用于切换半导体开关的方法和电路装置制造方法

用于切换半导体开关的方法和电路装置制造方法
【专利摘要】公开了一种用于通过控制半导体开关（HS1）的控制端子（SHS）来将半导体开关从第一静态开关状态切换至第二静态开关状态的方法，包括：-在第一开关阶段（S1,S2）中通过受控地在半导体开关（HS1）的控制端子（SHS）上外加至少一个预先确定的第一操控电流（IAS1）从第一静态开关状态出发受电流控制地切换（S410，S420，S440，S450）半导体开关，以及-在接着该第一开关阶段（S1,S2）的第二开关阶段（S3）中通过受控地在半导体开关（HS1）的控制端子（SHS）上施加至少一个预先确定的第一操控电压（UAS1）受电压控制地切换（S430，S460）该半导体开关，直至达到第二静态开关状态。由此减少了开关损耗。
【专利说明】用于切换半导体开关的方法和电路装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于切换半导体开关的方法和电路装置。此外，本发明还涉及带有所 述电路装置的变流器和带有所述变流器的驱动设备。

【背景技术】
[0002] 变流器、尤其是电动车辆或混合动力车辆的驱动装置的变流器包括半导体开关、 尤其是功率半导体开关，例如功率IGBT (带有绝缘栅极的双极性功率晶体管)，所述半导体 开关在变流器的运行期间产生开关损耗。所述开关损耗导致在半导体开关中损害半导体开 关的功能的热增长。


【发明内容】

[0003] 因此本发明的任务在于，提供一种用于低开关损耗地切换半导体开关的可能性。
[0004] 该任务通过独立权利要求解决。有利的扩展方案是从属权利要求的主题。
[0005] 按照本发明的第一方面，提供了一种用于通过控制半导体开关的控制端子来将半 导体开关、尤其是功率IGBT从第一静态开关状态切换至第二静态开关状态的方法，包括： -在第一开关阶段中通过受控地在半导体开关的控制端子上外加至少一个预先确定的 第一操控电流从第一静态开关状态出发受电流控制地切换半导体开关，以及 -在接着该第一开关阶段的第二开关阶段中通过受控地在半导体开关的控制端子上施 加至少一个预先确定的第一操控电压受电压控制地切换该半导体开关，直至达到第二静态 开关状态。
[0006] 相应地，在第一开关阶段中通过受控地在半导体开关的控制端子上外加至少一个 预先确定的第一操控电流而将半导体开关从第一静态开关状态(在切换之前该半导体开关 处于第一静态开关状态中）出发受电流控制地切换。在接着该第一开关阶段的第二开关阶 段中，通过受控地在半导体开关的控制端子上施加至少一个预先确定的第一操控电压而受 电压控制地切换该半导体开关，直至达到与第一开关状态不同的第二静态开关状态。
[0007] 这里，概念"切换"意味着受控地从半导体开关的第一静态开关状态过渡到第二静 态开关状态。
[0008] 概念"外加"意味着将带有被设定到恒定电流值上的电流强度的受控电流从半导 体开关的控制端子导入或者引导至半导体开关的控制端子。通过在第一开关阶段中受控地 外加至少一个预先给定的第一操控电流，对在半导体开关的控制端子上的电容进行电荷转 运、也即充电或放电。
[0009] 通过在第二开关阶段中受控地在半导体开关的控制端子上施加至少一个预先给 定的第一操控电压，半导体开关的控制端子被置于预先给定的电势上，直至在半导体开关 的控制端子上的电容完全被电荷转运，也即完全被充电或放电，并且由此达到第二静态开 关状态。
[0010] 第一和第二开关阶段是在半导体开关从第一静态开关状态至与第一开关状态不 同的第二静态开关状态的过渡中的两个时间上相继的开关步骤。
[0011] 通过上述方法，提供了用于切换半导体开关的可能性，其中可以明显地减少在半 导体开关中的开关损耗。此外，缩短了开关持续时间，这又减少了在半导体开关的开关过程 之间的延迟时间和干扰性的"死时间"。
[0012] 此外，通过该方法实现了半导体开关的受事件控制的开关。由此，可以省去在受时 间控制的开关情况下所需的时间测量和为该时间测量所需的电路组件。
[0013] 此外，通过在第二开关阶段中的受电压控制的切换直至达到所希望的静态开关状 态，还可以省去其他开关阶段。此外，由于取消了用于否则需要的操控参量的其他参数的配 置要求，因此还可以减少在电路装置生产中的循环时间。
[0014] 因为在半导体开关的整个开关过程中只需要配置一个操控电流，因此取消了用于 产生和转发否则需要的其他操控电流的电流值的数据寄存器和信号线路。
[0015] 在此，半导体开关优选被构造为带有绝缘栅极端子作为控制端子的晶体管，尤其 是被构造为功率IGBT。
[0016] 按照一种优选的扩展方案，第一静态开关状态是半导体开关的断开开关状态，第 二静态开关状态是半导体开关的闭合开关状态，其中半导体开关在闭合开关状态中被导 通，也即电流通过半导体开关的负载段导通，并且在断开开关状态中截止，也即阻止电流流 过负载段。代替地，第一静止开关状态可以是半导体开关的闭合开关状态，第二静止开关状 态可以是半导体开关的断开开关状态。
[0017] 按照另一优选的扩展方案，在半导体开关的从断开开关状态至闭合开关状态的第 一开关过程中根据在半导体开关的输入电流端子和输出电流端子之间施加的第一电压或 根据表征该第一电压的参数来进行从第一开关阶段至第二开关阶段的过渡。
[0018] 按照另一优选的扩展方案，在半导体开关的从闭合开关状态至断开开关状态的第 二开关过程中根据在半导体开关的控制端子和输出电流端子之间施加的第二电压或根据 表征该第二电压的参数来进行从第一开关阶段至第二开关阶段的过渡。
[0019] 后面所述的两个扩展方案提供了如下优点：可以基于少量参数来受控地切换半导 体开关，这些参数是已经存在的或者无论如何都要被确定来用于监控半导体开关的开关行 为。由此，仅仅以微小的额外花费就实现了半导体开关的受控的切换。
[0020] 按照另一优选的扩展方案，半导体开关通过接通可控的第一驱动器开关受控地被 切换至断开的静态开关状态，其中第一驱动器开关在半导体开关的第一开关阶段中利用至 少一个第一操控电流而受电流控制地被接通，并且在半导体开关的第二开关阶段中利用至 少一个第一操控电压而受电压控制地被接通。
[0021] 按照另一优选的扩展方案，半导体开关通过接通可控的第二驱动器开关受控地被 切换至闭合的静态开关状态，其中第二驱动器开关在半导体开关的第一开关阶段中利用至 少一个预先确定的第三操控电流而受电流控制地被接通，并且在半导体开关的第二开关阶 段中利用至少一个第二操控电压而受电压控制地被接通。
[0022] 在此，第一和第二驱动器开关一起构成半桥驱动级，其中第一驱动器开关可以 布置在半导体开关的控制端子和电路装置的负供电电压端子(英文"low-side"）之间， 第二驱动器开关可以布置在半导体开关的控制端子和电路装置的正供电电压端子(英文 "high-side"）之间。
[0023] 这里，概念"接通"意味着从第一或第二驱动器开关的断开的静态开关状态至各自 驱动器开关的闭合的静态开关状态的过渡。
[0024] 在此，第一和第二驱动器开关分别构成电流阱或电流源并且能够实现带有足够电 流强度的电流，所述电流有助于半导体开关的控制端子的电容的快速电荷转运并且由此有 助于半导体开关的快速切换。
[0025] 按照又一优选的扩展方案，在控制信号的情况下识别信号边缘或信号电平。此外， 确定第一电压和第二电压。接着将所确定的第一电压与第一参考电压比较。类似地，将所 确定的第二电压与第二参考电压比较。然后，根据在控制信号的情况下识别的信号边缘或 信号电平、在第一电压和第一参考电压之间的比较结果、和在第二电压和第二参考电压之 间的比较结果，在第一开关阶段中利用至少一个第一操控电流而受电流控制地和/或在第 二开关阶段中利用至少一个第一操控电压而受电压控制地切换所述半导体开关。
[0026] 按照另一优选的扩展方案，当存在控制信号的、指示或激励来将半导体开关切换 至断开开关状态中的第一信号边缘或第一信号电平时，并且当第二电压低于第二参考电压 时，利用至少一个第一操控电压而受电压控制地接通第一驱动器开关。
[0027] 按照另一优选的扩展方案，当存在控制信号的、指示或激励来将半导体开关切换 至闭合开关状态中的第二信号边缘或第二信号电平时，并且当第一电压低于第一参考电压 时，利用预先确定的第二操控电压而受电压控制地接通第二驱动器开关。
[0028] 在此情况下，控制信号的指示或激励来将半导体开关切换至断开开关状态中的第 一信号边缘可以是下降信号边缘。在该情况下，指示或激励来将半导体开关切换至闭合开 关状态中的第二信号边缘是上升信号边缘。代替地，控制信号的第一信号边缘可以是上升 信号边缘，第二信号边缘可以是下降信号边缘。基于信号边缘的控制具有如下优点：它们可 以以简单的手段被识别。这又节省了花费和成本。
[0029] 按照又另一优选的扩展方案，当存在控制信号的第一信号边缘或第一信号电平并 且第二电压超过第二参考电压时，并且只要该第一电压低于第一参考电压，就利用所述至 少一个第一操控电流而受电流控制地接通第一驱动器开关。
[0030] 按照又一优选的扩展方案，当存在控制信号的第一信号边缘或第一信号电平并且 第一电压超过第一参考电压时，并且只要第二电压不低于第二参考电压，就利用与所述至 少一个第一操控电流不同的、尤其是更低的、预先确定的第二操控电流而受电流控制地接 通第一驱动器开关。
[0031] 通过接通第一驱动器开关，导入半导体开关的从闭合的静态开关状态至断开的静 态开关状态的关断过程。为此，第一驱动器开关和因此该半导体开关被利用第一和第二操 控电流而受电流控制地切换，其中第一操控电流优选在数值上大于第二操控电流。由此，半 导体开关在第一开关阶段中开始被利用较高的第一操控电流并且随后被利用较低的第二 操控电流而受电流控制地切换。利用较高的第一操控电流，可以缩短开关过程，从而开关损 耗又可以被减少。通过接着利用较低的第二操控电流进行切换，可以减少在半导体开关的 输入电流端子和输出电流端子之间存在第一电压的情况下的干扰性过压峰值。
[0032] 按照又一优选的扩展方案，当存在控制信号的第二信号边缘或第二信号电平并且 第一电压超过第一参考电压时，并且只要该第二电压低于第二参考电压，就利用所述至少 一个第三操控电流而受电流控制地接通第二驱动器开关。
[0033] 按照另一优选的扩展方案，当存在控制信号的第二信号边缘或第二信号电平并且 第二电压超过第二参考电压时，并且只要该第一电压不低于第一参考电压，就利用与所述 第三操控电流不同的、尤其是更低的、预先确定的第四操控电流而受电流控制地接通第二 驱动器开关。
[0034] 通过接通第二驱动器开关，导入半导体开关的从断开的静态开关状态至闭合的静 态开关状态的接通过程。类似于第一和第二操控电流的情况，第三操控电流优选在数值上 大于第四操控电流。由此，半导体开关在第一开关阶段中开始被利用较高的第三操控电流 并且随后被利用较低的第四操控电流而受电流控制地切换。利用较高的第三操控电流，可 以缩短开关过程，从而开关损耗又可以被减少。通过接着利用较低的第四操控电流进行切 换，可以减少在从输入电流端子至输出电流端子的电流中的电流变化速度并且由此减少接 通过程期间的电磁干扰。
[0035] 按照本发明的第二方面，提供了一种用于通过控制半导体开关的控制端子将可经 由控制端子控制的半导体开关、尤其是功率IGBT从第一静态开关状态切换到第二静态开 关状态的电路装置，其中该电路装置被构造用于 -在第一开关阶段中通过受控地在半导体开关的控制端子上外加至少一个预先确定的 第一操控电流从第一静态开关状态出发受电流控制地切换半导体开关，以及 -在接着该第一开关阶段的第二开关阶段中通过受控地在半导体开关的控制端子上施 加至少一个预先确定的第一操控电压受电压控制地切换该半导体开关，直至达到第二静态 开关状态。
[0036] 根据本发明的第三方面，提供了一种带有至少一个半导体开关的、用于为电机提 供至少一个相电流的变流器，其中所述变流器具有至少一个上面描述的电路装置、尤其是 用于每个半导体开关的各一个电路装置，用于切换所述至少一个半导体开关。
[0037] 按照本发明的第三方面，提供了一种用于驱动车辆、尤其是电动车辆或混合动力 车辆的驱动设备，该驱动设备带有电机，其中驱动设备具有用于为电机提供至少一个相电 流的变流器，该变流器具有至少一个半导体开关和至少一个上面描述的用于切换所述至少 一个半导体开关的电路装置。
[0038] 上面描述的方法的有利的扩展方案，就此而言还可以转用到上面所述的电路装 置、上面所述的变流器或者上面所述的驱动设备上，也可以被看作电路装置、变流器或驱动 设备的有利的扩展方案。

【专利附图】

【附图说明】
[0039] 下面现在应当参照附图进一步阐述本发明的示例性实施方式。在图中，仅仅示出 了对于描述本发明重要的组件或方法步骤。视扩展方案而定地，在图中示出的实施方式可 以具有其他的在这些图中未示出的组件或方法步骤。这里： 图1以电路图示出了驱动设备的示意图，用于解释包括六个按照本发明实施方式的电 路装置的变流器； 图2示出了用于表示按照本发明实施方式的方法的流程图； 图3示出了用于表示按照本发明实施方式的方法的信号图。

【具体实施方式】
[0040] 首先，参照图1，在其中简化并且示意性示出了驱动设备AV，其带有电机EM和变流 器SR。驱动设备AV用于驱动在图中未示出的电动车辆或混合动力车辆。
[0041] 电机EM例如被构造为同步电机并且与图中未示出的、用于传输转矩的车辆驱动 轴机械耦合并且用于车辆的前进运动。
[0042] 变流器SR用于为电机EM提供相电流Ip并且经由三个电流相Pl、P2和P3与电机 EM电连接。
[0043] 变流器SR包括三重半桥电路DHS，所述三重半桥电路DHS分别带有正电压侧(英文 "high-side"）和负电压侧(英文"low-side"）半导体开关HSl和HS2、HS3和HS4、以及HS5 和HS6,这些半导体开关分别在串联电路中。这六个半导体开关HS1、HS2、HS3、HS4、HS5、 HS6在该实施方式中被构造为η沟道IGBT (带有绝缘栅电极的双极性晶体管）并且分别包 括作为输入电流端子EHS的集电极端子、作为输出电流端子AHS的发射极端子并且在输入 电流端子EHS和输出电流端子AHS之间具有用于导通作为相电流Ip至电机EM的负载电流 Io的负载段。
[0044] 半导体开关HS1、HS2、HS3、HS4、HS5、HS6此外分别具有栅极端子作为控制端子 SHS，各自的半导体开关HS1、HS2、HS3、HS4、HS5、HS6通过控制端子操控地实现或者截止各 自的负载电流Io流过各自的负载段。（在图1中为了简化的描述仅仅在半导体开关HSl中 示例性示出了输入电流端子EHS、输出电流端子AHS和控制端子SHS。） 针对这六个半导体开关HSl、HS2、HS3、HS4、HS5、HS6中的每个，变流器SR分别具有用 于控制各自半导体开关HS1、HS2、HS3、HS4、HS5、HS6的电路装置SA1、SA2、SA3、SA4、SA5、 SA6,它们具有很大程度上彼此相同的功能。因此，为了简化地描述这些电路装置SA1、SA2、 SA3、SA4、SA5、SA6,下面仅仅示例性地详细描述这些电路装置中的一个SA1。
[0045] 如其余的五个电路装置SA2、SA3、SA4、SA5、SA6 -样，电路装置SAl包括作为用于 控制半导体开关HSl的输出级的半桥驱动级HB、第一比较单元VE1、第二比较单元VE2、存储 器单元SE以及用于操控半桥驱动级HB的操控单元AE。
[0046] 电路装置SAl除了半桥驱动级HB之外被构造在ASIC部件（ASIC :"专用集成电 路")、也即在集成电路中。
[0047] 半桥驱动级HB自身具有在串联电路中的负电压侧的第一驱动器开关Tl和正电压 侧的第二驱动器开关T2,其中在两个驱动器开关Tl和T2之间的、电连接这两个驱动器开 关Tl和T2的节点与半导体开关HSl的控制端子SHS电连接。由此，半导体开关HSl由半 桥驱动级HB的驱动器开关Tl和T2控制地切换、也即断开并且闭合。
[0048] 这两个驱动器开关Tl和T2分别具有控制端子STl和ST2,并且被构造为能够分别 通过所述控制端子STl或ST2控制地接通和关断。
[0049] 在该实施方式中，第一驱动器开关Tl被构造为带有作为控制端子STl的栅极端子 的η沟道功率MOSFET (功率金属氧化物半导体场效应晶体管)，第二驱动器开关T2被构造 为带有作为控制端子ST2的栅极端子的ρ沟道功率M0SFET。
[0050] 第一比较单元VEl具有第一输入端子Ell和第二输入端子Ε12以及输出端子All， 并且通过第一输入端子Ell与半导体开关HSl的输入电流端子EHS电连接。通过该第一输 入端子Ell，第一比较单元VEl测量在半导体开关HSl的输入电流端子EHS上的电势，并且 因此确定在半导体开关HSl的输入电流端子EHS和输出电流端子AHS之间的第一电压UE 或者确定半导体开关HSl的集电极-发射极电压。通过第二输入端子E12,第一比较单元 VEl从存储器单元SE获得第一参考电压UE_TH，并且将该第一电压UE与第一参考电压UE_ TH进行比较。根据比较结果，第一比较单元VEl在输出端子All上输出带有相应信号电平 的第一输出信号ASll。
[0051] 第二比较单元VE2同样具有第一输入端子E21和第二输入端子E22以及输出端子 A21，并且通过第一输入端子E21与半导体开关HSl的控制端子SHS电连接。通过该第一输 入端子E21，第二比较单元VE2测量在半导体开关HSl的控制端子SHS上的电势，并且因此 确定在半导体开关HSl的控制端子SHS和输出电流端子AHS之间的第二电压US或者确定 半导体开关HSl的栅极-发射极电压。通过第二输入端子E22,第二比较单元VEl从存储器 单元SE获得第二参考电压US_TH，并且将该第二电压US与第二参考电压US_TH进行比较， 并且第二比较单元VEl根据比较结果在输出端子A21上输出带有相应信号电平的第二输出 信号AS21。
[0052] 操控单元AE具有第一输入端子E31、第二输入端子E32、第三输入端子E33和第四 输入端子E34、以及第一输出端子A31和第二输出端子A32。通过第一输入端子E31，将操 控单元AE与第一比较单元VEl的输出端子All电连接并且通过该第一输入端子E31从第 一比较单元VEl获得第一输出信号ASl 1。通过第二输入端子E32,将操控单元AE与第二比 较单元VE2的输出端子A21电连接并且通过该第二输入端子E32从第二比较单元VE2获得 第二输出信号AS21。通过第三输入端子E33,操控单元AE从在该图中未示出的信号发生器 获得脉宽调制的控制信号PWM用于控制半导体开关HS1。通过第四输入端子E34,将操控单 元AE与存储器单元SE的输出端子A41电连接并且通过该第四输入端子E34从存储器单元 SE获得电流值IAS10、IAS20、IAS30、IAS40,操控单元AE借助这些电流值受控地切换半导 体开关HSl。通过第一输出端子A31将操控单元AE与负电压侧的第一驱动器开关Tl的控 制端子STl电连接并且借助第一控制信号来切换该驱动器开关T1，其中操控单元AE通过第 一输出端子A31以操控电流的形式将所述第一操控信号外加给驱动器开关Tl的控制端子 STl或者以操控电压的形式将其施加在驱动器开关Tl的控制端子STl上。类似地，通过第 二输出端子A32将操控单元AE与正电压侧的第二驱动器开关T2的控制端子ST2电连接并 且借助第二控制信号来切换该驱动器开关T2,其中操控单元AE通过第二输出端子A32以操 控电流的形式将所述第二控制信号外加给驱动器开关T2的控制端子ST2或者以操控电压 的形式将其施加在驱动器开关T2的控制端子ST2上。
[0053] 存储器单元SE用于存储和提供参考电压UE_TH、US_TH的电压值以及电流值 IAS10、IAS20、IAS30、IAS40用于受控地切换这两个驱动器开关Tl和T2并且由此受控地切 换半导体开关HS。
[0054] 在借助图1详细描述了电路装置SAl的示例性实施方式之后，现在借助图2和3 描述用于利用在图1中所示电路装置SAl来切换半导体开关HSl的示例性方法。在此，图 2以流程图示出了用于切换半导体开关HSl的方法的流程并且图3以信号图示出了在半导 体开关HSl的关断过程期间相应的信号和参数变化。
[0055] 在驱动设备AV运行期间，电机EM由三个脉宽调制的控制信号来加以操控，这些控 制信号成对地相位错开地并受边缘控制地接通以及关断或者说闭合以及断开六个半导体 开关HS1、HS2、HS3、HS4、HS5、HS6、也即三个半桥电路中每个的相应两个半导体开关HSl和 HS2、HS3和HS4、以及HS5和HS6。通过所述控制信号对各自的半导体开关HS1、HS2、HS3、 HS4、HS5、HS6的控制通过各自的电路装置SAl、SA2、SA3、SA4、SA5、SA6以相同的方式进行。 因此，接着示例性地利用第一半导体开关HSl和与其关联的电路装置SAl来描述用于通过 各自的电路装置SA1、SA2、SA3、SA4、SA5、SA6来切换半导体开关HS1、HS2、HS3、HS4、HS5、 HS6的方法。
[0056] 在驱动设备AV运行期间，电路装置SAl的操控单元AE按照第一方法步骤SlOO从 脉宽调制的控制信号PWM中确定下降的或上升的信号边缘FSF、SSF。
[0057] 此外，第一比较单元VEl按照第二方法步骤S200关于半导体开关HSl的输出电流 端子AHS来确定或测量在半导体开关HSl的输入电流端子EHS上的第一电压UE。第一比较 单元VEl按照第三方法步骤S210将测量的第一电压UE与第一参考电压UE_TH进行比较， 其中该第一参考电压UE_TH的电压值由存储器单元SE提供。然后，第一比较单元VEl接着 将比较结果作为第一输出信号AS 11提供给操控单元AE。
[0058] 类似地，第二比较单元VE2按照第四方法步骤S300关于半导体开关HSl的输出电 流端子AHS来确定或测量在半导体开关HSl的控制端子SHS上的第二电压UE。第二比较单 元VE2按照第五方法步骤S310将测量的第二电压US与第二参考电压US_TH进行比较，其 中该第二参考电压US_TH的电压值同样由存储器单元SE提供。然后，第二比较单元VE2接 着将比较结果作为第二输出信号AS21提供给操控单元AE。
[0059] 根据控制信号PWM的所确定的信号边缘FSF、SSF、第一和第二比较单元VEl和VE2 的第一和第二输出信号ASll和AS21，操控单元AE控制第一和第二驱动器开关Tl和T2并 且因此控制半导体开关HSl。
[0060] 具体地，通过操控单元AE对半导体开关HSl的受控的切换如下面描述地来实现。
[0061] 在半导体开关HSl首先取闭合静态开始开关状态的情况下，该半导体开关HSl在 后面描述的关断过程中受操控单元AE控制地在三个时间上相继的开关步骤(也即第一开 关步骤S1、第二开关步骤S2和第三开关步骤S3)中逐步地被断开或者说被引入断开静态开 关状态中。在此，第一和第二开关步骤Sl和S2构成关断过程的受电流控制的第一开关阶 段，第三开关步骤S3构成半导体开关HSl的关断过程的受电压控制的第二开关阶段。
[0062] 如果存在下降的信号边缘FSF作为控制信号PWM的第一信号边缘，其中该 下降的信号边缘例如指示将半导体开关HSl关断也即断开，或者说，如果操控单元 AE在控制信号PWM中识别到下降的信号边缘FSF，则操控单元AE在第一和第二比较 单元VEl和VE2的第一和第二输出信号ASll和AS21中检验：各自的输出信号ASll 和AS12或者其信号电平是否指示第一电压UE低于第一参考电压UE_TH，并且同时指 示第二电压US是否超过第二参考电压US_TH，也即是否同时适用下面的两个式子： UE<UE_TH und US>TJS-TH。
[0063] 如果是这种情况，则操控单元AE按照第六方法步骤S410从存储器单元SE的第一 电流值IASlO中产生恒定的第一操控电流IASl，并且将该第一操控电流IASl外加给第一驱 动器开关Tl的控制端子ST1。受第一操控电流IASl操控地，在第一开关步骤Sl中接通或 者闭合该第一驱动器开关Tl。该第一驱动器开关Tl在此将第一操控电流IASl放大至恒定 的第一栅极电流ISl (参见图4)，其现在在该第一开关步骤Sl中从半导体开关HSl的控制 端子SHS流出。由此，第一驱动器开关Tl构成用于对半导体开关HSl的控制端子SHS的输 入电容进行放电的电流阱。因此，半导体开关HSl的控制端子SHS放电并且第二电压US或 者半导体开关HSl的栅极-发射极电压下降。结果，第一电压UE或者半导体开关HSl的集 电极-发射极电压上升并且集电极-发射极电流IE下降。只要第一电压UE不超过第一参 考电压，也即只要满足下面的式子：UECUEJTH，第一驱动器开关Tl或者半导体开关HSl 就被利用该第一操控电流IASl在该第一开关步骤Sl中又受电流控制地切换。
[0064] 上升的第一电压UE此外由第一比较单元VEl来测量并且与第一参考电压UE_TH 比较。只要第一电压UE超过第一参考电压UE_TH，则第一比较单元VEl改变第一输出信号 ASll的信号电平。操控单元AE识别在第一输出信号ASll中的该电平变化并且接着按照第 七方法步骤S420从存储器单元SE的第二电流值IAS20中产生恒定的第二操控电流IAS2 并且将该第二操控电流IAS2外加给第一驱动器开关Tl的控制端子ST1。受第二操控电流 IAS2操控地，在第二开关步骤S2中又接通或者闭合该第一驱动器开关T1。该第一驱动器 开关Tl在此将第二操控电流IAS2放大至恒定的第二栅极电流IS2 (参见图4)，该第二栅 极电流IS2现在在该第二开关步骤S2中从半导体开关HSl的控制端子SHS流出。因此，半 导体开关HSl的控制端子SHS进一步放电并且半导体开关HSl的第二电压US下降。结果， 半导体开关HSl的第一电压UE进一步上升并且集电极-发射极电流IE进一步下降。只要 第二电压UE超过第二参考电压US_TH，也即只要满足下面的式子：US>US TH，第一驱动 器开关Tl或者半导体开关HSl就被利用该第二操控电流IAS2在该第二开关步骤S2中进 一步受电流控制地切换。
[0065] 在此，第二电流值IAS20或者第二操控电流IAS2被预先给定，使得其小于或低于 第一电流值IASlO或第一操控电流IASl。由此，第一驱动器开关Tl在第一开关步骤Sl中 比在第二开关步骤S2中更快速地接通，或半导体开关HSl在第一开关步骤Sl中比在第二 开关步骤S2中更快速地关断。通过在第一开关步骤Sl中快速地关断半导体开关HS1，减少 在第一驱动器开关Tl和半导体开关HSl中的开关损耗能量并且也缩短了总的开关持续时 间。通过接着缓慢地接通第一驱动器开关Tl和在接着的第二开关步骤S2中利用较低的第 二操控电流IS2缓慢地关断半导体开关HSl，可以将在第二电压UE或集电极-发射极电压 中在第二开关步骤S2中出现的过压峰值限制到对半导体开关HSl无害的电压值上。
[0066] 下降的第二电压US或者半导体开关HSl的栅极-发射极电压此外被第二比较单 元VE2测量并且与第二参考电压US_TH比较。只要第二电压UE低于第二参考电压US_TH， 第二比较单元VE2就改变第二输出信号AS21的信号电平。操控单元AE识别在第二输出信 号AS21中的该电平变化并且接着按照第八方法步骤S430关于在电路装置SAl的负供给电 压端子NA上的电势将第一驱动器开关Tl的控制端子STl置于预先确定的第一操控电压 UASl上。受第一操控电流UASl控制地，现在在第三开关步骤S3中完全接通该第一驱动器 开关Tl。因此，第二电压US或者栅极-发射极电压在短时间内急剧被拉到在负供给电压 端子NA上的电势上，并且半导体开关HSl完全被断开或者说被带入断开静态开关状态中。 通过快速地改变第二电压US，进一步减少了开关损耗能量并且进一步缩短了在半导体开关 HSl中总的开关持续时间。
[0067] 第一驱动器开关Tl接着被利用第一操控电压UASl进一步保持在该闭合开关状态 中，直至在控制信号PWM中识别出下一个信号边缘。只要第一驱动器开关Tl被第一操控电 压UASl保持在闭合开关状态中，半导体开关HSl就保留在断开静态开关状态中。
[0068] 在半导体开关HSl的该关断过程中，第二驱动器开关T2以简单的、技术人员已知 的开关方法受电流和/或电压控制地被关断或者说被带入并且保持在断开开关状态中。
[0069] 从断开开关状态出发，半导体开关HSl在后面描述的接通过程中同样在三个开关 步骤、也即在第一开关步骤S4、第二开关步骤S5和第三开关步骤S6中按步骤地被闭合或者 说被带入到闭合静态开关状态中。在此，第一和第二开关步骤S4和S5构成了半导体开关 HSl的接通过程的受电流控制的第一开关阶段，第三开关步骤S6构成了接通过程的受电压 控制的第二开关阶段。
[0070] 如果存在上升的信号边缘SFF作为控制信号PWM的指示来例如将半导体开关HSl 接通也即闭合的第二信号边缘、或者如果操控单元AE在控制信号PWM中识别出上升的信 号边缘SSF，那么操控单元AE在第一和第二输出信号ASll和AS21中检验：各自的输出信 号ASll和AS12或者其信号电平是否指示第一电压UE超过第一参考电压UE_TH，并且同 时指示第二电压US低于第二参考电压US_TH，也即是否有下面的式子：?Ε>?Ε_ΤΗ和 USCUSJH。
[0071] 如果是这种情况，则操控单元AE按照第九方法步骤S440产生带有存储器单元SE 的第三电流值IAS30的恒定的第三操控电流IAS3,并且通过第二输出端子A32将该第三操 控电流IAS3外加给第二驱动器开关T2的控制端子ST2。受第三操控电流IAS3控制地，在 第一开关步骤S4中接通或者闭合该第二驱动器开关T2。该第二驱动器开关T2在此将第三 操控电流IAS3放大至恒定的第三栅极电流，在该第三栅极电流现在在该第一开关步骤S4 中流至半导体开关HSl的控制端子SHS。由此，第二驱动器开关T2构成用于对半导体开关 HSl的控制端子SHS的输入电容进行充电的电流源。因此，半导体开关HSl的控制端子SHS 充电并且第二电压US或者半导体开关HSl的栅极-发射极电压上升。结果，第一电压UE 或者半导体开关HSl的集电极-发射极电压下降并且集电极-发射极电流上升。只要第二 电压US不超过第二参考电压US_TH，也即只要满足下面的式子：US<US_TH，第二驱动器 开关T2或者半导体开关HSl就被利用该第三操控电流IAS3在该第一开关步骤S4中进一 步受电流控制地切换。
[0072] 上升的第二电压US此外被第二比较单元VE2来测量并且与第二参考电压US_TH 比较。只要第二电压US超过第二参考电压US_TH，第二比较单元VE2就改变第二输出信号 AS21的信号电平。操控单元AE识别在第二输出信号AS21中的该电平变化并且接着按照第 十方法步骤S450将恒定的第四操控电流IAS4与存储器单元SE的第四电流值IAS40比较， 该第四操控电流然后通过操控单元AE的第二输出端子A32被外加给第二驱动器开关T2的 控制端子ST2上。受第四操控电流UAS4操控地，在第二开关步骤S5中进一步接通或者闭 合该第二驱动器开关T2。第二驱动器开关T在此放大该第四操控电流IAS4至恒定的第四 栅极电流，该第四栅极电流现在在第二开关步骤S5中流至半导体开关HSl的控制端子SHS。 因此，半导体开关HSl的控制端子SHS进一步充电并且半导体开关HSl的第二电压US进一 步上升。结果，半导体开关HSl的第一电压UE进一步下降并且集电极-发射极电流进一步 上升。只要第一电压UE超过第一参考电压UE_TH，也即只要满足下面的式子：CE>US TH ，第二驱动器开关T2或者半导体开关HSl在该第二开关步骤S5中被利用该第四操控电流 IAS4进一步受电流控制地切换。
[0073] 在此，第四电流值IAS40或者第四操控电流IAS4被预先给定，使得其小于或低于 第三电流值IAS30或第三操控电流IAS3。由此，第二驱动器开关T2或半导体开关HSl在 第一开关步骤S4中比在第二开关步骤S5中更快速地接通。通过在第一开关步骤S4中快 速地接通第二驱动器开关T2和半导体开关HSl，在该开关步骤中降低在第二驱动器开关T2 和半导体开关HSl中的开关损耗。通过在接着的第二开关步骤S5中利用较低的第二操控 电流IAS5接着缓慢地接通第二驱动器开关T2和半导体开关HSl，可以限制在集电极-发射 极电流、也即从半导体开关HSl的输入电流端子EHS至输出电流端子AHS的电流中的电流 变化速度。由此减少或者避免电磁干扰。
[0074] 下降的第一电压UE此外被第一比较单元VEl来测量并且与第一参考电压UE_TH 比较。只要第一电压US低于第一参考电压UE_TH，第一比较单元VEl就改变第一输出信号 ASll的信号电平。操控单元AE识别在第一输出信号ASll中的该电平变化并且接着按照 第十一方法步骤S460将恒定的第二操控电压UAS2施加在第二驱动器开关T2的控制端子 ST2上（关于在电路装置SAl的负供给电压端子NA上的电势)。受第二操控电压UAS2控制 地，现在在第三开关步骤S3中完全接通该第二驱动器开关T2。因此，第二电压US或者栅 极-发射极电压在短时间内被拉到电机EM的运行电压的电压值上，并且半导体开关HSl完 全被闭合或者说被带入闭合静态开关状态中。
[0075] 第二驱动器开关T2接着被第二操控电压UAS2进一步保持在闭合开关状态中，直 至在控制信号PWM中识别出下一个信号边缘。只要第二驱动器开关T2被第二操控电压UAS2 保持在闭合开关状态中，半导体开关HSl就保留在闭合静态开关状态中。通过快速地改变 第二电压US或者半导体开关HSl的栅极-发射极电压，进一步减少了开关损耗并且进一步 缩短了在半导体开关HSl中的总的开关持续时间。
[0076] 在半导体开关HSl的接通过程中，第一驱动器开关Tl以简单的、技术人员已知的 开关过程受电流和/或电压控制地被关断或者说被带入并且保持在断开开关状态中。
[0077] 总之，因此如在下表1中所示地进行半导体开关HSl的受电流和电压控制的切换。

【权利要求】
1. 用于通过控制半导体开关（服1)的控制端子（S服）来将半导体开关（服1)从第一静 态开关状态切换至第二静态开关状态的方法，其中该方法具有下面的方法步骤： -在第一开关阶段（S1，S2)中通过受控地在半导体开关（服1)的控制端子（甜S)上外 加至少一个预先确定的第一操控电流（IAS1)，从第一静态开关状态出发受电流控制地切换 (S410, S420, S440, S450)半导体开关（服1)，W及 -在接着该第一开关阶段（S1，S2)的第二开关阶段（S3)中通过受控地在半导体开关 (服1)的控制端子（甜S)上施加至少一个预先确定的第一操控电压（UAS1)，受电压控制地 切换（S430, S460)该半导体开关（服1)，直至达到第二静态开关状态。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中， -第一静态开关状态是半导体开关（HS1)的断开开关状态，第二静态开关状态是半导 体开关（服1)的闭合开关状态，或者第一静止开关状态是半导体开关（服1)的闭合开关状 态，第二静止开关状态是半导体开关（HS1)的断开开关状态， -其中半导体开关（HS1) -在闭合开关状态中被导通，并且 -在断开开关状态中截止。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，在半导体开关（HS1)的从断开开关状态至闭合开 关状态的第一开关过程中，根据在半导体开关（HS1)的输入电流端子（EHS)和输出电流端 子（A服）之间施加的第一电压（UE)或根据表征该第一电压（UE)的参数来进行从第一开关 阶段（S4, S5)至第二开关阶段（S6)的过渡。
4. 根据权利要求2或3所述的方法，其中，在半导体开关（HS1)的从闭合开关状态至断 开开关状态的第二开关过程中，根据在半导体开关（HS1)的控制端子（SHS)和输出电流端 子(AHS)之间施加的第二电压（US)或根据表征该第二电压（US)的参数来进行从第一开关 阶段（S1，S2)至第二开关阶段（S3)的过渡。
5. 根据权利要求2至4之一所述的方法，其中，半导体开关（HS1)通过接通可控的第一 驱动器开关（TS1)受控地被切换至断开静态开关状态，其中第一驱动器开关（TS1) -在半导体开关（HS1)的第一开关阶段（S1，S2)中被利用至少一个第一操控电流 (ISA1)而受电流控制地接通，并且 -在半导体开关（HS1)的第二开关阶段（S3)中被利用至少一个第一操控电压（USA1)而 受电压控制地接通。
6. 根据权利要求2至5之一所述的方法，其中，半导体开关（HS1)通过接通可控的第二 驱动器开关（TS2)受控地被切换至闭合静态开关状态，其中第二驱动器开关（TS2) -在半导体开关（HS1)的第一开关阶段（S4, S5)中被利用至少一个预先确定的第=操 控电流（IAS3)而受电流控制地接通，并且 -在半导体开关（HS1)的第二开关阶段（S6)中被利用至少一个预先确定的第二操控电 压（USA2)而受电压控制地接通。
7. 根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于， -当存在控制信号（PWM)的用于将半导体开关（服1)切换至断开开关状态的第一信号 边缘（FSF)或第一信号电平时，并且 -当第二电压（US)低于第二参考电压（US_TH)时， 利用至少一个第一操控电压（UASl)接通（S430)第一驱动器开关（TSl)。
8. 根据权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于， -当存在控制信号（PWM)的用于将半导体开关（HS1)切换至闭合开关状态的第二信号 边缘（SSF)或第二信号电平时，并且 -当第一电压（肥）低于第一参考电压（肥_TH)时， 利用第二操控电压（UAS2 )接通（S460 )第二驱动器开关（TS2 )。
9. 根据权利要求5至8之一所述的方法，其特征在于， -当存在控制信号（PWM)的第一信号边缘（FSF)或第一信号电平时， -当第二电压（US)超过第二参考电压（US_TH)时，并且 -只要第一电压（肥）低于第一参考电压（肥_TH)， 利用所述至少一个第一操控电流（IASI)接通（S410)第一驱动器开关（TS1)。
10. 根据权利要求5至9之一所述的方法，其特征在于， -当存在控制信号（PWM)的第一信号边缘（FSF)或第一信号电平时， -当第一电压（肥）超过第一参考电压（UE_TH)时，并且 -只要第二电压（US)低于第二参考电压（US_TH)， 利用与所述至少一个第一操控电流（IASI)不同的、尤其是更低的预先确定的第二操控 电流（IAS2)来接通（S420)第一驱动器开关（TS1)。
11. 根据权利要求5至10之一所述的方法，其特征在于， -当存在控制信号（PWM)的第二信号边缘（SSF)或第二信号电平时， -当第一电压（肥）超过第一参考电压（UE_TH)时，并且 -只要第二电压（US)低于第二参考电压（US_TH)， 利用所述至少一个第S操控电流（IAS3 )接通（S440 )第二驱动器开关（TS2 )。
12. 根据权利要求5至11之一所述的方法，其特征在于， -当存在控制信号（PWM)的第二信号边缘（SSF)或第二信号电平时， -当第二电压（US)超过第二参考电压（US_TH)时，并且 -只要第一电压（肥）不低于第一参考电压（肥_TH)， 利用与所述第S操控电流（IAS3)不同的、尤其是更低的、预先确定的第四操控电流 (IAS4 )接通（S450 )第二驱动器开关（TS2 )。
13. 用于通过控制半导体开关（HS1)的控制端子（甜S)将可经由控制端子（甜S)控制 的半导体开关（HS1)从第一静态开关状态切换到第二静态开关状态的电路装置（SA1)，其 中该电路装置（SA1)被构造用于 -在第一开关阶段（S1，S2)中通过受控地在半导体开关（服1)的控制端子（甜S)上外 加至少一个预先确定的第一操控电流（IAS1)从第一静态开关状态出发受电流控制地切换 半导体开关（HS1)，W及 -在接着该第一开关阶段（S1，S2)的第二开关阶段（S3)中通过受控地在半导体开关 (服1)的控制端子（S服）上施加至少一个预先确定的第一操控电压（UAS1)受电压控制地切 换该半导体开关（HS1 )，直至达到第二静态开关状态。
14. 用于为电机（E^O提供至少一个相电流（Ip)的变流器（SR)，该变流器带有至少一 个半导体开关（HS1 )，其中所述变流器（SR)具有至少一个根据权利要求13所述的电路装置 (SAl)用于切换所述至少一个半导体开关（服1)。
15.用于驱动带有电机（EM)的车辆的驱动设备（AV)，其中该驱动设备（AV)具有变流 器（SR)，该变流器具有至少一个半导体开关（HS1)用于为电机（E^0提供至少一个相电流 (吐）和至少一个根据权利要求13所述的电路装置（SA1)用于切换所述至少一个半导体开 关(服1)。
【文档编号】H03K17/567GK104471858SQ201380024968
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2012年10月22日
【发明者】霍恩施泰因 C., 布利 U., 屈嫩 K. 申请人:大陆泰密克微电子有限责任公司