半导体开关的保护制造技术

本发明专利技术涉及一种用于半导体开关(3)的保护电路(9)，半导体开关具有通过栅极驱动器(7)能够驱控的栅极(5)。保护电路(9)包括用于检测栅极(5)的栅极电荷的积分器(15)和用于根据栅极电荷相对于参考电荷的值来关断半导体开关(3)的比较单元(19)。的比较单元(19)。的比较单元(19)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体开关的保护


[0001]本专利技术涉及一种用于半导体开关的保护电路、具有这种保护电路的电路布置和一种用于保护半导体开关免受过高的功率损耗的方法，该半导体开关具有能够通过栅极驱动器驱控的栅极。

技术介绍

[0002]半导体开关的栅极表示半导体开关的控制端。本专利技术尤其用作保护电压控制的半导体开关、例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，经由在栅极处的栅极电压或栅极电势来驱控该半导体开关。在过高的功率损耗中、例如在短路的情况下，半导体开关能够被损坏或摧毁。为了避免这样的损坏必须确保，例如在短路的情况下，栅极电压不会明显地升高到栅极电压的特定的接通值之上(保持所谓的“安全操作区域”)。否则栅极电压的上升能够导致过高的电流通过半导体开关、例如在IGBT的情况下的过高的集电极电流或在MOSFET的情况下的漏极电流，并且显著提高功率损耗。
[0003]为了阻止过高的功率损耗，能够借助于高压二极管或运算放大器检测并且监控例如在半导体开关的负载端处的电压、例如在IGBT的情况下的集电极电压或在MOSFET的情况下的漏极电压。替代地，能够例如利用分流器或变流器检测并且监控通过半导体开关的电流。然而，这些方法有时不能足够快速地关断半导体开关，因为必须克服潜在障碍，潜在障碍是复杂的和成本高的和/或由于空气间隙和泄漏路径具有高的空间需求。
[0004]US 2004/0027762 A1公开一种具有栅极电压探测器的控制回路，栅极电压探测器在检测时间周期中检测功率半导体构件的栅极发射极电压。当栅极发射极电压超过参考值时，控制回路在功率半导体构件中识别到异常的发生。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，保护具有能够通过栅极驱动器驱控的栅极的半导体开关免受过高的功率损耗。
[0006]根据本专利技术，该目的通过一种具有权利要求1的特征的保护电路、具有权利要求4的特征的保护电路、具有权利要求7的特征的电路布置、一种具有权利要求10的特征的方法和一种具有权利要求11的特征的方法实现。
[0007]本专利技术有利的设计方案是从属权利要求的内容。
[0008]用于具有能够通过栅极驱动器驱控的栅极的半导体开关的根据本专利技术的保护电路包括用于检测栅极的栅极电荷的积分器和根据栅极电荷相对于参考电荷的值用于关断半导体开关的比较单元。
[0009]本专利技术利用了，使得能够根据半导体开关的栅极的栅极电荷确定电压控制的半导体开关的运行状态(例如阻止运行、饱和运行或线性运行)。因此，根据本专利技术的保护电路具有用于检测栅极电荷的积分器。保护电路还具有比较单元，利用比较单元比较栅极电荷与参考电荷。选择参考电荷，使得栅极电荷利用参考电荷的值发信号指示半导体开关的临界
运行状态。因此，比较单元对此被构造用于，当栅极电荷达到或未超过参考电荷的值时，根据栅极电荷相对于参考电荷的值关断半导体开关——例如关断半导体开关。因此，如果由栅极电荷发信号指示的运行状态要求的话，根据本专利技术的保护电路能够监控半导体开关的运行状态和关断半导体开关。
[0010]在保护电路的第一实施方案中，参考电荷与时间无关(静态的)并且比较单元对此被构造用于，如果栅极电荷未超过参考电荷，关断半导体开关。在此，保护电路具有用于设置在通过比较单元接通半导体开关与关断半导体开关之间的最短持续时间(所谓的选通时间)的计时器。选择最短持续时间，使得在最短持续时间期间，将半导体开关的栅极电容和密勒电容在接通半导体开关的正常运行之后至少近乎完全地再充电、例如至少再充电到90％。这要考虑，必须在接通半导体开关之后才通过半导体开关的栅极电容和密勒电容的再充电积累栅极电荷，直到通过栅极电荷与静态的参考电荷的比较实现半导体开关的运行状态的评价。
[0011]计时器例如具有计时电阻、计时电容器和计时二极管。在此，计时二极管的阳极与计时电阻的第一极和计时电容器的第一电极连接，并且积分器的输出端与输出二极管的阴极连接，输出二极管的阳极与计时二极管的阳极、计时电阻的第一极和计时电容器的第一电极连接。在此，通过计时电阻的电阻值和计时电容器的电容设置在接通半导体开关之后的关断的最短持续时间。计时器的实施方案是成本尤其低的，因为仅使用了电阻和电容器。
[0012]为了实现具有静态参考电荷的保护电路，比较单元例如具有npn双极型晶体管、pnp双极型晶体管、两个比较二极管、比较电容器和三个比较电阻。在此，npn双极型晶体管的集电极与pnp双极型晶体管的基极连接，pnp双极型晶体管的集电极与npn双极型晶体管的基极和第一比较二极管的阳极连接，比较电容器和第一比较电阻分别与pnp双极型晶体管的基极发射极路径并联接通，第二比较电阻与npn双极型晶体管的基极发射极路径并联接通，第一比较二极管的阴极与输出二极管的阳极连接，npn双极型晶体管的发射极与计时电容器的第二电极连接，pnp双极型晶体管的发射极经由第三比较电阻与计时电阻的第二极连接，并且pnp双极型晶体管的基极与第二比较二极管的阴极连接。在比较单元的实施方案中，pnp双极型晶体管和npn双极型晶体管与晶闸管结构连接，通过晶闸管结构的触发关断半导体开关。第一比较二极管例如是Z二极管，Z二极管的齐纳电压限定参考电荷以用于触发晶闸管结构。
[0013]在本专利技术的第二实施方案中，保护电路具有参考充电电路，参考电荷通过参考充电电路在接通半导体开关之后在上升持续时间期间由零升高到终值，其中，比较单元被构造用于，当栅极电荷未超过参考电荷时，关断半导体开关。例如选择上升持续时间，使得半导体开关的栅极电容和密勒电容在接通半导体开关的正常运行之后的上升持续时间过去之后，至少近乎完全地被再充电、例如至少被再充电到90％。
[0014]在保护电路的上述的实施方案中，参考电荷因此不被静态实现，而是在接通半导体开关之后逐渐升高到终值。由此，区别于具有静态的参考电荷的设计方案，在接通半导体开关之后，不需要等待最短时间，直到能够进行栅极电荷与参考电荷的比较。这尤其实现短路的及早的识别和半导体开关的相应的及早的关断，例如在接通半导体开关之后的2μs以内。
[0015]为了实现具有这种动态的参考电荷的保护电路，比较单元例如具有比较运算放大
器和比较二极管，并且参考充电电路例如具有参考充电电容器、参考充电电阻和两个参考充电二极管。在此，比较运算放大器的正极输入端与积分器的输出端连接，比较运算放大器的负极输入端与参考充电电阻的第一极、参考充电电容器的第一电极和第一参考充电二极管的阳极连接，比较运算放大器的输出端与比较二极管的阴极连接，第一参考充电二极管的阴极与第二参考充电二极管的阴极连接，并且第二参考充电二极管的阳极与积分器的输入端连接。在保护电路的设计方案中，通过参考充电电容器的充电动态地积累参考电荷。通过参考充电二极管的特性限定参考电荷的终值。通过参考充电电阻的电阻值和参考充电电容器的电容设置用于积累参考电荷的上升持续时间。比较运算放大器实现栅极电荷与参考电荷的比较并且通过比较运算放大器的输出电压经由比较二极管实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于半导体开关(3)的保护电路(9)，所述半导体开关具有通过栅极驱动器(7)能够驱控的栅极(5)，所述保护电路(9)包括：
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经由积分器(15)的积分器输出电压(U3)用于检测所述栅极(5)的栅极电荷的积分器(15)；
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根据栅极电荷相对于参考电荷的值用于关断所述半导体开关(3)的比较单元(19)；和
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通过所述比较单元(19)用于设置在接通所述半导体开关(3)与关断所述半导体开关(3)之间的最短持续时间的计时器(17)；其中
‑
所述参考电荷与时间无关并且所述比较单元(19)对此被构造用于，如果所述栅极电荷未超过所述参考电荷，则关断所述半导体开关(3)；并且
‑
选择所述最短持续时间，使得在所述最短持续时间期间，所述半导体开关(3)的栅极电容和密勒电容在接通所述半导体开关(3)的正常运行之后至少近乎完全地被再充电、例如至少被再充电到90％。2.根据权利要求1所述的保护电路(9)，其中，所述计时器(17)具有计时电阻(R1)、计时电容器(C2)和计时二极管(D2)，所述计时二极管(D2)的阳极与所述计时电阻(R1)的第一极(R1_1)和所述计时电容器(C2)的第一电极(C2_1)连接，并且所述积分器(15)的输出端与输出二极管(D3)的阴极连接，所述输出二极管的阳极与所述计时二极管(D2)的阳极、所述计时电阻(R1)的第一极(R1_1)和所述计时电容器(C2)的第一电极(C2_1)连接。3.根据权利要求2所述的保护电路(9)，其中，所述比较单元(19)具有npn双极型晶体管(Q3)、pnp双极型晶体管(Q4)、第一比较二极管(D1)、第二比较二极管(D4)、比较电容器(C3)、第一比较电阻(R8)、第二比较电阻(R6)和第三比较电阻(R7)，所述npn双极型晶体管(Q3)的集电极与所述pnp双极型晶体管(Q4)的基极连接，所述pnp双极型晶体管(Q4)的集电极与所述npn双极型晶体管(Q3)的基极和所述第一比较二极管(D1)的阳极连接，所述比较电容器(C3)和所述第一比较电阻(R8)分别与所述pnp双极型晶体管(Q4)的基极发射极路径并联接通，所述第二比较电阻(R6)与所述npn双极型晶体管(Q3)的基极发射极路径并联接通，所述第一比较二极管(D1)的阴极与所述输出二极管(D3)的阳极连接，所述npn双极型晶体管(Q3)的发射极与所述计时电容器(C2)的第二电极(C2_2)连接，所述pnp双极型晶体管(Q4)的发射极经由所述第三比较电阻(R7)与所述计时电阻(R1)的第二极(R1_2)连接，并且所述pnp双极型晶体管(Q4)的基极与所述第二比较二极管(D4)的阴极连接。4.一种用于半导体开关(3)的保护电路(9)，所述半导体开关具有通过栅极驱动器(7)能够驱控的栅极(5)，所述保护电路(9)包括：
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经由积分器(15)的积分输出电压(U3)用于检测所述栅极(5)的栅极电荷的积分器(15)；
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根据栅极电荷相对于参考电荷的值，用于关断所述半导体开关(3)的比较单元(19)；和
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参考充电电路(18)，通过所述参考充电电路，参考电荷在接通所述半导体开关(3)后在上升持续时间期间由零升高到终值；
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其中，所述比较单元(19)对此被构造用于，如果所述栅极...

【专利技术属性】
技术研发人员：诺伯特，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：