УПРАВЛЕНИЕ ПОЛЕВЫМ ТРАНЗИСТОРОМ МЕТАЛЛ-ОКСИД-ПОЛУПРОВОДНИК
METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR CONTROL

Изобретение касается способа и системы управления для управления полевым транзистором металл-оксид-полупроводник (MOSFET=Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor МОП транзистор = Полевой транзистор типа металл-окисел-полупроводник), в частности, MOSFET, базирующимся на широкозонном полупроводнике (Wide-Bandgap Semiconductor).
MOSFET обладает обратной проводимостью и имеет p-n-переход между подложкой и стоком, при электрическом соединении подложки и истока работающий как интринсивный диод, который обозначается как обратный диод или как внутренний диод MOSFET. Обратные токи текут через внутренний диод, если MOSFET отключен. Поскольку внутренний диод имеет высокое сопротивление, то при этом возникают большие потери. Значительные потери такого рода могут возникать, в частности, в преобразователе тока, выполненном по MOSFET-технологии, если в случае неисправности все MOSFET преобразователя тока выключаются, и обратные токи текут из снабжающей сети, соединенной с преобразователем тока или из нагрузки, соединенной с преобразователем тока, через внутренние диоды MOSFET преобразователя тока. В настоящее время в определенных преобразователях тока, например, в преобразователях тягового тока, в большом числе применяются MOSFET, которые базируются на широкозонных полупроводниках, например, на карбиде кремния или нитрите галлия, и подвержены высоким токовым нагрузкам. Поэтому, в частности, в этих преобразователях тока возникает такая проблема, что обратные токи через MOSFET при обусловленном неисправностью выключении всех MOSFET могут привести к большим потерям.
Документ Texas Instruments: "UCD7138 4-A and 6-A Single-Channel Synchronous-Rectifier Driver With Body-Diode Conduction Sensing and Reporting", 31. Mai 2015 (2015-05-31), URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucd7138.pdf раскрывает MOSFET-драйвер с затвор-драйвером, схемой для регистрации состояния проводимости внутренних диодов и схемой для оптимизации задержки включения.
Публикация DE 112016002958 T2 раскрывает способ управления электрическим устройством рулевого управления с сервомеханизмом, включающим в себя несколько инверторных мостиков, которые соответственно соединены с многофазным мотором, который сконфигурирован для предоставления поддержки мощности для рулевого управления транспортного средства. Способ включает в себя, после определения отказа внутри одного из инверторных мостиков, управление потоком тока внутри неисправного инверторного мостика и использование одного или нескольких из других инверторных мостков, чтобы тем самым предоставить поддержку мощности.
В основе изобретения лежит задача показать способ и систему управления для управления MOSFET, которые улучшены в отношении сокращения потерь, вызванных обратными токами.
Согласно изобретению задача решается с помощью способа с признаками пункта 1 формулы изобретения и системы управления с признаками пункта 7.
Предпочтительные формы исполнения изобретения являются предметом подпунктов.
Соответствующий изобретению способ касается управления MOSFET, в частности, MOSFET, базирующегося на широкозонном полупроводнике, со выводом стока, выводом истока, выводом затвора и внутренним диодом, причем MOSFET расположен в преобразователе тока, имеющем несколько MOSFET. При этом после возникновения неисправности, приведшей к выключению всех MOSFET преобразователя тока, наблюдают, является ли внутренний диод MOSFET электрически проводящим. MOSFET включается, если внутренний диод является электрически проводящим, и MOSFET управляется в зависимости от управляющего сигнала, если внутренний диод является электрически запирающим.
Итак, изобретение предусматривает, после возникновения неисправности, приведшей к выключению всех MOSFET преобразователя тока, включение MOSFET, если его внутренний диод является проводящим и, тем самым, токоведущим. С помощью включения MOSFET обратные токи, которые в выключенном состоянии MOSFET в одиночку текли бы через внутренний диод, по меньшей мере, частично проводятся через MOSFET-канал между выводом истока и выводом стока, поэтому текущие через внутренний диод обратные токи и вызванные этим потери сильно сокращаются. Если внутренний диод является электрически запирающим, то MOSFET, как обычно, управляется в зависимости от управляющего сигнала, поэтому управление MOSFET в этом случае не изменяется.
Изобретение предусматривает далее, чтобы предварительно задавалась первая пороговая величина напряжения для напряжения сток-исток между выводом стока и выводом истока MOSFET, регистрировалось напряжение сток-исток и на основании этого делалось заключение, что внутренний диод является электрически проводящим, если напряжение сток-исток не превышает первой пороговой величины напряжения. Далее предварительно задается вторая пороговая величина напряжения для напряжения сток-исток и на этом основании делается заключение, что внутренний диод является электрически запирающим, если напряжение сток-исток превышает вторую пороговую величину напряжения. Например, обе пороговые величины напряжения являются отрицательными, и вторая пороговая величина напряжения больше, чем первая пороговая величина напряжения.
Указанные ранее аспекты изобретения используют напряжение сток-исток, чтобы распознать, является ли внутренний диод MOSFET электрически проводящим или запирающим. Для этого используются пороговые величины напряжения, недостижения, или соответственно, превышения которых сигнализируют о том, что внутренний диод является электрически проводящим или запирающим.
Форма исполнения изобретения предусматривает, чтобы предварительно задавалась первая пороговая величина тока для силы тока сток-исток для тока сток-исток, текущего в направлении пропускания внутреннего диода между выводом стока и выводом истока MOSFET, регистрировалась сила тока сток-исток и из этого делалось заключение, что внутренний диод является электрически проводящим, если сила тока сток-исток превышает первую пороговую величину тока. Далее, может быть предварительно задана вторая пороговая величина тока для силы тока сток-исток, которая меньше, чем первая пороговая величина тока, и из этого может быть сделано заключение, что внутренний диод является электрически запирающим, если сила тока сток-исток не достигает второй пороговой величины тока.
Изобретение предусматривает, чтобы регистрировалось направление текущего между выводом стока и выводом истока MOSFET тока сток-исток и на основании этого делалось заключение, что внутренний диод является электрически проводящим, если ток сток-исток течет в направлении пропускания внутреннего диода. Далее на этом основании может быть сделано заключение, что внутренний диод является электрически запирающим, если ток сток-исток течет противоположно направлению пропускания внутреннего диода.
При этом изобретение использует ток сток-исток, чтобы распознать, является ли внутренний диод электрически проводящим или запирающим. Для этого используются пороговые величины тока для силы тока для тока сток-исток в направлении пропускания внутреннего диода, недостижения, или соответственно, превышения которых сигнализируют о том, что внутренний диод является электрически проводящим, или соответственно, запирающим. Сила тока сток-исток измеряется, например, с помощью шунтового сопротивления, которое расположено в токовой цепи тока сток-исток. Альтернативно или дополнительно регистрируется направление тока сток-исток, чтобы распознать, является ли внутренний диод электрически проводящим или запирающим. Направление тока сток-исток определяется, например, с помощью подсчета выданных импульсов напряжения или с помощью триггера, изменяющего свое состояние при каждом выданном импульсе напряжения.
Соответствующая изобретению система управления для проведения соответствующего изобретению способа включает в себя блок наблюдения, сформированный для того, чтобы определить, является ли внутренний диод электрически проводящим или запирающим, и блок управления, сформированный для того, чтобы после возникновения неполадки, приведшей к выключению всех MOSFET преобразователя тока, включать MOSFET, если блок наблюдения определяет, что внутренний диод является электрически проводящим, и чтобы управлять MOSFET в зависимости от управляющего сигнала, если внутренний диод является электрически запирающим.
Блок наблюдения сформирован для того, чтобы регистрировать напряжение сток-исток и с помощью напряжения сток-исток определять, является ли внутренний диод электрически проводящим или запирающим. Формы исполнения соответствующей изобретению системы управления предусматривают, чтобы блок наблюдения был сформирован для того, чтобы регистрировать силу тока сток-исток и с помощью силы тока сток-исток определять, является ли внутренний диод электрически проводящим или запирающим, или/и чтобы блок наблюдения был сформирован для того, чтобы регистрировать направление тока сток-исток и с помощью направления тока сток-исток определять, является ли внутренний диод электрически проводящим или запирающим.
Следующая форма исполнения соответствующей изобретению системы управления предусматривает, чтобы блок наблюдения был сформирован для того, чтобы сообщать блоку управления через дополнительный управляющий сигнал, является ли внутренний диод электрически проводящим или запирающим, а блок управления имел конечную ступень для управления MOSFET в зависимости от дополнительного управляющего сигнала и управляющего сигнала. Альтернативная этому форма исполнения соответствующей изобретению системы управления предусматривает, чтобы блок наблюдения был сформирован для того, чтобы сообщать блоку управления через дополнительный управляющий сигнал, является ли внутренний диод электрически проводящим или запирающим, а блок управления имел первую конечную ступень для управления MOSFET в зависимости от управляющего сигнала в случае, когда внутренний диод является электрически запирающим, и вторую конечную ступень для управления MOSFET в зависимости от дополнительного управляющего сигнала в случае, когда внутренний диод является электрически проводящим.
Соответствующая изобретению система управления делает возможным проведение соответствующего изобретению способа. Поэтому преимущества соответствующей изобретению системы управления соответствуют уже упомянутым выше преимуществам соответствующего изобретению способа и здесь еще раз особо не приводятся.
В общем, изобретение модифицирует управление MOSFET только после возникновения неисправности, приведшей к выключению всех MOSFET преобразователя тока, в случае, когда внутренний диод является электрически проводящим. Для этого используется система управления, которая расширяет обычное управление на дополнительную функцию включать MOSFET после возникновения неисправности, если внутренний диод является электрически проводящим. Помимо этого, изобретение не касается обычного управления MOSFET и обычного концепта защиты.
Соответствующий изобретению преобразователь тока, в частности, преобразователь тягового тока, имеет несколько MOSFET, в частности несколько MOSFET, базирующихся на широкозонном полупроводнике, и для каждого MOSFET соответствующую изобретению систему управления для управления MOSFET. В частности, изобретение пригодно для управления MOSFET преобразователя тягового тока, так как токовые нагрузки для MOSFET преобразователя тягового тока могут быть очень высокими, в частности, из-за обратных токов и поэтому могут быть причинами больших потерь.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения, будут яснее и понятнее с учетом нижеследующего описания примеров исполнения, которые более подробно поясняются с учетом рисунков. При этом показывают:
ФИГ. 1 схему MOSFET,
ФИГ. 2 схему MOSFET и первого примера исполнения системы управления для управления MOSFET,
ФИГ. 3 дополнительный управляющий сигнал в зависимости от напряжения сток-исток MOSFET,
ФИГ. 4 схему преобразователя тока,
ФИГ. 5 блок-схему способа для управления MOSFET.
Соответствующие друг другу части снабжены на фигурах одними и теми же ссылочными обозначениями.
ФИГ. 1 показывает схему MOSFET 1 со выводом D стока, выводом S истока, выводом G затвора и внутренним диодом 2. MOSFET 1 сформирован как обычно запирающий n-канальный MOSFET, базирующийся на широкозонном полупроводнике, например, на карбиде кремния или нитриде галлия. Обратные токи, то есть токи, которые (согласно техническому направлению тока) направлены от вывода S истока к выводу D стока, при выключенном состоянии MOSFET 1 текут через внутренний диод 2.
ФИГ. 2 показывает схему MOSFET 1, сформированного как на ФИГ. 1 и первого примера исполнения соответствующей изобретению системы 3 управления для управления MOSFET 1.
Система 3 управления включает в себя блок 5 наблюдения и блок 7 управления. Блок 5 наблюдения сформирован для того, чтобы определять, является ли внутренний диод 2 MOSFET 1 электрически проводящим или запирающим, и сообщать это блоку 7 управления. Для этого блок 5 наблюдения регистрирует напряжение U сток-исток между выводом D стока и выводом S истока MOSFET 1 и выдает на блок 7 управления зависящий от напряжения U сток-исток двоичный дополнительный управляющий сигнал S2, принимающий значение 0 или значение 1. Значение 1 дополнительного управляющего сигнала S2 сигнализирует, что внутренний диод 2 является электрически проводящим. Значение 0 дополнительного управляющего сигнала S2 сигнализирует, что внутренний диод 2 является электрически запирающим.
ФИГ. 3 показывает выданный блоком 5 наблюдения дополнительный управляющий сигнал S2 в зависимости от напряжения U сток-исток. Дополнительный управляющий сигнал S2 принимает значение 1, если напряжение U сток-исток не достигает предварительно заданной первой пороговой величины U1 напряжения. Дополнительный управляющий сигнал S2 принимает значение 0, если напряжение U сток-исток превышает предварительно заданную вторую пороговую величину U2 напряжения. Обе пороговые величины U1, U2 напряжения являются отрицательными, причем вторая пороговая величина U2 напряжения больше, чем первая пороговая величина U1 напряжения. Например, первая пороговая величина U1 напряжения имеет значение примерно -1 V, а вторая пороговая величина U2 напряжения имеет значение примерно -0,5 V. При значениях напряжения U сток-исток, лежащих между обеими пороговыми величинами U1, U2 напряжения, дополнительный управляющий сигнал S2 не изменяется, это значит сохраняет свое моментальное значение.
MOSFET 1 расположен в преобразователе 19 тока, имеющем несколько MOSFET 1 (смотри также ФИГ. 4). Блок 7 управления управляет MOSFET 1 в зависимости от двоичного управляющего сигнала S1, принимающего значение 0 или значение 1, а после возникновения неисправности, приведшей к выключению всех MOSFET 1 преобразователя 19 тока, дополнительно в зависимости от дополнительного управляющего сигнала S2. Для этого блок 7 управления имеет ИЛИ-элемент 9 и конечную ступень 11. К ИЛИ-элементу 9 подводятся управляющий сигнал S1 и дополнительный управляющий сигнал S2. ИЛИ-элемент 9 выдает значение 0 на конечную ступень 11, если как управляющий сигнал S1, так и дополнительный управляющий сигнал S2 принимают значение 0. В противном случае ИЛИ-элемент 9 выдает значение 1 на конечную ступень 11. Если ИЛИ-элемент 9 выдает значение 1, то конечная ступень 11 включает MOSFET 1, накладывая положительное напряжение включения между выводом G затвора и выводом истока S MOSFET 1. В противном случае конечная ступень 11 выключает MOSFET 1, накладывая напряжение выключения между выводом G затвора и выводом истока S MOSFET 1.
ФИГ. 4 показывает схему преобразователя 19 тока с MOSFET 1 и вторым примером исполнения соответствующей изобретению системы 3 управления для управления MOSFET 1. Преобразователь 19 тока - это, например, преобразователь тягового тока с другими (здесь не изображенными) MOSFET 1, подключенными известным образом по схеме в полумост или полный мост, и со следующей конфигурацией 3 управления для каждого следующего MOSFET 1.
Системы 3 управления этого примера исполнения отличаются от показанного на ФИГ. 2 примера исполнения лишь только исполнением блока 7 управления. Блок 7 управления этого примера исполнения имеет две конечные ступени 11, 13 и включатель 15. К первой конечной ступени 11 подводится управляющий сигнал S1. Ко второй конечной ступени 13 после возникновения неисправности, приведшей к выключению всех MOSFET 1 преобразователя 19 тока, подводится выданный блоком 5 наблюдения соответствующей системы 3 управления дополнительный управляющий сигнал S2. Включатель 15 отключает выход первой конечной ступени 11 от вывода G затвора MOSFET 1, управляемого конфигурацией 3 управления, если дополнительный управляющий сигнал S2 принимает значение 1. В этом случае MOSFET 1 включается от второй конечной ступени 13 посредством наложения второй конечной ступенью 13 положительного напряжения включения между выводом G затвора и выводом S истока MOSFET 1. Если дополнительный управляющий сигнал S2 принимает значение 0, то выход первой конечной ступени 11 включателем 15 соединяется с  выводом G затвора MOSFET 1, управляемым конфигурацией 3 управления, и MOSFET 1 управляется первой конечной ступенью 11, это значит, что от второй конечной ступени 13 не накладывается напряжение между  выводом G затвора и  выводом S истока MOSFET 1, и MOSFET 1 включается первой конечной ступенью 11, если управляющий сигнал S1 принимает значение 1, и выключается, если управляющий сигнал S1 принимает значение 0.
Управляющие сигналы S1 для MOSFET 1 преобразователя 19 тока генерируются управлением 17 преобразователя 19 тока. Может быть предусмотрено, чтобы управление MOSFET 1 активировалось в зависимости от дополнительных управляющих сигналов S2 с помощью вторых конечных ступеней 13 только тогда, когда управление 17 выдает для этого разрешение.
ФИГ. 5 показывает блок-схему примера исполнения соответствующего изобретению способа управления MOSFET 1 с исполненной согласно ФИГ. 2 или ФИГ. 4 конфигурацией 3 управления.
На первом этапе 21 способа предварительно задаются пороговые величины U1, U2 напряжения для напряжения U сток-исток.
На втором этапе 22 способа блоком 5 наблюдения регистрируется напряжение U сток-исток, и формируется дополнительный управляющий сигнал S2 в зависимости от напряжения U сток-исток описанным выше с помощью ФИГ. 3 образом и выдается на блок 7 управления.
На третьем этапе 23 способа MOSFET 1 включается блоком 7 управления после возникновения неисправности, приведшей к выключению всех MOSFET 1 преобразователя 19 тока, это значит, что накладывается напряжение включения между выводом G затвора и выводом S истока MOSFET 1, если дополнительный управляющий сигнал S2 принимает значение 1. В противном случае MOSFET 1 управляется блоком 7 управления в зависимости от управляющего сигнала S1, это значит, что накладывается напряжение включения между выводом G затвора и выводом S истока MOSFET 1, если управляющий сигнал S1 принимает значение 1, или накладывается напряжение выключения между выводом G затвора и выводом S истока MOSFET 1, если управляющий сигнал S1 принимает значение 0. После третьего этапа 23 способа способ продолжается по второму этапу 22 способа.
Описанные выше с помощью фигур примеры исполнения соответствующей изобретению системы 3 управления и соответствующего изобретению способа могут быть модифицированы различными способами до альтернативных примеров исполнения. В частности, блок 5 наблюдения может быть сформирован иначе, чем в описанных выше с помощью фигур примерах исполнения.
Например, блок 5 наблюдения может быть сформирован для того, чтобы вместо напряжения U сток-исток регистрировать и анализировать силу тока сток-исток текущего в направлении пропускания внутреннего диода 2 между выводом стока D и выводом истока S тока сток-исток. В этом случае предварительно задаются первая пороговая величина тока для силы тока сток-исток и вторая пороговая величина тока для силы тока сток-исток, меньшая, чем первая пороговая величина тока. Дополнительный управляющий сигнал S2 устанавливается на значение 1, если сила тока сток-исток превышает первую пороговую величину тока. Дополнительный управляющий сигнал S2 устанавливается на значение 0, если сила тока сток-исток не достигает первой пороговой величины тока. При значениях силы тока сток-исток, лежащих между обеими пороговыми величинами тока, дополнительный управляющий сигнал S2 не меняется, это значит сохраняет свое моментальное значение. Сила тока сток-исток измеряется, например, шунтовым сопротивлением, расположенным в токовой цепи тока сток-исток.
Альтернативно блок 5 наблюдения может быть сформирован для того, чтобы регистрировать направление тока сток-исток. В этом случае дополнительный управляющий сигнал S2 выставляется на значение 1, если ток сток-исток течет в направлении пропускания внутреннего диода 2. В противном случае дополнительный управляющий сигнал S2 выставляется на значение 0. Например, направление тока сток-исток измеряется с применением ферро-магнитного сердечника, который при каждой смене направления тока сток-исток выдает импульс напряжения. Направление тока сток-исток определяется, например, путем подсчета выданных импульсов напряжения или с помощью триггера, который при каждом выданном импульсе напряжения изменяет свое состояние.
Альтернативные ФИГ. 4 примеры исполнения преобразователя 19 тока получаются путем замены показанной на ФИГ. 4 системы 3 управления на систему 3 управления описанного на фигуре 2 примера исполнения или одного из упомянутых ранее модифицированных примеров исполнения.
Хотя изобретение и было более подробно иллюстрировано в деталях и описано с помощью предпочтительных примеров исполнения, изобретение не ограничивается раскрытыми примерами, а другие вариации из этого могут быть выведены специалистом без выхода за объем охраны изобретения.