CN104025455B - 用于电压控制的半导体开关的保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电压控制的半导体开关(10)的保护装置(30)，该半导体开关具有栅极接头(G10)、功率发射极接头(L10)、辅助发射极接头(H10)和集电极接头(K10)，其中半导体开关(10)能够接通在集电极接头(K10)和功率发射极接头(L10)之间的电流。按照本发明设置：电压限制装置(40)，该电压限制装置限制在栅极接头(G10)和功率发射极接头(L10)之间的电压；和与电压限制装置(40)相连的禁止装置(50)，该禁止装置在半导体开关(10)接通期间禁止电压限制装置(40)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电压控制的半导体开关的保护装置，该半导体开关具有栅极接头、功率发射极接头、辅助发射极接头和集电极接头，其中半导体开关可以接通在集电极接头和功率发射极接头之间的电流。这样的保护装置例如可以用于电压控制的IGBT半导体开关(IGBT：Bipolartransistor mit integrierter Gateelektrode，具有集成的栅电极的双极型晶体管)或MOSFET半导体开关(MOSFET：Metall-Oxid-Feldeffektransistor，金属氧化物场效应晶体管)。
背景技术
在电压中间电路转换器中由于短路或接地会在负载中流过极其高的电流，该电流在这种情况下会破坏在转换器中应用的电压控制的半导体开关。在将电压控制的半导体开关接通到已经存在的短路期间，目前的半导体开关通常经受至少10μs的时间段而无损坏(该时间间隔通常足够识别并断开短路)，短路在已经接通的且流过电流的半导体开关的情况下是明显更关键的。这样的短路被称为“类型2”短路(参见Konferenzbeitrag"Influenceof the Gate Drive on the Short-Circuit Type2and Type3Behaviour of HV-IGBT"(PCIM2010,4.bis6.Mai2010,Nürnberg,Deutschland,VDE-Verlag Berlin,ISBN:978-3-8007-3229-6)。对于类型2的短路特有的是，在从动态短路电流峰值过渡到静态短路电流的情况下出现明显高于静态短路电流的短路电流峰值以及电压峰值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于电压控制的半导体开关的保护装置，其也在短路类型2的情况下可靠地保护。
按照本发明上述技术问题通过具有权利要求1的特征的保护装置来解决。按照本发明的保护装置的优选构造在从属权利要求中给出。
据此，按照本发明，保护装置具有：电压限制装置，其限制在栅极接头和功率发射极接头之间的电压；和与电压限制装置相连的禁止装置(Deaktivierungseinrichtung)，其在半导体开关接通期间禁止电压限制装置。
按照本发明的保护装置的主要优点在于，通过按照本发明设置的在短路情况下在栅极接头和功率发射极接头之间的电压的限制也导致在栅极接头和辅助发射极接头之间的电压的下降，由此以有利的方式降低出现的短路电流幅值。
按照本发明的保护装置的另一个主要优点在于，按照本发明设置的在半导体开关接通阶段期间电压限制装置的禁止，以避免或最小化在接通期间否则通过降低栅极-功率发射极电压出现的开关损耗。
概括地，即通过按照本发明设置的电压限制装置在类型2短路期间实现最优特性，其中，尽管如此仍确保了，在正常运行时不明显地提高在半导体开关接通期间的损耗。
按照保护装置的特别有利的构造，保护装置具有电容性的耦合装置，该耦合装置引起在栅极接头和功率发射极接头之间的电容性的耦合。通过在栅极接头和功率发射极接头之间的电容性的耦合以有利的方式在达到短路幅值之后实现栅极-功率发射极电压的提高，这导致了从短路电流幅值至静态短路电流的特别平缓的过渡，并且由此导致了特别低的过电压峰值。
被视为具有优势的是，禁止装置在输入侧被施加了在栅极接头和辅助发射极接头之间的电压，并且该禁止装置依据栅极-辅助发射极电压来禁止电压限制装置。
优选地，禁止装置在输出侧与电压限制装置串联连接。
为了在半导体开关接通期间实现电压限制装置的可靠的禁止，被视为具有优势的是，这样构造禁止装置，使得在栅极接头和辅助发射极接头之间施加的栅极-辅助发射极电压的电压阶跃的情况下，该禁止装置禁止电压限制装置。
为了实现在接通过程结束之后自动地结束电压限制装置的禁止，被视为具有优势的是，禁止装置具有至少一个时间元件，其时间常数至少也确定了在栅极-辅助发射极电压的电压阶跃之后电压限制装置的禁止的持续时间。
优选地，时间元件是RC时间元件，该RC时间元件由至少一个电容和至少一个电阻构成。
禁止装置优选具有电压控制的开关元件，该开关元件的控制接头被施加了通过栅极-辅助发射极电压产生的控制电压。
电压控制的开关元件的控制接头优选通过时间元件(例如上面已经提到的时间元件)被施加了栅极-辅助发射极电压。时间元件例如可以是RC元件，该RC元件通过至少一个电容和至少一个电阻构成。
此外，本发明涉及一种具有电压控制的半导体开关、保护装置(如其上面已经描述的)和用于控制半导体开关的控制电路的设备，其中控制电路与栅极接头和辅助发射极接头相连并且通过栅极-辅助发射极电压来控制电压控制的半导体开关。
关于按照本发明的设备的优点参见结合按照本发明的保护装置的优点的上述实施方式，因为按照本发明的设备的优点基本上相应于按照本发明的保护装置的优点。
此外，本发明涉及一种用于保护电压控制的半导体开关的方法，该电压控制的半导体开关被构造为具有栅极接头、功率发射极接头、辅助发射极接头和集电极接头。按照本发明，当电压控制的半导体开关被接通后，利用电压限制装置来限制在栅极接头和功率发射极接头之间的电压，并且在半导体开关的接通期间利用禁止装置来禁止电压限制装置。
关于按照本发明的方法的优点参见结合按照本发明的保护装置的优点的上述实施方式，因为按照本发明的方法的优点基本上相应于按照本发明的保护装置的优点。
按照本方法的特别有利的实施方式，关于电压阶跃监视在栅极接头和辅助发射极接头之间的电压，并且在出现这样的电压阶跃的情况下禁止电压限制装置。
附图说明
下面结合实施例对本发明作进一步的说明；附图中
图1示出了按照本发明的设备的实施例，该设备被设计为具有按照本发明的保护装置。
具体实施方式
根据图1中示出的设备也示例性地解释按照本发明的方法。
在图1中看到具有电压控制的半导体开关10的设备，该电压控制的半导体开关10具有集电极接头K10、功率发射极接头L10、辅助发射极接头H10以及栅极接头G10。电压控制的半导体开关10例如可以是IGBT，也就是具有集成的栅电极的双极型晶体管，或者也可以是MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)。
半导体开关10的辅助发射极接头H10和功率发射极接头L10区别在于其至实际物理的发射极接头点E的导线长度。辅助发射极接头H10以极其短的电导线与物理的发射极接头点E连接，而在功率发射极接头L10和物理的发射极接头点E之间的电导线明显更长。由此辅助发射极接头H10和功率发射极接头L10通过电感L彼此电耦合，通过直至功率发射极接头L10的导线的导线长度来确定该电感L。在物理的发射极接头点E和功率发射极接头L10之间的导线长度通常处于在1和5cm之间的长度。
对于半导体开关10的运行使用了用于馈入控制电压的辅助发射极接头H10和用于连接电负载的功率发射极接头L10。由此，负载电流流过集电极接头K10和功率发射极接头L10，并且控制电流流过栅极接头G10和辅助发射极接头H10。
半导体开关10由控制电路20控制，其输出端A20a与半导体开关10的栅极接头G10相连并且其输出端A20b与辅助发射极接头H10相连。
在图1中示出的实施例的情况下，控制电路20例如通过产生在栅极接头G10和辅助发射极接头H10之间的正电压来接通半导体开关10。该控制电路20通过断开在栅极接头G10和辅助发射极接头H10之间的电压来断开半导体开关10。
在图1中可以识别出，在控制电路20和半导体开关10之间连接了保护装置30。保护装置30包括电压限制装置40(按照电压限制电路的形式)、禁止装置50(按照禁止电路的形式)以及电容性的耦合装置60(按照耦合电路的形式)。
电容性的耦合装置60通过电容C1构成，该电容连接在半导体开关10的栅极接头G10和功率发射极接头L10之间。
禁止装置50具有两个输入端E50a和E50b，其中输入端E50a与半导体开关的栅极接头G10相连并且输入端E50b与半导体开关10的辅助发射极接头H10相连。两个输入端E50a和E50b由此同样与控制电路20的两个输出端A20a和A20b相连。
在输出侧，禁止装置50以其输出端A50a与半导体开关10的栅极接头G10相连。另一个输出端A50b与电压限制装置40的接头A40a相连。电压限制装置40的另一个接头A40b与半导体开关10的功率发射极接头L10相连。
通过禁止装置50和电压限制装置40的在输出侧的连接构成串联电路，该串联电路将栅极接头G10与功率发射极接头L10连接。
在按照图1的实施例中，电压限制装置40具有瞬变电压抑制二极管(Transildiode)41以及二极管42。两个二极管41和42的功能在于，在短路情况下降低在栅极接头G10和功率发射极接头L10之间的电压，由此也降低在栅极接头G10和辅助发射极接头H10之间的电压，由此又导致短路幅值的降低。
禁止装置50具有时间元件51以及电压控制的开关元件52，该开关元件52在输入侧与时间元件51相连。在输出侧，电压控制的开关元件52构成禁止装置50的输出端A50a和A50b。开关元件52的控制接头S52通过时间元件51被施加了控制电压，该控制电压以在栅极接头G10和辅助发射极接头H10之间的电压形成。
在按照图1的实施例中，时间元件51是RC时间元件，该RC时间元件通过电阻R以及电容C构成。时间元件51的功能在于，在接通半导体开关10时断开开关元件52或能够使开关元件52断开，从而禁止装置50禁止电压限制装置40。
如已经提到的，在图1示出的实施例中，通过向半导体开关10的栅极接头G10和辅助发射极接头H10施加正的栅极-辅助发射极电压来接通半导体开关10。如果在接通时提高在栅极接头G10上的电势，则开关元件52由于在控制接头S52上施加的控制电压而一直保持断开，直至时间元件51的电容C充电完毕。在开关元件52保持断开的时间段中，电压限制装置40被禁止或保持禁止，从而该电压限制装置保持不对半导体开关10的接通阶段产生影响。通过在接通阶段禁止电压限制装置40防止了，在接通时降低电流上升di/dt；由此明显降低在接通半导体开关10时的接通损耗。
只要电容C通过电阻R充电完毕，则接通开关元件52并且激活电压限制装置40，从而该电压限制装置能够在负载中短路的情况下降低在栅极接头G10和功率发射极接头L10之间的电压并且由此降低在栅极接头G10和辅助发射极接头H10之间的电压，并且导致在短路情况下的短路电流幅值的降低。
电容性的耦合装置60具有如下任务：在短路情况下达到短路电流幅值之后又再次提高栅极-发射极电压，并且由此导致从短路电流幅值至静态短路电流的平缓过渡，并且由此导致较低的过电压峰值。
在图1中示出的实施例中，电压限制装置40具有瞬变电压抑制二极管41以及二极管42。替换地也可以通过唯一一个齐纳二极管和/或一个与事先充电的电容器组合的二极管构成电压限制装置。
电压控制的开关元件52例如可以是MOSFET晶体管，其源极接头位于栅极电势上并且其栅极经由前置电阻(例如时间元件51的电阻R)与半导体开关10的辅助发射极接头H10相连。
虽然在细节上通过优选的实施例对本发明进行详细阐述和描述，但本发明不受所公开的示例限制并且可以由专业人员从中导出另外的方案，而不脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
10 半导体开关
20 控制电路
30 保护装置
40 电压限制装置
41 瞬变电压抑制二极管
42 二极管
50 禁止装置
51 时间元件
52 开关元件
60 耦合装置
A20a 输出端
A20b 输出端
A40a 接头
A40b 接头
A50a 输出端
A50b 输出端
C 电容
di/dt 电流上升
E 发射极接头点
E50a 输入端
E50b 输入端
G10 栅极接头
H10 辅助发射极接头
K10 集电极接头
L 电感
L10 功率发射极接头
R 电阻
S52 控制接头
T 晶体管
Claims (11)
1.一种用于电压控制的半导体开关(10)的保护装置(30)，该半导体开关具有栅极接头(G10)、用于连接电负载的功率发射极接头(L10)、用于向半导体开关(10)馈入来自用于控制半导体开关(10)的控制电路(20)的控制电压的辅助发射极接头(H10)和集电极接头(K10)，其中所述半导体开关(10)能够接通在集电极接头(K10)和功率发射极接头(L10)之间的电流，其特征在于，所述保护装置(30)包括：
电压限制装置(40)，所述电压限制装置限制在栅极接头(G10)和功率发射极接头(L10)之间的电压，和
与所述电压限制装置(40)相连的禁止装置(50)，所述禁止装置在半导体开关(10)接通期间禁止所述电压限制装置(40)，
其中，所述禁止装置(50)具有至少一个时间元件(51)，
其中，所述时间元件(51)的时间常数至少也确定了在栅极-辅助发射极电压的电压阶跃之后所述电压限制装置(40)的禁止的持续时间，
其中，所述禁止装置在输出侧以其输出端与半导体开关的栅极接头相连，另一个输出端与所述电压限制装置的一个接头相连，并且所述电压限制装置的另一个接头与半导体开关的功率发射极接头相连。
2.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述保护装置(30)具有电容性的耦合装置(60)，该耦合装置引起在栅极接头(G10)和功率发射极接头(L10)之间的电容性的耦合。
3.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述禁止装置(50)在输入侧被施加了在栅极接头(G10)和辅助发射极接头(H10)之间的电压，并且该禁止装置依据栅极-辅助发射极电压来禁止所述电压限制装置(40)。
4.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述禁止装置(50)在输出侧与所述电压限制装置(40)串联连接。
5.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述禁止装置(50)被构造为：在栅极接头(G10)和辅助发射极接头(H10)之间施加的栅极-辅助发射极电压的电压阶跃的情况下，所述禁止装置禁止所述电压限制装置(40)。
6.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述时间元件是RC时间元件，该RC时间元件由至少一个电容(C)和至少一个电阻(R)构成。
7.根据上述权利要求中任一项所述的保护装置，其特征在于，所述禁止装置(50)具有电压控制的开关元件(52)，该开关元件的控制接头(S52)被施加了通过栅极-辅助发射极电压所产生的控制电压。
8.根据上述权利要求7所述的保护装置，其特征在于，电压控制的开关元件(52)的控制接头(S52)通过时间元件(51)被施加了栅极-辅助发射极电压。
9.一种具有电压控制的半导体开关(10)、按照上述权利要求中任一项所述的保护装置(30)和用于控制所述半导体开关(10)的控制电路(20)的设备，其中，所述半导体开关(10)具有栅极接头(G10)、用于连接电负载的功率发射极接头(L10)、用于向半导体开关(10)馈入来自用于控制半导体开关(10)的控制电路(20)的控制电压的辅助发射极接头(H10)和集电极接头(K10)，其中所述半导体开关(10)能够接通在集电极接头(K10)和功率发射极接头(L10)之间的电流，其中，所述控制电路与栅极接头(G10)和辅助发射极接头(H10)相连并且通过栅极-辅助发射极电压来控制所述电压控制的半导体开关(10)。
10.一种用于保护电压控制的半导体开关(10)的方法，该电压控制的半导体开关被构造为具有栅极接头(G10)、用于连接电负载的功率发射极接头(L10)、用于向半导体开关(10)馈入来自用于控制半导体开关(10)的控制电路(20)的控制电压的辅助发射极接头(H10)和集电极接头(K10)，其特征在于，
当所述电压控制的半导体开关(10)被接通后，利用电压限制装置(40)来限制在栅极接头(G10)和功率发射极接头(L10)之间的电压，并且
在所述半导体开关(10)的接通期间，利用禁止装置(50)来禁止所述电压限制装置(40)，
其中，所述禁止装置(50)具有至少一个时间元件(51)，其中，所述时间元件(51)的时间常数至少也确定了在栅极-辅助发射极电压的电压阶跃之后所述电压限制装置(40)的禁止的持续时间，
其中，所述禁止装置在输出侧以其输出端与半导体开关的栅极接头相连，另一个输出端与所述电压限制装置的一个接头相连，并且所述电压限制装置的另一个接头与半导体开关的功率发射极接头相连。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
关于电压阶跃监视在栅极接头和辅助发射极接头之间的电压，并且
在出现这样的电压阶跃的情况下禁止所述电压限制装置(40)。
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