[发明专利]用于功率半导体开关的监测方法和设备

说明书

本发明涉及一种用于功率半导体开关的监测方法和设备。该功率半导体开关被配置成基于通过栅极驱动器单元驱动的栅极电压信号受控。该设备包括：测量装置，该测量装置用于基于功率半导体开关上的电压生成饱和电压信号；辅助开关，该辅助开关连接在携载该饱和电压信号的饱和电压信号线与驱动栅极电压信号的栅极驱动器单元的输出之间，其中，该辅助开关被配置成基于该栅极电压信号被控制为导通状态或不导通状态；以及反馈装置，该反馈装置用于基于该饱和电压信号生成饱和反馈信号。

技术领域

本发明涉及监测功率半导体开关的操作，特别涉及监测控制该开关的栅极驱动器的电源电压。

背景技术

在逆变器或频率转换器中，功率半导体开关通常各自被控制为两个操作状态中的一个操作状态：导通状态(即，接通状态)或者不导通状态(即，断开状态)。简单地说，在导通状态中电流流过开关并且该开关上的电压接近零。在不导通状态中，开关不传导电流，并且该开关上的电压处于较高电平。例如，在逆变器的情况下，在不导通状态中的开关上的电压可以为逆变器的直流(DC)链路的全电压(或该电压的一半)。功率半导体开关可以为例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

栅极驱动器可以用于将开关接通或断开。栅极驱动器可以使用正电压将功率半导体开关接通和使用负电压将该开关断开。通过使用负的断开电压，可以防止在开关的栅极上的电压尖峰的情况下开关虚接通。可以通过隔离电源来提供电源电压。

检测短路状况在一些使用功率半导体开关的应用中会是重要的。例如，可以期望快速且可靠的短路检测来避免对开关和/或相关电路元件的永久损害。

为了检测短路，可以测量开关的饱和电压。该饱和电压可以通过例如IGBT的集电极-发射极电压来表示。了解该电压在一定限度以上还是以下可能是足够的。例如，可以将饱和电压与栅极驱动器的电源的正电压进行比较。

为了避免在切换事件期间的假短路故障，短路检测可以包括防止在IGBT完全接通之前读取饱和输入的小延迟。

图1a和图1b示出了基于集电极-发射极电压v_CE的测量值的短路检测的示例性波形。图1a示出了在正常操作期间的波形。栅极电压v_G被用于控制半导体开关。在时刻t₁，栅极电压从-15V切换至15V，并且开关接通。集电极-发射极电压v_CE降低至接近零的值。通过将集电极-发射极电压v_CE与在此情况下为15V的设定检测限度进行比较来生成二电平饱和反馈v_fb信号。集电极-发射极电压v_CE比该限度低，并且从而饱和反馈v_fb被设定为在此情况下为5V的高电平。

在图1a的时刻t₂，栅极电压切换回-15V。开关断开并且集电极-发射极电压v_CE升高至设定限度以上。在小延迟之后，饱和反馈信号v_fb被设定为在此情况下为0V的低电平。

图1b示出了在短路期间的波形。再次，在时刻t₁，栅极电压从-15V切换至15V，开关接通并且集电极-发射极电压v_CE降低至接近零的值。集电极-发射极电压v_CE比检测限度低并且被设定为高电平。然而，由于大的短路电流开始流过开关所以集电极-发射极电压v_CE开始再次升高而不是保持接近零。集电极-发射极电压v_CE超过检测限度，并且在小延迟之后，饱和反馈信号v_fb被再次设定为低电平。

在图1b的时刻t₂，栅极电压切换回-15V。开关断开并且集电极-发射极电压v_CE升高至高的不导通状态电平。