[发明专利]半导体器件中负载电流的过零检测

说明书

技术领域

本公开涉及用于检测通过半导体器件的负载电流的过零的电路结构和方法，尤其是诸如绝缘栅双极晶体管的反向导通晶体管。

背景技术

绝缘栅双极晶体管（IGBT）被用在例如逆变器电路（inverter circuit）中，以调节诸如电机的电感负载。在逆变器电路中，IGBT与续流二极管并联连接，以允许在IGBT例如结合电感负载被应用的情况下变得必要的双向电流。然而，并联续流二极管的应用具有许多缺点。例如，IGBT外壳必须被设计成容纳IGBT主体和分立的续流二极管这二者并且两个组件的焊接复杂而昂贵。

为了克服这些缺点，反向导通IGBT（所谓的RC-IGBT）已变得流行，诸如在美国专利申请公开No.2007/0231973A1中所披露的那些，其中，IGBT和续流二极管被单片地形成为一个单个的半导体组件。p型掺杂的集电极区域通过切口被局部地中断，其中n型掺杂半导体材料与集电极金属接触，在MOS沟道区域中在发射极结构、轻微掺杂漏极区域与p型掺杂掺杂之间获得了所谓的PIN电极结构。

与IGBT反平行连接的续流二极管的导通状态并不取决于IGBT的导通状态，而RC-IGBT的内部续流二极管受RC-IGBT的MOS沟道区域的导通状态的影响。即，如果RC-IGBT在其反向导通状态期间经由其栅电极被激活，则MOS沟道导通。由于MOS沟道允许双向电流，所以在反向导通路径中的电子会沿着在触发栅电极的情况中的附加电流路径，在这个过程中，由于并不是所有的电子都贡献于在多数情况下是所不期望的PIN二极管的泛滥（flooding），所以在PIN二极管结构中正向电压降会大大提高。

在德国专利申请公开DE 102009001029A1中，披露了克服前面所述问题的控制方法和相应的电路布置，控制方法涉及用于检测RC-IGBT中的电流方向的方法。此方法的一个缺点会是需要至少一个（或多个串联）的高阻断能力的二极管。这些二极管昂贵并且由于所需的爬电距离而在电力电子装置内需要较大的空间。

美国专利申请US 12/943,079披露了用于克服前面所描述的问题并且用于防止RC-IGBT在其反向导通状态经由其栅电极被导通的电路布置及对应的控制方法，该控制方法涉及用于检测RC-IGBT中的电流方向的方法。此方法是基于在器件被被动切换的情况下检测通过RC-IGBT的栅极连接点传输的电荷电流。如果RC-IGBT在不存在其专门的栅极驱动的主动切换事件的情况下从正向阻断变成反向导通模式，则被动切换事件发生，或者与之相反。

然而，在半桥构造中，被动切换事件仅会发生在死时（dead-time）的开始这一情况导致问题产生。如果被动切换事件发生并且防止了RC-IGBT因此被导通以及在RC-IGBT仍是截止的同时负载电流的过零出现，这造成了高度失真的电流波形并且使得过零不可能。

存在的总的需要是克服或者至少减轻上面讨论的问题，另外存在的需要是提供一种用以检测负载电流的过零并且在过零出现的情况下将RC-IGBT导通的电路布置以及对应方法。

发明内容

根据一种实施方式，一种电路布置包括：反向导通晶体管，被构造成允许在正向上和反向上传导负载电流，该晶体管具有负载电流路径和栅电极；栅极控制单元，被连接至栅电极并且被构造成禁用晶体管或者防止当晶体管处于反向导通状态时经由其栅电极的晶体管的激活；监控单元，被构造成检测，在晶体管被禁用或通过栅极控制单元来防止激活时，在负载电流过零时产生的该反向导通晶体管的集电极-发射极电压的突然上升。

根据另一实施方式，公开了一种方法，用于在晶体管处于反向导通状态并且被禁用或通过栅极控制单元来防止激活的同时检测晶体管的负载电流的过零。

通过阅读下面的详细描述并且通过观看附图，本领域的那些技术人员将了解其他的特征和优点。

附图说明

可参照下面的附图和描述更好地理解发明。图中的组件并不一定是按比例的，而是强调示出发明的原理。在图中，相同的参考号表明对应的部件。在图中：

图1是示出被连接至包括电感器的负载阻抗的RC-IGBT半桥电路布置的示意图；

图2是示出包括用于每个晶体管的栅极控制单元的图1的RC-IGBT半桥的示意图；

图3是示出监视对应RC-IGBT的导通状态并且根据其导通状态来切换晶体管的带有栅极控制单元的RC-IGBT的示意图；

图4是示出利用栅极驱动电路的用于栅极电流感测的各种可选方案的示意图；