值。选择积分器15的积分常数，使得栅极5的每个完全的再充电使积分器15的输出端正好在两个预定义的值上交替地“跳跃”。快速的过程如半导体开关3的饱和不会由P元件21、23补偿而是被如实地处理。

总之，积分运算放大器O1的输入偏移电压利用P元件21、23通过容许的残余偏差补偿，同时快速的过程、如栅极5的再充电或半导体开关3的饱和不受补偿的影响，

图9示出按照第三实施例的电路布置1的电路图。电路布置1仅通过三个P元件电阻R10、R11、R12与在图5中示出的电路布置1区分开。在积分运算放大器O1的输出端与负极输入端之间接通第一P元件电阻R10。在积分运算放大器O1的正极输入端与栅极驱动器7的电子开关单元11的控制输入端13之间接通第二P元件电阻R11。在半导体开关3的发射极与积分运算放大器O1的正极输入端之间接通第三P元件电阻R12。第一P元件电阻R10例如具有大约2000kΩ的电阻值，第二P元件电阻R11例如具有大约300kΩ的电阻值，第三P元件电阻R12例如具有大约100Ω的电阻值。第一P元件电阻R10和积分电阻R4形成第一P元件21，第二P元件电阻R11和第三P元件电阻R12形成第二P元件23(见图8)。

根据本发明的电路布置1的所有在图1至图9中示出的实施例还能够类似利用MOSFET代替IGBT作为半导体开关3实施和/或利用其他实施的栅极驱动器7实施，例如利用栅极驱动器7，该栅极驱动器的电子开关元件11具有带互补的输出级MOSFET的输出级而不是带输出级双极型晶体管Q1、Q2的推挽式输出级。

尽管本发明在细节上通过优选的实施例进一步图示并且描述，但是本发明不限于公开的示例，并且其他变体方案能够由本领域技术人员由此推导得出，在不脱离本发明保护范围的情况下。

Claims (11)

1.一种用于半导体开关(3)的保护电路(9)，所述半导体开关具有通过栅极驱动器(7)能够驱控的栅极(5)，所述保护电路(9)包括：

-经由积分器(15)的积分器输出电压(U3)用于检测所述栅极(5)的栅极电荷的积分器(15)；

-根据栅极电荷相对于参考电荷的值用于关断所述半导体开关(3)的比较单元(19)；和

-通过所述比较单元(19)用于设置在接通所述半导体开关(3)与关断所述半导体开关(3)之间的最短持续时间的计时器(17)；其中

-所述参考电荷与时间无关并且所述比较单元(19)对此被构造用于，如果所述栅极电荷未超过所述参考电荷，则关断所述半导体开关(3)；并且

-选择所述最短持续时间，使得在所述最短持续时间期间，所述半导体开关(3)的栅极电容和密勒电容在接通所述半导体开关(3)的正常运行之后至少近乎完全地被再充电、例如至少被再充电到90％。

2.根据权利要求1所述的保护电路(9)，其中，所述计时器(17)具有计时电阻(R1)、计时电容器(C2)和计时二极管(D2)，所述计时二极管(D2)的阳极与所述计时电阻(R1)的第一极(R1_1)和所述计时电容器(C2)的第一电极(C2_1)连接，并且所述积分器(15)的输出端与输出二极管(D3)的阴极连接，所述输出二极管的阳极与所述计时二极管(D2)的阳极、所述计时电阻(R1)的第一极(R1_1)和所述计时电容器(C2)的第一电极(C2_1)连接。

3.根据权利要求2所述的保护电路(9)，其中，所述比较单元(19)具有npn双极型晶体管(Q3)、pnp双极型晶体管(Q4)、第一比较二极管(D1)、第二比较二极管(D4)、比较电容器(C3)、第一比较电阻(R8)、第二比较电阻(R6)和第三比较电阻(R7)，所述npn双极型晶体管(Q3)的集电极与所述pnp双极型晶体管(Q4)的基极连接，所述pnp双极型晶体管(Q4)的集电极与所述npn双极型晶体管(Q3)的基极和所述第一比较二极管(D1)的阳极连接，所述比较电容器(C3)和所述第一比较电阻(R8)分别与所述pnp双极型晶体管(Q4)的基极发射极路径并联接通，所述第二比较电阻(R6)与所述npn双极型晶体管(Q3)的基极发射极路径并联接通，所述第一比较二极管(D1)的阴极与所述输出二极管(D3)的阳极连接，所述npn双极型晶体管(Q3)的发射极与所述计时电容器(C2)的第二电极(C2_2)连接，所述pnp双极型晶体管(Q4)的发射极经由所述第三比较电阻(R7)与所述计时电阻(R1)的第二极(R1_2)连接，并且所述pnp双极型晶体管(Q4)的基极与所述第二比较二极管(D4)的阴极连接。

4.一种用于半导体开关(3)的保护电路(9)，所述半导体开关具有通过栅极驱动器(7)能够驱控的栅极(5)，所述保护电路(9)包括：

-经由积分器(15)的积分输出电压(U3)用于检测所述栅极(5)的栅极电荷的积分器(15)；

-根据栅极电荷相对于参考电荷的值，用于关断所述半导体开关(3)的比较单元(19)；和

-参考充电电路(18)，通过所述参考充电电路，参考电荷在接通所述半导体开关(3)后在上升持续时间期间由零升高到终值；

-其中，所述比较单元(19)对此被构造用于，如果所述栅极电荷未超过所述参考电荷，关断所述半导体开关(3)。

5.根据权利要求4所述的保护电路(9)，其中，选择所述上升持续时间，使得所述半导体开关(3)的栅极电容和密勒电容在接通所述半导体开关(3)的正常运行之后的上升持续时间过去之后，至少近乎完全地被再充电、例如至少被再充电到90％。

6.根据权利要求4或5所述的保护电路(9)，其中，所述比较单元(19)具有比较运算放大器(O2)和比较二极管(D4)，所述参考充电电路(18)具有参考充电电容器(C4)、参考充电电阻(R9)、第一参考充电二极管(D5)和第二参考充电二极管(D6)，所述比较运算放大器(O2)的正极输入端与所述积分器(15)的输出端连接，所述比较运算放大器(O2)的负极输入端与所述参考充电电阻(R9)的第一极(R9_1)、所述参考充电电容器(C4)的第一电极(C4_1)和所述第一参考充电二极管(D5)的阳极连接，所述比较运算放大器(O2)的输出端与所述比较二极管(D4)的阴极连接，所述第一参考充电二极管(D5)的阴极与所述第二参考充电二极管(D6)的阴极连接，并且所述第二参考充电二极管(D6)的阳极与所述积分器(15)的输入端连接。

7.一种电路布置(1)，包括：

-具有栅极(5)的半导体开关(3)；

-用于驱控所述栅极(5)的栅极驱动器(7)，其中，所述栅极驱动器(7)具有通过所述栅极驱动器(7)的驱动电压能够控制的电子开关单元(11)，利用所述电子开关单元，为了接通所述半导体开关(3)，所述栅极(5)与接通电势连接并且为了关断所述半导体开关(3)，所述栅极与关断电势连接；和

-根据前述权利要求中任一项所述的保护电路(9)。

8.根据权利要求7和3所述的电路布置(1)，其中，所述npn双极型晶体管(Q3)的发射极与所述关断电势连接，所述计时电阻(R1)的第二极(R1_2)与所述接通电势连接，并且所述第二比较二极管(D4)的阳极与所述电子开关单元(11)的控制输入端(13)连接。

9.根据权利要求7和6所述的电路布置(1)，其中，所述参考充电电阻(R9)的第二极(R9_2)与所述接通电势连接，所述参考充电电容器(C4)的第二电极(C4_2)与所述关断电势连接并且所述比较二极管(D4)的阳极与所述电子开关单元(11)的控制输入端(13)连接。

10.一种用于保护半导体开关(3)的方法，所述半导体开关具有通过栅极驱动器(7)能够驱控的栅极(5)，其中，

-检测所述栅极(5)的栅极电荷并且

-根据所述栅极电荷相对于参考电荷的值关断所述半导体开关(3)；其中

-所述参考电荷与时间无关并且

-如果在接通所述半导体开关(3)之后的最短持续时间过去之后，所述栅极电荷未超过所述参考电荷，则关断所述半导体开关(3)。

11.一种用于保护半导体开关(3)的方法，所述半导体开关具有通过栅极驱动器(7)能够驱控的栅极(5)，其中，

-检测所述栅极(5)的栅极电荷并且

-根据所述栅极电荷相对于参考电荷的值关断所述半导体开关(3)；其中

-在接通所述半导体开关(3)之后，所述参考电荷在上升持续时间期间由零升高到终值，并且如果所述栅极电荷未超过所述参考电荷，则关断所述半导体开关(3)。

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