CN110324028B - 用于功率半导体开关的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于功率半导体开关的控制装置，其包括：制动装置；第一电流路径；第二电流路径，其以导电方式将致动装置的第二输出连接到控制装置的电路节点，第二电流路径包括电气切断电阻器，其在电路中在致动装置的第二输出和控制装置的电路节点之间电连接；第三电流路径，其以导电方式将控制装置的电路节点连接到控制装置的控制装置端子；切断加速电路，其与切断电阻器并联电连接，包括二极管、电阻器和与所述电阻器并联电连接的电容，二极管的阴极以导电方式连接到电容的第二电气端子，电容的第一电气端子以导电方式连接到朝向致动装置电气取向的切断电阻器的第一电气端子，二极管的阳极以导电方式连接到切断电阻器的第二电气端子。

Description

用于功率半导体开关的控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于功率半导体开关的控制装置。

背景技术

从EP 2 434 627 A1已知一种用于功率半导体开关的控制装置，其具有致动装置，该致动装置设计成，根据控制信号，以相互交替的方式，在其第一输出上产生用于接通功率半导体开关的第一致动电压，并且在其第二输出上产生用于切断功率半导体开关的第二致动电压。第一致动电压经由电接通电阻器供给到功率半导体开关的控制端子，而第二致动电压经由电气切断电阻器供给到功率半导体开关的控制端子。

在功率电子器件中，例如在EP 2 434 627 A1的图2中所示，在许多情况下，两个功率半导体开关分别串联电连接以构成半桥电路。两个功率半导体开关以相互交替的方式切断和接通。为了防止半桥电路的短路，与两个功率半导体开关的相互交替的接通和切断相关联地，两个功率半导体开关必须同时切断给定的时间间隔，该给定的时间间隔应该尽可能短，其在技术上也被描述为“死区”。为了保持死区尽可能地短，技术上希望的是，在相应的致动装置上，接通功率半导体开关时，从时间点t0开始到时间点t2的时间间隔应尽可能短。在时间点t0，在其第一输出上不再产生用于接通功率半导体开关的第一致动电压，并且在其第二输出上开始产生用于切断功率半导体开关的第二致动电压。在时间点t2，功率半导体开关被切断。

为了将该时间间隔保持尽可能短，已知电气切断电阻器的电阻额定为相对较低的值，使得功率半导体开关的栅极-发射极电容经由尽可能快地切断电阻器而放电。然而，不利的是，功率半导体开关以高切断速度切断，使得在功率半导体开关中流动的负载电流显示出高电流变化率(所述高电流变化率是由于电连接到其负载端子的导体中的杂散电感导致的)，这在功率半导体开关的负载电流端子之间产生高电压，可能潜在地导致功率半导体开关的损坏或破坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于功率半导体开关的可靠控制装置，其在半桥电路中允许实现短的死区。

该目的通过一种用于功率半导体开关的控制装置来实现，该功率半导体开关具有第一负载电流端子、第二负载电流端子以及控制端子，所述控制装置包括：

-第一电气控制装置端子，其设置成用于与第一负载电流端子电连接；

-第二电气控制装置端子，其设置成用于与控制端子电连接；

-致动装置，其设计成，根据控制信号，以相互交替的方式，在其第一输出上产生用于接通功率半导体开关的第一致动电压，并在其第二输出上产生用于切断功率半导体开关的第二致动电压；

-第一电流路径，其以导电的方式将致动装置的第一输出连接到控制装置的电路节点；

-第二电流路径，其以导电的方式将致动装置的第二输出连接到控制装置的电路节点，其中第二电流路径包括电气切断电阻器，其在电路中在致动装置的第二输出和控制装置的电路节点之间电连接；

-第三电流路径，其以导电的方式将控制装置的电路节点连接到第二控制装置端子；以及

-切断加速电路，其与切断电阻器并联电连接，其包括二极管、电阻器和与所述电阻器并联电连接的电容，其中二极管的阴极以导电方式连接到电容的第二电气端子，并且电容的第一电气端子以导电方式连接到切断电阻器的第一电气端子，该第一电气端子朝向致动装置电气取向，并且二极管的阳极以导电方式连接到切断电阻器的第二电气端子。

已经证明有利的是，切断加速电路中的电阻器的阻值比切断电阻器的阻值大至少10％，考虑到在二极管导通的情况下，流过切断加速电路的电阻器的电流相对较低。

此外，已经证明有利的是，功率半导体开关包括集成在所述功率半导体开关中的电气栅极串联电阻器，因为功率半导体电路则可以配置成特别紧凑的设计。

此外已经证明有利的是，第三电流路径包括电致动栅极串联电阻器，其电连接在致动装置的电路节点和第二控制装置端子之间，因为控制装置则可以特别有效地适应于功率半导体开关。

已经进一步证明有利的是，第一电流路径包括电接通电阻器，其电连接在致动装置的第一输出和控制装置的电路节点之间，因为控制装置则可以特别有效地适应于功率半导体开关。

此外，已经证明有利的是，功率半导体电路具有根据本发明的用于功率半导体开关的控制装置，其中第一控制装置端子以导电的方式连接到功率半导体开关的第一负载电流端子，第二控制装置端子以导电的方式连接到功率半导体开关的控制端子。

附图说明

下面参考附图描述本发明的示例性实施例。在图中：

图1示出功率半导体电路，其具有功率半导体开关并且具有用于功率半导体开关的根据本发明的控制装置。

具体实施方式

图1示出功率半导体电路1，其具有功率半导体开关T并具有用于功率半导体开关T的根据本发明的控制装置2。

功率半导体开关T包括第一负载电流端子E和第二负载电流端子C，以及控制端子G'。

功率半导体子开关T优选地以晶体管的形式提供，诸如绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。在示例性实施例中，功率半导体开关T以IGBT的形式提供，其中第二负载电流端子C以IGBT的集电极的形式提供，并且第一负载电流端子E以IGBT的发射极的形式提供。在示例性实施例中，功率半导体开关T包括栅极串联电阻器Rv，其集成在功率半导体开关T中并且以导电方式连接到功率半导体开关T的栅极G，使得功率半导体开关T的控制端子G'不是直接以功率半导体开关T的栅极G的形式提供，而是以电气地远离栅极G的栅极串联电阻器Rv的电气端子的形式提供。

控制装置2包括第一电气控制装置端子A1和第二电气控制装置端子A2，第一电气控制装置端子A1设置成用于电连接到功率半导体开关T的第一负载电流端子E，第二电气控制装置端子A2设置成用于电连接到功率半导体开关T的控制端子G'。

在功率半导体电路1中，第一控制装置端子A1与功率半导体开关T的第一负载电流端子E电连接，并且第二控制装置端子A2与功率半导体开关T的控制端子G'电连接。

控制装置2包括致动装置3，该致动装置设计成，根据例如由上级控制电路(未示出)产生的控制信号A，以相互交替的方式，在其第一输出AG1上产生用于接通功率半导体开关T的第一致动电压Ua1，并在其第二输出AG2上产生用于切断功率半导体开关T的第二致动电压Ua2。在示例性实施例中，致动装置3产生用于接通功率半导体开关T的15V的第一致动电压Ua1和用于切断功率半导体开关T的-8V的第二致动电压Ua2。致动装置3包括第一致动晶体管Ton、第二致动控制晶体管Toff、第一电压源4和第二电压源5、以及晶体管致动装置8，晶体管致动装置8根据控制信号A而以相互交替的方式接通和切断第一致动晶体管Ton和第二致动晶体管Toff，即，如果第一致动控制晶体管Ton接通，则切断第二致动控制晶体管Toff，反之亦然。在示例性实施例中，如果控制信号A采取逻辑值“1”，则接通第一致动晶体管Ton并且切断第二致动晶体管Toff，如果控制信号A采取逻辑值“0”，则切断第一致动晶体管Ton并且接通第二致动晶体管Toff。

第一致动控制晶体管Ton在其接通时将第一电压源4以导电的方式连接到控制装置2的第一电流路径SP1，第一电压源4产生接通电压Uv1(在此情况下为15V)，第一电流路径SP1以导电的方式将致动装置3的第一输出AG1连接到控制装置2的电路节点7。第一电流路径SP1优选地包括电气接通电阻器Ron，其在电路中在致动装置3的第一输出AG1和控制装置2的电路节点7之间电连接。

第二致动控制晶体管Toff在其接通时将第二电压源5以导电的方式连接到控制装置2的第二电流路径SP2，第二电压源5产生切断电压Uv2(在此情况下为-8V)，第二电流路径SP2以导电的方式将致动装置3的第二输出AG2连接到控制装置2的电路节点7。第二电流路径SP2包括电气切断电阻器Roff，其在电路中在致动装置3的第二输出AG2和控制装置2的电路节点7之间电连接。

控制装置2还包括第三电流路径SP3，其以导电的方式将电路节点7连接到第二控制装置端子A2，因此在示例性实施例中以导电的方式连接到功率半导体开关T的控制端子G'。

根据本发明的控制装置2还包括切断加速电路6，其与切断电阻器Roff并联电连接。切断加速电路6包括二极管D1、电阻器R1和与所述电阻器R1并联电连接的电容C1。二极管D1的阴极以导电的方式连接到电容C1的第二电气端子9b，并且电容C1的第一电气端子9a以导电的方式连接到切断电阻器Roff的第一电气端子10a，该第一电气端子10a朝向致动装置3电气取向。二极管D1的阳极以导电的方式连接到切断电阻器Roff的第二电气端子10b。电阻器R1的第一电气端子以导电的方式连接到电容C1的第一端子9a，电阻器R1的第二电气端子以导电的方式连接到电容C1的第二端子9b。

下面描述根据本发明的控制装置2的操作模式，具体地是切断加速电路6的操作模式，其中根据本发明的控制装置2的操作模式的描述采用这样的状态：第一致动控制晶体管Ton接通，第二致动控制晶体管Toff切断，并且功率半导体开关T的栅极-发射极电容Cge被充电至接通电压Uv1的电压值(在此情况下为15V)，即栅极-发射极电压Uge等于15V，并且因此功率半导体开关T接通。在该初始状态下，电容C1放电，使得电容C1的电容电压Uc等于0V。

在时间点t0，响应于致动信号A的值的相应变化(从逻辑值“1”到逻辑值“0”)，晶体管致动装置8切断第一致动控制晶体管Ton并且接通第二致动控制晶体管Toff。因此，致动装置3在其第二输出AG2处产生用于切断功率半导体开关的第二致动电压Ua2，其对应于切断电压Uv1的电压值(在此情况下为-8V)，其中忽略第二致动控制晶体管Toff的压降。

如果不存在根据本发明的切断加速电路6，则功率半导体开关T的栅极-发射极电容Cge将仅经由电串联电路而相对缓慢地放电，所述电串联电路包括栅极串联电阻器Rv和致动装置3的(更具体地是第二电压源5的)切断电阻器Roff，使得从时间点t0起直到功率半导体开关T的栅极-发射极电容Cge在时间点t2放电到功率半导体开关T被切断的程度经过相对长的时间间隔T1。为了使该时间间隔T1保持尽可能短，已知电气切断电阻器Roff的电阻额定为相对较低的值，使得功率半导体开关T的栅极-发射极电容Cge经由电串联电路尽可能快速地放电，所述电串联电路包括栅极串联电阻器Rv和切断电阻器Roff。然而，不利的是，功率半导体开关T以高切断速度被切断，使得流过功率半导体开关T的负载电流I1显示出高电流变化率，这在功率半导体开关T的负载电流端子E和C之间产生高电压，可能导致功率半导体开关T的损坏或破坏，所述高电流变化率是由于电连接到其第一负载端子E和第二负载端子C的导体中的杂散电感导致的。

根据本发明，在时间点t0，切断第一致动控制晶体管Ton并且接通第二致动控制晶体管Toff，电容C1的第二端子9b上的电容端子电压Uc1执行阶跃变化到第二致动电压Ua2的电压值(即，在示例性实施例中变化到-8V)，因为电容电压Uv在时间点t0处等于0V。在时间点t0，在示例性实施例中，栅极-发射极电压Uge是15V，使得从时间点t0起，功率半导体开关T的栅极-发射极电容Cge以高放电电流Ia放电，并且电容C1经由二极管D1快速充电。存储在栅极-发射极电容Cge中的一部分电能被传递到电容C1。得到的放电电流Ia明显高于不存在切断加速电路6时产生的放电电流Ia。随着电容C1的充电增加，电容端子电压Uc1上升，并且栅极-发射极电压Uge衰减。如果栅极-发射极电压Uge和电容端子电压Uc1之间的压差(在时间点t1处作为二极管D1上的二极管电压Ud存在)降低到低于特定的最小值(在这种情况下为0.7V)，则二极管D1变为不导通并且放电电流Ia下降，因为栅极-发射极电容Cge的进一步放电随后仅经由包括栅极串联电阻器Rv和切断电阻器Roff的电串联电路来执行。优选地，在时间点t1处，栅极-发射极电压Uge的值仍然足够高(在示例性实施例中为7.5V)，使得功率半导体开关T仍然接通。在时间点t1之后，栅极-发射极电容Cge的进一步放电仅经由包括栅极串联电阻器Rv和第二电压源5的第二致动控制晶体管Toff的电串联电路进行，使得进一步放电不以非常高的放电电流Ia进行，并且因此进一步放电相对缓慢地进行，使得功率半导体开关T在其切断过程中(即，在从导电状态转变为非导电状态时)不显示高切断速度，并且因此在切断功率半导体开关T时，负载电流I1的电流变化率不是很高。

电阻器R1的阻值和切断加速电路6的电容C1的电容优选地采用这样的值：使得紧接在产生第二致动电压Ua2的开始t0之后并且通过切断加速电路6切断功率半导体开关T之前，栅极-发射极电容Cge仅部分地放电。电阻器R1的阻值和切断加速电路6的电容C1的电容优选地采用这样的值：使得紧接在产生用于断开功率半导体开关T的第二致动电压Ua2的开始之后并且在特定时间点t1之前，功率半导体开关T的栅极-发射极电容Cge被放电到使得功率半导体开关T仍然接通的水平，并且特定地仍然接通，使得从该特定时间点t1开始，功率半导体开关T的栅极-发射极电容Cge不会通过切断加速电路6进一步放电。

切断加速电路6的电阻器R1最后使电容C1放电到致动装置3，在相互交替接通和切断功率半导体开关T的情况下，直到再次开始产生用于对切断加速电路6的功率半导体开关T进行切断的第二致动电压Ua2的时间点，使得电容C1最后进一步放电到该时间点。切断加速电路6的电阻器R的阻值优选地比切断电阻器Roff的阻值大至少10％。

切断电阻器Roff的阻值优选为0.5Ω至20Ω，其中，在示例性实施例中，该值为8.75Ω。接通电阻器Ron的阻值优选为1Ω至10Ω，其中，在示例性实施例中，该值为1.5Ω。切断加速电路6的电阻器R1的阻值优选为5Ω至30Ω，其中，在示例性实施例中，该值为15Ω。切断加速电路6的电容C1的电容优选为20nF至300nF，其中，在示例性实施例中，该值为100nF。集成在功率半导体开关T中的电栅极串联电阻器Rv的阻值优选为1Ω至20Ω，其中，在该示例性实施例中，该值为2.3Ω。

在本发明的情况下，考虑到负载电流I1在功率半导体开关T的切断过程期间不会呈现任何高电流变化率(所述高电流变化率是由于电连接到功率半导体开关T的负载端子E和C的导体中的杂散电感导致的)，在功率半导体开关的负载电流端子之间的任何电压都相对较低，尽管从时间点t0开始直到功率半导体开关T的栅极-发射极电容Cge在时间点t2被放电到功率半导体开关T被切断的程度仅经过相对短的时间间隔T1。

第三电流路径SP3，作为集成在功率半导体开关T中的电栅极串联电阻器Rv的替代或补充，包括电致动栅极串联电阻器Rv'，其在电路中电连接在致动装置3的电路节点7和第二控制装置端子A2之间，并且在图1中用虚线表示。致动栅极串联电阻器Rv的阻值优选为1Ω至20Ω。

应当注意，功率半导体电路1不一定需要包含栅极串联电阻器Rv或致动栅极串联电阻器Rv'。

将进一步观察到的是，当然在不脱离本发明范围的情况下，只要特征不相互排斥，本发明的各种示例性实施例的所述特征可以根据需要相互组合。

Claims (6)

1.一种用于功率半导体开关(T)的控制装置，其特征在于该功率半导体开关(T)具有第一负载电流端子(E)、第二负载电流端子(C)以及控制端子(G')，所述控制装置包括：

-第一电气控制装置端子(A1)，其设置成用于与第一负载电流端子(E)电连接；

-第二电气控制装置端子(A2)，其设置成用于与控制端子(G')电连接；

-致动装置(3)，其设计成，根据控制信号(A)，以相互交替的方式，在其第一输出(AG1)上产生用于接通功率半导体开关(T)的第一致动电压(Ua1)，在其第二输出(AG2)上产生用于切断功率半导体开关(T)的第二致动电压(Ua2)；

-第一电流路径(SP1)，其以导电的方式将致动装置(3)的第一输出(AG1)连接到控制装置(2)的电路节点(7)；

-第二电流路径(SP2)，其以导电的方式将致动装置(3)的第二输出(AG2)连接到控制装置(2)的电路节点(7)，其中第二电流路径(SP2)包括电气切断电阻器(Roff)，其在电路中在致动装置(3)的第二输出(AG2)和控制装置(2)的电路节点(7)之间电连接；

-第三电流路径(SP3)，其以导电方式将控制装置(2)的电路节点(7)连接到第二控制装置端子(A2)；以及

-切断加速电路(6)，其与切断电阻器(Roff)并联电连接，包括二极管(D1)、电阻器(R1)和与所述电阻器(R1)并联电连接的电容(C1)，其中二极管(D1)的阴极以导电方式连接到电容(C1)的第二电气端子(9b)，并且电容(C1)的第一电气端子(9a)以导电方式连接到切断电阻器(Roff)的第一电气端子(10a)，该第一电气端子(10a)朝向致动装置(3)电气取向，并且二极管(D1)的阳极以导电方式连接到切断电阻器(Roff)的第二电气端子(10b)。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于切断加速电路(6)中的电阻器(R1)的阻值比切断电阻器(Roff)的阻值大至少10％。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的控制装置，其特征在于功率半导体开关(T)包括集成在所述功率半导体开关(T)中的电气栅极串联电阻器(Rv)。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的控制装置，其特征在于第三电流路径(SP3)包括电致动栅极串联电阻器(Rv')，其电连接在致动装置(3)的电路节点(7)和第二控制装置端子(A2)之间。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的控制装置，其特征在于第一电流路径(SP1)包括电接通电阻器(Ron)，其电连接在致动装置(3)的第一输出(AG1)和控制装置的电路节点(7)之间。

6.一种功率半导体电路，其特征在于其具有功率半导体开关(T)并具有根据权利要求1至5中任一项构造的用于所述功率半导体开关(T)的控制装置(2)，其中第一控制装置端子(A1)以导电的方式连接到功率半导体开关(T)的第一负载电流端子(E)，第二控制装置端子(A2)以导电的方式连接到功率半导体开关(T)的控制端子(G')。