用于功率半导体开关的短路保护的方法和装置制造方法及图纸

本公开提供一种用于功率半导体开关的方法以及实现该方法的装置，其中流过开关的电流响应于在开关的控制端处的控制端电压，并且控制端电压被驱动器单元驱动。该方法包括：基于开关的键合电压来估计电流，通过将所估计的电流与短路电流极限进行比较来检测短路，基于该比较来对控制端电压的接通状态电压电平进行控制，以限制在短路期间流过开关的电流，以及将控制端电压控制为断开状态电压电平以断开开关。通过对驱动器单元的输出进行脉冲宽度调制来控制接通状态电压电平电压。调制的开关频率至少为控制端的低通特性的截止频率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功率半导体开关的短路保护。
技术介绍
功率转换器广泛使用在各种应用中。功率转换器通常包括一个或更多个用来将电力从一种形式转换到另一种形式的半导体开关。例如，直流电压可被转换为交流电压。为了执行转换，功率转换器中的每个开关通常被控制在两个状态中的一个：接通状态(即导通状态)和断开状态(即非导通状态)。因此，在本文中，接通开关指的是将开关设定为接通状态。相应地，断开开关指的是将开关设定为断开状态。使用电功率转换器的应用，特别是高功率应用，通常需要高操作可靠性。因此，功率转换器中的半导体的故障保护是转换器保护方案的重要部分。需要故障保护以在短路情况下避免半导体的损坏并且提高转换器的可靠性。各种短路检测方案已经被开发用于保护功率电子开关，例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。例如，可通过测量开关的集电极-发射极饱和电压VCE,SAT来检测短路[1,2]。然而，VCE,SAT的测量需要建立时间，这可能增加短路保护系统的响应时间。例如，断开短路电流可花费大约10μs。该延迟可引起开关结温的突然升高。例如，该温度在短时间段内可升高大约50℃。这可在半导体中引起高机械应力，高机械应力甚至可引起开关爆炸。这种不可控故障的可能性自然降低了转换器的可靠性。为了实现对短路的更快的响应，可在检测到短路后立即断开半导体，即在实现半导体的稳定状态之前断开半导体。例如，可采用罗氏线圈(Rogowski coil)测量流过开关的电流来检测短路[3]。然而，在实现稳定状态之前断开半导体也可能产生应力并且甚至导致器件损坏。短路保护可基于监测或控制流过开关的电流的变化率di/dt[4,5]。例 如，异常的变化率di/dt可被用作可能的短路的指示。如果可能的短路被检测到，则开关的控制电极可被放电以减少流过开关的电流。如果确认短路的其他标准被检测到，则断开开关。通过使用这种方法，由于短路导致的电流增加可被限制。另一方面，即使不存在短路，控制电极可能被不必要地放电。这可能增加在正常操作期间的损耗。上述任何方法的实施均可导致材料、开发以及制造成本的额外代价，使得保养更加复杂和困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种方法和一种用于实现该方法的装置以缓解上述缺陷。本专利技术的目的通过在独立权利要求中阐述其特征的方法和装置来实现。在从属权利要求公开了本专利技术的优选实施方式。本短路保护方法可包括如下步骤：检测功率半导体开关(例如，IGBT、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)等)的短路，减少控制端电压的最大电平(例如，IGBT中的栅极-发射极电压)以限制短路电流并加速开关的去饱和，以及随后断开短路电流。可借助直接或间接电流估计来检测短路。例如，电流的间接估计可基于对键合电压(bond voltage)的测量。通过在高频处调制驱动控制端电压的驱动器单元的输出，可减小控制端电压的最大电平。本公开的方法允许对短路电流的快速检测和断开，从而限制了短路涉及的能量。这使得短路期间的开关中的机械损伤的风险最小，从而能够节约成本和保养时间。本方法并不需要检测短路的电流传感器并且允许有效限制及快速断开短路电流。本方法不会在正常操作期间引起额外损耗。实际上，通过允许在正常操作中增加栅极-发射极电压，本方法允许减小正常操作期间的接通状态导通损耗。附图说明接下来，将参照附图借助优选的实施方式更详细地描述本专利技术。图1是本公开方法的示例性实施的简化框图。图2示出了绝缘栅双极型晶体管的简化模型；图3a至3c示出了通过将键合电压vbond与阈值电压vref进行比较来估 计集电极电流iC的示例性波形；图4示出了基于通过比较进行估计的电流测量的简化示例性实施方式；图5示出了能区分不同的短路情况的示例性短路检测方案的简化流程图；图6a至6c示出了对不同类型的短路的示例性响应的简化流程图；图7示出了适用于图1的驱动器单元的功率级的示例性实施；图8示出了图7的功率级在短路期间的示例性波形；图9示出了本公开的方法在频率转换器中的示例性实施方式的简化示图。图10a至10e示出了本公开方法的示例性测试结果。具体实施方式本公开提出一种用于功率半导体开关的短路保护方法，其中通过开关的电流响应于在开关的控制端处的控制端电压。控制端电压可被驱动器单元驱动。例如，控制端电压可为绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应管的栅极-发射极(gate-emitter)电压，并且控制端可为栅极开关。此时，驱动器单元可为栅极驱动器单元。此外，本公开内容提出一种实现上述方法的装置。所述方法可包括通过间接电流估计来检测短路。例如，可基于键合电压，即通过开关的芯片键合形成的杂散电感(stray inductance)上的电压，来估计电流。可通过将估计的电流与短路电流极限进行比较来检测短路。然后，可基于上述比较对控制端电压进行控制。通过调整控制端电压的接通状态电压电平，可限制短路电流并加速开关的去饱和。在达到去饱和后，可以断开开关。图1是本公开的方法的示例性实施的简化框图。在图1中，通过驱动器单元12控制具有IGBT形式的功率半导体开关11。驱动器单元12驱动控制端电压，在该情况下其是开关11的栅极-发射极电压vGE。驱动器单元12被控制器14控制。控制器14还可在正常操作期间控制开关11。在本文中，正常操作指的是在没有检测到短路的操作条件下的操作。例如， 控制器14可通过控制转换器中的开关的接通和断开来控制功率转换。例如，控制器14可为频率转换器上的现场可编程门阵列(FPGA)。电流感测单元13估计流过开关11的电流。例如，电流感测单元13可通过测量与开关串联的电感上的电压来估计开关11的集电极电流iC。例如，电感上的电压可为键合电压vbond。电流感测单元13可通过将测得电压与预定极限相比较并且通过测量键合电压vbond超过该极限的时间来估计电流iC。随后可使用上述时间估计电流iC。在图1中呈现了估计电流被传送到控制器14，该控制器14将该估计电流与短路电流极限进行比较以确定是否发生短路。然后，控制器14基于上述比较来控制在开关11的控制端(在情况下为栅极)处的控制端电压。例如，在短路的情况下，控制器14可将开关11直接控制为断开状态。替选地，控制器14可首先通过调整接通状态的控制端电压电平来使开关11去饱和。接通状态的控制端电压可减小至限制电流但仍然超过开关的阈值电压的电平。在开关11已被去饱和后，开关11可被断开。尽管图1中的框图仅示出了一个开关，但是本方法可容易地应用于多个开关。本公开的方法中的开关的快速检测和断开减小故障情况下涉及的能量，限制在故障期间半导体开关中的温度升高，并避免对半导体开关的机械损坏。现在更具体地讨论本公开的方法的各个方面。鲁棒性的电流估计可基于测量键合电感Lbond两端的键合电压vbond。图2示出了绝缘栅双极型晶体管的简化模型。该模型示出了内部的栅极-发射极电容CGE、集电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于功率半导体开关的方法，其中流过所述开关的电流响应于在所述开关的控制端处的控制端电压，所述控制端电压被驱动器单元驱动，其中所述方法包括：测量或估计所述电流，通过将所估计的电流与短路电流极限进行比较来检测短路，基于所述比较来控制所述控制端电压的接通状态电压电平，以限制在所述短路期间流过所述开关的电流，其中，通过对所述驱动器单元的输出进行脉冲宽度调制来控制所述接通状态电压电平电压，其中所述调制的开关频率至少为所述控制端的低通特性的截止频率，以及将所述控制端电压控制为断开状态电压电平以断开所述开关。

【技术特征摘要】
2013.12.04 EP 13195668.21.一种用于功率半导体开关的方法，其中流过所述开关的电流响应
于在所述开关的控制端处的控制端电压，所述控制端电压被驱动器单元驱
动，其中所述方法包括：
测量或估计所述电流，
通过将所估计的电流与短路电流极限进行比较来检测短路，
基于所述比较来控制所述控制端电压的接通状态电压电平，以限制在
所述短路期间流过所述开关的电流，其中，通过对所述驱动器单元的输出
进行脉冲宽度调制来控制所述接通状态电压电平电压，其中所述调制的开
关频率至少为所述控制端的低通特性的截止频率，以及
将所述控制端电压控制为断开状态电压电平以断开所述开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述开关的键合电压来估
计所述电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中估计所述电流包括：
在一段时间内对所述键合电压进行积分，
测量积分电压，以及
基于所述积分电压来估计所述电流。
4.根据权利要求2所述的方法，其中估计所述电流包括：
将所述键合电压与所设定的极限相比较，
测量所述键合电压超过所设定的极限的时间，
基于测得的时间来估计所述电流。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在从检测到的短
路起的预定时间之后，所述控制端电压被控制为所述断开状态电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗德里戈·阿隆索·阿尔瓦雷斯瓦伦祖埃拉，伊格纳西奥·利扎马，斯特芬·贝尔内特，马蒂·莱蒂宁，
申请(专利权)人：ABB公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI