CN105324675A - 用于监控功率半导体开关的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监控功率半导体开关(10)的装置以及一种用于监控功率半导体开关(10)的相应的方法，该装置包括：部件(30)，用于对功率半导体开关(10)加载具有在功率半导体开关(10)的开关阈值之上的频率的高频电压(UHF)；部件(36)，用于检测基于对功率半导体开关(10)加载高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF，Ist)；部件(40，48)，用于将得出的高频电流(IHF，Ist)与根据功率半导体开关(10)的开关状态基于对功率半导体开关(10)加载高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较；以及部件(48)，用于取决于比较的结果产生功率半导体状态信号(66)。

Description

用于监控功率半导体开关的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于监控功率半导体开关的装置和方法，从而确保相应的功率半导体的功能安全性。
背景技术
本发明源于如下问题，即在具有开关元件的设备中必须存在的可行性是：当该设备应该满足提高的安全水平时，能利用该可行性来验证该开关元件是否可用。当功率半导体开关应该作为开关元件应用时，该问题同样存在。相应地在具有作为开关元件的功率半导体开关的设备、例如整流器中，为了确保功率半导体开关可用，存在有规律地检验功率半导体开关的功能的必要性。
用于对功率半导体开关进行这种监控的装置和方法迄今为止不是已知的。迄今为止，为了安全相关的目的大多应用机械的继电器。在此，在这样的继电器中附加的机械的接触单元能实现对继电器在对正确功能方面的监控。当为了安全功能应用功率半导体开关时，迄今为止仅能够通过“试运行”(Probeschalten)实现功率半导体开关在对功能性方面的监控。但是该开关操作影响功率半导体开关所在的功率回路，并且因此更确切地说是不期望的。
发明内容
因此本发明的目的在于，提出一种用于监控功率半导体开关的装置和方法，该装置或方法要求对功能半导体开关的功率回路没有影响。
根据本发明，该目的利用独立权利要求的特征来实现。在此，在用于监控功率半导体开关的装置方面提出，该装置包括以下功能单元：首先是，除了借助外部的驱控信号驱控功率半导体开关外，用于对功率半导体开关加载具有在功率半导体开关的开关阈值之上的频率的高频电压(HF电压；UHF)的部件，其中该外部的驱控信号导致功率半导体开关的相应于驱控信号的开关状态。然后是用于检测基于对功率半导体开关加载高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF，Ist)的部件。此外是用于将得出的高频电流(IHF，Ist)与根据功率半导体开关的开关状态基于对功率半导体开关加载高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较的部件。最后是用于取决于比较的结果产生功率半导体状态信号的部件。
在用于监控功率半导体开关的方法方面相应地提出，该方法至少包括以下的方法步骤：除了借助外部的驱控信号之外，利用具有在功率半导体开关的开关阈值之上的频率的高频电压(HF电压；UHF)驱控功率半导体开关。外部的驱控信号导致功率半导体开关的相应于驱控信号的开关状态。检测基于对功率半导体开关加载高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF， Ist)。将得出的高频电流(IHF，Ist)与根据功率半导体开关的开关状态基于对功率半导体开关加载高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较。根据该比较的结果产生功率半导体状态信号。
本发明的优点在于，利用在此介绍的方案提出一种装置和方法，该装置或该方法借助驱控功率半导体开关来测试功率半导体开关的功能性，在此并不影响在原本的功率回路。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。通过相应的从属权利要求的特征，在此应用的对前面的权利要求的引用指出独立权利要求的主题的其他的设计方案。其并不理解为放弃获取独立的、具体的、用于对前面的引用的从属权利要求的特征组合的保护。此外鉴于对权利要求的阐释在将后续权利要求中的特征进行更为详细的具体化时由此出发，即在分别前述的权利要求中并不存在这种限制。
附图说明
以下根据附图详尽地阐述本发明的实施例。彼此相应的主题或元件在全部附图中设有相同的参考标号。
附图示出：
图1是以MOSFET形式的功率半导体开关的等效电路图，
图2是以IGBT形式的功率半导体开关的等效电路图，
图3是用于驱控功率半导体开关的驱控电路，
图4是根据图3的、具有为了测试功率半导体开关的功能作用而用于驱控功率半导体开关的电路部分的驱控电路，
图5是用于评估借助于图4中的电路部分实现的对功率半导体开关的驱控的监控电路，
图6是具有功率半导体开关、根据图4的电路部分和根据图5的监控电路的半导体模块，以及
图7是考虑对为了测试功率半导体开关的功能作用而用于驱控功率半导体开关的图6中的电路部分进行附加或替代的电路部分。
具体实施方式
在图1和图2中的示意图示出了功率半导体开关(功率半导体)的等效电路图，今天为了安全功能可以考虑该功率半导体开关。图1中的示意图示出了MOSFET12的等效电路图，并且图2中的示意图示出了IGBT14的等效电路图。
对于这两个功率半导体开关10，分别示出了通常的接口并且以通常的专业术语标注。相应地，以MOSFET12形式的功率半导体开关10具有栅极接口(G)、源极接口(S)和漏极接口(D)。对应地，以IGBT14形式的功率半导体开关10具有栅极接口(G)、集电极接口(C)和发射极接口(E)。
在功率半导体开关10的这些接口中的每两个接口之间，画入在等效电路图中相应于构件特性而得出的电容，更确切地说，对于MOSFET12而言形式为具有在栅极接口(G)和源极接口(S)之间的电容CGS的电容器、具有在栅极接口(G)和漏极接口(D)之间的电容CGD的电容器以及具有在漏极接口(D)和源极接口(S)之间的电容CDS的电容器。相应地，这适用于对IGBT14的等效电路。因此，该处示出具有在栅极接口(G)和发射极接口(E)之间的电容CGE的电容器、具有在栅极接口(G)和集电极接口(C)之间电容CGC的电容器以及具有在集电极接口(C)和发射极接口(E)之间电容CCE的电容器。
在图1中，对于以MOSFET形式的功率半导体开关10的在该处示出的等效电路图的示意图而言，也示出了由这样的功率半导体开关10包括的反向二极管16的等效电路图。
对于功率半导体开关10、特别是以MOSFET12形式的或者以IGBT14形式的功率半导体开关10被干扰的情况，这表现在变化的电容的特性中。在此，将相应的元件的部分损坏以及至少一次接触的损耗理解为对功率半导体开关10的干扰。功率半导体开关10的单元区域的损坏导致了例如输入电容、即在MOSFET12中的栅极电容CGS或在IGBT14中的栅极电容CGE的减少。这样也能识别更小的干扰。
在图3和图4中的示意图示出了用于驱控功率半导体开关10的驱控电路20。功率半导体开关10与并联的反向二极管16一起示出，这就像例如在AC/AC转换器的输入端整流器或输出端整流器中的情况那样。
根据由驱控电路20包括的、具有正的或负的驱控电位的开关22的开关位置加载/驱控功率半导体开关10，该驱控电位在此以例如提供+15V的电压源24的第一种形式和以例如提供-15V的电压源26的第二种形式示出。
在图3中示出的驱控电路20对应于如在现有技术中已知的驱控电路20。与图3中的驱控电路20相比，在图4中示出的驱控电路20包括附加的电路部分30，该电路部分在相应的功率半导体开关10的门电路中加入高频电压(HF电压；UHF)。电路部分30相应地是用于部件30的实例，该部件用于对功率半导体开关10加载具有在功率半导体开关10的开关阈值之上的频率的高频电压(UHF)。在此，与开关22的相应的开关位置或对应的信号源驱控功率半导体开关10同时地实现高频电压(UHF)的加载。
作为用于高频电压(UHF)的基础，在此示出高频电压源32。高频电压源借助于由电路部分30所包括的与高频电压源32串联的、具有电容CHF的去耦合电容器34来高频地与相应的功率半导体开关10的栅极接口去耦合。借助于分流电阻(RHF)36检测基于高频电压(UHF)而得出的、以下称为高频电流的电流(IHF)。替代分流电阻36，当然同样也能够例如电感式地实现高频电流(IHF)的检测。相应地，分流电阻(RHF)36或者电感式地检测高频电流(IHF)是用于检测基于对功率半导体开关(10)加载高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF，Ist)的部件的实例。
这样地选择高频电压(UHF)的频率和振幅，即该频率远高于功率半导体开关10的开关频率。因此，例如可以考虑大于10MHz的频率作为频率。对于高频电压(UHF)的振幅提出，该振幅远在像用于驱控功率半导体开关10的正常电压值之下。因此，例如可以考虑大约1V的振幅作为振幅。
为了监控相应的功率半导体开关10，给驱控电路20分配监控电路40。监控电路示意性简化地在图5中示出。在第一输入端42处将驱控电路20的开关22的开关状态输送给监控电路部分40。在第二输入端44处直接或间接地将基于高频电压(UHF)而得出的电流(IHF)输送给监控电路40，例如以经由分流电阻36量取的电压的大小的形式。
当将用于能够经由分流电阻36量取的电压的大小输送给监控电路40时，借助于该电压和分流电阻36的已知的电阻值来测定实际上基于高频电压(UHF)得出的电流(IHF，Ist)。为此，监控电路40包括高频电流实际值测定装置46。高频电流实际值测定装置46的功能例如在于，由在第二输入端44处输送的、用于经由分流电阻36量取的电压的大小和分流电阻36的电阻的已知值形成商。在高频电流实际值测定装置46的输出端处同样存在基于高频电压(UHF)而得出的当前的高频电流(IHF，Ist)或用于所得出的当前的高频电流(IHF，IST)的大小。
将当前的高频电流(IHF，Ist)借助于比较器48与基于高频电压(UHF)所期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较。借助于高频电流额定值测定装置50来提供期望的高频电流(IHF，Soll)或用于期望的高频电流(IHF，Soll)的大小。高频电流额定值测定装置将在第一输入端42处输送给监控电路40的、驱控电路20的开关22的开关状态处理为输入信号。高频电流额定值测定装置50的功能性能够例如以表的形式实现，该表包括在第一表元素中的、用于对开关22的第一开关位置所期望的高频电流(IHF，Soll1)的大小和在第二表元素中的、用于对开关22的第二开关位置所期望的高频电流(IHF，Soll2)的大小。根据在第一输入端42处输送的开关22的开关位置，高频电流额定值测定装置50因此发送在相应的开关时所期望的高频电流(IHF，Soll＝[IHF，Soll1，IHF，Soll2])或用于期望的高频电流(IHF，Soll＝[IHF，Soll1，IHF，Soll2])的大小，并继续传输该电流或该大小到比较器48。比较器48执行在相应期望的高频电流(IHF，Soll)与相应实际的基于高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF，Ist)的真实的比较。
监控电路40和由监控电路包括的比较器48因此是实例，该实例用于将得出的高频电流(IHF，Ist)与根据功率半导体开关10的开关状态的、基于对功率半导体开关10加载高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较的部件。
当比较器48确定一致性或在预定的或能预定的容差范围之内的一致性时，比较器48在其作为监控电路40的输出端52起作用的输出端处发送正常信号(Gut-Signal)。当这两个借助于比较器48比较的电流或电流值不存在一致性或不存在足够的一致性时，比较器48相应地发送故障信号(Fehler-Signal)。例如考虑第一定义的信号电平和第二定义的信号电平作为正常信号和作为故障信号，从而在监控电路40的输出端52处提供的信号被处理为二进制信号，并显示相应地监控的功率半导体开关10的状态。
监控电路装置40能够在模拟的基础之上或数字的基础之上实现和工作。提出的解决方案的优势在于，监控功率半导体开关10的功能而不影响相应的功率回路56，58(图6)中。监控电路40能够与电路部分30一起集成在“智能的”半导体模块60中，如同示意性简化地在图6中示出的那样。
图6中的示意图示出了以示意性简化的方框图形式的半导体模块60，该半导体模块根据在此描述的方法工作。相应地，半导体模块60是对用于监控功率半导体开关10的装置的实例，该装置包括全部到目前为止所描述的、特别是以集成的形式的功能单元。因此，半导体模块60至少包括相应的功率半导体开关10，必要时的功率半导体开关10和反向二极管16、根据图4阐述的电路部分30和根据图5阐述的监控电路40。能够借助于开关22或类似物驱控这样的半导体模块60。相应得出的驱控信号62传输给功率半导体开关10和监控电路40。此外，借助于电路部分30和在该处产生的、具有在功率半导体开关10的开关阈值之上的频率的高频信号64的高频电压(UHF)来驱控功率半导体开关10(从电路部分30至功率半导体开关10的水平向右指的箭头)。借助于电路部分30、例如借助于该处的分流电阻36来检测在此流动的、取决于功率半导体开关10的输入端电容的高频电流(IHF)(从功率半导体开关10至电路部分30的水平向左指的箭头)，以及继续传输给监控电路40(从电路部分30至监控电路40的垂直向下指的箭头)。驱控信号62传输给功率半导体开关10以及同时地也传输给监控电路40。根据驱控信号62的状态，在监控电路40内部得出根据状态的期望的高频电流或根据状态的用于期望的高频电流的大小。该电流或该大小借助于监控电路40与由电路部分30获得的实际的高频电流或者用于由电路部分30获得的实际的高频电流的大小进行比较。在监控电路40的输出端52处和在半导体模块60的与之重叠的输出端处存在取决于比较结果的功率半导体状态信号66，为了监控功率半导体开关10能够评估并且在运行中评估该功率半导体状态信号。因此，由监控电路40所包括的比较器48是用于根据实际的与期望的高频电流的比较结果来产生功率半导体状态信号66的部件的实例。
相应的功率回路56，58与相应的功率半导体开关10的漏极接口和源极接口或者与集电极接口和发射极接口连接。在这样的半导体模块60的监控电路40的输出端52处量取的功率半导体状态信号66显示了相应的功率半导体开关10的操作性能。只要当前在该处有信号，该信号指出期望的和实际的高频电流的一致性或足够的一致性，由半导体模块60所包括的功率半导体开关10能够视为被安全地认证了。
为了对于功率半导体开关10的栅极电容可替换地或除此之外也检测在漏极和源极或者在集电极和发射极之间的电容，在该处也能够加入高频电压。为此，图7中的示意图示出相应的电路部分30’。电路部分包括去耦合二极管68和与去耦合二极管68并联的电容(根据图3的驱控电路20在图7中仅仅作为功能框图示出)。借助于电路部分30’实现的功能性也能够理解为去耦合电路。由电路部分包括的电容基本上不允许在功率半导体开关10的需要测量的电容之下，由此能够实现足够的测量精度。
尽管本发明在细节上通过实施例详细地进行了阐述和描述，然而本发明不仅仅局限于这个或这些已公开的实例以及用于能够由本领域技术人员推导得出的具有电容性的特性的其他的元器件的变体，而不脱离本发明的保护范围。例如利用在此介绍的方法也能够检验以所谓的结型场效应管(JFET)形式的功率半导体。
在这里提出的说明书的前面部分中的各个方面由此能够简短地总结如下：给出用于监控功率半导体开关10的装置以及一种用于监控功率半导体开关10的相应的方法，其中该装置包括：用于对功率半导体开关加载具有在功率半导体开关的开关阈值之上的频率的高频电压(UHF)的部件30；用于检测基于对功率半导体开关加载高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF，Ist)的部件36；用于将得出的高频电流(IHF，Ist)与根据功率半导体开关的开关状态的、基于对功率半导体开关10加载高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较的部件(40，48)；以及用于根据比较的结果产生功率半导体状态信号的部件48。

Claims (11)

1.一种用于监控功率半导体开关(10)的装置，具有：
-用于对所述功率半导体开关(10)加载具有在所述功率半导体开关(10)的开关阈值之上的频率的高频电压(UHF)的部件(30)，
-用于检测基于对所述功率半导体开关(10)加载所述高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF，Ist)的部件(36)，和
-用于将所述得出的高频电流(IHF，Ist)与根据所述功率半导体开关(10)的开关状态基于对所述功率半导体开关(10)加载所述高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较的部件(40，48)，以及
-用于取决于比较的结果产生功率半导体状态信号(66)的部件(48)。
2.根据权利要求1的装置，其中，具有高频电压源(32)和串联的去耦合电容器(34)的电路部分(30)作为用于对所述功率半导体开关(10)加载具有在所述功率半导体开关(10)的开关阈值之上的频率的高频电压(UHF)的部件(30)起作用。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，分流电阻(36)作为用于检测基于对所述功率半导体开关(10)加载所述高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF，Ist)的部件(36)起作用。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中，具有高频电流实际值测定装置(46)、高频电流额定值测定装置(50)和比较器(48)的监控电路(40)作为用于将所述得出的高频电流(IHF，Ist)与根据所述功率半导体开关(10)的开关状态基于对所述功率半导体开关(10)加载所述高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较的部件(40，48)起作用。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述高频电流额定值测定装置(50)具有第一存储位置和第二存储位置，其中在所述第一存储位置存有用于在所述功率半导体开关(10)的第一开关状态中期望的高频电流(IHF，Soll1)的大小，并且在所述第二存储位置存有用于在所述功率半导体开关(10)的第二开关状态中期望的高频电流(IHF， Soll2)的大小，并且其中所述第一存储位置或者所述第二存储位置能够取决于能输送给所述功率半导体开关(10)的驱控信号(62)来选择。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，比较器(48)作为用于取决于分别得出的高频电流(IHF，Ist)与所述期望的高频电流(IHF， Soll)比较的结果来产生功率半导体状态信号(66)的部件(48)起作用。
7.一种用于监控功率半导体开关(10)的方法，
-其中，利用具有在所述功率半导体开关(10)的开关阈值之上的频率的高频电压(UHF)驱控所述功率半导体开关(10)，
-其中，检测基于对所述功率半导体开关(10)加载所述高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF，Ist)，
-其中，将所述得出的高频电流(IHF，Ist)与根据所述功率半导体开关(10)的开关状态基于对所述功率半导体开关(10)加载所述高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)进行比较，以及
-其中，取决于所述比较的结果产生功率半导体状态信号(66)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，借助于具有高频电压源(32)和串联的去耦合电容器(34)的电路部分(30)、利用具有在所述功率半导体开关(10)的所述开关阈值之上的频率的所述高频电压(UHF)来驱控所述功率半导体开关(10)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述得出的高频电流(IHF， Ist)与根据所述功率半导体开关(10)的开关状态基于对所述功率半导体开关(10)加载所述高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF， Soll)的所述比较借助于监控电路(40)实现，所述监控电路包括高频电流实际值测定装置(46)、高频电流额定值测定装置(50)和比较器(48)。
10.根据权利要求7、8或9所述的方法，其中，借助于高频电流额定值测定装置(50)产生基于对所述功率半导体开关(10)加载所述高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF，Soll)，所述高频电流额定值测定装置包括第一存储位置和第二存储位置，其中在所述第一存储位置存有用于在所述功率半导体开关(10)的第一开关状态中期望的高频电流(IHF，Soll1)的大小，并且在所述第二存储位置存有用于在所述功率半导体开关(10)的第二开关状态中期望的高频电流(IHF， Soll2)的大小，并且其中取决于能输送给所述功率半导体开关(10)的驱控信号(62)选择所述第一存储位置或者所述第二存储位置。
11.一种具有根据权利要求1至6中任一项所述的装置和/或用于实施根据权利要求7至10中任一项所述的方法的部件(30，40)的半导体模块(60)。
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