用于功率半导体电路的控制电路的制作方法

1.本发明涉及一种用于功率半导体电路的控制电路。


背景技术：

2.许多电气驱动器、尤其在工业应用中的电气驱动器都通过变频器进行调节。驱动器传统上借助交流电压供电，必须首先对交流电压进行整流，以便能够通过变频器为驱动器提供可变的电压和频率。由于整流伴随有损耗，因此直流电压网络例如用于具有许多驱动器的生产设备，所述直流电压网络还提供了可以从本地光伏设备馈入电力而无需通过交流电压迂回的优点。
3.如在所有电气应用中那样，安全的切换对于直流电压网络(以下简称：dc网络)也至关重要。为此目的使用电子继电器或电子接触器，其具有电压控制的功率半导体开关、例如绝缘栅双极晶体管(以下称为igbt，insulated gate bipolar transistor)。该功率半导体开关在完全关断和完全受控、即完全接通的状态下具有低的损耗功率，但由于在其之间的开关状态中可能发生的过高的损耗功率而容易损坏。
4.由de 10 2019 107 506 a1已知一种驱动电路。该驱动电路具有：控制信号输入端，用于在第一电路输入端处接收第一控制信号；与控制信号输入端连接的光耦合器，该光耦合器被设计为根据第一控制信号产生电流解耦的第二控制信号；输出电路，用于根据第三控制信号来控制驱动电路的至少一个电路输出接头；和具有能量供应、输入端和输出端的电子控制电路，该输入端用于接收第二控制信号，该输出端用于根据在输入端接收到的第二控制信号来输出第三控制信号。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，提供一种用于功率半导体电路的控制电路，该控制电路确保在控制回路和主电流路径之间的电流隔离并且可靠地避免在“开”(an)和“关”(aus)之间的切换状态。
6.上述技术问题通过一种用于功率半导体电路的控制电路来解决，该控制电路具有：用于输入控制信号的输入触点装置，该控制信号代表用于功率半导体电路的开关命令、尤其是接通命令；和至少一个输出触点装置，功率半导体电路可以连接到该至少一个输出触点装置，并且开关信号、尤其是接通开关信号可以通过该至少一个输出触点装置输出到功率半导体电路。此外，存在电流路径连接装置，其用于将控制电路与要由功率半导体电路切换的电流路径连接。控制电路的输入触点装置与输出触点装置和电流路径连接装置电流隔离。控制电路具有电路装置，当代表功率半导体电路的接通命令的控制信号被输入至输入触点装置以及在电流路径连接装置处施加电压时，该电路装置输出接通功率半导体电路的开关信号。否则，电路装置不输出接通功率半导体电路的开关信号。在此，电路装置具有用于控制电路的供应电压的监测电路，其作用是：
[0007]-当供应电压超过阈值并且代表用于功率半导体电路的接通命令的控制信号被输
入至输入触点装置时，首次输出接通功率半导体电路的开关信号，
[0008]-只要代表用于功率半导体电路的接通命令的控制信号被输入至输入触点装置，就继续输出将功率半导体电路保持在接通状态的开关信号，以及
[0009]-否则，不输出接通功率半导体电路的开关信号。
[0010]
换句话说，通过控制电路保证了，功率半导体开关(其也可以称为半导体接触器)只有在控制电路实际可用并且能够正常工作时才能被切换到“接通”(ein)状态。由此避免了对功率半导体的损坏，因为控制电路仅在控制电路能够可靠地执行开关过程时，即例如在有足够的能量用于可以高度概括地视为电容的再充电的开关过程时，才输出开关信号。
[0011]
在本发明的一种扩展方案中，控制电路具有根据所输入的控制信号以光伏方式提供电能的装置，该电能足以运行控制电路。该电路装置被设计为，如果控制电路仅仅由光伏地提供的电能馈电，则不输出首次接通功率半导体电路的开关信号。
[0012]
换句话说，通过控制电路保证了，只要控制电路仅通过由接通命令导出的电能供电，那么即使由接通命令导出的电能足以运行控制电路，但是在输出端处不发生从非接通信号到接通信号的变换。
[0013]
优选地，控制信号首先例如借助led被转换成光，然后借助光伏元件从该光信号中产生电压。有利地，控制回路以这种方式与主电流回路电流隔离，这在许多应用中是核心要求，并且在半导体接触器的情况下，与机电接触器的情况不同地，接触器本身尚未提供该电流隔离。
[0014]
在本发明的一种扩展方案中，控制电路被设计为，使得在首次输出了接通功率半导体电路或使功率半导体电路保持接通的开关信号之后，仅仅由提到的装置以光伏方式提供的能量就足以继续输出该开关信号。
[0015]
换句话说，控制电路的尺寸被设计为，使得从接通命令导出的电能虽然不足以通过在输出端处将非接通信号变换为接通信号来接通功率半导体开关(即将代表功率半导体开关的电容再充电)，但是足以使首次接通的功率半导体继续保持接通。
[0016]
为此，设置了上面提到的电路装置、尤其是具有集成模块的电路装置，其监控控制电路并且优选地分析总体上可用电压并且根据该分析处理来决定，是否实际上可以接通功率半导体开关或半导体接触器，即，是否有足够的电能可用于完全且足够快地再充电代表功率半导体开关的电容。
[0017]
在本发明中还说明了本发明的其他有利的扩展方案。
[0018]
本发明还涉及一种具有如上所述的控制电路的半导体接触器。
附图说明
[0019]
下面参照附图更详细地阐述本发明。
[0020]
图1以示意图示出了用于功率半导体开关或半导体接触器的控制电路10，其中，为了简单起见，省去了功率半导体开关或半导体接触器的图示。同样省去了电路装置的图示，该电路装置确保了功率半导体的安全的关断，即确保了代表功率半导体开关的电容足够快地放电。这种确保功率半导体的安全关断的电路装置可以由本领域技术人员无需创造性地以多种形式提供。
具体实施方式
[0021]
控制电路10具有两个输入触点11、12，通过其可以输入控制信号，该控制信号可以代表用于功率半导体电路的至少一个接通命令，并且在本发明的一种设计方案中可以附加地或替换地代表关断命令。该信号被并行地传导至两个电流隔离的模块16、17，其中，第一电流隔离模块16具有第一led l1和光伏电池i，该光伏电池根据光信号产生电能，该光信号由led l1响应于触点11、12处的控制电压而产生。
[0022]
所述能量在模块16的输出端处提供并且可以用作控制电路其余部分的供应电压。二极管、优选地齐纳二极管d2用于稳定电路10的尤其由模块16提供的供应电压vcc。
[0023]
第二电流隔离模块17具有第二led l2和光电二极管d3或者替换地光电晶体管，当在触点11、12处施加控制电压时，该光电二极管或光电晶体管变为导通的。在这种情况下，通过由两个电阻器r6、r7构成的分压器将通过电容器c3稳定的电压提供给比较器模块u1的第二输入端inb。在优选的实施例中，第二输入端inb处的分压器r6、r7和电容器c3的尺寸设计可以如下文进一步描述的第一输入端ina处的分压器r2、r3和电容器c2的尺寸设计那样地实现。
[0024]
控制电路具有电流路径连接装置13，控制电路通过该电流路径连接装置13与要由功率半导体开关切换的电流路径(未示出)连接，更确切地说，电流路径连接装置13与电流路径的供应侧连接，结果是，当要切换的电压施加在电流路径上时，电压(然后并且仅在那时)施加在连接装置13上。相反地，如果电流路径例如通过上级设置的开关装置禁用或者由于其他原因没有通电，则在连接装置13处不出现电压。要切换的电压优选地是直流电压。
[0025]
连接装置13通过第一电阻器r1(其可以是多个电阻器的串联电路)和第一二极管、优选地肖特基二极管d1与控制电路10的vcc连接并且将电能供应至控制电路10，只要功率半导体开关是关断的。在接通功率半导体开关之后，不再能够从连接装置13提取能量以用于为控制电路10供电。
[0026]
第一电容器c1基本上用作用于开关过程的能量存储器。c1通过两个并联连接的电压源或者说能源(其一方面是模块16并且另一方面是连接装置13)充电。
[0027]
由第二电阻器r2和第三电阻器r3构成的分压器一方面对vcc进行分压，并且将经分压的电压传导至比较器模块u1的第一输入端ina，并且还负责vcc处的定义的负载。
[0028]
在此，单个值r2和r3被选择为，当vcc达到了足够高的值时，在ina处超过相应的比较器阈值，这对应于用于功率半导体开关的开关过程的足够的能量，该能量存储在c1中。
[0029]
在此，c1以及由r2和r3构成的和被选择为，使得vcc处的负载功能导致，当vcc仅仅由模块16馈电时，ina处的电压不能达到比较器阈值。从模块16的电池i的电压产生具有高阻抗，并且内部电阻的值确定了值r2 r3，对于该值，vcc刚好足够高以确保u1的运行，另一方面又足够低，使得根据vcc*r3/(r2 r3)分压的电压在ina处未达到该输入端的开关阈值。
[0030]
第二电容器c2用于稳定在比较器u1的输入端ina处输入的电压并且优选地具有电容c2＝2.2nf。以相同的方式，在本发明的实施例中，第三电容器c3用于稳定在比较器u1的输入端inb处输入的电压并且优选地同样具有c3＝2.2nf的电容。
[0031]
在一种实施例中，通过连接装置13馈入的电压可以以与通过模块16提供的电压类似的方式处理，其方式是，与r2和r3之和相比如此大地选择r1，使得通过由r1和r2 r3构成的分压器产生的电压vcc虽然足以运行u1，但是在根据vcc*r3/(r2 r3)在ina处进一步分压
的情况下不会达到该输入端的开关阈值。
[0032]
在该实施例中，仅当既在连接装置13处又在模块16处提供电压时，才将足够的能量馈入到控制电路中，以便尽管有电流流过r2 r3也将vcc升高并且相应地对c1充电，使得在ina处超过开关阈值。
[0033]
因此，在该实施例中，通过合适地选择二极管d1、d2和电阻器r1、r2、r3确保了，仅当既在输入触点11、12处施加“接通”开关命令又将电流路径通电时，才在比较器u1的ina处超过阈值。比较器u1然后可以直接负责开关能量从c1到功率半导体的连通。
[0034]
部件17、inb、outb、r4、r5、r6、r7、c3、m2在该实施例中是可选的，但也可以有利地在该实施例中使用以改善可靠性。
[0035]
例如，多重分压器r1、r2、r3的合适选择是r1＝600kω、r2＝4.7mω和r3＝91kω。如前所述，分压器r6、r7可以如分压器r2、r3那样地选择，即r6＝4.7mω和r7＝91kω。
[0036]
在另一种实施例中可能有意义的是，关于r2 r3将r1的尺寸设计为，使得在连接装置13处馈入的电压或者说能量足以对c1进行充分充电并且将vcc提高到如下的值，通过该值，根据vcc*r3/(r2 r3)分压的电压在ina处达到该输入端的开关阈值。然而，在没有进一步的措施的情况下，开关过程将因此在没有开关命令的情况下被触发，这显然是控制电路10的故障情况。
[0037]
因此，在优选的实施例中，比较器u2具有另外的输入端inb，如已经阐述的那样，当“接通”开关命令被输入至输入触点11、12时，其值根据vcc和r6和r7的分压比得出的电压被输入至该输入端。
[0038]
u1对ina和inb处的输入进行如下处理：
[0039]-当ina处的电压低于第一阈值时，在第一输出端outa处出现低电平。否则(即，当ina处的电压大于或等于阈值时)，outa处于高阻抗状态。在另外的实施例中，在outa处出现高电平而不是高阻抗状态。
[0040]-当inb处的电压超过第二阈值时，在第二输出端outb处出现低电平。否则(即，当inb处的电压小于或等于阈值或者inb为未接通/高阻抗时)，outb处于高阻抗状态。在另外的实施例中，在outb处出现高电平而不是高阻抗状态。
[0041]
可以将特定类型的窗口比较器用作u1。这种类型的特别合适的比较器是德州仪器(texas instruments)的tps3701，其可以在非常宽的供应电压范围(1.8v至36v)内可靠地起作用，并且具有非常低的电流消耗(小于10μa)。ina和inb处的阈值电压分别为大约400mv，更确切地说与vcc无关。
[0042]
第一电子开关、优选地场效应晶体管m1连接到outa，更确切地说这样连接，使得当从outa不输出低电平时，即，当ina处的电压超过阈值时，m1在控制电路的正输出接头14处提供vcc作为用于切换半导体接触器的开关信号，这表明vcc已经超过了所需的最小值，并且由c1提供足够的能量来完全地且快速地连通半导体接触器(即，基本上用于完全地再充电其电容)。可以设置接地输出接头15，其为正输出接头14提供参考电势。当半导体接触器和控制电路10与共同的接地连接时，可以省略接地输出接头15。
[0043]
对于在outa处没有输出高(high)信号的情况，如果ina处的电压大于或等于阈值，而outa如上所述地在这种情况下是高阻抗的，则只要在outa处没有输出低(low)信号，电阻r5就负责电子开关m1的控制输入端的上拉并且因此负责电子开关m1的接通。
[0044]
如已经阐述的那样，在优选的实施例中设置了用于开关命令的第二信号路径。如果该开关命令不存在，即inb处的电压低于阈值，则在outb处不出现低信号。outb与第二电子开关、优选地与场效应晶体管m2连接。
[0045]
对于在outb处没有输出高信号的情况，如果inb处的电压小于或等于阈值，而outb如上所述地在这种情况下是高阻抗的，则只要在outb处没有输出低信号，电阻r4就负责电子开关m2的控制输入端的上拉并且因此负责电子开关m2的接通。
[0046]
响应于outb处于高阻抗状态或替换地在outb处出现高信号，在m1的控制接头和接地之间建立导电连接，从而使可能在outa处输出的高信号失效，或者当outa处于高阻抗时，使电阻r5的上拉作用失效。反之，输入端子11、12处的开关命令通过模块17导致，在inb处出现电压并且outb相应地被控制为“低”，因此m2阻断并且不损害outa的状态，从而可能从outa输出的高信号或在那里出现的高阻抗状态导致m1的导通，从而导致半导体接触器的切换。
[0047]
在优选的实施例中，r4和r5的值相应于tps3701的制造商的推荐而得出，在此在这方面参考该推荐。
[0048]
要指出的是，本领域技术人员也可以利用其他电路装置、尤其是在使用其他比较器模块代替tps3701的条件下容易地实现本发明，并且本领域技术人员可以将在此描述的电路的尺寸设计及其变型方案容易地适配于具体的情况、尤其是适配于要在端子13处切换的电压并且适配于相应的半导体接触器所需的切换能量。
[0049]
对于上述本发明的优选实施例，仅重要的是，控制电路功能性地执行以下操作：当且仅当在接头11、12处输入接通命令并且通过接头13将足以安全地切换半导体接触器的能量馈入到控制电路中时，接通半导体接触器；然后，只要在端子11、12处施加接通命令，就使半导体接触器接通；一旦在端子11、12处不再施加接通命令，就禁用接通接触器的开关信号，并且当且仅当重新在接头11、12处输入接通命令并且通过接头13将足以安全地切换半导体接触器的能量馈入到控制电路中时，才重新激活接通接触器的开关信号。