用于監控功率半導體開關的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于監控功率半導體開關的裝置和方法，從而確保相應的功率半導體的功能安全性。
【背景技術】
[0002]本發明源于如下問題，即在具有開關元件的設備中必須存在的可行性是:當該設備應該滿足提高的安全水平時，能利用該可行性來驗證該開關元件是否可用。當功率半導體開關應該作為開關元件應用時，該問題同樣存在。相應地在具有作為開關元件的功率半導體開關的設備、例如整流器中，為了確保功率半導體開關可用，存在有規律地檢驗功率半導體開關的功能的必要性。
[0003]用于對功率半導體開關進行這種監控的裝置和方法迄今為止不是已知的。迄今為止，為了安全相關的目的大多應用機械的繼電器。在此，在這樣的繼電器中附加的機械的接觸單元能實現對繼電器在對正確功能方面的監控。當為了安全功能應用功率半導體開關時，迄今為止僅能夠通過“試運行”(Probeschalten)實現功率半導體開關在對功能性方面的監控。但是該開關操作影響功率半導體開關所在的功率回路，并且因此更確切地說是不期望的。
【發明內容】
[0004]因此本發明的目的在于，提出一種用于監控功率半導體開關的裝置和方法，該裝置或方法要求對功能半導體開關的功率回路沒有影響。
[0005]根據本發明，該目的利用獨立權利要求的特征來實現。在此，在用于監控功率半導體開關的裝置方面提出，該裝置包括以下功能單元:首先是，除了借助外部的驅控信號驅控功率半導體開關外，用于對功率半導體開關加載具有在功率半導體開關的開關閾值之上的頻率的高頻電壓(HF電壓；UHF)的部件，其中該外部的驅控信號導致功率半導體開關的相應于驅控信號的開關狀態。然后是用于檢測基于對功率半導體開關加載高頻電壓(UHF)而得出的高頻電流(IHF,Ist)的部件。此外是用于將得出的高頻電流(IHF,Ist)與根據功率半導體開關的開關狀態基于對功率半導體開關加載尚頻電壓(UHF)而期望的尚頻電流(Ihp.&jII)進行比較的部件。最后是用于取決于比較的結果產生功率半導體狀態信號的部件。
[0006]在用于監控功率半導體開關的方法方面相應地提出，該方法至少包括以下的方法步驟:除了借助外部的驅控信號之外，利用具有在功率半導體開關的開關閾值之上的頻率的高頻電壓(HF電壓；UHF)驅控功率半導體開關。外部的驅控信號導致功率半導體開關的相應于驅控信號的開關狀態。檢測基于對功率半導體開關加載高頻電壓(UHF)而得出的高頻電流(IHF,Ist)。將得出的高頻電流(IHF,Ist)與根據功率半導體開關的開關狀態基于對功率半導體開關加載高頻電壓(UHF)而期望的高頻電流(IHF,Scill)進行比較。根據該比較的結果產生功率半導體狀態信號。
[0007]本發明的優點在于，利用在此介紹的方案提出一種裝置和方法，該裝置或該方法借助驅控功率半導體開關來測試功率半導體開關的功能性，在此并不影響在原本的功率回路。
[0008]本發明的有利的設計方案是從屬權利要求的主題。通過相應的從屬權利要求的特征，在此應用的對前面的權利要求的引用指出獨立權利要求的主題的其他的設計方案。其并不理解為放棄獲取獨立的、具體的、用于對前面的引用的從屬權利要求的特征組合的保護。此外鑒于對權利要求的闡釋在將后續權利要求中的特征進行更為詳細的具體化時由此出發，即在分別前述的權利要求中并不存在這種限制。
【附圖說明】
[0009]以下根據附圖詳盡地闡述本發明的實施例。彼此相應的主題或元件在全部附圖中設有相同的參考標號。
[0010]附圖示出:
[0011]圖1是以M0SFET形式的功率半導體開關的等效電路圖，
[0012]圖2是以IGBT形式的功率半導體開關的等效電路圖，
[0013]圖3是用于驅控功率半導體開關的驅控電路，
[0014]圖4是根據圖3的、具有為了測試功率半導體開關的功能作用而用于驅控功率半導體開關的電路部分的驅控電路，
[0015]圖5是用于評估借助于圖4中的電路部分實現的對功率半導體開關的驅控的監控電路，
[0016]圖6是具有功率半導體開關、根據圖4的電路部分和根據圖5的監控電路的半導體模塊，以及
[0017]圖7是考慮對為了測試功率半導體開關的功能作用而用于驅控功率半導體開關的圖6中的電路部分進行附加或替代的電路部分。
【具體實施方式】
[0018]在圖1和圖2中的不意圖不出了功率半導體開關(功率半導體)的等效電路圖，今天為了安全功能可以考慮該功率半導體開關。圖1中的示意圖示出了 M0SFET 12的等效電路圖，并且圖2中的示意圖示出了 IGBT 14的等效電路圖。
[0019]對于這兩個功率半導體開關10，分別示出了通常的接口并且以通常的專業術語標注。相應地，以M0SFET 12形式的功率半導體開關10具有柵極接口(G)、源極接口(S)和漏極接口(D)。對應地，以IGBT 14形式的功率半導體開關10具有柵極接口(G)、集電極接口(C)和發射極接口(E)。
[0020]在功率半導體開關10的這些接口中的每兩個接口之間，畫入在等效電路圖中相應于構件特性而得出的電容，更確切地說，對于M0SFET 12而言形式為具有在柵極接口(G)和源極接口(S)之間的電容(^的電容器、具有在柵極接口(G)和漏極接口(D)之間的電容(^的電容器以及具有在漏極接口(D)和源極接口(S)之間的電容CDS的電容器。相應地，這適用于對IGBT 14的等效電路。因此，該處示出具有在柵極接口(G)和發射極接口(E)之間的電容0^的電容器、具有在柵極接口(G)和集電極接口(C)之間電容的電容器以及具有在集電極接口(C)和發射極接口(E)之間電容CCE的電容器。
[0021]在圖1中，對于以M0SFET形式的功率半導體開關10的在該處示出的等效電路圖的示意圖而言，也示出了由這樣的功率半導體開關10包括的反向二極管16的等效電路圖。
[0022]對于功率半導體開關10、特別是以M0SFET 12形式的或者以IGBT 14形式的功率半導體開關10被干擾的情況，這表現在變化的電容的特性中。在此，將相應的元件的部分損壞以及至少一次接觸的損耗理解為對功率半導體開關10的干擾。功率半導體開關10的單元區域的損壞導致了例如輸入電容、即在M0SFET 12中的柵極電容Css或在IGBT 14中的柵極電容0；Ε的減少。這樣也能識別更小的干擾。
[0023]在圖3和圖4中的示意圖示出了用于驅控功率半導體開關10的驅控電路20。功率半導體開關10與并聯的反向二極管16 —起示出，這就像例如在AC/AC轉換器的輸入端整流器或輸出端整流器中的情況那樣。
[0024]根據由驅控電路20包括的、具有正的或負的驅控電位的開關22的開關位置加載/驅控功率半導體開關10，該驅控電位在此以例如提供+15V的電壓源24的第一種形式和以例如提供-15V的電壓源26的第二種形式示出。
[0025]在圖3中示出的驅控電路20對應于如在現有技術中已知的驅控電路20。與圖3中的驅控電路20相比，在圖4中示出的驅控電路20包括附加的電路部分30，該電路部分在相應的功率半導體開關10的門電路中加入高頻電壓(HF電壓；UHF)。電路部分30相應地是用于部件30的實例，該部件用于對功率半導體開關10加載具有在功率半導體開關10的開關閾值之上的頻率的高頻電壓(UHF)。在此，與開關22的相應的開關位置或對應的信號源驅控功率半導體開關10同時地實現高頻電壓(UHF)的加載。
[0026]作為用于高頻電壓(UHF)的基礎，在此示出高頻電壓源32。高頻電壓源借助于由電路部分30所包括的與高頻電壓源32串聯的、具有電容CHF的去耦合電容器34來高頻地與相應的功率半導體開關10的柵極接口去耦合。借助于分流電阻(RHF) 36檢測基于高頻電壓(UHF)而得出的、以下稱為高頻電流的電流(IHF)。替代分流電阻36，當然同樣也能夠例如電感式地實現高頻電流(IHF)的檢測。相應地，分流電阻(RHF) 36或者電感式地檢測高頻電流(IHF)是用于檢測基于對功率半導體開關(10)加載高頻電壓(UHF)而得出的高頻電流(IHF,ist)的部件的實例。
[0027]這樣地選擇高頻電壓(UHF)的頻率和振幅，即該頻率遠高于功率半導體開關10的開關頻率。因此，例如可以考慮大于10MHz的頻率作為頻率。對于高頻電壓(UHF)的振幅提出，該振幅遠在像用于驅控功率半導體開關10的正常電壓值之下。因此，例如可以考慮大約IV的振幅作為振幅。
[0028]為了監控相應的功率半導體開關10，給驅控電路20分配監控電路40。監控電路示意性簡化地在圖5中示出。在第一輸入端42處將驅控電路20的開關22的開關狀態輸送給監控電路部分40。在第二輸入端44處直接或間接地將基于高頻電壓(UHF)而得出的電流(IHF)輸送給監控電路40，例如以經由分流電阻36量取的電壓的大小的形式。
[0029]當將用于能夠經由分流電阻36量取的電壓的大小輸送給監控電路40時，借助于該電壓和分流電阻36的已知的電阻值來測定實際上基于高頻電壓(UHF)得出的電流(IHF,Ist)o為此，監控電路40包括高頻電流實際值測定裝置46。高頻電流實際值測定裝置46的功能例如在于，由在第二輸入端44處輸送的、用于經由分流電阻36量取的電壓的大小和分流電阻36的電阻的已知值形成商。在高頻電流實際值測定裝置46的輸出端處同樣存在基于高頻電壓(UHF)而得出的當前的高頻電流(IHF,Ist)或用于所得出的當前的高頻電流(IHF,1st)的大小。
[0030]將當前的高頻電流(IHF,Ist)借助于比較器48與基于高頻電壓(UHF)所期望的高頻電流(IHF,Scill)進行比較。借助于高頻電流額定值測定裝置50來提供期望的高頻電流(IHF,son)或用于期望的高頻電流(IHF,Scill)的大小。高頻電流額定值測定裝置將在第一輸入端42處輸送給監控電路40的、驅控電路20的開關22的開關狀態處理為輸入信號。高頻電流額定值測定裝置50的功能性能夠例如以表的形式實現，該表包括在第一表元素中的、用于對開關22的第一開關位置所期望的高頻電流(IHF,Scilll)的大小和在第二表元素中的、用于對開關22的第二開關位置所期望的高頻電流(IHF,Scill2)的大小。根據在第一輸入端42處輸送的開關22的開關位置，高頻電流額定值測定裝置50因此發送在相應的開關時所期望的高頻電流(I HF, Soil — [I HF’Solll，IhF，So112 ])或用于期望的高頻電流(I HF, Soil — [I HF, Solll，If)F, Soll2])
的大小，并繼續傳輸該電流或該大小到比較器48。比較器48執行在相應期望的高頻電流(IHF,soii)與相應實際的基于高頻電壓(UHF)而得出的高頻電流(IHF,Ist)的真實的比較。
[0031]監控電路40和由監控電路包括的