半導體開關的保護裝置以及用于運行半導體開關的保護裝置的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于保護免遭過電壓的一種半導體開關保護裝置以及運行用于保護免遭過電壓的半導體開關保護裝置的一種方法。
【背景技術】
[0002]采用半導體開關來作為電氣開關元件是已知的。在此在開關元件斷開時、尤其在功率電子系統中例如在直流電壓變換器或逆變器中，由于總是存在的漏感而導致過電壓。如果流過半導體開關的電流流動中斷，那么在該半導體開關上的集電極與發射極之間電壓上升到可能大于供電電壓的值。如果在此所出現的電壓超過該半導體開關的最大截止電壓，就可能導致該半導體開關的損壞。
[0003]圖1示出了用于保護半導體開關TlOO免遭過電壓的一種簡單的保護電路。該半導體開關TlOO在此由柵極驅動電路400通過柵極電阻RG控制。在該半導體開關元件TlOO的集電極C與柵極G之間設置雪崩二極管DlOO。如果在該半導體開關TlOO上的集電極C與發射極E之間的電壓超過由該雪崩二極管DlOO所預定的值，那么該雪崩二極管DlOO就開始導通。接著該半導體開關TlOO就至少部分地斷開并從而輕微地導通。從而TlOO的集電極電流的斷開速度di/dt就下降到以下程度，通過該程度把集電極-發射極電壓限定到允許的高度。
[0004]根據該電路的靜態實施，開始動作點必須高于最大可能的供電電壓。否則就存在以下危險:該半導體開關TlOO轉入到持續運行，這將導致該半導體開關的熱損壞。
[0005]文件DE 10 2010 008 815 Al公開了一種用于半導體的過電壓保護。在此僅當在該半導體開關上實際進行開關操作時，用于該半導體開關的保護電路才被激活。在此根據相應的許可，在這種情況下也要在集電極-發射極電壓超過高于最大供電電壓的閾值時，該保護電路才開始響應。
[0006]從而需要一種改善的用于半導體開關的過電壓保護。尤其需要特別快速響應的用于半導體開關的過電壓保護。另外還需要其中能夠可靠地避免危險的持續運行的過電壓保護。
【發明內容】
[0007]根據一個方面，本發明實現了一種用于半導體開關的保護裝置，該保護裝置具有第一過電壓保護，該第一過電壓保護被構造用于當在該半導體開關上的電壓超過第一閾值時持續控制該半導體開關一個預定的時長；并具有第二過電壓保護，該第二過電壓保護被構造用于當在該半導體開關上的電壓超過第二閾值時控制該半導體開關。
[0008]根據另一方面，本發明實現了運行用于半導體開關的保護電路的一種方法，其具有以下的步驟:當在該半導體開關上的電壓超過第一閾值時，持續控制該半導體開關一個預定的時長；以及只要在該半導體開關上的電壓超過第二閾值，就控制該半導體開關。
[0009]本發明的想法是，分兩級地實施用于半導體開關的過電壓保護。如果在該半導體開關上的電壓超過第一閾值，就首先僅在時間上有限地控制該半導體開關。從而通過對該控制的時間上的限制，避免了該半導體開關在超過第一電壓閾值時就已轉入到持續導通的狀態。從而該第一閾值可以被選擇得相對低。在此有利的是，通過被設定為低的第一閾值，第一過電壓保護已及早響應，并從而實現了特別快速的半導體開關保護。
[0010]在第二級中，一旦在該半導體開關上的電壓超過第二閾值，就持續地控制該半導體開關。在此有利的是，該半導體開關之前已經通過該第一過電壓保護而被時間上有限地控制，并從而該半導體開關的控制輸入端(柵極)通過該第一控制而已經被預處理。從而半導體開關在第二過電壓保護響應時可以特別快速地轉換到導通狀態。這導致該過電壓保護更迅速的響應。如在斷開過程中所出現的瞬時過電壓脈沖的峰值由于更快速的響應而在此出現得明顯更小。
[0011]在一種實施方式中，該第一閾值小于該第二閾值。從而在超過較小的第一閾值時該半導體開關首先被時間上有限地控制，并且該半導體開關的柵極在此已經得到偏壓。然后在超過較大的第二閾值時，達到特別快速的過電壓保護。
[0012]根據另一實施方式，該保護裝置包含有開關探測器，該開關探測器被構造用于識別在該半導體開關上的開關操作。從而能夠通過識別在該半導體開關上的開關操作而特別快速地對預期的過電壓進行反應，或者把過電壓保護僅限制于開關操作之后的時間間隔。
[0013]根據另一實施方式，該開關探測器被構造用于當該半導體開關斷開時把該第一過電壓保護設置為激活狀態。從而該過電壓保護的響應可以限制于在該半導體開關上的開關操作之后的時間段。
[0014]根據一種實施方式，該開關探測器被構造用于只要該半導體開關閉合或者完全斷開就把該第一過電壓保護設置為不激活狀態。由此避免了由于外部事件而導致的過電壓保護的響應。從而排除了由于其他事件而導致的該半導體開關的響應。
[0015]根據另一實施方式，該半導體開關是具有絕緣柵極的雙極晶體管(IGBT)或者是MOSFETo
[0016]本發明另外還包括具有半導體開關的逆變器，其中該半導體開關包含有根據本發明一種實施方式的保護裝置。
[0017]在一種實施方式中，根據本發明的方法包含有用于識別在該半導體開關上的開關操作的步驟，其中僅當在該半導體開關上的開關操作被識別到時，才實施用于持續控制該半導體開關一段預定時間的步驟。
[0018]其他特征和實施方式由結合附圖的說明得到。
【附圖說明】
[0019]圖1示出用于保護免遭過電壓的半導體開關保護電路的電路圖的示意圖；
圖2示出根據本發明一種實施方式的用于半導體開關的保護裝置的電路圖的示意圖；
以及圖3示出根據本發明另一實施方式的運行用于半導體開關的保護電路的方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]半導體開關在本發明的意義上是能夠基于半導體結構來閉合或斷開電氣連接的所有類型的開關元件。在此通過借助電氣信號控制該半導體開關來進行該半導體開關的斷開和閉合。半導體開關在本發明意義上尤其是MOSFET或IGBT (Insulated Gate BipolarTransistor，絕緣柵雙極晶體管)。此外，根據本發明的保護裝置同樣可以應用于所有類型的半導體開關。
[0021]此外，即使結合半導體開關來闡述本保護裝置，該保護裝置同樣也可以應用于其中在開關元件閉合時應該實現免遭過電壓的保護的其他所有開關元件。
[0022]圖2示出了根據本發明一種實施方式的用于半導體開關的保護裝置的電路圖的示意圖。該半導體開關5在此通過晶體管Tl來形成。通過在柵極G上施加合適的控制信號，在此可以在集電極C與發射極E之間斷開或閉合導電連接。該半導體開關5的柵極G由控制信號控制，其中該控制信號由柵極驅動器4通過在該半導體開關5的柵極G上的柵極電阻RG來提供。該半導體開關5可以以這種方式被斷開或閉合。
[0023]為了保護該半導體開關5免遭在發射極E與集電極C之間的過電壓，該過電壓保護包含有第一電路部分1，其中當在該半導體開關5的集電極C與發射極E之間的電壓Uce超過預給定的閾值時，該第一電路部分就控制該半導體開關5的柵極G。該閾值通過半導體元件DlO來預給定。該半導體元件DlO例如可以是合適的雪崩二極管、齊納二極管或在高于所定義的擊穿電壓時可逆地從截止狀態轉入到導通狀態的其他器件。該半導體元件DlO設置在該半導體開關5的集電極C與晶體管DlO的控制輸入端之間。
[0024]如果在該半導體開關5上的電壓Ura超過由該半導體元件DlO預給定的閾值，該晶體管DlO就被控制并轉入到導通狀態。由此該半導體開關5的柵極G就被控制，接著該半導體開關5轉入到至少輕微導通的狀態。根據在該半導體開關5上的集電極C與發射極E之間據此產生的電流，該半導體開關