用于半导体开关的保护设备和操控电路以及用于操控半导体开关的方法
阅读说明：本技术 用于半导体开关的保护设备和操控电路以及用于操控半导体开关的方法 (Protective device and control circuit for a semiconductor switch and method for controlling a semiconductor switch ) 是由 T·李希特 T·布鲁克豪斯 P·辛恩 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及对于半导体开关进行保护免受过电压。为此,在半导体开关的输入端子处设置电容器件。流入所述电容器件中的电荷量被积分,以便在超过极限值时触发保护功能。(The invention relates to the protection of semiconductor switches against overvoltages. For this purpose, a capacitive device is provided at the input terminal of the semiconductor switch. The amount of charge flowing into the capacitive element is integrated in order to trigger a protective function when a limit value is exceeded.)
技术领域
本发明涉及一种用于半导体开关的保护设备以及一种用于半导体开关的操控电路。本发明此外涉及一种用于操控半导体开关的方法。尤其是，本发明涉及保护半导体开关免受过电压。
背景技术
使用半导体开关作为开关元件变得越来越重要。在此，当断开开关元件、尤其是半导体开关元件时，由于漏电感等，可能在半导体开关的输出端上发生过电压。为了避免半导体开关由于这种过电压的损坏，应该设置合适的过电压保护。这种过电压保护例如以术语“有源箝位（Active Clamping）”而是已知的。
出版物DE 10 2013 202 641 A1公开用于具有静态组件和动态组件的半导体开关的过电压保护。例如，动态组件可以在低于稳态值的过电压情况下做出响应，并且其响应行为在时间上受限制。
对于半导体开关的保护设备，例如可以使用雪崩二极管来探测过电压。在此，随着半导体开关的开关速度提高，必须越来越多地一起考虑这种雪崩二极管的电容特性。
发明内容
本发明创造具有独立专利权利要求的特征的用于半导体开关的保护设备、用于半导体开关的操控电路和用于操控半导体开关的方法。其他实施方式是从属专利权利要求的主题。
与此相应地，规定：
一种用于半导体开关的保护设备，具有电容器件、积分器和比较装置。积分器被设计用于对进入电容器件中的充电电流进行积分。以这种方式，可以从经积分的充电电流中确定电容器件中的电荷量。在此情况下，电容器件布置在半导体开关的输入端子和积分器之间。比较装置被设计用于当电容器件中的所确定的电荷量超过预先给定的极限值时操控半导体开关。
此外规定：
一种用于半导体开关的操控电路，具有驱动电路和根据本发明的用于半导体开关的保护设备。驱动电路被设计用于接收用于半导体开关的控制信号并且在使用所接收的控制信号的情况下操控半导体开关的控制端子。驱动电路尤其是与保护设备电耦合。驱动电路此外被设计用于当电容器件中的由保护设备确定的电荷量超过预先给定的极限值时至少部分地操控半导体开关。
最后，规定：
一种用于操控半导体开关的方法，具有对布置在半导体开关的输入端子和积分器之间的电容器件中的充电电流进行积分的步骤。通过对充电电流进行积分，从而确定电容器件中的电荷量。该方法此外包括将电容器件中的所确定的电荷量与预先给定的极限值进行比较并且当电容器件中的所确定的电荷量超过预先给定的极限值时操控半导体开关的步骤。
发明优点
用于半导体开关元件的常规过电压保护装置通常使用箝位二极管，例如雪崩二极管或齐纳二极管。随着开关速度升高，在此情况下还必须一起考虑电容特性，尤其是这种二极管的阻挡层电容。根据设计，电容特性可能对用于半导体开关的过电压保护设备的响应电压或响应行为产生消极影响。
因此，本发明的构思是考虑该知识并且设置一种用于半导体开关的保护设备，所述保护设备有针对性地考虑用于探测过电压的器件的电容特性。以这种方式，尤其是即使在较高开关速度的情况下也可以可靠且快速地检测半导体开关元件处的过电压。相应地，可以提早地识别出现的过电压，并且可以采取合适的对策来规避过电压。例如，半导体开关元件可以完全或部分地被闭合，以便抵抗半导体开关元件的端子两端的电压的进一步升高。由此可以防止半导体开关元件的损坏或至少可以防止由于过电压等引起的过早老化。
如果电容器件的电容是已知的，则可以通过对进入电容器件中的电流进行积分来确定电容器件中的电荷量。因此可以从电容器件的电容和所确定的电荷量的关系推导出半导体开关元件处的电压。如果电容器件中的所确定的电荷量超过与预先给定的触发电压相对应的电荷量，则可以采取合适的措施，以便抵抗半导体开关元件处的进一步电压升高或降低半导体开关元件两端的电压。例如，为此可以完全或部分地操控或闭合半导体开关元件。
在此情况下，尤其是在高开关速度的情况下，对电容器件中的电荷量进行评估使得能够迅速且有效地探测半导体开关元件处的潜在过电压。
根据一种实施方式，电容器件包括二极管。尤其是，电容器件例如可以包括雪崩二极管或齐纳二极管。具有定义的击穿电压的二极管、诸如雪崩二极管或齐纳二极管使得即使在缓慢的或静态的电压升高的情况下也能够探测过电压。然而此外，在较高的开关速度情况下，还必须一起考虑电容特性、诸如二极管的阻挡层电容。在二极管的阻挡层电容被充电和二极管激发之前，通过评估进入二极管中的电荷量，已经可以探测临界过电压的达到。相应地，不仅在缓慢的开关过程情况下而且在快速的开关过程情况下，可以保证可靠的过电压保护。
根据一种实施方式，可以在使用二极管的阻挡层电容的情况下调整预先给定的电荷量。例如，阻挡层电容可以基于相应二极管的数据表中的说明被确定。此外，任意其他方法、尤其是用于确定各自二极管的阻挡层电容的测量技术方法当然也是可能的。通过考虑阻挡层电容，可以精确地调整用于保护半导体开关的保护设备的响应。例如，基于阻挡层电容和用于保护设备的预先给定的电压阈值，可以确定、尤其是计算电荷量，在所述电荷量情况下应该触发保护设备。
根据一种实施方式，比较装置被设计用于当二极管两端的电压超过二极管的击穿电压时操控半导体开关。尤其是，击穿电压可以是雪崩二极管或齐纳二极管在截止方向上的击穿电压。以这种方式，如果二极管在截止方向上的预先给定的击穿电压被超过，即使直至该时间点为止所确定的电荷量尚未达到预先给定的极限值，也操控半导体开关。由此仍可以进一步提高保护功能的可靠性。
根据一种实施方式，电容器件包括电容器。电容器是简单地要实现的且成本低的器件。通过使用电容器，从而可以实现用于半导体开关的便宜、简单和可靠的保护设备。
根据一种实施方式，积分器被设计用于使充电电流的积分与用于半导体开关的控制信号同步。例如，积分器可以与用于半导体开关的控制信号同步地被复位。以这种方式可以避免积分器在充电电流的积分期间的漂移。
根据一种实施方式，积分器被设计用于每当断开半导体开关时重新开始充电电流的积分。在积分开始时，分别可以对积分器的值进行复位。以这种方式，当断开半导体开关时，充电电流的积分分别在定义的零值情况下开始并且因此半导体开关两端的电压升高。
根据一种实施方式，积分器可以包括电容器。尤其是，积分器可以由一个电容器或具有多个电容器的装置组成。电容器件、尤其是电容器能够实现电荷量的特别简单的积分。在此，在电容器的两个端子上施加的电压可以与电容器中的电荷量相对应。
上述构型和改进方案只要有意义就可以任意地被相互组合。本发明的其他构型、改进方案和实现还包括先前或在下面中关于实施例描述的本发明特征的未明确提及的组合。尤其是，本领域技术人员在此还将添加个别方面作为对本发明的相应基本形式的改善或补充。
附图说明
以下根据图阐述本发明的其他特征和优点。在此：
图1示出根据一种实施方式的用于具有保护设备的半导体开关的操控电路的电路原理图的示意图；
图2示出根据另一实施方式的用于半导体开关的操控电路的电路原理图的示意图；
图3示出根据又一实施方式的用于半导体开关的操控电路的电路原理图的示意图；和
图4示出如根据一种实施方式用于操控半导体开关的方法所基于的流程图的示意图。
具体实施方式
图1示出用于半导体开关3的操控电路2的电路原理图的示意图。操控电路2包括用于驱动半导体开关3的控制端子32的驱动电路20。驱动电路20为此接收控制信号D，放大该控制信号D并且根据控制信号D操控半导体开关3的控制端子32。以这种方式，可以断开或闭合半导体开关3的输入端子31和输出端子33之间的电连接。例如，半导体开关3可以是MOSFET或具有绝缘栅端子的双极晶体管（IGBT）。当然，原则上任意其他半导体开关也是可能的。例如，半导体开关3可以是功率级（例如整流器等）的半导体开关。如果半导体开关3的输入端子31和输出端子33之间的电连接被中断，则例如由于漏电感可发生输入端子31和输出端子32之间的电压升高。如果输入端子31和输出端子32之间的电压升高超过允许的程度，则半导体开关3由此可被损坏或者必要时甚至可被毁坏。为了防止这种过电压，例如可以设置保护设备1。
保护设备1包括电容器件11、积分器12和比较装置13。此外，保护设备1例如还可以包括逻辑门14以及必要时还可以包括其他组件。电容器件11布置在半导体开关的输入端子31和积分器12的输入端子之间。如果半导体开关3的输入端子31处的电压升高，则电容器件11经由积分器12被充电。在此，积分器12对进入电容器件中的充电电流进行积分。通过这种积分，积分器12可以确定流入电容器件12中的电荷量。在电容器件11的电容C恒定的情况下，因此电容器件11中的电荷量与电容器件11两端的电压成比例。
积分器12输出与电容器件11中的所确定的电荷量Q成比例的输出信号。在此情况下可以是模拟或数字输出信号。以这种方式，所确定的电荷量Q被提供给比较器13。比较器13将所确定的电荷量Q与预先给定的极限值S进行比较。例如，比较器13可以是减法器，所述减法器构成在所确定的电荷量Q与预先给定的额定值S之间的差。如果所确定的电荷量Q超过预先给定的额定值S，则例如接着可以操控半导体开关3的控制输入端32。以这种方式，可以在输入端子31和输出端子33之间使半导体开关3完全或至少部分地导通。由此降低在输入端子31和输出端子32之间的电压。例如，同样可以通过驱动电路20来操控半导体开关3的控制端子32。
此外，在探测到所确定的电荷量超过额定值S之后，可以使对半导体开关3的操控附加地与操控信号D相关联。为此，可以将比较器13的结果和操控信号D输送给逻辑门14。逻辑门14将比较器13的结果与操控信号D彼此关联。例如，仅当根据控制信号D不应对半导体开关进行操控，但是比较器13确定出电荷量Q超过额定值S时，才可以操控半导体开关3。而只要控制信号D预先给定对半导体开关3的主动操控，就不通过保护设备1进行进一步影响。
积分器12可以是任意模拟或数字积分器。积分器12可以例如借助于任意已知的或新颖的积分器电路来实现。
此外，可以使积分器12的积分与操控信号D同步。例如，如果根据操控信号D应该断开半导体开关12，则积分器12的积分可以分别被复位和重新开始。以这种方式，例如可以避免积分器的漂移。此外，尤其是在使用控制信号D的情况下，积分器12的任意其他同步当然也是可能的。
图2示出根据另一实施方式的用于半导体开关3的操控电路2的电路原理图的示意图。操控电路2并且尤其是保护设备1在此在最大程度上对应于上述实施方式。根据图2的实施方式与上述实施方式的不同之处尤其是在于电容器件11是二极管11a。例如，二极管11a可以是雪崩二极管或齐纳二极管。这种二极管11a可以具有定义的击穿电压，在该击穿电压情况下，二极管11a即使在截止方向上也变为导通的。然而，在二极管转入导通状态之前，二极管11a也具有电容特性。在击穿二极管11a之前，在此对二极管11a的阻挡层电容进行充电。积分器12对进入二极管11a中的充电电流进行积分，并且相应地将所确定的电荷量Q转交给比较器13。如果探测到电荷量Q超过预先给定的额定值S，则如先前已经描述的那样，可以操控半导体开关3。此外，当二极管11a在超过击穿电压之后转入导通状态时，也可以对半导体开关3进行操控。为此，二极管11a的与积分器12连接的端子附加地也与另一驱动级15连接，该另一驱动级在击穿二极管11a之后输出用于操控半导体开关3的输出信号。此外，比较器13的输出端必要时经由上述逻辑门14也与该另一驱动级15连接。以这种方式，在快速动态过程的情况下，可以通过评估二极管11a中的电荷量来实现过电压保护。此外，即使在缓慢的、必要时静态的过电压的情况下，也可以通过激发（Zünden）二极管11a来实现对保护设备的触发。
图3示出用于半导体开关的操控电路2的另一实施方式。在该实施方式中，电容器件11包括电容器11b。相应地，通过将进入电容器11b中的充电电流进行积分并且将来自经积分的充电电流的电荷量与额定值S进行比较，可以实现过电压保护。必要时，积分器12可以例如在简单的实施方式中被实现为电容器12b。具有两个电容器11b和12b作为电容器件和积分器的这种电路装置能够实现用于半导体开关3的特别简单且因此成本低的过电压保护。
图4示出如根据一种实施方式用于操控半导体开关3的方法所基于的流程图的示意图。该方法原则上可以包括如先前已经结合保护设备1和操控电路2所描述的每种类型的合适的方法步骤。此外，保护设备1和操控电路2还可以包括任意合适的组件以实现随后描述的方法步骤。
该方法包括用于对进入电容器件11中的充电电流进行积分的步骤S1。电容器件可以布置在半导体开关3的输入端子31和积分器12之间。以这种方式，可以从经积分的充电电流确定电容器件11中的电荷量Q。该方法此外包括用于将电容器件中的所确定的电荷量Q与预先给定的极限值S进行比较的步骤S2。最后，该方法包括用于当电容器件11中的所确定的电荷量Q超过预先给定的极限值S时操控半导体开关3的步骤S3。
尤其是，可以使充电电流的积分与用于半导体开关3的控制信号D同步。例如，当半导体开关3被闭合时，充电电流的积分可以被复位和开始。
总之，本发明涉及对于半导体开关进行保护免受过电压。为此，在半导体开关的输入端子处设置电容器件。流入该电容器件中的电荷量被积分，以便在超过极限值时触发保护功能。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：低功率电流导引数模转换器