检测装置、检测方法和检测系统制造方法及图纸

本公开内容涉及一种检测方法、检测装置及检测系统。检测装置包括阈值生成电路和过功率确定电路。阈值生成电路被配置成基于邻近功率晶体管的温度传感器的输出和功率晶体管中的最大功率耗散来产生阈值。过功率确定电路被配置成基于阈值和开关电压来确定功率晶体管的过功率状态。在功率晶体管的源极与漏极或集电极与发射极之间检测开关电压。

【技术实现步骤摘要】
检测装置、检测方法和检测系统
本专利技术总体上涉及栅极驱动器，并且在特定实施例中涉及用于过电流状态检测器的系统和方法。
技术介绍
通常，用于电力发电机、电动机、电源等的逆变器使用高电压功率半导体开关。电力发电机和电源可以包括诸如太阳能电池板、风力涡轮机和不间断电源(UPS)这样的装置。功率半导体开关可以包括诸如双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等这样的器件。这些功率开关可能会经历诸如过电流、过电压或超温条件的过载条件。检测过电流条件使得诸如集成电路(IC)装置这样的低电压装置能够使得功率开关免于过电流条件。一种用于检测过电流条件的技术涉及直接测量例如具有半桥的开关网络的输出电流。用于检测过电流条件的另一种技术涉及在开关中实现快速去饱和或饱和检测。在电流过载期间，当开关退出饱和时，BJT或IGBT的集电极-发射极电压VCE会迅速增大。退出饱和的BJT或IGBT有时可以被称为处于“去饱和”。同样，当开关退出线性工作区域时，MOSFET的漏极-源极电压VDS会迅速增大。退出线性区域的MOSFET有时可以被称为处于“饱和”。测量VCE或VDS是用来确定开关是否已经进入去饱和以及电流过载的间接且快速的方式。然而，用于电力发电机和电源的半导体开关可能会在高电压下工作，使得VCE或VDS可能太大而不能用IC直接测量。
技术实现思路
根据本专利技术的优选实施例，一种装置包括阈值生成电路和过功率确定电路。阈值生成电路被配置成基于邻近功率晶体管的温度传感器的输出和功率晶体管中的最大功率耗散来产生阈值。过功率确定电路被配置成基于阈值和开关电压来确定功率晶体管的过功率状态。在功率晶体管的源极与漏极或集电极与发射极之间检测开关电压。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其优点，现在参考下面结合附图进行的描述，在附图中：图1A和图1B是去饱和检测器的电路图；图2是电力系统的框图；图3至图7是去饱和检测系统的框图；以及图8是去饱和检测方法的流程图。具体实施方式以下详细讨论本公开的实施例的实现和使用。然而，应当理解，本文公开的构思可以在各种不同的特定环境中体现，并且本文讨论的特定实施例仅仅是说明性的而不用于限制权利要求的范围。此外，应当理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下做出各种变化、替换和改变。根据各种实施例，提供了用于限制半导体功率开关中的过功率条件的技术。如本文所使用的，在不参考任何特定类型的开关的情况下所使用的术语(去)饱和是指双极型晶体管(例如BJT或IGBT)处于去饱和或者场效应晶体管(例如MOSFET)处于饱和。除了其他参数，功率开关的过功率条件也可以通过确定功率开关中的过电流条件来检测。特别地，IC被配置成间接地测量功率开关的集电极-发射极电压VCE或漏极-源极电压VDS。间接地测量功率开关的集电极-发射极电压VCE或漏极-源极电压VDS是因为它可能会经历例如高达约1000V的大电压摆幅。IGBT的集电极-发射极电压VCE与集电极电流IC的比率随着结的温度漂移。这种漂移会导致不准确的(去)饱和检测，从而导致误报并导致逆变器不稳定。此外，不准确的(去)饱和检测可能导致漏报，从而导致IGBT在过电流状态期间保持导通，这可能通过电气过应力而损坏IGBT或降低IGBT的可靠性。这种漂移可能会增加开关的故障率，从而由于电应力或热应力而降低可靠性。各种实施例将一个或多个温度传感器与用于半导体功率开关的驱动器系统整合，并且改变指示开关(去)饱和的VCE或VDS的阈值(有时称为“(去)饱和阈值”)。根据测量的温度来改变(去)饱和阈值。半导体功率开关在加载或过载时快速关断可能导致开关损坏和/或导致不期望的电路工作。软切换(例如逐渐切换)可以允许在部分负载或全负载下切断半导体功率开关。硬切换或突然切换仅在某些负载下是安全的。例如，如果在集电极电流超过标称量的两倍时突然切换某些开关，则这些开关可能会被损坏或不正确地工作。由于可能耦接至开关的串联电感，当开关被关断时，能量可能积聚并导致开关的过电压。某些类型的开关，例如碳化硅(SiC)MOSFET，可以具有较小的饱和检测阈值，该阈值随着温度变化漂移更多。例如，一些IGBT可以具有大约9V的去饱和检测阈值，但是一些SiCMOSFET可以具有小于2V的饱和检测阈值。具有较低(去)饱和检测阈值的器件会受到电源电压和/或输出电流中的扰动的更严重影响，并且因此会更快地进入突然关断不安全的工作区域。另外，较低阈值器件的温度系数与较高阈值器件相似。因此，较低阈值器件会受到温度变化的更严重影响。在一些实施例中，可以在针对温度变化调节(去)饱和阈值之后对(去)饱和阈值进行补偿。调节(去)饱和阈值以维持特定的工作条件可以使开关中的短路损耗保持恒定。针对较高温度过补偿(去)饱和阈值可以进一步降低在这些温度下的短路损耗，并且防止开关超过工作条件的使硬切换不安全的量。这可以减小开关结经历的最大温度，从而降低器件中的应力。尽管在根据温度传感器调节BJT或IGBT的去饱和阈值的背景下介绍了所示的实施例，但是应当理解，本文介绍的技术可以应用于其它功率开关。例如，也可以测量MOSFET的端子两端的电压，并且可以调节MOSFET的饱和阈值。此外，可以使用多于一个的环境传感器和/或多于一种类型的环境传感器。图1A是根据一个实施例的去饱和检测器系统100的电路图，该去饱和检测器系统100可以是功率逆变器的一部分。去饱和检测器系统100包括功率开关102、检测器接口电路104、温度传感器106和栅极驱动器108。功率开关102是诸如BJT、IGBT或MOSFET的半导体功率开关。当功率开关102是BJT或IGBT时，功率开关102的集电极-发射极电压VCE在功率开关102进入去饱和的过载条件期间会增大。当功率开关102是MOSFET时，功率开关102的漏极-源极电压VDS在功率开关102进入饱和的过载条件期间会增大。在功率开关102是MOSFET的实施例中，功率开关102可以是SiCMOSFET。功率开关102的集电极-发射极电压VCE可以具有高达约1000V的电压摆幅。检测器接口电路104耦接至功率开关102并且间接测量功率开关102的集电极-发射极电压VCE或漏极-源极电压VDS。检测器接口电路104包括串联的高电压二极管110和保护电阻器112，并且耦接至功率开关102的集电极或漏极。高电压二极管110在正向方向上具有电压降VD。保护电阻器112具有电阻Rprot。在一些实施例中，电阻Rprot约为1kΩ。尽管图1A示出了耦接至功率开关102的高电压二极管110的阴极，但是应当理解，高电压二极管110和保护电阻器112可以被交换，使得保护电阻器112耦接至功率开关102而高电压二极管110的阳极耦接至栅极驱动器108。温度传感器106测量去饱和检测器系统100中的各种温度，使得可以调节去饱和阈值。如下文所讨论的，温度传感器106可以测量去饱和检测器系统100中的一个或若干个器件的温度，并且可以测量环境温度或器件结温度。栅极驱动器108产生提供给功率开关102的栅极的高电流和/或高电压驱动输出。驱动输出可以是根据逻辑电平信号(如微控制器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测装置，包括：阈值生成电路，其被配置成基于邻近功率晶体管的温度传感器的输出和所述功率晶体管中的最大功率耗散来产生阈值；以及过功率确定电路，其被配置成基于所述阈值以及在所述功率晶体管的源极与漏极之间或集电极与发射极之间检测到的开关电压，来确定所述功率晶体管的过功率状态。

【技术特征摘要】
2016.09.30 US 15/282,6491.一种检测装置，包括：阈值生成电路，其被配置成基于邻近功率晶体管的温度传感器的输出和所述功率晶体管中的最大功率耗散来产生阈值；以及过功率确定电路，其被配置成基于所述阈值以及在所述功率晶体管的源极与漏极之间或集电极与发射极之间检测到的开关电压，来确定所述功率晶体管的过功率状态。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述过功率确定电路包括：比较器，其被配置成将所述阈值与所述开关电压进行比较。3.根据权利要求1所述的装置，还包括：存储器，其被配置成存储将所述阈值与所述温度传感器的输出相关联的系数，所述阈值生成电路还被配置成基于存储在所述存储器中的系数来调节所述阈值。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述过功率确定电路包括：比较器，其被配置成耦接至检测器接口电路，所述比较器测量所述开关电压，所述检测器接口电路包括保护电阻器和二极管，所述保护电阻器和所述二极管串联耦接；以及电流源，其被配置成提供通过所述保护电阻器和所述二极管的偏置电流。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述功率晶体管是双极结型晶体管BJT，并且根据下式来产生指示所述BJT的过功率状态的电压：VDESAT＝Im*Rprot+VD+VCE其中，Rprot是所述保护电阻器的电阻，VD是所述二极管的正向电压，Im是所述偏置电流，以及VCE是所述开关电压。6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述功率晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述阈值生成电路被配置成测量所述过功率确定电路、所述二极管和所述功率晶体管中的至少一个的温度，以及所述阈值生成电路还被配置成根据所测量的温度来产生所述阈值。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述阈值生成电路还被配置成根据所述过功率确定电路、所述二极管和所述功率晶体管中的至少一个的组合温度系数来产生所述阈值。9.根据权利要求4所述的装置，其中，所述温度传感器位于与所述二极管相同的半导体管芯上。10.根据权利要求4所述的装置，其中，所述温度传感器位于与所述功率晶体管相同的半导体管芯上。11.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡尔·诺林，埃尔温·胡贝尔，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT