CN105659497A - 功率半导体的过压保护电路和保护功率半导体不受过压损害的方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造了一种过压保护电路5以及一种用于保护功率半导体（31，32）不受过压损害的方法。为此，在功率半导体开关上附着的电压首先借助电阻分压器被转换到与附在功率半导体开关上的电压相一致的低电压信号。于是，被减小的电压信号通过过压检测器（例如齐纳二极管或者抑制二极管）被分析，并且在超过该二极管的响应电压时，要被保护的功率半导体开关被操控。通过借助于分压器来降低电压水平，具有较低的电压水平的齐纳二极管或者抑制二极管能够被用来监控过压，所述齐纳二极管或者抑制二极管相对于相对应的具有较高的电压水平的二极管具有被改善的运行特性。

Description

功率半导体的过压保护电路和保护功率半导体不受过压损害的方法

技术领域

本发明涉及一种用于功率半导体的过压保护电路和一种用于保护功率半导体不受过压损害的方法。

背景技术

基于半导体开关的功率开关是公知的。因为这种功率半导体开关不具有可移动的机械部分，所以这些功率半导体开关使得能够超过长时间段地在很短的开关时间的情况下耐磨损地运行。例如，具有绝缘栅的双极型晶体管（IGBT）或者金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）被用作这种功率半导体开关。为了保护这些晶体管，功率半导体开关额外地还被配备有续流二极管。因为这种功率半导体开关的耐压强度受限，所以必须利用额外的电路措施确保在所述功率半导体开关的输入端与输出端之间的电压始终低于所谓的击穿电压。如果在所述功率半导体开关的端子之间的电压升高到超过该击穿电压，那么存在功率半导体开关被毁坏的危险。这种毁坏是不可逆的。

因而，为了保护所述功率半导体开关不受这种危险的过压损害，所谓的齐纳二极管（Zener-Diode）或者抑制二极管（Suppressor-Diode）被采用。如果例如基于被中断的通过电流而在负载电感中应形成过压峰值，那么在超过齐纳二极管或者抑制二极管的击穿电压的情况下，相对应的功率半导体开关活跃地（aktiv）被操控（ansteuern）。因此，通过功率半导体开关的被更新的通过电流是可能的，由此所述电压峰值被限制到安全的值上。额外地，调节器常常位于开关电路中，所述调节器通过对所述功率半导体开关的控制电压的干预而限制在输出端上的电压。然而，这种调节器具有低的动力学，使得由此短的过压峰值没有被调整，由此采用之前所描述的齐纳二极管或抑制二极管成为必要的。

德国专利申请DE102010008815A1公开了一种用于保护半导体不受过压损害的设备，其中只有当半导体开关切断时，该设备才被置于活跃的状态。在此，过压保护通过接线有齐纳二极管而被实现。

因而，对功率半导体开关的保护应得到重大意义。因而存在对功率半导体的可靠的过压保护的需求。尤其是形成对用于功率半导体的具有微小的温度相关性的过压保护的需求。除此之外，也存在对功率半导体开关的具有低的容差和高的防老化能力的过压保护的需求。

发明内容

对此，本发明按照第一方面创造了一种用于功率半导体的过压保护电路，该过压保护电路具有：第一电阻，其被布置在过压保护电路的第一端接线点和节点之间；第二电阻，其被布置在该节点与过压保护电路的第二端接线点之间；具有控制端子、输入端和输出端的半导体开关，其中输出端与过压保护电路的第二端接线点相连；和过压检测器，其被设计为在超过在过压检测器的两个端子之间的预先确定的电压的情况下转变到至少部分电导通的状态，其中该过压检测器被布置在该节点和半导体开关的控制端子之间的电流路径中。

本发明按照另一方面创造了一种用于保护功率半导体不受过压损害的方法，该方法具有步骤：提供具有第一电阻和第二电阻的分压器，该分压器利用第一电阻被电连接在节点上；通过分压器检测在功率半导体开关的端子上的电压；通过过压检测器监控在分压器的节点上的电压；如果由过压检测器所监控的在分压器的节点上的电压超过预先确定的电压，那么操控半导体开关；和输出过压保护控制信号。

本发明的优点

在此，本发明所基于的思想是借助于分压器检测附在功率半导体开关上的电压，并且在此分析与附在功率半导体开关上的电压成比例的较小的电压信号。在此，对相对应较小的在分压器的输出端上的电压信号的分析通过过压检测器被监控。该过压检测器优选地是半导体二极管，该半导体二极管在超过预先确定的电压的情况下变为导通的。在此，由于通过分压器明显被降低的要被监控的电压，针对所述低电压被优化的构件可以被采用，用于监控出现的过压。

在功率半导体开关根据应用领域被用于在数百伏特范围内的电压的同时，通过借助于分压器来降低电压，过压检测器可以在明显更小的电压范围内被使用。这种过压检测器可以明显更廉价地被获得。除此之外，在选择适当的过压检测器时也可以动用（与实际上在功率半导体开关上出现的电压无关地）具有被优化的运行参数的构件。例如，可以选择具有特别低的容差范围的过压检测器。由此，过压保护的响应性能可以被改善。

此外，具有低的温度相关性的构件也可以被用作过压保护装置。因为刚好在接上大功率时高的热损耗也以热量的形式形成，所以与之联系在一起的温度波动导致常规的保护设备的响应性能方面的大偏差。通过被优化地选择适当的过压保护设备，该温度相关性可以被改善。

此外，由于相对应的过压保护装置的适配的响应电压，过压保护装置的老化性能也可以被改善。由于被减小的电压范围，明显更少老化的过压保护部件可以被使用。这导致，在对按照本发明的过压保护设备确定尺寸时，明显更少的安全附加物是必要的，并且因此响应性能也可以更好地被适配到所使用的功率半导体开关的击穿电压上。

在过压保护电路的一实施形式中，过压检测器是齐纳二极管、抑制二极管或者雪崩二极管。这些器件在预给定的电压下首先表现得如常规的二极管那样。如果这种二极管的所施加的电压在截止方向上超过预先确定的极限电压，那么这种二极管也将在截止方向上导通。因此，超过预给定的极限电压以简单的方式可以被检测到。

在一实施形式中，预先确定的电压小于10伏特，在所述预先确定的电压的情况下，过压检测器转变到至少部分电导通的状态。所述预先确定的电压优选地大约在5伏特到6伏特之间的范围内，在所述预先确定的电压的情况下，过压检测器转变到导通状态。具有在该范围内的响应电压的过压检测器（尤其是之前提到的齐纳二极管或者抑制二极管），可以是特别成本有利的并具有很好的特性地被制造。这种过压检测器具有特别微小的响应电压容差。除此之外，针对该电压范围的过压检测器也具有微小的温度相关性。

在一实施形式中，半导体开关是MOSFET或者双极型晶体管。这种半导体开关特别好地适合，以便在检测过压的情况下从在过压保护电路中生成的信号中提供输出信号，所述输出信号适合于在超过允许的电压时保护功率半导体不受过压损害。这种晶体管尤其是很好地适合于，将在相对低的电压水平的情况下生成的用于检测过压的信号放大到更高电压水平的信号。

在一实施形式中，半导体开关的输入端与过压保护电路的第一端接线点相连。优选地，半导体开关的输入端在此通过二极管与过压保护电路的第一端接线点相连。

在可替换的实施形式中，半导体开关的输入端与过压保护电路的供电电压相连。以这种方式，用于使过压保护电路运行的特别稳定的电压可以被提供。

在另一方面，本发明创造了一种具有功率半导体开关和按照本发明的过压保护电路的整流器电路。

在一实施形式中，所述整流器电路包含多个级联的过压保护电路。

附图说明

本发明的另外的实施形式和优点从下面的关于附图的描述中得出。在此，

图1示出了具有三相整流器电路的电路图的示意图；

图2示出了按照第一实施例的具有过压保护电路的整流器电路的电路原理图的示意图；

图3示出了按照另一实施例的具有过压保护电路的整流器电路的电路原理图的示意图；

图4示出了按照可替换的实施例的具有过压保护电路的整流器电路的电路原理图的示意图；

图5示出了按照再一另外的实施例的具有过压保护电路的整流器电路的实施例的示意图；

图6示出了按照另一实施例的具有过压保护电路的整流器电路的电路原理图的示意图；

图7示出了针对按照可替换的实施例的具有过压保护电路的整流器电路的电路原理图的示意图；

图8示出了按照另一实施实例的具有级联的过压保护电路的整流器电路的电路原理图的示意图；和

图9示出了用于如本发明的另一实施实例所基于的方法的流程图的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于传动系统的三相逆变器的电路原理图。由电蓄能器1（例如电池）首先提供直流电压。该直流电压由中间电路电容器2缓存并紧接着被输送给逆变器3（Inverter）。在此，逆变器3对所提供的直流电压进行变换，使得适合于操控电传动装置4的交流电压形成。

在此，在这里所示出的实例中，逆变器3包括六个功率半导体开关31-36。所述半导体开关31-36优选地分别是MOSFET或者IGBT。为了保护功率半导体开关31-36，与所述器件中的每个都分别并联一个续流二极管。在此，在接下来进一步被描述的用于功率半导体开关31-36中的每个的过压保护电路为了一目了然在该图中首先未被示出。

尽管在这里本发明与用于操控三相传动系统的驱动电路有关联地被描述，所述三相传动系统通过直流电压电池馈电，但是本发明并不限于该应用情况。更确切地说，在接下来进一步被描述的用于功率半导体开关的过压保护电路可以在任意的应用范围内被使用。在此，通过这种过压保护电路被保护来不受过压损害的各个功率半导体开关如在之前所描述的三相操控电路那样被实施成具有多个功率半导体开关31-36的组。可替换地，按照本发明的过压保护电路由此也可以被用于只具有唯一的功率半导体开关的应用。

图2示出了用于具有过压保护电路5的整流器电路的电路原理图。与在图1中所示出的电路原理图类似，在这里，整流器电路也由电池馈电（在这里没有被示出）。为了缓存所提供的直流电压，在整流器电路的输入端上布置有中间电路电容器2。利用两个半导体开关31和32，负载4可被接到中间电路电容器2的正极侧或者负极侧上。在此，这两个功率半导体开关31和32推挽式运行，其中然而在转换时维持一定的死时间，以便避免两个功率半导体开关31和32在其中同时导通的交叉。

在此，借助于操控电路6a实现对第一功率半导体开关31的操控。通过该操控电路6a，控制信号被施加在第一功率半导体开关31的控制输入端上，由此所述第一功率半导体开关31可以闭合或者至少部分地被断打。

如果第一功率半导体开关31断开，那么出于不同的原因，可以在该功率半导体开关31的输入端和输出端之间发生电压升高。为了避免损坏功率半导体开关31，在第一功率半导体开关31的输入端和输出端之间的电压通过过压保护电路5被监控。如果附在功率半导体开关31上的电压在此超过预先确定的值，那么通过过压保护电路5，所述功率半导体开关31通过对控制输入端的操控而进入至少部分电导通的状态，使得在功率半导体开关31的输入端和输出端之间的电压再次下降。过压保护电路5的功能随后还详细地被描述。

额外地，所述整流器电路还具有调节器7，所述调节器7通过对功率半导体开关31的控制输入端的操控同样可以限制电压。然而所述调节器具有相对低的动力学，并且因而不能直接补偿快速出现的过压峰值。

图3示出了具有用于保护第二功率半导体开关32的过压保护电路5的整流器电路的电路原理图。在此，该电路布局类似于来自图2的电路布局而被构造。通常，功率半导体开关31和32中的每个都能通过相对应的过压保护电路5被保护不受过压脉冲损害。在此，在图2和3中对第一功率半导体开关31和第二功率半导体开关32的过压保护电路5的分开的图示仅仅用于更好的概览。

图4示出了针对按照一实施形式的具有过压保护电路5的整流器电路的电路原理图的示意图。在此，过压保护电路5具有第一端接线点E和第二端接线点A。第一端接线点E通过二极管与整流器电路的输出端相连。第二端接线点A与功率半导体开关32的控制端子相连。另外，整流器电路与来自之前所描述的图2和3的整流器电路相对应。

在此，所述过压保护电路5具有由两个电阻R1和R2构成的分压器。在此，第一电阻R1被布置在第一端接线点E与节点K之间。第二电阻被布置在所述过压保护电路5的第二端接线点A和节点K之间。在功率半导体开关32的电压因此在由两个电阻R1和R2构成的分压器上降落的同时，根据两个电阻R1和R2的比例在节点K上只存在所述电压的一小部分。因此，通过所述分压器，在整流器电路的输出端和功率半导体开关32的控制端子之间的电压被降低了因子R1/(R1+R2)。这样被减小的电压附在晶体管Q1的基极上。因此，在导通状态下，所述晶体管Q1连接所述过压保护电路5的第一端接线点E与齐纳二极管Z2的端子。该齐纳二极管Z2的另一端子经由另一电阻R3与另一晶体管Q1的基极相连。如果在电阻R2上的电压超过齐纳二极管Z2的击穿电压，那么电流流到晶体管Q1的基极中，而该晶体管变为导通的。该晶体管的集电极电流现在经由晶体管Q1和齐纳二极管Z2流到另一晶体管Q2的基极中。因此，晶体管Q2也变为导通的。由此，电流流到功率半导体开关32的控制端子中并至少部分地接通该功率半导体开关32。由此，在功率半导体开关32中的电流增长速率被限制，并且在功率半导体开关32的输入端和输出端之间的过压被减小。

因为通过两个电阻R1和R2的分压器而使电压电位与在功率半导体开关32上的过压相比明显降低，所以具有被减小的击穿电压的齐纳二极管Z2或者相对应的抑制二极管可以被用于检测过压。这种齐纳二极管或者抑制二极管的击穿电压优选地在10伏特之下，特别优选地在5到6伏特的范围中。这种二极管一方面特别廉价，而且除此之外，这种二极管关于响应电压和温度性能也具有比这在具有在100或者更多百伏特范围中的显著更高的检测电压的二极管中的情况明显更好的运行参数。

图5示出了过压保护电路5的另一实施形式的电路原理图。在此，该过压保护电路5基本上与图4的过压保护电路5相对应。在这种情况下，仅仅另一晶体管Q2被实施为MOSFET，以替代双极型晶体管。此外，在这种情况下，另一电阻R3被布置在MOSFETQ2的控制端子与过压保护电路5的第二端接线点A之间。

图6示出了过压保护电路5的另一可替换的实施形式。在这种情况下，过压保护电路5具有由两个晶体管Q1和Q2构成的双极型达林顿晶体管（Bipolar-Darlington-Transistor）电路。在此，这两个双极型晶体管Q1和Q2由驱动器供电电压V_DD馈电。在这种情况下，达林顿电路的这两个双极型晶体管Q1和Q2必须只具有驱动器供电电压V_DD的耐压强度。对于这种电压等级来说，具有有利的技术数据（诸如高的电流放大）的晶体管是可能的。在此，被布置在电阻Q1和Q2与驱动器电压V_DD之间的电阻限制在所述功率半导体开关32的控制端子中的最大通过电流。

图7示出了类似于图5的相对应的MOSFET变型方案，其中在图7中，晶体管由类似于图6的驱动器供电电压V_DD馈电。

图8示出了具有多个级联的过压保护电路5的另一实施形式。通过多个过压保护电路5的级联，在所述多个过压保护电路中，一个过压保护电路5的输出端与随后的过压保护电路5的输入端相连，附在各个过压保护电路5上的电压可以进一步被降低。

在所有之前所描述的实施例中，过压保护电路5分别将控制信号直接发出到相对应的功率半导体开关31、32上，以便将所述功率半导体开关31、32转化到至少部分导通的状态。可替换地，同样可能的是，输出信号首先通过过压保护电路5被转发给驱动器电路，并且于是该驱动器电路被促使，操控相对应的功率半导体开关31、32，使得所述相对应的功率半导体开关31、32转变到至少部分导通的状态。例如，所述过压保护电路5为此可以向合适的集成电路输出相对应的控制信号，所述控制信号被集成电路分析，以便操控功率半导体开关31、32。不言而喻地，替换于集成电路，用于操控功率半导体开关31、32的分立构造的操控电路也是可能的。

图9示出了用于保护功率半导体5不受过压损害的方法100的流程图的示意图。在步骤110中，具有第一电阻R1和第二电阻R2的分压器被提供，其中所述第一电阻R1和所述第二电阻R2在节点K上相互电连接。在步骤120中，通过分压器检测在功率半导体开关31、32的端子上的电压。此外，在步骤130中，在分压器的节点K上的电压通过过压检测器Z2被监控。如果由过压检测器Z2所监控的在分压器的节点K上的电压超过预先确定的电压，那么在步骤140中，半导体开关Q2被操控。于是，在步骤150中，过压保护信号被输出。通过该过压保护信号，要被监控的功率半导体开关31、32可以被转化到至少部分导通的状态，由此在该功率半导体开关31、32上的过压被降低。

总结来说，本发明涉及一种过压保护电路和一种用于保护功率半导体不受过压损害的方法。为此，在功率半导体开关上附着的电压首先借助于电阻分压器被转换到与附在功率半导体开关上的电压相一致的低电压信号。于是，被减小的电压信号通过过压检测器（例如齐纳二极管或者抑制二极管）被分析，并且在超过所述二极管的响应电压时，要被保护的功率半导体开关被操控。通过借助于分压器来降低电压水平，具有较低的电压水平的齐纳二极管或者抑制二极管可以被用于监控过压，所述具有较低的电压水平的齐纳二极管或者抑制二极管相对于相对应的具有较高的电压水平的二极管具有被改善的运行特性。

Claims (9)

1.用于功率半导体开关（31、32）的过压保护电路（5），其具有：

被布置在所述过压保护电路（5）的第一端接线点（E）与节点（K）之间的第一电阻（R1）；

被布置在节点（K）与所述过压保护电路（5）的第二端接线点（A）之间的第二电阻（R2）；

具有控制端子、输入端和输出端的半导体开关（Q2），其中所述输出端与过压保护电路（5）的第二端接线点（A）相连；和

过压检测器（Z2），所述过压检测器（Z2）被设计为在超过在过压检测器（Z2）的两个端子之间的预先确定的电压时转变到至少部分电导通的状态，其中过压检测器（Z2）被布置在节点（K）与半导体开关（Q2）的控制端子之间的电流路径中。

2.根据权利要求1所述的过压保护电路（5），其中，所述过压检测器（Z2）是齐纳二极管、抑制二极管或者雪崩二极管。

3.根据权利要求1或2所述的过压保护电路（5），其中，所述预先确定的电压小于10伏特，在所述预先确定的电压的情况下，所述过压检测器（Z2）转变到至少部分电导通的状态。

4.根据权利要求1至3之一所述的过压保护电路（5），其中，所述半导体开关（Q2）是MOSFET或者双极型晶体管。

5.根据权利要求1至4之一所述的过压保护电路（5），其中，所述半导体开关（Q2）的输入端与所述过压保护电路（5）的第一端接线点（E）相连。

6.根据权利要求1至4之一所述的过压保护电路（5），其中，所述半导体开关（Q2）的输入端与所述过压保护电路（5）的供电电压（V_DD）相连。

7.整流器电路，其具有：

功率半导体开关（31、32）；和

根据权利要求1至6之一所述的过压保护电路（5）。

8.根据权利要求7所述的整流器电路，其中，所述整流器电路包括多个级联的过压保护电路（5）。

9.用于保护功率半导体开关（31、32）不受过压损害的方法（100），其具有如下步骤：

提供（110）具有第一电阻（R1）和第二电阻（R2）的分压器，所述分压器利用所述第一电阻（R1）被电连接在节点（K）上；

通过分压器检测（120）在所述功率半导体开关（31、32）的端子上的电压；

通过所述过压检测器（Z2）监控（130）在所述分压器的节点（K）上的电压；

如果由过压检测器（Z2）所检测的在所述分压器的节点（K）上的电压超过预先确定的电压，则操控（140）半导体开关（Q2）；和

输出（150）过压保护控制信号。