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控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的具有故障識(shí)別的電路及相應(yīng)方法

文檔序號(hào):7288276閱讀:117來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的具有故障識(shí)別的電路及相應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種最好是集成的、用于控制設(shè)置在橋式電路中的功率開關(guān)的電路及相應(yīng)的方法。功率開關(guān)的這種橋式結(jié)構(gòu)作為半橋,H(兩相)橋或作為三相橋式電路而已知,其中單相的半橋是這種功率電子電路的基本構(gòu)件。在半橋式電路中串聯(lián)設(shè)置兩個(gè)功率開關(guān)第一個(gè)開關(guān)是所謂的TOP開關(guān),第二個(gè)開關(guān)是所謂的BOT開關(guān)。這種半橋通常具有一個(gè)至直流中間回路的連接。中心抽頭典型地與一個(gè)負(fù)載相連接。
背景技術(shù)
在功率開關(guān)作為一個(gè)功率半導(dǎo)體元件或作為多個(gè)相同的串聯(lián)或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)中,為了控制功率開關(guān),一個(gè)控制電路是必要的。按照現(xiàn)有技術(shù),這種控制電路由多個(gè)子電路或功能塊構(gòu)成。來(lái)自上級(jí)控制設(shè)備的控制信號(hào)被加到第一個(gè)子電路(初級(jí)側(cè))上,并通過(guò)其它元件送到驅(qū)動(dòng)電路(次級(jí)側(cè)),最后饋送給相應(yīng)功率開關(guān)的控制輸入端,在具有較高中間回路電壓-例如高于50伏-的半橋電路中,為了提供控制信號(hào),初級(jí)側(cè)在電位/電流上與次級(jí)側(cè)隔離,因?yàn)楣β书_關(guān)-至少是半橋的TOP開關(guān)-在工作中不處于恒定的電位上,從而電壓隔離是必要的。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù),此隔離例如借助于變壓器、光耦合器或光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。此電流隔離在較高功率時(shí)至少對(duì)TOP開關(guān)進(jìn)行,但是由于在開關(guān)切換時(shí)地參考電位可能發(fā)生問(wèn)題,它也對(duì)BOT開關(guān)進(jìn)行。
還已知了用于電壓等級(jí)直至600伏或1200伏的功率開關(guān)的集成電路,它沒(méi)有采用外部的電位隔離。在這些單片集成電路中,按照現(xiàn)有技術(shù)至少對(duì)TOP開關(guān)采取所謂的電平移位,這些電子元件和隔離方法克服了從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的電位差。
在所述用于控制功率開關(guān)的集成的電路設(shè)計(jì)中,至少在用于TOP開關(guān)的次級(jí)側(cè)的最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中,不可能將故障響應(yīng)傳送回初級(jí)側(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對(duì)橋式結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體開關(guān)給出一個(gè)優(yōu)選的單片集成電路及一種相應(yīng)的方法,此方法借助于簡(jiǎn)單的、可集成的裝置實(shí)現(xiàn)次級(jí)側(cè)的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)的初級(jí)側(cè)識(shí)別。
上述任務(wù)在本發(fā)明中由權(quán)利要求1和5特征所述的措施來(lái)完成。從屬權(quán)利要求描述了優(yōu)選實(shí)施方式。
本發(fā)明的思路從一種已知的用于控制橋式電路拓?fù)渲械墓β拾雽?dǎo)體開關(guān)的電路出發(fā),它由一個(gè)初級(jí)側(cè)部分(初級(jí)側(cè))和每個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)一個(gè)次級(jí)側(cè)部分(次級(jí)側(cè))組成。橋式電路由第一個(gè)開關(guān)、即TOP開關(guān)和第二個(gè)開關(guān)、即BOT開關(guān)組成。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù),這些開關(guān)與一個(gè)直流中間電路相連接。TOP開關(guān)和BOT開關(guān)之間的中心抽頭構(gòu)成橋式電路的交流輸出端。用于控制的電路在其初級(jí)側(cè)具有至少一個(gè)信號(hào)處理器和至少一個(gè)用于在至少一個(gè)次級(jí)側(cè)進(jìn)行無(wú)電位控制的電平移位器。此次級(jí)側(cè)在其一側(cè)具有至少一個(gè)信號(hào)處理器和至少一個(gè)用于相應(yīng)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)級(jí)。
本發(fā)明給出一種最好是單片集成的、用于控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路,其中為了將半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)從次級(jí)側(cè)傳送到初級(jí)側(cè),使用了一個(gè)已有的電平移位器,按照現(xiàn)有技術(shù)它只用于將控制信號(hào)從初級(jí)側(cè)傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)。同時(shí)在初級(jí)側(cè)設(shè)置了至少一個(gè)用于檢測(cè)和評(píng)估流過(guò)至少一個(gè)對(duì)應(yīng)于要監(jiān)測(cè)的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電平移位器的電流的電路部分。
相應(yīng)的方法用于對(duì)在次級(jí)側(cè)受到控制的功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行初級(jí)側(cè)識(shí)別。為此,流過(guò)初級(jí)側(cè)上的電平移位器的電流被評(píng)估。并且在初級(jí)側(cè)檢測(cè)出的這個(gè)流過(guò)電平移位器的電流的第一個(gè)下限值對(duì)應(yīng)于橋式電路的一個(gè)未接通開關(guān),而在初級(jí)側(cè)檢測(cè)出的流過(guò)電平移位器的電流的第二個(gè)上限值對(duì)應(yīng)于橋式電路的一個(gè)已接通開關(guān)。


下面借助圖1至6所示實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的構(gòu)思。
圖1示出按照現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)電路。
圖2示出按照現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)電平移位器。
圖3示出按照本發(fā)明改進(jìn)的電路。
圖4示出流過(guò)電平移位器的電流與門限值形成之間的關(guān)系。
圖5示出用于設(shè)置在本發(fā)明的電路中的電平移位器的第一個(gè)改進(jìn)實(shí)施例。
圖6示出用于設(shè)置在本發(fā)明的電路中的電平移位器的第二個(gè)改進(jìn)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
在橋式電路拓?fù)渲械碾娐分校诳刂评缇哂蟹聪虿⒙?lián)的空程二極管的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的功率半導(dǎo)體元件時(shí),一方面由于前面設(shè)置的例如微控制器10形式的控制器10與電路的初級(jí)側(cè)20之間存在電位差,另一方面由于電路的次級(jí)側(cè)30,32與功率半導(dǎo)體元件50,52之間存在電位差,電位隔離是必需的。按照現(xiàn)有技術(shù),已知了各種不同的電位隔離的可能性,例如變壓器、光耦合器、光波導(dǎo)或具有相應(yīng)耐壓性的電子元件。
在單片集成如圖1所示用于控制功率半導(dǎo)體開關(guān)50,52的電路100的初級(jí)側(cè)20和次級(jí)側(cè)30時(shí),為了將控制信號(hào)從初級(jí)側(cè)20傳送到次級(jí)側(cè)經(jīng)常應(yīng)用電平移位器44。
采用上述用于電位隔離的元件,接通信號(hào)和關(guān)斷信號(hào)可以從初級(jí)側(cè)20、即低壓側(cè)傳送到次級(jí)側(cè)30、即高壓側(cè)。為了功率電子系統(tǒng)的無(wú)干擾工作,在初級(jí)側(cè)20了解次級(jí)側(cè)30的工作狀態(tài),例如關(guān)于TOP開關(guān)和BOT開關(guān)的實(shí)際開關(guān)狀態(tài)是很重要的。
圖2示出單片集成的電平移位器的已知電路拓?fù)?,它具有一個(gè)nMOS高壓晶體管430,此晶體管具有相應(yīng)于初級(jí)側(cè)20和次級(jí)側(cè)30之間的最大電位差的阻斷能力。次級(jí)側(cè)的控制由初級(jí)側(cè)完成。一旦初級(jí)側(cè)20接通高壓晶體管430,則流過(guò)次級(jí)側(cè)的供電電壓Vs和初級(jí)側(cè)20的地參考電位之間的橫向電流Iq。此電流流動(dòng)Iq在次級(jí)側(cè)被檢測(cè)到,并且轉(zhuǎn)換為要后續(xù)處理的信號(hào)。
電平移位器44受輸入信號(hào)Sin控制。最好此信號(hào)被預(yù)先放大并且施加到一個(gè)低壓晶體管432的控制輸入端上。只要此低壓晶體管432斷開,則初級(jí)側(cè)供電電壓Vp的電位總是加到高壓晶體管430的“源極”上。因?yàn)楦邏壕w管430的“柵極”同樣也處于初級(jí)側(cè)20的供電電壓Vp上,高壓晶體管430上初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的總偏置電壓降低。如果低壓晶體管432被接通,高壓晶體管430的源極上的電位下降,并且橫向電流Iq開始流動(dòng)。然而此電流受反饋電阻424的限制。此橫向電流Iq從而將初級(jí)側(cè)的開關(guān)信號(hào)傳送到次級(jí)側(cè),其中是在次級(jí)側(cè)分析電阻420上的電壓降。在輸入信號(hào)Sin為“低”的靜止?fàn)顟B(tài),除了高壓晶體管430可忽略不計(jì)的漏電流以外此電路不消耗能量。次級(jí)側(cè)上的信號(hào)偏置受齊納二極管410限制。初級(jí)側(cè)的齊納二極管串聯(lián)電路412與電阻424一起保護(hù)低壓晶體管432不會(huì)瞬態(tài)過(guò)壓加載。
由于次級(jí)側(cè)上的箝位和通過(guò)發(fā)射極反饋的限流,在高壓晶體管430上施加接通脈沖時(shí)橫向電流Iq變化一個(gè)偏置電壓。這里以偏置電壓上的漏極電流值反映高壓晶體管的飽和關(guān)系(參見(jiàn)圖4)。
總電壓參見(jiàn)圖4中的Ug由初級(jí)側(cè)的地參考電位與次級(jí)側(cè)的供電電壓Vs之間的電位差得出。這對(duì)應(yīng)于初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的偏置電壓與次級(jí)側(cè)的工作電壓之和。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)的另一個(gè)單片集成電路100,它也可以同樣方式實(shí)現(xiàn)為混合電路。在這個(gè)根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)中,電平移位器44在初級(jí)側(cè)增加了電流46和電壓采集電路47,并增加了一個(gè)限流器48。橫向電流Iq根據(jù)總電壓Ug來(lái)調(diào)節(jié)。此電流通過(guò)電流采集電路46來(lái)確定,并借助于電壓采集電路47轉(zhuǎn)換為可分析的信號(hào)。限流器48用于限制高壓晶體管的負(fù)載,并限制電平移位器44的電流消耗。
橋式電路中的功率半導(dǎo)體開關(guān)50,52在開關(guān)狀態(tài)下使用,即它們交替地接通和關(guān)斷。橋的中心抽頭輸出端因而只有兩個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)。在BOT開關(guān)52關(guān)斷而TOP開關(guān)50接通的情況下,中心抽頭接近中間回路電壓,在TOP開關(guān)50關(guān)斷而BOT開關(guān)52接通的情況下,中心抽頭接近地參考電位。為了檢測(cè)TOP開關(guān)50的開關(guān)狀態(tài),只需要采集初級(jí)側(cè)20上的電平移位器44的橫向電流Iq的大小,此電流根據(jù)總電壓Ug的大小來(lái)調(diào)節(jié)。
如果一個(gè)接通脈沖從初級(jí)側(cè)20通過(guò)電平移位器44傳送到次級(jí)側(cè)30,這時(shí)橫向電流Iq取決于總電壓Ug。TOP開關(guān)50的接通伴隨著總電壓的升高。基于電平移位器44的所述特性,總電壓的升高對(duì)應(yīng)于橫向電流Iq的提高。圖4從初級(jí)側(cè)檢測(cè)電路的角度簡(jiǎn)要示出此關(guān)系。這里確定了橫向電流Iq增大到第二個(gè)門限值I2以上,并且被評(píng)估為TOP開關(guān)接通的結(jié)果。相反,沒(méi)有達(dá)到低于第一個(gè)門限值I1被評(píng)估為TOP開關(guān)未接通。為正確識(shí)別開關(guān)狀態(tài),電路所規(guī)定的電流差位于第一門限值和第二門限值之間。因而通過(guò)初級(jí)側(cè)對(duì)橫向電流Iq的測(cè)量可以可靠地確定次級(jí)側(cè)開關(guān)在所傳輸?shù)慕油ㄐ盘?hào)作用下接通還是未接通。
圖5示出一個(gè)用于設(shè)置在本發(fā)明的電路中的電平移位器的第一個(gè)改進(jìn)實(shí)施例。為了簡(jiǎn)化橫向電流Iq的檢測(cè),門限值可以被移動(dòng)。為此電平移位器44a的次級(jí)側(cè)通過(guò)一個(gè)電位移動(dòng)被更改。齊納二極管414的串聯(lián)電路在此代替了圖2中的單個(gè)齊納二極管410和并聯(lián)的電阻420。此結(jié)構(gòu)在工作中相對(duì)于總電壓Ug移動(dòng)橫向電流Iq的飽和值,并導(dǎo)致一個(gè)對(duì)稱的傳輸特性。這意味著電流-電壓變化的陡峭程度在第一門限(I1,參見(jiàn)圖4)和第二門限I2的范圍內(nèi)均近似相等。電平移位器44a的這種實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于,在相應(yīng)開關(guān)已被誤認(rèn)為接通的時(shí)間內(nèi),通過(guò)后續(xù)的接通脈沖可實(shí)現(xiàn)功能控制。而且在此情況下對(duì)橫向電流Iq的評(píng)估給出關(guān)于TOP開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)的響應(yīng)。利用此響應(yīng)可以間接向初級(jí)側(cè)傳送次級(jí)側(cè)的故障狀態(tài),例如由低電壓錯(cuò)誤引起的關(guān)斷,并從而傳送到設(shè)置在前面的控制器。
圖6示出一個(gè)用于設(shè)置在本發(fā)明的電路中的電平移位器44b的第二個(gè)改進(jìn)實(shí)施例,它基于圖5所示的電平移位器44a。圖5所示實(shí)施例的缺點(diǎn)在于,這里故障傳輸只能從初級(jí)側(cè)導(dǎo)出,而次級(jí)側(cè)不能主動(dòng)傳送一個(gè)故障到初級(jí)側(cè)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn),在次級(jí)側(cè)上的齊納二極管串聯(lián)電路414如此設(shè)計(jì)一個(gè)中等電壓晶體管434并聯(lián)在這些齊納二極管中的幾個(gè)414a上,此晶體管必須具有比這幾個(gè)齊壓二極管414a的電壓之和更高的耐壓性。其它的齊納二極管414b保持原來(lái)結(jié)構(gòu)形式不變。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于,尤其是在單片集成電路中,這種中等電壓晶體管434具有比高壓晶體管432更小的面積需求,從而工藝上更簡(jiǎn)單,節(jié)省位置且廉價(jià)地被集成到電路中,用作從次級(jí)側(cè)到初級(jí)側(cè)的響應(yīng)途徑。
在中等電壓晶體管434受次級(jí)側(cè)控制以及在正常工作時(shí)被關(guān)斷的情況下,電平移位器44b的特性行為與圖5的相同,即僅在電平移位器的控制階段流過(guò)明顯的橫向電流Iq。在任何故障情況下次級(jí)側(cè)可以主動(dòng)接通此中等電壓晶體管,并從而起動(dòng)橫向電流。此電流將被初級(jí)側(cè)識(shí)別出來(lái),并被視作從次級(jí)側(cè)能到初級(jí)側(cè)的故障信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種最好是單片集成的、用于控制橋式電路拓?fù)渲械墓β拾雽?dǎo)體開關(guān)(50,52)的電路(100),它由一個(gè)初級(jí)側(cè)部分(初級(jí)側(cè),20)和對(duì)應(yīng)于橋式電路的TOP開關(guān)(50)和BOT開關(guān)(52)的相應(yīng)次級(jí)側(cè)部分(次級(jí)側(cè),30),其中初級(jí)側(cè)(20)具有至少一個(gè)信號(hào)處理器和至少一個(gè)相應(yīng)的用于無(wú)電位地控制至少一個(gè)次級(jí)側(cè)(30)的電平移位器(44),并且次級(jí)側(cè)(30)具有至少一個(gè)信號(hào)處理器和至少一個(gè)用于相應(yīng)開關(guān)(50)的驅(qū)動(dòng)級(jí),其中為了識(shí)別至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)(50)的開關(guān)狀態(tài),在初級(jí)側(cè)(20)設(shè)置至少一個(gè)用于檢測(cè)和評(píng)估流過(guò)一個(gè)相應(yīng)電平移位器(44)的電流(Iq)的電路部分(46,47,48)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路(100),其中電平移位器(44)具有一個(gè)次級(jí)側(cè)供電電源(Vs),至少一個(gè)齊納二極管(410),一個(gè)次級(jí)側(cè)輸出端(Vo),一個(gè)高壓晶體管(430),一個(gè)初級(jí)側(cè)供電電源(Vp)和一個(gè)低壓晶體管(432)。
3.如權(quán)利要求2所述的電路(100),其中電平移位器(44)在次級(jí)側(cè)上的供電電源之后具有一個(gè)齊納二極管串聯(lián)電路(414)。
4.如權(quán)利要求3所述的電路(100),其中齊納二極管串聯(lián)電路(414a/b)被如此改變?cè)谶@些齊納二極管中的幾個(gè)(414a)上并聯(lián)設(shè)置一個(gè)中等電壓晶體管(434)。
5.用于識(shí)別如權(quán)利要求1所述電路(100)中的一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)(50)的開關(guān)狀態(tài)的方法,其中流過(guò)電平移位器(44)的電流(Iq)在初級(jí)側(cè)(20)上借助于那里設(shè)置的電路部分(46,47,48)被分析,同時(shí)這個(gè)在初級(jí)側(cè)(20)上檢測(cè)出的流過(guò)電平移位器(44)的電流(Iq)的第一個(gè)下限值(I1)對(duì)應(yīng)于橋式電路的一個(gè)未接通的開關(guān)(50),而這個(gè)在初級(jí)側(cè)(20)上檢測(cè)出的流過(guò)電平移位器(44)的電流(Iq)的第二個(gè)上限值(I2)對(duì)應(yīng)于橋式電路的一個(gè)已接通的開關(guān)(50)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,流過(guò)電平移位器(44)的電流(Iq)借助于電流采集器(46)和電壓采集器(47)被檢測(cè)。
7.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,初級(jí)側(cè)(20)上的限流器(48)防止了電平移位器(44)的過(guò)載。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成的電路,它由一個(gè)初級(jí)側(cè)和一個(gè)次級(jí)側(cè)組成,用于控制設(shè)置在橋式電路拓?fù)渲械墓β书_關(guān),本發(fā)明還涉及相應(yīng)的方法。初級(jí)側(cè)具有一個(gè)信號(hào)處理器和一個(gè)用于次級(jí)側(cè)的無(wú)電位控制的電平移位器。次級(jí)側(cè)具有一個(gè)信號(hào)處理器和一個(gè)用于TOP開關(guān)的驅(qū)動(dòng)級(jí)。為了識(shí)別初級(jí)側(cè)上的TOP開關(guān)的開關(guān)狀態(tài),電路具有一個(gè)用于檢測(cè)和評(píng)估流過(guò)電平移位器電流的電路部分。這里這個(gè)在初級(jí)側(cè)檢測(cè)到的流過(guò)電平移位器的電流的第一個(gè)下限值對(duì)應(yīng)于橋式電路的一個(gè)未接通的TOP開關(guān),而這個(gè)在初級(jí)側(cè)檢測(cè)到的流過(guò)電平移位器的電流的第二個(gè)上限值對(duì)應(yīng)于橋式電路的一個(gè)已接通的TOP開關(guān)。
文檔編號(hào)H02M7/219GK1870402SQ200610085038
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月23日
發(fā)明者薩夏·帕維爾, 瑞恩哈德·赫澤爾, 埃賈·帕維爾 申請(qǐng)人:塞米克朗電子有限及兩合公司
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