CN1870401A - 控制功率半导体开关的具有故障响应的电路及相应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制桥式电路拓扑中的功率开关的集成电路及相应方法。此电路的初级侧在这里通过一个电平移位器(44)与控制TOP开关的次级侧相连接。此电路在初级侧与次级侧之间还具有一个二极管，它用于从次级侧将故障状态传送到初级侧。二极管的阳极连接端与初级侧相连接，其阴极连接端与驱动电路的次级侧相连接。初级侧向此二极管上施加一个电压。在无故障工作时，次级侧施加到二极管阴极上的是“高”电平(Vd)，在故障状态下是“低”电平(Vg)。次级侧上的故障状态由初级侧根据流过二极管中的电流而被识别出来，因为次级侧通过断开的BOT开关或通过高阻值的电阻而处于接近地参考电位的电位上。

Description

控制功率半导体开关的具有故障响应 的电路及相应方法
技术领域
本发明涉及一种最好是集成的、用于控制设置在桥式电路中的功率开关的电路及相应的方法。这种功率开关的桥式结构作为半桥，H(两相)桥或三相桥式电路而已知，其中单相的半桥是这种功率电子电路的基本构件。在半桥式电路中串联设置两个功率开关：第一个开关、即TOP开关以及第二个开关、即BOT开关。这种半桥通常具有一个至直流中间回路的连接。中心抽头典型地与一个负载相连接。
背景技术
在功率开关作为一个功率半导体元件或作为多个并联或串联连接的功率半导体元件的结构中，为了控制功率开关，一个控制电路是必要的。按照现有技术，这种控制电路由多个子电路或功能块组成。来自上级控制设备的控制信号被加到第一个子电路(初级侧)上，并通过其它元件送到驱动电路(次级侧)，并最后馈送给相应功率开关的控制输入端。在具有较高中间回路电压一例如高于50伏-的半桥式电路中，为了提供控制信号，初级侧在电位/电流上与次级侧隔离，因为功率开关-至少是半桥的TOP开关-在工作中不处于恒定的电位上，从而电压隔离是必要的。根据现有技术，此隔离例如借助于变压器、光耦合器或光波导实现。此电位隔离在较高功率下至少对TOP开关进行，但是由于在开关切换时地电位可能发生问题，它也对BOT开关进行。
还已知了用于电压等级直至600伏或1200伏的功率开关的集成电路，它们没有采用外部的电位隔离。在这种单片集成电路中，按照现有技术至少对TOP开关采用所谓的电平移位，这些电子元件和隔离方法克服了从初级侧到次级侧的电位差。
在所述用于控制功率开关的单片集成电路的设计中，至少在用于TOP开关的次级侧的简单结构中，不可能将故障响应传送回初级侧。
发明内容
本发明的目的在于对桥式结构的功率半导体开关给出一个优选的单片集成电路，以及一种相应的方法，此方法借助简单的、可集成的装置实现从次级侧到初级侧的故障响应。
此任务根据本发明的权利要求1和4的特征所述的措施来完成。从属权利要求中说明了优选实施方式。
本发明的思路从一种已知的用于控制桥式电路拓扑中的功率半导体开关的电路出发，它由一个初级侧部分(初级侧)和一个次级侧部分(次级侧)组成。桥式电路由第一个开关、即TOP开关和第二个开关、即BOT开关组成。根据现有技术，这些开关与一个直流中间电路相连接。TOP开关和BOT开关之间的中心抽头构成桥式电路的交流输出端。用于控制的电路在其初级侧具有至少一个信号处理器和至少一个用于在至少一个次级侧进行无电位控制的电平移位器。次级侧在其一侧具有至少一个信号处理器和至少一个用于相应开关的驱动级。
本发明给出一种最好是单片集成的、用于控制功率半导体开关的电路，其中在初级侧和至少一个次级侧之间设置一个用于从次级侧到初级侧进行故障状态通知的二极管。这里二极管的阳极侧与初级侧相连接，阴极侧与驱动电路的次级侧相连接。而且电路在初级侧具有一个滤波器和一个用于故障状态识别的电流采集器，同时在次级侧具有一个用于错误状态实现的电路。这两个电路部分与二极管相连接。
用于在上述形式的电路中从次级侧到初级侧进行故障通知的相应方法在初级侧具有一个电流采集器，最好还具有一个电压调节器，它将一个等于或小于初级侧工作电压的确定电压施加到二极管上。
在无故障工作时，对应于TOP开关的次级侧的故障状态实现电路将二极管的阴极置于“高”电平，在故障工作状态下，此故障状态实现电路具有“低”电平。只要次级侧具有比初级侧高的正偏置电压(TOP开关断开)，则不会有电流流动(二极管阻断)。在TOP开关接通且BOT开关断开，即通过一个与BOT开关并联的高阻抗电阻时，用于故障实现的次级侧电路被拉到地参考电位。在这种情况下，一个在次级侧实现的故障状态以下述方式由初级侧所识别：即可以通过现在导通的二极管流过电流。
附图说明
下面借助图1和2所示实施例详细说明本发明的构思。
图1示出一个符合现有技术的电路，
图2示出一个按照本发明改进的电路。
具体实施方式
图1示出符合现有技术的用于控制桥式电路拓扑中的功率半导体开关的电路。为了简化只示出一个半桥。其它的桥式电路拓扑与它类似。
在控制桥式电路拓扑中的电路中的功率半导体元件50，52如IGBT(绝缘栅双极晶体管)时，一方面由于在上级设置的例如微控制器10形式的控制设备10和电路初级侧20之间存在电位差，另一方面由于电路的次级侧30、32与功率半导体元件50、52之间存在电位差，电位隔离是必需的。按照现有技术，各种不同的电位隔离技术是已知的，例如变压器40，42、光耦合器、光波导或具有相应耐压性的电子元件。
在初级侧和次级侧的单片集成中，为了从初级侧将控制信号传送到次级侧，经常使用电平移位器，采用上面所述的元件，输入和输出信号从初级侧(低压侧)传输到次级侧(高压侧)。为了功率电子系统的无干扰工作，对于次级侧工作状态的了解，例如有关TOP开关和BOT开关的具体开关状态或各种故障状态的了解是很重要的。
这种状态询问所对应的从次级侧到初级侧的信号传输在混合解决方案中可以用变压器、双向光耦合器或双向光波导来实现。在单片集成解决方案中已知了配套的电平移位器，最好是应用pMOS高压晶体管。所有上面所述这些方案的缺点在于，必须实现一个附加的信号通道，它需要附加的成本和/或附加的工艺开销。
图2示出按照本发明改进的单片集成的、用于控制桥式电路拓扑中的功率半导体开关50，52的电路100。这里在初级侧20和次级侧30之间设置了一个二极管。此二极管具有对应于初级侧与次级侧之间最大电位差的耐压性。此二极管的阳极由初级侧施加一个电压，此电压等于或小于本地工作电压。
对应于BOT开关的次级侧32无电位隔离地与初级侧20相连接。在本发明的电路设计和相应方法中，由初级侧20的一个电路部分监测流过二极管60的电流。如果次级侧30具有比初级侧20更高的正偏置电压，则没有持续的电流流过二极管60。从而在正常工作时，在TOP开关50接通期间没有状态信号从次级侧20传送到初级侧30。对于故障状态，若次级侧30仍有高的偏置电压，则上述情况仍然适用。然而如果初级侧20和次级侧30处于近似相等的参考电位，如在TOP开关50关断且BOT开关52接通的控制模式下，一个电流可以流过二极管60。此状态在正常工作时周期性地出现。
在具有自己的次级侧能量供应-例如通过阴极输出二极管-的集成或混合系统中，这种工作状态肯定是需要的，并从而可被应用。这里决定性的是二极管60的阴极连接端上的电位。如果它位于次级侧30的工作电压Vd上，则由于阳极连接端上电压调节的大小而不出现静态电流。此状态表示次级侧30无故障，例如TOP开关50正确关断。如果设置在次级侧的栅极驱动器在TOP开关50接通期间识别出一个故障，则此状态被本地存储，并且二极管60的次级侧连接端被置于地参考电位Gd。在紧接着的BOT开关50接通阶段中一个电流流过二极管60，并且将识别出的次级侧30的故障状态传送到初级侧20上设计为电流采集电路22、最好带有后继电压调节器24的故障采集器。
次级侧故障存储器的清除可通过下一个TOP接通脉冲完成，因为它仅当系统忽略此故障或视为故障已消除时才产生。初级侧20上的一个电压调节器用于优化瞬时再充电电流与由于暂时的负偏置电压而产生的流过二极管60的电流之间的信噪比，以实现可靠的信号传输。
在最简单的情况下，二极管60的阳极直接置于初级侧工作电压的电位上。流过电流的采集可以通过电阻电压降、电流分量耦出或其它已知方法进行。重要的是一个模拟的、匹配于电平移位器的、对二极管由于其在次级侧30和初级侧20之间的耦合电容而出现的瞬时再充电电流进行滤波的滤波器。
此外，初级侧故障采集器的活动监测阶段的窗口化(时间-阶段-控制)以相应的控制模式来完成，这些模式提供了足够长的电流评估可能性。电路的简单结构以及放弃主动切换的高压元件使得可靠的实现成为可能。相反已证实其缺点在于，读出阶段在时间上受到限制。因此，此方法不是十分广泛适用的，而仅仅适合于在TOP开关50的关断阶段进行故障响应。另一方面，响应能够以非常小的成本集成到系统中。
一般，所建议的方法可应用于周期性地运行桥式电路的开关状态时，例如在次级侧30的工作电压被监测的应用情况下，必须借助于电容性阻塞的程度来保证低于工作电压阈值的电压直到下一个开关阶段都能保持一个足够的值。通过所述电路和相应方法，本地中间存储的故障状态从次级侧传送到初级侧，并从而避免了在故障情况下重新接通TOP开关50。
在两个开关都关断的开关状态下，参考电位不确定，处于悬置状态，因而不能可靠地反向传送。为了在此情况下也能保证故障传送，桥式电路的交流抽头借助于一个高阻值的电阻70与地参考电位高阻连接，BOT开关被高阻跨接。电阻的阻值必须使横向电流在正常工作时可觉察到，此电流一方面应足够小，另一方面还应足以使整个桥式电路输出端的耦合电容放电。

Claims (5)

1.一种最好是单片集成的、用于控制桥式电路拓扑中的功率半导体开关(50，52)的电路(100)，它由一个初级侧部分(初级侧20)和分别用于桥式电路的TOP开关(50)和BOT开关(52)的次级侧部分(次级侧30)构成，其中初级侧(20)具有至少一个信号处理器和至少一个用于对至少一个次级侧(30)进行无电位控制的电平移位器(44)，并且这个次级侧(30)具有至少一个信息处理器和至少一个用于相应开关的驱动级，其中在初级侧(20)和至少一个次级侧(30)之间设置了一个用于从次级侧(30)将故障状态传送到初级侧(20)的二极管(60)，其阳极连接端与初级侧(20)相连接，而其阴极连接端与驱动电路的次级侧(30)相连接，此二极管(60)在初级侧(20)与一个滤波器和一个用于故障状态识别的电流采集器相连接，并且在次级侧(30)与一个用于故障状态实现的电路相连接。
2.如权利要求1所述的电路，其中桥式电路的中心抽头以及用于故障状态实现的电路通过一个高阻值的电阻(70)与整个电路的地参考电位相连接。
3.如权利要求1所述的电路，其中二极管具有对应于初级侧(20)与次级侧(30)之间的最大电位差的耐压性。
4.用于在如权利要求1或2所述电路中从次级侧(30)向初级侧(20)进行故障传送的方法，其特征在于，由初级侧(20)向二极管(60)的阳极上施加一个等于或小于那里的工作电压的确定电压，并且在对应于一个TOP开关(50)的次级侧(30)无故障工作时，借助于故障状态实现电路，使二极管的阴极具有“高”电平(Vd)，在故障工作状态下借助于故障状态实现电路，使此阴极具有“低”电平(Vg)，而且在TOP开关(50)闭合时，由于有电流流过二极管(60)，由初级侧(20)识别出次级侧(30)的故障状态，电流流动是由于通过断开的BOT开关(52)或通过高阻值的电阻(70)使次级侧“低”电平近似处于地参考电位上。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，流过二极管(60)的电流在滤波和时间—阶段—控制后，借助于采集由于电流流过而产生的电阻电压降或电流分量的耦出而被评估。
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