金属氧化物半导体场效应晶体管的驱控

摘要

本发明涉及一种用于驱控MOSFET(1)、特别是基于具有宽带隙的半导体的MOSFET(1)的驱控装置(3)和方法。根据本发明，创建特征块，在特征块中与影响所述MOSFET(1)的开关特性的至少一个运行特征变量(U、T)相关地存储用于驱控所述MOSFET(1)的至少一个驱控变量(U1、U2、R1、R2)相对于所述驱控变量(U1、U2、R1、R2)的参考驱控值的变化(ΔU1、ΔU2、ΔR1、ΔR2)，该变化抵抗由至少一个运行特征变量(U、T)引起的、开关特性的变化。在MOSFET(1)运行时，求出至少一个运行特征变量(U、T)的实际值，并且根据特征块，相对于至少一个驱控变量的参考驱控值与至少一个运行特征变量(U、T)的实际值相关地改变至少一个驱控变量(U1、U2、R1、R2)。

说明书

技术领域

本发明涉及用于驱控金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET＝Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、特别是基于具有宽带隙的半导体(Wide-Bandgap Semiconductor)的MOSFET的驱控装置和方法。

背景技术

MOSFET的开关特性强烈地与MOSFET运行的运行条件相关，尤其与MOSFET的在MOSFET断开状态下在漏极和源级之间的运行电压和运行温度相关。对于使用MOSFET需要可预见的且保持不变的MOSFET开关特性，以便遵守边界条件，例如对于在切断MOSFET时的过电压和对于电磁的兼容性。刚好在具有强烈波动的运行条件的应用中，目前越来越多地使用基于具有宽带隙的半导体的MOSFET，例如在牵引变流器中使用，牵引变流器中的运行电压能够强烈地波动。

发明内容

本发明所基于的目的是，提供用于驱控MOSFET的驱控装置和方法，驱控装置和方法在变化的运行条件下在MOSFET的开关特性的稳定性方面进行改进。

根据本发明，目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求8的特征的驱控装置来实现。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

在用于驱控MOSFET、尤其基于具有宽带隙的半导体的MOSFET的根据本发明的方法中，创建特征块，在该特征块中与影响MOSFET的开关特性的至少一个运行特征变量相关地存储用于驱动MOSFET的的至少一个驱动变量相对于驱动变量的参考驱动值的变化，该变化抵抗由至少一个运行特征变量引起的、开关特性的变化。在MOSFET运行时，求出至少一个运行特征变量的实际值，并且根据特征块，相对于至少一个驱控变量的参考驱控值与至少一个运行特征变量的实际值相关地改变该至少一个驱控变量。

本发明利用：能够通过特性曲线非常精确地描绘MOSFET的开关特性与影响开关特性的运行特征变量的相关性，特征曲线根据运行特征变量来描述用于驱控MOSFET的驱控变量。本发明提出：创建特征块，所述特征块具有一个或多个特征曲线，特征曲线分别指示驱控变量相对于参考驱控值的与至少一个运行特征变量相关的变化，这是有必要的，以便抵抗通过至少一个运行特征变量引起的开关特性的变化。根据特征块，调节与至少一个运行特征变量的实际值相关的驱控变量。由此，能够补偿至少一个运行特征值变量对MOSFET的开关特性的影响，从而稳定MOSFET的开关特性。

本发明的设计方案提出：在特征块中，与至少一个运行特征变量相关地存储用于接通MOSFET的接通驱控电压的变化、用于断开MOSFET的断开驱控电压的变化、用于接通MOSFET的接通栅极电阻的变化和/或用于断开MOSFET的断开栅极电阻的变化。换言之，本发明的该设计方案将用于MOSFET的接通驱控电压、断开驱控电压、接通栅极电阻和/或断开栅极电阻分别设为控制变量，控制变量的变化与至少一个运行特征变量相关地存储在特征块中。本发明的该设计方案有利地能够实现与至少一个运行特征变量相关地直接影响用于接通和/或断开MOSFET的MOSFET的栅极源级电压。

本发明的其他设计方案提出：在特征块中与MOSFET的运行电压和/或运行温度相关地存储至少一个驱控变量的变化。本发明的该设计方案考虑MOSFET的开关特性主要与运行电压和运行温度相关，并且因此主要通过补偿这两个运行特征变量的影响来稳定MOSFET的开关特性。

用于执行根据本发明的方法的根据本发明的驱控装置包括：评估单元，所述评估单元设计用于存储特征块，并且根据特征块与至少一个运行特征变量的实际值相关地求出至少一个驱控变量的变化；和控制单元，控制单元设计用于根据具有至少一个驱控变量的驱控值的控制信号来驱控MOSFET，根据由评估单元所求出的变化相对于驱控变量的参考驱控值来改变驱控值。

根据本发明的驱控装置的设计方案提出，控制单元具有：用于产生用于接通MOSFET的能变化的接通驱控电压的能控制的接通电压源；用于产生用于断开MOSFET的能变化的断开驱控电压的能控制的断开电压源；用于产生用于接通MOSFET的能变化的接通栅极电阻的能控制的接通电阻单元；和/或用于产生用于断开MOSFET的能变化的断开栅极电阻的能控制的断开电阻单元。

根据本发明的驱控装置的另一设计方案设有用于检测至少一个运行特征变量的实际值的测量设备，在特征块中考虑该实际值对MOSFET的开关特性的影响。例如，测量设备设计用于检测MOSFET的运行电压和/或运行温度的实际值。

根据本发明的驱控装置能够执行根据本发明的方法。根据本发明的驱控装置的优点因此对应于根据本发明的方法的上面已经提出的优点并且在此不再单独描述。

根据本发明的变流器、特别是牵引变流器具有至少一个MOSFET、特别是基于具有宽带隙的半导体的MOSFET，和根据本发明的用于驱控MOSFET的驱控装置。本发明尤其适合于驱控牵引变流器的MOSFET，因为牵引变流器的运行电压会强烈波动进而会改变MOSFET的开关特性。

附图说明

根据附图，结合实施例的下面的示意性地描述更加详细地解释本发明的上面描述的特性、特征和优点以及如何实现其的方式和方法。在此示出：

图1示出用于驱控MOSFET的驱控装置的第一实施例和MOSFET的电路图，

图2示出用于驱控MOSFET的控制单元的电路图，

图3示出与MOSFET的运行电压相关的接通驱控电压的变化的特征曲线，

图4示出变流器的电路图，

图5示出用于驱控MOSFET的方法的流程图。

在附图中，彼此相对应的部件设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出用于驱控MOSFET 1的驱控装置3的第一实施例和MOSFET1的电路图。

MOSFET 1设计为常态阻断的n沟道MOSFET，n沟道MOSFET基于具有宽带隙的半导体(例如碳化硅或氮化镓)。

驱控装置3包括控制单元5、评估单元7和测量设备9。

测量设备9设计用于检测MOSFET 1的运行温度T和运行电压U作为运行变量T、U。为了检测运行温度T，测量设备9具有温度传感器11、例如NTC电阻(负温度系数热敏电阻)。运行电压U例如作为MOSFET 1的漏极D和源级S之间的漏极源级电压在MOSFET 1断开状态下测量。

图2示意性地示出控制单元5的电路图。控制单元5包括用于产生用于接通MOSFET1的能变化的接通驱控电压U1的能控制的接通电压源13、用于产生用于断开MOSFET 1的能变化的断开驱控电压U2的能控制的断开电压源15、用于产生用于接通MOSFET 1的能变化的接通栅极电阻R1的能控制的接通电阻单元R1、用于产生用于断开MOSFET 1的能变化的断开栅极电阻R2的能控制的断开电阻单元R2、与MOSFET 1的栅极G连接的第一端子21和与MOSFET 1的源级S连接的第二端子23。接通电阻单元17和断开电阻单元19例如分别具有多个单独电阻，其中，为了设定特定的接通栅极电阻R1或断开栅极电阻R2分别能够将为此所需数量的单独电阻彼此电路连接。

分别将接通电压源13的第一极和断开电压源15的第一极永久地与第二端子23连接。为了接通MOSFET 1，将接通电压源13的第二极通过闭合第一开关25经由接通电阻单元17与第一端子21连接，并且将断开电压源15的第二极通过断开第二开关27与断开电阻单元19和第一端子21分离。为了断开MOSFET 1，将断开电压源15的第二极通过闭合第二开关27经由断开电阻单元19与第一端子21连接，并且将接通电压源13通过断开第一开关25与接通电阻单元17和第一端子21分离。通过输送给控制单元5的二进制的控制信号12驱控MOSFET1的接通和断开。

用于接通MOSFET 1的接通驱控电压U1和用于接通MOSFET 1的接通栅极电阻R1以及用于断开MOSFET 1的断开驱控电压U2和用于断开MOSFET 1的断开栅极电阻R2是用于驱控MOSFET 1的驱控变量U1、U2、R1、R2，驱控变量分别根据MOSFET 1的运行电压U和运行温度T被设定。为此，在评估单元7中存储特征块，在特征块中与运行温度T和运行电压U相关地存储驱控变量U1、U2、R1、R2分别相对于参考驱控值的变化ΔU1、ΔU2、ΔR1、ΔR2，该变化抵抗通过运行温度T或运行电压U所引起的MOSFET 1开关行为的变化。

评估单元7对于由测量设备9检测到的运行温度T和运行电压U根据特征块求出驱控变量U1、U2、R1、R2相对于相应的参考驱控值的变化ΔU1、ΔU2、ΔR1、ΔR2，并且将变化ΔU1、ΔU2、ΔR1、ΔR2传输至控制单元5。控制单元5将接通驱控电压U1、断开驱控电压U2、接通栅极电阻R1和断开栅极电阻R2设定为分别相对于参考驱控值变化的驱控值。

图3示例性地示出相对于接通驱控电压U1的参考驱控值的与运行电压U相关的接通驱控电压U1的变化ΔU1的特征块的特征曲线。从运行电压U的特征曲线中得到的值ΔU1被加到接通驱控电压U1的参考驱控值。

图4示出具有MOSFET 1和用于驱控MOSFET 1的根据本发明的驱控装置3的第二实施例的变流器30的电路图。变流器30例如是具有另外的(在此未示出的)MOSFET 1和用于每个另外的MOSFET 1的另外的驱控装置3的牵引变流器，另外的MOSFET以已知的方式电路连接成全桥或半桥。该实施例的驱控装置3与图1的实施例的区别仅在于：另外的MOSFET不具有用于检测MOSFET 1的运行温度T和运行电压U的测量设备9。代替于此，变流器30的控制装置29将运行电压U和运行温度T的实际值输送给每个驱控装置3的评估单元7，控制装置也将控制信号12发送给驱控装置3的控制单元5。

图5示出用于利用根据图1或图4实施的驱控装置3驱控MOSFET 1的根据本发明的方法的一个实施例的流程图。

在第一方法步骤S1中创建特征块，在特征块中分别与MOSFET 1的运行温度T和运行电压U相关地存储接通驱控电压U1的变化ΔU1、断开驱控电压U2的变化ΔU2、接通栅极电阻R1的变化ΔR1和断开栅极电阻R2的变化ΔR2。特征块存储在驱控装置3的评估单元7中。

在第二方法步骤S2中，求出MOSFET 1的当前的运行温度T和当前的运行电压U(即运行温度T和运行电压U的实际值)并且输送给评估单元7。

在第三方法步骤S3中，由评估单元7针对在第二方法步骤S2中求出的运行温度T和运行电压U的值根据特征块求出接通驱控电压U1、断开驱控电压U2、接通栅极电阻R1和断开栅极电阻R2相对于其相应的参考驱控值的变化ΔU1、ΔU2、ΔR1、ΔR2并且传输至控制单元5。

在第四方法步骤S4中，由控制单元5将接通驱控电压U1、断开驱控电压U2、接通栅极电阻R1和断开栅极电阻R2分别设定为如下驱控值，该驱控值相对于相应的参考驱控值通过将在第三方法步骤S3中求出的变化ΔU1、ΔU2、ΔR1、ΔR2加到参考驱控值来变化。在第四方法步骤S4之后，方法以方法步骤S2延续。

根据本发明的驱控装置3和根据本发明的方法的上面根据附图描述的实施例能够以不同的方式变换成替代的实施例。例如，接通驱控电压U1、断开驱控电压U2、接通栅极电阻R1和断开栅极电阻R2相对于相应的参考驱控值的变化ΔU1、ΔU2、ΔR1、ΔR2被仅与运行温度T或者仅与运行电压U相关地求出和设定，来代替与运行温度T和运行电压U相关地求出和设定。此外能够提出：与运行温度T和/或运行电压U相关地求出和设定仅驱控变量U2、U2、R1、R2的子集相对于相应的参考驱控值的变化ΔU1、ΔU2、ΔR1、ΔR2，例如仅求出和设定接通驱控电压U1和断开驱控电压U2的变化ΔU1、ΔU2或接通栅极电阻R1和断开栅极电阻R2的变化ΔR1、ΔR2。此外，在考虑运行温度T的情况下能够提出：根据MOSFET 1的温度相关的电学参数求出MOSFET 1的当前的运行温度T，例如在M.Denk和M.M.Bakran著的“IGBT GateDriver with Accurate Measurement of Junction Temperature and Inverter OutputCurrent(可精确测量结温和变流器输出电流的IGBT栅极驱控器)”PCIM Europe(欧洲)2017；International Exhibition and Conference for Power Electronics，Intelligent Motion，Renewable Energy and Energy Management(电力电子、智能运动、可再生能源、能源管理国际展览会议)、纽伦堡、德国、2017、1-8页中记载，或者借助于利用其他运行条件估算运行温度T的模型来确定当前的运行温度T。

变流器19的替代于图4的实施例通过在图1中描述的实施例或之前所述的修改的实施例之一的驱控装置3取代图4中示出的驱控装置3来得出。

尽管通过优选的实施例详细阐明和描述了本发明的细节，但本发明不被所公开的实例限制，并且能够本领域技术人员在不偏离本发明的保护范围的情况下，能够从中推导出其他变体方案。