[發明專利]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

在審

• 申請號: 201380073292.5
• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN104995837A
• 公開（公告）日: 2015-10-21
• 發明（設計）人: P.辛恩;S.萊希
• 申請（專利權）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: H03K17/082
• 分類號: H03K17/082
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張濤;胡莉莉

技術領域

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

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。

圖1示出了用于保護半導體開關T100免遭過電壓的一種簡單的保護電路。該半導體開關T100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T100的集電極C與柵極G之間設置雪崩二極管D100。如果在該半導體開關T100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D100所預定的值，那么該雪崩二極管D100就開始導通。接著該半導體開關T100就至少部分地斷開并從而輕微地導通。從而T100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。

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T100轉入到持續運行，這將導致該半導體開關的熱損壞。

文件DE?10?2010?008?815?A1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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。