用于保护半桥转换器的功率半导体的系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于保护半桥转换器的至少两个功率半导体的系统，第一功率半导体的漏极连接到正电源，第一功率半导体的源极连接到负载和第二功率半导体的漏极，第二功率半导体的源极连接到负电源。根据本发明专利技术，由第一电流微分感测装置和第二电流微分感测装置感测经过第一功率半导体的电流，由第三电流微分感测装置和第四电流微分感测装置感测经过第二半导体的电流，当经过第一功率半导体的电流增加时第一电流微分装置提供正电压并且第二电流微分装置提供相反的负电压，当经过第二功率半导体的电流增加时第三电流微分装置提供正电压并且第四电流微分装置提供相反的电压，并且该系统在第一电流微分装置和第三电流微分装置提供相同符号的电压的情况下降低第一功率半导体的栅极上的电压，并且在第二电流微分装置和第三电流微分装置提供相同符号的电压的情况下降低第二功率半导体的栅极上的电压。情况下降低第二功率半导体的栅极上的电压。情况下降低第二功率半导体的栅极上的电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于保护半桥转换器的功率半导体的系统及方法


[0001]本专利技术总体上涉及用于保护半桥转换器的至少两个功率半导体的方法及系统。

技术介绍

[0002]今天，电源转换器的开关频率正在增加。如同GaN和SiC半导体的宽带隙器件提供比传统技术更快的开关能力。
[0003]宽带隙功率半导体器件能够以例如高于10V/ns的高速进行开关。这降低了开关损耗，从而允许使用更高的开关频率。
[0004]在电源转换器运行期间，在电源转换器上能够发生许多故障。在所有这些可能的故障当中，短路故障是主要故障。由于其潜在的破坏性，短路问题不容忽视，需要谨慎解决。
[0005]目前，硅功率晶体管已经有能力在十分之一微秒的时段内承受短路(SC)。随着诸如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)之类的宽带隙(WBG)器件的最新出现，这些新组件在短路方面的稳健性已经受到了质疑和已进行了研究，似乎这些器件的稳健性遭受了显著降低。虽然短路行为所涉及的机制尚未完全知晓，但芯片尺寸的减小由于更高电流密度似乎是这种稳健性下降的原因之一。
[0006]由于宽带隙半导体承受短路的能力有限，因此短路检测时间变得至关重要。对于当前的GaN器件，短路持续时间必须低于200ns，以确保半导体的完整性。在此时间期间，必须确实检测到短路，然后锁存，并最终通过栅极缓冲级停止。锁存级和缓冲级具有传播延迟。此外，可能需要进行一些过滤以避免任何虚假行为。通过从短路时间减去所有这些延迟，我们获得了在数十纳秒范围内的保护方案的最小检测和反应时间。
专利技术内容
[0007]本专利技术旨在允许对半桥转换器的功率半导体进行快速保护。
[0008]为此，本专利技术涉及一种用于保护半桥转换器的至少两个功率半导体的系统，第一功率半导体的漏极连接到正电源，第一功率半导体的源极连接到负载和第二功率半导体的漏极，第二功率半导体的源极连接到负电源，其中，由第一电流微分感测装置和第二电流微分感测装置感测经过第一功率半导体的电流，由第三电流微分感测装置和第四电流微分感测装置感测经过第二半导体的电流，第一电流微分装置在经过第一功率半导体的电流增加时提供正电压并且第二电流微分装置在经过第一功率半导体的电流增加时提供负电压，第三电流微分装置在经过第二功率半导体的电流增加时提供正电压并且第四电流微分装置在经过第二功率半导体的电流增加时提供负电压，并且该系统包括：
[0009]‑
用于在第一电流微分装置和第三电流微分装置提供相同符号的电压的情况下降低第一功率半导体的栅极上的电压的装置，
[0010]‑
用于在第二电流微分装置和第三电流微分装置提供相同符号的电压的情况下降低第二功率半导体的栅极上的电压的装置。
[0011]本专利技术还涉及一种用于保护半桥转换器的至少两个功率半导体的方法，第一功率
半导体的漏极连接到正电源，第一功率半导体的源极连接到负载和第二功率半导体的漏极，第二功率半导体的源极连接到负电源，其中，由第一电流微分感测装置和第二电流微分感测装置感测经过第一功率半导体的电流，由第三电流微分感测装置和第四电流微分感测装置感测经过第二半导体的电流，第一电流微分装置在经过第一功率半导体的电流增加时提供正电压，并且第二电流微分装置在经过第一功率半导体的电流增加时提供负电压，第三电流微分装置在经过第二功率半导体的电流增加时提供正电压，并且第四电流微分装置在经过第二功率半导体的电流增加时提供负电压，并且该方法包括以下步骤：
[0012]‑
如果第一电流微分装置和第三电流微分装置提供相同符号的电压，则降低第一功率半导体的栅极上的电压，
[0013]‑
如果第二电流微分装置和第三电流微分装置提供相同符号的电压，则降低第二功率半导体的栅极上的电压。
[0014]因此，本专利技术在短路事件期间通过栅极电压直接控制开关中的电流。这种控制增加了开关承受短路的能力，这是因为开关对短路的稳健性与短路电流有关。
[0015]根据特定特征，该系统还包括，对于每个电流微分感测装置，用于对由电流微分感测装置提供的电压进行滤波的滤波器。
[0016]因此，耦合到被测信号的任何杂散电流微分或寄生电压将被滤波器拒绝。
[0017]根据特定特征，该系统还包括：对于每个电流微分感测装置，用于对由电流微分感测装置提供的经过滤波的电压进行放大的放大器。
[0018]因此，来自电流微分装置的被测信号将能够在不加载传感器的情况下控制栅极电压。
[0019]根据特定特征，对由第一电流微分感测装置提供的经过滤波的信号进行放大的放大器由第一晶体管和第一电阻器组成，第一晶体管的集电极连接到第一功率半导体器件的栅极，第一晶体管的发射极连接第一电阻器的第一端子，对由第三电流微分感测装置提供的经过滤波的信号进行放大的放大器由第二晶体管和第二电阻器组成，第二晶体管的集电极连接到第一电阻器的第二端子，第二晶体管的发射极连接到第二电阻器的第一端子，并且第二电阻器的第二端子链接到第一负电压源。
[0020]因此，仅当电流微分装置的两个输出电压都为正时，两个晶体管的串联连接才激活放大器级。
[0021]根据特定特征，该系统还包括：用于在第一电流微分装置和第三电流微分装置提供相同符号的电压的情况下中断向第一功率半导体的栅极提供信号的装置，用于中断向第一功率半导体的栅极提供信号的装置包括用作电流传感器的第三电阻器、第一比较器和第三电阻器，第一比较器的输出连接到第一功率半导体的栅极驱动器的输入，第三电阻器将第二电阻器的第二端子链接到负电压源。
[0022]因此，通过监测放大器中的电流知晓放大器的状态。比较器的参考电压被调整到对应于短路事件的给定电平。
[0023]根据特定特征，对第二电流微分感测装置提供的经过滤波的信号进行放大的放大器由第三晶体管和第四电阻器组成，第三晶体管的集电极连接到第二功率半导体器件的栅极，第三晶体管的发射极连接到第四电阻器的第一端子，对第三电流微分感测装置提供的经过滤波的信号进行放大的放大器由第四晶体管和第五电阻器组成，第四晶体管的集电极
连接到第四电阻器的第二端子，第四晶体管的发射极连接到第五电阻器的第一端子，并且第五电阻器的第二端子链接到第二负电压源。
[0024]因此，仅当电流微分装置的两个输出电压都为正时，放大器才工作。
[0025]根据特定特征，该系统还包括用于在第二电流微分装置和第四电流微分装置提供相同符号的电压的情况下中断向第二功率半导体的栅极提供信号的装置，用于中断向第二功率半导体的栅极提供信号的装置包括第六电阻器、比较器和电阻器，该比较器的输出连接到第一功率半导体的栅极驱动器，并且电阻器将第二电阻器的第二端子链接到第二负电压源。
[0026]因此，通过监测放大器中的电流知晓放大器的状态。比较器的参考电压被调整到对应于短路事件的给定电平。
[0027]根据特定特征，用于中断向功率半导体的栅极提供信号的装置还包括存储器，该存储器存储比较器的低到高转变。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于保护半桥转换器的至少两个功率半导体的系统，第一功率半导体的漏极连接到正电源，所述第一功率半导体的源极连接到负载和第二功率半导体的漏极，所述第二功率半导体的源极连接到负电源，其中，由第一电流微分感测装置和第二电流微分感测装置感测经过所述第一功率半导体的电流，由第三电流微分感测装置和第四电流微分感测装置感测经过所述第二半导体的电流，所述第一电流微分装置在经过所述第一功率半导体的电流增加时提供正电压，并且所述第二电流微分装置在经过所述第一功率半导体的电流增加时提供负电压，所述第三电流微分装置在经过所述第二功率半导体的电流增加时提供正电压，并且所述第四电流微分装置在经过所述第二功率半导体的电流增加时提供负电压，并且该系统包括：
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用于在所述第一电流微分装置和所述第三电流微分装置提供相同符号的电压的情况下降低所述第一功率半导体的栅极上的电压的装置，
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用于在所述第二电流微分装置和所述第三电流微分装置提供相同符号的电压的情况下降低所述第二功率半导体的栅极上的电压的装置。2.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统还包括对于每个电流微分感测装置，用于对由所述电流微分感测装置提供的电压进行滤波的滤波器。3.根据权利要求2所述的系统，其中，该系统还包括对于每个电流微分感测装置，用于对由所述电流微分感测装置提供的经过滤波的电压进行放大的放大器。4.根据权利要求3所述的系统，其中，对由所述第一电流微分感测装置提供的经过滤波的信号进行放大的所述放大器由第一晶体管和第一电阻器组成，所述第一晶体管的集电极连接到所述第一功率半导体器件的栅极，所述第一晶体管的发射极连接所述第一电阻器的第一端子，对由所述第三电流微分感测装置提供的经过滤波的信号进行放大的所述放大器由第二晶体管和第二电阻器组成，所述第二晶体管的集电极连接到所述第一电阻器的第二端子，所述第二晶体管的发射极连接到所述第二电阻器的第一端子，并且所述第二电阻器的第二端子链接到第一负电压源。5.根据权利要求4所述的系统，其中，该系统还包括：用于在所述第一电流微分装置和所述第三电流微分装置提供相同符号的电压的情况下中断向所述第一功率半导体的栅极提供信号的装置，用于中断向所述第一功率半导体的所述栅极提供信号的所述装置包括第三电阻器、其输出连接到所述第一功率半导体的栅极驱动器的第一比较器、以及将所述第二电阻器的第二端子链接到所述负电压源的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：