УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНТРОЛЯ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ
DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING POWER SEMICONDUCTOR SWITCH

Изобретение относится к устройству и способу контроля силового полупроводникового переключателя для обеспечения функциональной безопасности соответствующего силового полупроводникового переключателя.
Изобретение исходит из той проблемы, что в приборе с переключающим элементом должна существовать возможность проверить, доступен ли переключающий элемент, если прибор должен удовлетворять повышенный уровень безопасности. То же самое справедливо, если в качестве переключающего элемента должен применяться силовой полупроводниковый переключатель. Соответственно, в приборе с силовым полупроводниковым переключателем в качестве переключающего элемента, например вентильном преобразователе, существует необходимость регулярно проверять функцию силового полупроводникового переключателя, чтобы гарантировать, что он доступен.
Устройство и способ для такого контроля силового полупроводникового переключателя до сих пор не известны. Для релевантных для безопасности задач раньше чаще всего применялись механические реле. При этом дополнительный механический контактный блок в таком реле позволяет осуществлять контроль реле на корректное функционирование. Если силовые полупроводниковые переключатели используются для функций безопасности, контроль силового полупроводникового переключателя работоспособности может быть реализован пока только посредством "пробного переключения". Это переключение связано с вмешательством в силовую цепь, в которой находится силовой полупроводниковый переключатель, и, таким образом, весьма нежелательно.
Таким образом, в основе изобретения лежит задача предложить устройство и способ контроля силового полупроводникового переключателя, которое или который не требуют вмешательства в силовую цепь силового полупроводникового переключателя.
HF
HF,Ist
HF
HF,Ist
HF,Soll
HF
Эта задача в соответствии с изобретением решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. В устройстве для контроля силового полупроводникового переключателя при этом предусмотрено, что оно включает в себя следующие функциональные блоки: прежде всего, средства для нагружения силового полупроводникового переключателя высокочастотным напряжением (HF-напряжением; U) с частотой выше порога переключения силового полупроводникового переключателя дополнительно к управлению силового полупроводникового переключателя посредством внешнего управляющего сигнала, причем внешний управляющий сигнал приводит к состоянию переключения силового полупроводникового переключателя, соответствующему управляющему сигналу; далее, средства для регистрации HF-тока (I), являющегося результатом нагружения силового полупроводникового переключателя HF-напряжением (U); а также средства для сравнения результирующего HF-тока (I) с HF-током (I), ожидаемым в зависимости о состояния переключения силового полупроводникового переключателя на основе нагружения силового полупроводникового переключателя HF-напряжением (U); и, наконец, средства для генерации сигнала состояния силового полупроводника в зависимости от результата сравнения.
HF
HF,Ist
HF
HF,Ist
HF,Soll
HF
В способе контроля силового полупроводникового переключателя в соответствии с этим предусмотрено, что способ содержит, по меньшей мере, следующие шаги способа: силовой полупроводниковый переключатель, в дополнение к управлению посредством внешнего сигнала, управляется высокочастотным напряжением (HF-напряжением; U) с частотой выше порога переключения силового полупроводникового переключателя. Внешний управляющий сигнал приводит к состоянию переключения силового полупроводникового переключателя, соответствующему управляющему сигналу. Регистрируется HF-ток (I), являющийся результатом нагружения силового полупроводникового переключателя HF-напряжением (U). Результирующий HF-ток (I) сравнивается с HF-током (I), ожидаемым в зависимости от состояния переключения силового полупроводникового переключателя на основе нагружения силового полупроводникового переключателя HF-напряжением (U). В зависимости от результата этого сравнения генерируется сигнал состояния силового полупроводника.
Преимущество изобретения состоит в том, что посредством представленного здесь подхода обеспечиваются устройство и способ, которое или который посредством управления силовым полупроводниковым переключателем тестирует его работоспособность, без вмешательства в собственно силовую цепь.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения. Используемые при этом ссылки указывают на дополнительное воплощение предмета независимого пункта посредством признаков соответствующих зависимых пунктов. Их не следует понимать как отказ от достижения самостоятельной,овеществленной защиты для комбинаций признаков зависимых пунктов формулы изобретения, на которые даются ссылки. Кроме того, с точки зрения интерпретации пунктов формулы, в случае более детальной конкретизации признака в подчиненном пункте, следует исходить из того, что подобное ограничение не существует в соответствующих предыдущих пунктах формулы.
Пример осуществления настоящего изобретения поясняется ниже более подробно со ссылкой на чертежи. Соответствующие друг другу объекты или элементы на всех чертежах обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
НА ЧЕРТЕЖАХ ПОКАЗАНО СЛЕДУЮЩЕЕ:
Фиг. 1 - эквивалентная электрическая схема силового полупроводникового переключателя в форме MOSFET (полевой транзистор со структурой металл - оксид – полупроводник),
Фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема силового полупроводникового переключателя в форме IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором),
Фиг. 3 – схема управления для управления силовым полупроводниковым переключателем,
Фиг. 4 – схема управления согласно фиг. 3 со схемной частью для управления силовым полупроводниковым переключателем для тестирования его работоспособности,
Фиг. 5 - схема контроля для оценки управления силовым полупроводниковым переключателем, осуществляемого посредством схемной части согласно фиг. 4,
Фиг. 6 - полупроводниковый модуль с силовым полупроводниковым переключателем, схемной частью согласно фиг. 4 и схемой контроля согласно фиг. 5, и
Фиг. 7 – схемная часть, дополнительная или альтернативная к схемной части согласно фиг. 6, для управления силовым полупроводниковым переключателем для тестирования его работоспособности.
Представления на фиг. 1 и 2 показывают эквивалентные электрические схемы силовых полупроводниковых переключателей (силовых полупроводников) 10, которые в настоящее время находят применение для функций безопасности. Представление на фиг. 1 показывает эквивалентную электрическую схему MOSFET 12, а представление на фиг. 2 показывает эквивалентную электрическую схему IGBT 14.
Для обоих силовых полупроводниковых переключателей 10 показаны, соответственно, обычные выводы, обозначенные в обычной терминологии. Соответственно, силовой полупроводниковый переключатель 10 в форме MOSFET 12 имеет вывод затвора (G), вывод истока (S) и вывод стока (D). Соответствующим образом, силовой полупроводниковый переключатель 10 в форме IGBT 14 имеет вывод затвора (G), вывод коллектора (C) и вывод эмиттера (E).
GS
GD
DS
GE
GС
СE
Между соответствующими двумя из этих выводов силового полупроводникового переключателя 10 на эквивалентных электрических схемах показана емкость, являющаяся результатом характеристик компонентов, а именно, для MOSFET 12 в форме конденсатора с емкостью С между выводом затвора (G) и выводом истока (S), конденсатора с емкостью С между выводом затвора (G) и выводом стока (D), а также конденсатора с емкостью С между выводом стока (D) и выводом истока (S). То же самое относится и к эквивалентной электрической схеме IGBT 14. В соответствии с этим там показан конденсатор с емкостью C между выводом затвора (G) и выводом эмиттера (E), конденсатор с емкостью C между выводом затвора (G) и выводом коллектора (C), а также конденсатор с емкостью C между выводом коллектора (C) и выводом эмиттера (E).
На фиг. 1 для представления показанной там эквивалентной электрической схемы силового полупроводникового переключателя 10 в форме MOSFET 12 также показана эквивалентная схема включенного в такой силовой полупроводниковый переключатель 10 обратного диода 16.
GS
GЕ
В случае если силовой полупроводниковый переключатель 10, в частности силовой полупроводниковый переключатель 10 в форме MOSFET 12 или в форме IGBT 14, имеет неисправность, это отражается в измененном емкостном режиме. В качестве неисправности силового полупроводникового переключателя 10 при этом следует понимать частичное разрушение соответствующего компонента, а также потерю по меньшей мере одного контакта. Разрушение областей элемента силового полупроводникового переключателя 10 приводит, например, к снижению входной емкости, то есть емкости С затвора для MOSFET 12 или емкости С затвора для IGBT 14. Также незначительные неисправности могут распознаваться таким образом.
Представления на фиг. 3 и 4 показывают управляющие схемы 20 для управления силовым полупроводниковым переключателем 10. Силовой полупроводниковый переключатель 10 показан вместе с параллельно включенным обратным диодом 16, как это имеет место в случае, например, входного вентильного преобразователя или выходного вентильного преобразователя АС/АС-преобразователя.
Силовой полупроводниковый переключатель 10, в зависимости от положения переключения включенного в управляющую схему 20 переключателя 22, нагружается/управляется положительным или отрицательным управляющим потенциалом, здесь показанным в форме первого источника 24 напряжения, выдающего, например, +15 В, и второго источника 26 напряжения, выдающего, например, -15 В.
HF
HF
Управляющая схема 20, показанная на фиг. 3, соответствует управляющей схеме 20, как она известна из предшествующего уровня техники. Управляющая схема 20, показанная на фиг.4, содержит, по сравнению с управляющей схемой 20 на фиг. 3, дополнительную схемную часть 30, которая прикладывает высокочастотное напряжение (HF-напряжение; U) в цепь затвора соответствующего силового полупроводникового переключателя 10. Схемная часть 30 является соответственно примером для средств 30 для нагружения силового полупроводникового переключателя 10 HF-напряжением (U) с частотой выше порога переключения силового полупроводникового переключателя 10. Нагружение HF-напряжением осуществляется при этом параллельно управлению силового полупроводникового переключателя 10 на основе соответствующего положения переключения переключателя 22 или соответствующего источника сигнала.
HF
HF
HF
HF
HF
HF
HF
HF
HF,Ist
HF
В качестве базы для высокочастотного напряжения (U) при этом показан источник 32 HF-напряжения. Последний развязан по высокой частоте посредством развязывающего конденсатора 34 с емкостью C, включенного в схемную часть 30 последовательно с источником 32 HF-напряжения, от вывода затвора соответствующего силового полупроводникового переключателя 10. Получаемый в результате высокочастотного напряжения (U) ток (I), в дальнейшем упоминаемый как HF-ток, регистрируется посредством шунтирующего сопротивления (R) 36. Вместо шунтирующего сопротивления 36, регистрация высокочастотного тока (I) может также осуществляться индуктивным образом. Шунтирующее сопротивление (R) 36 или индуктивная регистрация HF-тока (I) являются соответственно примерами средств регистрации HF-тока (I), являющегося результатом нагружения силового полупроводникового переключателя (10) HF-напряжением (U).
HF
HF
Частота и амплитуда высокочастотного напряжения (U) выбираются так, что частота лежит намного выше частоты переключения силового полупроводникового переключателя 10. В качестве частоты, соответственно этому рассматривается, например, частота выше 10 МГц. Для амплитуды высокочастотного напряжения (U) предусмотрено, что она лежит значительно ниже нормальных значений напряжения, как они применяются для управления силовым полупроводниковым переключателем 10. Соответственно, в качестве амплитуды рассматривается, например, амплитуда примерно 1 В.
HF
HF
Для контроля соответствующего силового полупроводникового переключателя 10 со схемой 20 управления соотнесена схема 40 контроля. Она схематично показана на фиг. 5. В схему 40 контроля на первый вход 42 подается состояние переключения переключателя 22 схемы 20 управления. На второй вход 44 в схему 40 контроля опосредованно или непосредственно подается ток (I), являющийся результатом высокочастотного напряжения (U), например, в форме меры напряжения, отводимого через шунтирующее сопротивление 36.
HF,Ist
HF
HF,Ist
HF
HF,Ist
Если на схему 40 контроля подается мера напряжения, отводимого через шунтирующее сопротивление 36, с помощью ее и известной величины сопротивления шунтирующего сопротивления 36, определяется ток (I), фактически являющийся результатом высокочастотного напряжения (U). Для этого схема 40 контроля включает в себя устройство 46 определения фактического значения HF-тока. Функциональность устройства 46 определения фактического значения HF-тока состоит, например, в том, что из подаваемой на второй вход 44 меры напряжения, отводимого через шунтирующее сопротивление 36, и известного значения сопротивления шунтирующего сопротивления 36 формируется отношение. На выходе устройства 46 определения фактического значения HF-тока в любом случае существует текущий HF-ток (I), являющийся результатом высокочастотного напряжения (U), или мера для результирующего текущего HF-тока (I).
HF,Ist
HF,Soll
HF
HF,Soll
HF,Soll
HF,Soll
HF,Soll
HF,Soll
HF,Soll1
HF,Soll2
HF,Soll
HF,Soll1
HF,Soll2
HF,Soll
HF,Ist
HF
Текущий HF-ток (I) посредством компаратора 48 сравнивается с HF-током (I), ожидаемым на основе высокочастотного напряжения (U). Ожидаемый HF-ток (I) или мера ожидаемого HF-тока (I) предоставляется посредством устройства 50 определения заданного значения HF-тока. Оно обрабатывает в качестве входного сигнала поданное на первый вход 42 схемы 40 контроля состояние переключения переключателя 22 схемы 20 управления. Функциональность устройства 50 определения заданного значения HF-тока может быть реализована, например, в форме таблицы, которая в первом элементе таблицы включает в себя меру ожидаемого HF-тока (I) для первого положения переключения переключателя 22, а во втором элементе таблицы - меру для ожидаемого HF-тока (I) для второго положения переключения переключателя 22. В зависимости от поданного на первый вход 42 положения переключения переключателя 22, устройство 50 определения заданного значения HF-тока выдает в соответствии с этим ожидаемый при соответствующем положении переключения HF-ток (I=[I,I]) или меру для ожидаемого HF-тока (I=[I,I]) и направляет его или, соответственно, ее на компаратор 48. Компаратор 48 выполняет собственно сравнение между соответствующим ожидаемым HF-током (I) и соответствующим фактическим HF-током(I), являющимся результатом высокочастотного напряжения (U).
HF,Ist
HF,Soll
HF
Таким образом, схема 40 контроля и включенный в нее компаратор 48 являются примером lkz средств для сравнения результирующего HF-тока (I) с HF-током (I), ожидаемым в зависимости от состояния переключения силового полупроводникового переключателя 10 на основе нагружения силового полупроводникового переключателя 10 HF-напряжением (U).
Если компаратор 48 устанавливает равенство или равенство в определенных пределах заданного или задаваемого диапазона допусков, компаратор 48 выдает на свой выход, действующий в качестве выхода 52 схемы 40 контроля сигнал исправности. Если имеет место неравенство или недостаточное равенство обоих сравниваемых компаратором 48 токов или значений токов, то компаратор 48 соответственно выдает сигнал неисправности. В качестве сигнала исправности и сигнала неисправности могут, например, рассматриваться первый определенный уровень сигнала и второй определенный уровень сигнала, так что сигнал, выдаваемый на выход 52 схемы 40 контроля, может обрабатываться как двоичный сигнал и указывает состояние соответственно контролируемого силового полупроводникового переключателя 10.
Схема 40 контроля может быть реализована и может работать на аналоговой основе или на цифровой основе. Преимущество предложенного решения состоит в том, что для контроля функции силового полупроводникового переключателя 10 не требуется вмешательство в соответствующую силовую цепь 56, 58 (фиг. 6). Схема 40 контроля вместе со схемной частью 30 может встраиваться в "интеллектуальный" полупроводниковый модуль 60, как схематично показано в упрощенном виде на фиг. 6.
HF
HF
Представление на фиг. 6 показывает в форме схематично упрощенной блок-схемы полупроводниковый модуль 60, который работает в соответствии с подходом, описанным здесь. Полупроводниковый модуль 60 является соответственно примером для устройства контроля силового полупроводникового переключателя 10, которое включает в себя все функциональные блоки, описанные выше, в частности, в интегральной форме. Полупроводниковый модуль 60, таким образом, содержит, по меньшей мере, соответствующий силовой полупроводниковый переключатель 10, при необходимости, силовой полупроводниковый переключатель 10 и обратный диод 16, поясненную с помощью фиг. 4 схемную часть 30 и поясненную с помощью фиг. 5 схему 40 контроля. Такой полупроводниковый модуль 60 может управляться посредством переключателя 22 или тому подобного средства. Соответствующий результирующий сигнал 62 управления подается на силовой полупроводниковый переключатель 10 и схему 40 контроля. Силовой полупроводниковый переключатель 10 управляется посредством схемной части 30 и генерируемого там высокочастотного напряжения (U) с HF-сигналом 64 с частотой выше порога переключения силового полупроводникового переключателя 10 (горизонтально вправо указывающая стрелка от схемной части 30 к силовому полупроводниковому переключателю 10). При этом протекающий HF-ток (I), который зависит от входной емкости силового полупроводникового переключателя 10, регистрируется с помощью схемной части 30, например, с помощью включенного там шунтирующего сопротивления 36 (горизонтально влево указывающая стрелка от силового полупроводникового переключателя 10 к схемной части 30) и направляется на схему 40 контроля (вертикально вниз указывающая стрелка от схемной части 30 к схеме 40 контроля). Управляющий сигнал 62 подается на силовой полупроводниковый переключатель 10 и параллельно также на схему 40 контроля. В зависимости от состояния управляющего сигнала 62 в схеме 40 контроля создается зависимый от состояния ожидаемый HF-ток или зависящая от состояния мера для ожидаемого HF-тока. Он или соответственно она сравнивается посредством схемы 40 контроля с полученным от схемной части 30 фактическим HF-током или полученной от схемной части 30 мерой для фактического HF-тока. На выходе 52 схемы 40 контроля и, таким образом, на совпадающем с ним выходе полупроводникового модуля 60 существует зависимый от результата сравнения сигнал 66 состояния силового полупроводника, который может оцениваться для контроля силового полупроводникового переключателя 10 и оценивается в процессе работы. Включенный в схему 40 контроля компаратор 48 является, таким образом, примером для средства для генерирования сигнала 66 состояния силового полупроводника в зависимости от результата сравнения фактического и ожидаемого HF-тока.
Соответствующая силовая цепь 56, 58 подключена к выводу стока и истока или к выводу коллектора и эмиттера соответствующего силового полупроводникового переключателя 10. Сигнал 66 состояния силового полупроводника, ответвляемый на выходе 52 схемы 40 контроля такого полупроводникового модуля 60, указывает на работоспособность соответствующего силового полупроводникового переключателя 10. Пока там существует сигнал, указывающий на равенство или достаточное равенство ожидаемого и фактического HF-тока, включенный в полупроводниковый модуль 60 силовой полупроводниковый переключатель 10 может сертифицироваться как безопасный.
Чтобы дополнительно или альтернативно к емкости затвора силового полупроводникового переключателя 10 также регистрировать емкость между стоком и истоком или коллектором и эмиттером, HF-напряжение может также прикладываться там. Для этого представление на фиг. 7 показывает соответствующую схемную часть 30'. Она включает в себя развязывающий диод 68 и включенную параллельно с развязывающим диодом 68 емкость (схема 20 управления согласно фиг. 3 показана на фиг. 7 только как функциональный блок). Реализованная посредством схемной части 30' функциональность также может быть интерпретирована как развязывающая схема. Включенные в нее емкости могут лежать несущественно ниже измеряемой емкости силового полупроводникового переключателя 10, чтобы могла достигаться достаточная точность измерения.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано на примере выполнения, изобретение не ограничивается раскрытым примером или примерами, и специалистом на этой основе могут быть получены варианты для других компонентов с емкостной характеристикой без отклонения от объема настоящего изобретения. Например, с помощью представленного здесь подхода могут также контролироваться силовые полупроводники в форме так называемых JFET (полевой транзистор с p-n-переходом).
Отдельные главные аспекты представленного здесь описания можно резюмировать следующим образом:
HF
HF,Ist
HF
HF,Ist
HF,Soll
HF
Предложены устройство для контроля силового полупроводникового переключателя 10, причем устройство включает в себя средства 30 для нагружения силового полупроводникового переключателя 10 HF-напряжением (U) с частотой выше порога переключения силового полупроводникового переключателя 10, средства 36 для регистрации HF-тока (I), являющегося результатом нагружения силового полупроводникового переключателя 10 HF-напряжением (U); средства (40, 48) для сравнения результирующего HF-тока (I) с HF-током (I), ожидаемым в зависимости от состояния переключения силового полупроводникового переключателя 10 на основе нагружения силового полупроводникового переключателя 10 HF-напряжением (U); и средства 48 для генерации сигнала 66 состояния силового полупроводника в зависимости от результата сравнения, а также соответствующий способ для контроля силового полупроводникового переключателя 10.