具有动态定时的多级栅极断开制造技术

具有动态定时的多级栅极断开。一种用于断开功率半导体开关(304)的电路(342，346)包括：断开晶体管(364)，其被耦合以将用于断开功率半导体开关的信号接入到功率半导体开关的控制端子上；以及反馈控制环路，其用于控制断开期间功率半导体开关的控制端子上的电压(U

【技术实现步骤摘要】
具有动态定时的多级栅极断开本申请是申请日为2015年7月9日、申请号为2015800371714(国际申请号为PCT/EP2015/065712)、专利技术名称为“具有动态定时的多级栅极断开”的中国专利技术专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2014年7月9日提交的名称为“MULTI-STAGEGATETURN-OFFWITHDYNAMICTIMING”的第62/022,304号美国临时申请的优先权。本申请要求2015年6月19日提交的名称为“MULTI-STAGEGATETURN-OFFWITHDYNAMICTIMING”的第14/744,862号美国申请的优先权。
本专利技术涉及用于半导体开关的断开(turnoff)电路、包括用于半导体开关的断开电路和有源箝位电路的系统以及用于断开半导体开关的方法。
技术介绍
已知若干种用于在短路状态和/或过电流状态的情况下断开半导体开关(并且尤其是功率半导体开关)的方法。在一个示例中，半导体开关的控制输入端(例如栅极端子)可以耦合至第一电阻和第二电阻，其中在正常运行期间，第一电阻被布置为将半导体开关的控制输入端耦合至参考电位(例如半导体开关的发射极电压)，并且因此使半导体开关断开。在短路和/或过电流的情况下，现在可以在半导体开关的控制输入端与参考电位之间耦合较大的第二电阻。结果，用以使半导体开关的控制输入端放电的电流减小。半导体开关的控制输入端处的电压比正常运行期间减小得要慢。因此可以防止过度突然的断开操作，这样的过度突然的断开操作可能会导致由半导体开关的输出端处的负载两端的寄生电感确定的、半导体开关中的危险的过电压状况。
技术实现思路
用于半导体开关的第一断开电路包括：具有可变电阻的元件，所述元件耦合至半导体开关的控制输入端；用于生成控制输入端参考信号的电路；以及控制电路，该控制电路被设计为以闭合控制环路响应于控制输入端参考信号来调整具有可变电阻的元件的电阻，以便使半导体开关断开。以闭合控制环路对具有可变电阻的元件进行调整使得可以提供动态断开电路，该动态断开电路对于各种不同的半导体开关实现了令人满意的结果。由于可以通过具有可变电阻的元件的经调整的电阻来调整通过半导体开关的控制输入端(例如通过栅极输入端)的电流，所以断开电路可以动态地与相应的半导体开关匹配。在来自先前参考文献的一些断开电路中，对于不同的半导体开关需要使用不同的部件，以便确保控制输入端电压的令人满意的分布(profile，曲线)。例如，在以上示例中可能指明的是，对不同类型的半导体开关使用不同大小的电阻。如果未发生这种匹配，则可能出现以下情形：短路状态持续较长时间(如果电阻高于所需的电阻)，或者半导体开关的输出端处的负载上的电压未减小到足够的程度。其他更复杂的断开电路需要更多数量和/或昂贵的部件。用于半导体开关的第二断开电路包括：具有可变电阻的元件，所述元件耦合至半导体开关的控制输入端；检测电路，该检测电路被设计为检测半导体开关的控制输入端电压或对应的控制输入端电流的米勒平坦区(Millerplateau，米勒平台)的结束；以及控制电路，该控制电路被设计为控制具有可变电阻的元件的电阻值，使得存在于半导体开关的控制输入端处的电压在米勒平坦区结束之后以预定速率减小。通过将半导体开关的断开分布与米勒平坦区的结束的检测相结合，第二断开电路同样可以与不同的半导体开关动态地匹配。对于不同的半导体开关(在许多情况下，甚至对于宽范围的温度和工艺参数)，米勒平坦区(即这样一区域，在该区域中，通过控制输入端的基本上总电流促使对半导体开关的控制输入端与漏极、集电极或阳极输入端之间的寄生电容进行充电，使得半导体开关的控制输入端与半导体开关的源极、发射极或阴极输入端之间的电压基本上保持恒定)可以处于类似的电压范围内。例如，在许多IGBT中，米勒平坦区可以在9.5伏到11.5伏之间。此外，米勒平坦区的结束可以指示这样一时刻，在该时刻处，半导体开关的漏极、集电极或阳极电流在短路和/或过电流的情况下减小至安全水平，并且另一方面，断开运行的持续不会导致半导体开关的输出端上的高过电压。因此，可以针对半导体开关的断开特性的改变选择有利的动态切换点。在第一实施方案中，用于半导体开关的断开电路包括：具有可变电阻的元件，所述元件耦合至半导体开关的控制输入端；用于生成控制输入端参考信号的电路；以及控制电路，该控制电路被设计为以闭合控制环路响应于控制输入端参考信号来调整具有可变电阻的元件的电阻，以便使半导体开关断开。该断开电路可以具有以下特征中的一个或多个。例如，具有可变电阻的元件是半导体开关。在另一示例中，具有可变电阻的元件是MOSFET半导体开关，具有可变电阻的元件是MOSFET半导体开关。此外，具有可变电阻的元件的可变电阻形成在半导体开关的漏极、阳极或集电极端子与源极、阴极或发射极端子之间。此外，具有可变电阻的元件与另一电阻串联耦合在半导体开关的控制输入端与参考电位之间。例如，控制输入端参考信号具有按第一速率的第一下降、具有基本上恒定的信号电平的区域以及按第二速率的第二下降。作为另一示例，第二速率高于第一速率。此外，第一速率和第二速率在时间上是可变的。在另一示例中，断开电路还包括检测电路，该检测电路被设计为检测半导体开关的控制输入端电压或控制输入端电流的米勒平坦区的结束，其中，用于生成控制输入端参考信号的电路被设计为响应于检测到米勒平坦区的结束使控制输入端参考信号的电平以预定速率减小。此外，米勒平坦区的结束是基于具有可变电阻的元件的控制输入端处的电压来检测的。此外，当具有可变电阻的元件的控制输入端处的电压下降到确定的信号电平以下时，检测到米勒平坦区的结束。例如，预定信号电平在具有可变电阻的元件的预期栅极阈值电压的50％至150％的范围内。在另一示例中，预定信号电平在0.3到2伏的范围内。此外，该预定信号电平是借助于参考电流并且借助于基于与上述具有可变电阻的元件相同的技术的第二元件来确定的。在一些情况下，第二元件的面积或栅极宽度是上述具有可变电阻的元件的面积或栅极宽度的K倍，并且其中参考电流被选择成使得其为针对米勒平坦区的结束设计的、具有可变电阻的元件的输出电流的阈值的K倍。例如，参考电流被耦合至具有可变电阻的第二元件的控制输入端，尤其是栅极，以及耦合至具有可变电阻的第二元件的输出端，尤其是漏极。此外，参考电流被选择为小于100微安，并且K被选择为小于1％。在一些情况下，控制输入端参考信号的电平在米勒平坦区的结束到达之前基本上是恒定的，并且响应于检测到米勒平坦区的结束，控制输入端参考信号的信号电平以预定速率减小。此外，断开电路还包括用于检测半导体开关的控制输入端处的电压的电路。如在另一示例中，控制电路被设计为响应于控制输入端参考信号和半导体开关的控制输入端处的电压来调整具有可变电阻的元件的电阻。此外，控制电路包括第一比较电路，以便将控制输入端参考信号与半导体开关的控制输入端处的电压进行比较。例如，用于响应于第一比较电路的输出而生成用于具有可变电阻的元件的控制信号的电路。例如，用于生成控制信号的电路包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于半导体开关的断开电路，包括：/n具有可变电阻的元件，所述元件耦合至所述半导体开关的控制输入端；/n用于生成控制输入端参考信号的电路；/n控制电路，所述控制电路被设计为以闭合控制环路响应于所述控制输入端参考信号来调整所述具有可变电阻的元件的电阻，以便使所述半导体开关断开；/n有源箝位电路，所述有源箝位电路被设计为主动地将所述半导体开关的驱动电路的输出电压增加至为了使所述半导体开关的输出电压保持在确定的阈值电压以下所需的程度；以及/n选择电路，所述选择电路响应于选择信号启用所述断开电路或所述有源箝位电路，以便在故障情况下断开所述半导体开关。/n

【技术特征摘要】
20140709 US 62/022,304;20150619 US 14/744,8621.一种用于半导体开关的断开电路，包括：
具有可变电阻的元件，所述元件耦合至所述半导体开关的控制输入端；
用于生成控制输入端参考信号的电路；
控制电路，所述控制电路被设计为以闭合控制环路响应于所述控制输入端参考信号来调整所述具有可变电阻的元件的电阻，以便使所述半导体开关断开；
有源箝位电路，所述有源箝位电路被设计为主动地将所述半导体开关的驱动电路的输出电压增加至为了使所述半导体开关的输出电压保持在确定的阈值电压以下所需的程度；以及
选择电路，所述选择电路响应于选择信号启用所述断开电路或所述有源箝位电路，以便在故障情况下断开所述半导体开关。


2.根据权利要求1所述的断开电路，其中所述具有可变电阻的元件与另一电阻串联耦合在所述半导体开关的所述控制输入端与参考电位之间。


3.根据权利要求2所述的断开电路，其中所述控制输入端参考信号具有按第一速率的第一下降、具有基本上恒定的信号电平的区域以及按第二速率的第二下降。


4.根据权利要求3所述的断开电路，其中所述第二速率高于所述第一速率。


5.根据权利要求3所述的断开电路，其中所述第一速率和所述第二速率在时间上是可变的。


6.根据权利要求1所述的断开电路，其中所述断开电路还包括检测电路，所述检测电路被设计为检测所述半导体开关的控制输入端电压或控制输入端电流的米勒平坦区的结束，其中，所述用于生成控制输入端参考信号的电路被设计为响应于检测到米勒平坦区的结束使所述控制输入端参考信号的电平以预定速率减小。


7.根据权利要求6所述的断开电路，其中当所述具有可变电阻的元件的所述控制输入端处的电压下降到确定的信号电平以下时，检测到米勒平坦区的结束。


8.根据权利要求7所述的断开电路，其中所述预定信号电平
在所述具有可变电阻的元件的预期栅极阈值电压的50％至150％的范围内，或
在0.3到2伏的范围内。


9.根据权利要求7所述的断开电路，其中所述预定信号电平是借助于参考电流并且借助于基于与所述具有可变电阻的元件相同的技术的第二元件来确定的，其中所述第二元件的面积或栅极宽度是所述具有可变电阻的元件的面积或栅极宽度的K倍，并且其中所述参考电流被选择成使得其为针对所述米勒平坦区的结束设计的、所述具有可变电阻的元件的输出电流的阈值的K倍。


10.根据权利要求1所述的断开电路，其中所述断开电路还包括用于检测所述半导体开关的所述控制输入端处的电压的电路，其中所述控制电路被设计为响应于所述控制输入端参考信号和所述半导体开关的所述控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：简·塔尔海姆，
申请(专利权)人：电力集成瑞士有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH