驅動電路、包括驅動電路的電路布置及包括電路布置的逆變器的製作方法

2023-06-08 11:10:06

描述

本發明涉及用於具有單向流動方向的功率半導體開關的驅動電路以及包括這樣的驅動電路和具有單向流動方向的功率半導體開關的電路布置。另外，本發明還涉及包括兩個這樣的電路布置的雙向電路布置以及具有bsnpc橋電路的逆變器，該bsnpc橋電路包括相應的雙向電路布置。

通常使用數字電路，例如，特別是微處理器來產生用於功率半導體開關的控制信號。但在許多情況下，由數字電路提供的輸出電流不足以直接驅動功率半導體開關。因此，在數字電路和功率半導體開關之間置入驅動電路，該驅動電路提供所需量的電流。

可使用所謂的驅動模塊，其中早已集成了驅動電路的對許多應用情況至關重要的組件。藉助於這樣的驅動模塊，通過補充分立元件(如電阻器、二極體和電容)並適當地確定其尺寸，以專業人員例如從驅動模塊製造商的數據手冊或應用說明中已知的方式，來實現用於特定應用情況的驅動電路。

許多驅動模塊提供除實際驅動功能之外的附加功能，這些附加功能用於保護功率半導體開關或驅動模塊免於在某些不希望的運行狀態下因電壓或電流過高而受損。例如，具有用於所謂的「去飽和監測」(desat)的過電壓監測輸入端的驅動模塊是非常常見的，由此，在閉合的功率半導體開關的受控端子(gesteuertenanschlus)和基準電勢端子(bezugspotentialanschluss)之間的電壓過高的情況下，功率半導體開關經由相應地控制驅動模塊來斷開。

例如，從公司semiconductorcomponentsindustries,llc於2013年8月第8修訂版mc33153/d的數據手冊「mc33153singleigbtgatedriver」中已知一種驅動模塊，其具有用於「去飽和監測」(desat)的過電壓監測輸入端。在這種情況下，desat輸入端經由可選的電阻器和二極體與功率半導體開關的受控端子連接，其中，在desat輸入端和功率半導體開關的基準電勢端子之間還布置了電容。另外，從數據手冊還已知驅動模塊的控制輸出端與功率半導體開關的控制端子(steueranschluss)的連接的不同可能性。

公司firmaavagotechnologieslimited在2007年6月1日的av02-0258en的應用說明5324「desaturationfaultdetection」為不同的驅動模塊分別公開了與公司semiconductorcomponentsindustries,llc先前提到的數據手冊相同的desat輸入端的布線。

desat輸入端的相同形式的布線也在公司stmicroelectronics於2006年10月9日第4修訂版的應用說明an1944「developingigbtapplicationsusingantd350advancedigbtdriver」中的驅動模塊上進行了公開。另外，在這裡示出的驅動模塊還具有用於接通和斷開功率半導體開關的各自分開的控制輸出端。

文檔us2009/0153223a1公開了用於igbt的驅動電路，該igbt具有控制端子、基準電勢端子和受控端子。驅動電路包括由開關、電壓源和二極體的串聯電路組成的去飽和電路其中去飽和電路連接在igbt的受控端子和柵極電阻器面向igbt的控制端子的的端部之間。在驅動電路的實施方式中，電壓源由電容器形成，該電容器在igbt斷開時充電。開關在igbt斷開前閉合，其中igbt隨後在開關閉合之後以預定的時間延遲斷開。在將電壓源與二極體連接的點和施加在基準電勢端子上的基準電勢之間、有規律地在具有去飽和監測的驅動電路上設置的電容在us2009/0153223a1中的驅動電路中沒有設置。

功率半導體開關通常具有本徵二極體(例如體二極體)形式的或者是額外安裝在功率半導體模塊的內部或外部的二極體形式的反並聯二極體。如果沒有設置這樣的反並聯二極體，也就是說在具有單向流動方向的功率半導體開關中，例如在所謂的反向截止igbt中，功率半導體開關的基準電勢端子上的電勢可比受控端子上的高，由此，在如先前提到的數據手冊或先前提到的應用說明裡那種形式的常見的布線中，不希望的電流從基準電勢端子流向受控端子，該不希望的電流可導致驅動電路的組件受損。

反向截止igbt，特別是作為其上反向並聯連接了兩個反向截止igbt的雙向電路布置，例如被應用在bsnpc(雙極切換中性點鉗位)逆變器(也被稱為npc-2逆變器)的中性支路中。例如，具有由反向並聯連接的反向截止igbt形成的雙向開關的這樣的bsnpc逆變器在說明書wo2013/145854a1中被公開。對於每個igbt來說都存在驅動電路，其中在每種情況下都沒有為驅動電路設置用於去飽和監測的措施。

在由c.dustert和a.volke於2014年6月17-19日在上海的pcimasia公開的文章「applicationofgatedriversfor3-levelnpc-2powermoduleswithreverseblockingigbts」中建議，在npc-2逆變器的中性支路中使用反向截止igbt時，在desat輸入端的布線中設置電阻器鏈代替二極體，由此，一方面進一步確保desat監測功能，另一方面不會再有危險的高電流流動。這種情況下的缺點是，當功率半導體開關的基準電勢端子上的電勢高於受控端子時，不希望的電流還一直從基準電勢端子流向受控端子，這至少會造成不希望的功率損耗。

因此，本發明的任務在於提供一種驅動電路，在該驅動電路中，當對驅動模塊的過電壓監測輸入端進行布線以實現去飽和監測時可靠地阻止不希望的電流的出現，而不必對此承擔不必要的功率損耗。

根據本發明，該任務將通過根據獨立權利要求1的驅動電路、通過根據並列的裝置權利要求13的電路布置、以及通過根據並列的裝置權利要求15的雙向電路布置來實現。權利要求17涉及具有這樣的根據本發明的雙向電路布置的逆變器。本發明的有利的實施方案在從屬權利要求中進行了描述。

根據本發明的用於具有單向流動方向的功率半導體開關的驅動電路，即用於與流動方向相反的電流流動被阻止的功率半導體開關的驅動電路，包括驅動模塊，該驅動模塊具有控制輸出端、基準電勢輸入端和過電壓監測輸入端。對此，控制輸出端與驅動電路的被設置用於連接到功率半導體開關的控制端子的第一端子(anschluss)連接。基準電勢輸入端與被設置用於連接到功率半導體開關的基準電勢端子的第二端子連接，並且過電壓監測輸入端經由第一二極體與被設置用於連接到功率半導體開關的受控端子的第三端子連接。此外，在根據本發明的驅動電路中，過電壓監測輸入端經由電容與基準電勢輸入端連接。

在驅動模塊與第一端子、第二端子和第三端子的接線中，存在從第二端子經由電容和第一二極體到第三端子的連接路徑。該連接路徑在根據本發明的驅動電路中可通過有源可控的開關元件接通。該解決方案基於對此偏見的克服，即為了監測功率半導體開關的受控端子和功率半導體開關的基準電勢端子之間的電壓，一方面，過電壓監測輸入端必須經由二極體或可替代地經由電阻器鏈與受控端子永久連接，並因而還必須經由二極體或可替代地經由電阻器鏈與驅動電路的第三端子永久連接，另一方面，基準電勢輸入端必須與基準電勢端子連接，並因而還必須與驅動電路的第二端子連接。但更確切地說，連接在驅動電路上的功率半導體開關的過電壓監測以及為此先前提到的連接只有在功率半導體開關接通時才是必要的，而連接路徑中不希望的電流只有在功率半導體開關斷開時才可流動。

優選地，根據本發明的驅動電路的驅動模塊被設置用於，將施加在基準電勢輸入端上的基準電勢或施加在驅動模塊的控制電勢輸入端上的控制電勢施加在控制輸出端上。在這種情況下，其上施加了兩種不同的電勢的該控制輸出端可以是一個控制輸入端且是同一個控制輸入端。但也可具有兩個控制輸出端，其中這時在第一控制輸出端上施加了控制電勢，而第二控制輸出端為高阻抗，並且在第二控制輸出端上施加了基準電勢，而第一控制輸出端為高阻抗。

同樣優選地，驅動模塊被設置用於，通過相對於基準電勢施加在過電壓監測輸入端上的電壓來識別在驅動模塊內設置的閾值的超過。有關過電壓監測輸入端經由第一二極體與第三端子連接的方面，例如可通過在過電壓監測輸入端上高阻抗施加相對於基準電勢的電壓，例如通過高於閾值的單獨的電流源或者優選直接通過驅動模塊，來執行去飽和監測。只要連接至驅動電路的第三端子和第二端子的功率半導體開關的受控端子和基準電勢端子之間的電壓沒有接收危險的高值，經由第一二極體將相對於基準電勢施加在過電壓監測輸入端上的電壓鉗位到零，或者嚴格地說鉗位到功率半導體開關的導通電壓。

在根據本發明的驅動電路的實施方式中，過電壓監測輸入端可以不是僅經由第一二極體，而是還可經由由第一電阻器和第一二極體組成的串聯電路與第三端子連接。第一電阻器在功率半導體開關的切換過程中在出現瞬態電壓峰值時限制電流流動，並從而用於保護驅動模塊。

可選地，在驅動電路中，可在基準電勢輸入端和過電壓監測輸入端之間布置第二二極體，並且在過電壓監測輸入端和控制電勢輸入端之間設置第三二極體。由兩個二極體組成的這樣的布置用作過電壓監測輸入端的保護電路。由此，產生了從第二端子經由第二二極體、第一電阻器(如果存在的話)和第一二極體到第三端子的另一連接路徑。由於第二二極體直接平行於電容布置，因此在根據本發明的驅動電路中，另一連接路徑也可通過有源可控的開關元件接通。

當第二端子上的電勢高於第三端子上的電勢時，可經由連接路徑或者也經由另一連接路徑產生不希望的電流流動。因此，在根據本發明的驅動電路的實施方式中，設置了控制設備，其被設置用於，當第二端子上的電勢高於第三端子上的電勢時，斷開開關元件。

如上所述，在功率半導體開關接通期間，只需要對連接在驅動電路上的功率半導體開關的受控端子和基準電勢端子之間的電壓進行監測。因此，在驅動電路的另一實施方式中，控制設備可替代或可補充地被設置用於，當控制輸出端上施加了控制電勢時，閉合開關元件。

反過來，在功率半導體開關斷開期間，不需要對連接在驅動電路上的功率半導體開關的受控端子和基準電勢端子之間的電壓進行監測。由此，獲得驅動電路的另一實施方式，控制設備被設置用於，當基準電勢施加在控制輸出端時，斷開開關元件。

開關元件可布置在連接路徑位於電容和第三端子之間的部分中。同樣也可布置在連接路徑位於第二端子和電容之間的部分中。在這種情況下需要平行於開關元件布置第五二極體，以便在功率半導體開關斷開時，甚至開關元件斷開時，還是有電流可從功率半導體開關的控制端子經由驅動模塊流向功率半導體開關的基準電勢端子。原則上，也不排除使用超過一個的開關元件，其中開關元件隨後還可以位於連接路徑的各個不同的部分中。

在根據本發明的驅動電路的實施方式中，開關元件是具有控制輸入端的半導體開關，其中產生了另一種實施方案，在這種實施方案中控制輸入端與驅動模塊的控制輸出端連接。

除了已經描述的驅動電路之外，根據本發明的電路布置還包括具有單向流動方向的功率半導體開關，其中第一端子與功率半導體開關的控制端子連接，第二端子與功率半導體開關的基準電勢端子連接，並且第三端子與功率半導體開關的受控端子連接。在這種情況下，功率半導體開關例如可以是不具有反向並聯二極體的igbt。這樣的igbt也被稱為所謂的反向截止igbt。

兩個這樣的電路布置，其中這兩個電路布置的功率半導體開關為反向並聯連接，形成根據本發明的雙向電路布置的支路布置，其中電流流動可通過單向功率半導體開關或另一單向功率半導體開關，也就是說在兩個方向上都是可能的。為此，優選地，支路布置的兩個控制設備以如下方式設置，使得支路布置的開關元件彼此互補地斷開和閉合。

例如，兩個單向功率半導體開關(例如兩個反向截止igbt)的反向並聯接線被用作逆變器的bsnpc橋電路的中性分支中的雙向開關。相應地，具有bsnpc橋電路的根據本發明的逆變器包括根據本發明的雙向電路布置。

以下將根據附圖對本發明進行進一步闡述。附圖在此用於說明本發明的實施方式，但不會使本發明限於所示的特徵。

圖1示出了根據現有技術的驅動電路和電路布置，

圖2示出了根據本發明的電路布置中的根據本發明的驅動電路，

圖3示出了根據本發明的電路布置的另一實施方式，以及

圖4示出了根據本發明的雙向電路布置。

圖1示出了根據現有技術的用於功率半導體開關2的驅動電路101。在電路布置130中，驅動電路101經由第一端子21與功率半導體開關2的控制端子3連接，經由第二端子22與功率半導體開關2的基準電勢端子4連接，並且經由第三端子與功率半導體開關2的受控端子5連接。在此，驅動電路101包括驅動模塊6，該驅動模塊具有用於施加基準電勢gnd的基準電勢輸入端8和用於施加控制電勢vcc的控制電勢輸入端9。驅動模塊6被設置用於，通過例如數字電路(優選微處理器)來進行此處未詳細示出的控制時，將基準電勢gnd或控制電勢vcc施加在控制輸出端7上。控制輸出端7經由延遲電阻器25和第一端子21與功率半導體開關2的控制端子3連接，並且基準電勢輸入端8經由第二端子22與功率半導體開關2的基準電勢端子4連接，使得在控制電勢vcc施加在控制輸出端7上這種情況下，在控制端子3和基準電勢端子4之間施加電壓，由此功率半導體開關2被斷開並且電流可從受控端子5流向基準電勢端子4，而在基準電勢gnd施加在控制輸出端7上這種情況下，沒有在控制端子3和基準電勢端子4之間施加電壓，使得功率半導體開關2閉合併且不再有電流能從受控端子5流向基準電勢端子4。通過延遲電阻器25連同控制端子3和基準電勢端子4之間的固有電容，可設置在功率半導體開關2的接通和斷開時的延遲時間。另外，在驅動電路101中，在控制端子3和基準電勢端子4之間存在下拉電阻器26，以便在驅動模塊6的啟動期間將控制端子3上的電勢拉到基準電勢gnd。

此外，驅動模塊6還具有過電壓監測輸入端10，該過電壓監測輸入端經由可選的第一電阻器12、第一二極體13和第三端子23與功率半導體開關2的受控端子5連接。通過驅動模塊6，在過電壓監測輸入端10上通過例如集成在驅動模塊6中的電流源施加相對於基準電勢gnd的電壓。只要功率半導體開關2的受控端子5和基準電勢端子4之間的電壓沒有接受危險的高值，那麼經由第一二極體13相對於基準電勢gnd施加在過電壓監測輸入端10上的電壓被拉至零。相反，如果受控端子5和基準電勢端子4之間的電壓過大，則在過電壓監測輸入端10上不再存在相對於基準電勢gnd的電壓，而是存在驅動模塊6的內部電流源的開路電壓(leerlaufspannung)。例如在驅動模塊6內使用比較器通過與閾值比較來識別這一點，於是隨後在控制輸出端7上施加基準電勢gnd，以斷開功率半導體2並以此保護其免於受損。所描述的驅動模塊7用於使用過電壓監測輸入端10的功能在許多驅動模塊中以這種形式來實現，並且對於專業人員來說是已知的，因此，該功能在圖1的驅動模塊6中不再明確圖示。可替代地，在其他驅動模塊中還可這樣設置，即通過獨立的外部電流源在過電壓監測輸入端10上提供相對於基準電勢gnd的電壓。

隨後，當功率半導體開關2確定接通時，將過電壓監測輸入端10上的電壓首先鉗位到零。為了防止瞬態過程在功率半導體開關2接通期間錯誤地導致功率半導體開關2通過先前所描述的驅動模塊6的過電壓監測功能再次斷開，過電壓監測功能必須能夠被延遲激活。為此，在驅動電路101中，在過電壓監測輸入端10和基準電勢輸入端8之間設置電容14。通過驅動模塊，在控制輸出端7上施加基準電勢gnd的時間內，即在功率半導體開關2斷開期間，也將基準電勢gnd施加在過電壓監測輸入端10上，因此，電容14放電。隨後，在控制輸出端7上施加控制電勢vcc時，即功率半導體開關2接通時，電容14首先充電，因此首先會相應地延遲在過電壓監測輸入端10上施加相對於基準電勢gnd的電壓。

在圖1的驅動電路101中，在基準電勢輸入端8和過電壓監測輸入端10之間布置第二二極體16，並且在過電壓監測輸入端10和控制電勢輸入端9之間布置第三二極體17。這些二極體是可選的，並且用作過電壓監測輸入端10的保護電路。

根據圖1的電路布置130中的功率半導體開關2在此例如是具有反向並聯的第四二極體11的igbt(絕緣柵雙極型電晶體)。因此，在圖1的功率半導體開關2中，不僅存在從受控端子5到基準電勢端子4的單向流動方向，而且當功率半導體開關2的基準電勢端子4上的電勢高於其受控端子5時，電流流動有可能在相反方向上流經反向並聯的第四二極體11。

圖2示出了根據本發明的電路布置30中的根據本發明的驅動電路1。在圖2的電路布置30中，具有單向流動方向的功率半導體開關2(在此是不具有反向並聯二極體的igbt)與驅動電路1的端子21、22和23連接。在所示的根據本發明的驅動電路1中，有源可控的開關元件15被布置在第一二極體13和第三端子23之間。當基準電勢端子4上的電勢高於受控端子5上的電勢時，藉助於該有源可控的開關元件15，可選擇性地中斷在從第二端子22經由電容14和第一二極體13的連接路徑中的不期望的電流流動，該電流流動可能會由於功率半導體開關2的單向流動方向而出現。有源可控的開關元件15可同樣布置在連接路徑中的任何其他位置上，例如布置在電容14和第一二極體13之間，或者布置在第二端子22和電容14之間。

為了控制開關元件15，設置了控制設備18。為此，控制設備18可這樣設置，使得在控制輸出端7上施加控制電勢vcc時，開關元件15閉合。但控制設備18還可這樣設置，使得在控制輸出端7上施加基準電勢gnd時，開關元件15斷開。可通過開關元件15接通的連接路徑中的不期望的電流僅在功率半導體開關2的基準電勢端子4上的電勢高於其受控端子5上的電勢時才會出現。因此，在另一種實施方案中，控制設備還這樣設置，使得當第二端子22上的電勢高於第三端子23上的電勢時，開關元件15斷開。當然，用於通過控制設備18來斷開和閉合有源可控的開關元件15的所述的條件的組合也是可能的。

在圖2的驅動電路中，控制輸出端7經由延遲電阻器25與由第五二極體28和另一延遲電阻器27組成的串聯電路的並聯電路與第一端子21連接。在該布置中，當功率半導體開關2接通時，電流流經延遲電阻器25和另一延遲電阻器27的並聯電路，而在斷開時，電流僅流經延遲電阻器25。因此，可以為接通過程和斷開過程分別設置不同的延遲時間。

此外，相對於圖1的驅動電路，在圖2的驅動電路1中，示例性地省略了可選的第二二極體16和第三二極體17以及可選的下拉電阻器26和可選的第一電阻器12。

在根據圖3的根據本發明的開關布置30的實施方式中，有源可控的開關元件15是布置在第一二極體13和第三端子23之間且具有控制輸入端24的半導體開關。第二電阻器19被用於在不激活半導體開關時安全且快速地斷開它。控制設備18與控制輸出端7和基準電勢輸入端8連接，並且可由此評估控制輸出端7上的電勢，以便依賴於此斷開或閉合開關元件15。此外，在該實施方式中，控制設備18還實現了在控制輸出端7或基準電勢輸入端8和同樣經由驅動電路1的第三端子23與控制設備18連接的受控端子5之間的電流分離的功能，當功率半導體開關2斷開時，如有必要在該受控端子上施加相對於基準電勢gnd的高電壓。在圖3的實施例中，半導體開關是npn電晶體。在這裡同樣有可能使用pnp電晶體或其他電晶體作為開關。

在圖3的驅動電路中，在控制輸出端7和第一端子21之間的連接中存在由第六二極體29與延遲電阻器25組成的串聯電路和由第五二極體28與另一延遲電阻器27組成的串聯電路的並聯電路，其中二極體28和29各自具有相反的流動方向。在該布置中，當功率半導體開關2斷開時，電流流經延遲電阻器25，以及當接通時，電流流經另一延遲電阻器27。從而能為接通過程和斷開過程分別設置不同的延遲時間。

在圖4的驅動電路1中，有源可控的開關元件15同樣被構造為具有控制輸入端24的半導體開關，並且在此被布置在電容14和第一電阻器12之間。由於該布置和pnp電晶體的使用，在此不再需要具有如圖3中的實施例的電流分離的控制設備18。控制輸入端24經由反相器32與驅動模塊6的控制輸出端7在功能上直接連接，由此當在控制輸出端7上施加控制電勢vcc時，開關元件15閉合，並且當在控制輸出端7上施加基準電勢gnd時，開關元件斷開。當半導體開關未激活時，第二電阻器19被再次用於安全且快速地斷開該半導體開關，並且第三電阻器20在此被用於設置半導體開關的控制電流。

此外，圖4還特別示出了根據本發明的雙向電路布置31，其具有兩個支路布置，每個支路布置分別由根據本發明的電路布置30、30』構成。在這種情況下，兩個支路布置的功率半導體開關2、2』反向並聯連接，也就是說，兩個功率半導體開關2、2』的單向流動方向彼此反向，並由此能夠實現在互補控制時在一個方向或另一個方向上允許電流流動，或者在斷開兩個功率半導體開關2、2』時在兩個方向上阻止電流流動。因此，也有利的是，將各個驅動電路1、1』的控制設備18、18』設置在支路布置中，使得支路布置的開關元件15、15』彼此互補斷開和閉合。

用於實現雙向開關的具有單向流動方向的兩個功率半導體開關的反向並聯接線例如被應用在三電平逆變器的bsnpc橋電路的中性分支中。因此，也產生了將根據本發明的雙向電路布置31有利地應用在bsnpc橋電路中。

根據本發明的雙向電路布置31不限於圖4中所示的支路布置的實施形式。支路布置同樣可以通過如圖2或圖3中所示的電路布置30以及通過根據本發明的電路布置的另一種形式來實現。

本發明也不限於明確示出的實施方式，而是可以以多種方式進行變化，特別是可與其他示出的或者專業人員已知的實施形式組合。

附圖標記列表

1、1』驅動電路

2、2』功率半導體開關

3、3』控制端子

4、4』基準電勢端子

5、5』受控端子

6、6』驅動模塊

7、7』控制輸出端

8、8』基準電勢輸入端

9、9』控制電勢輸入端

10、10』過電壓監測輸入端

11、11』二極體

12、12』電阻器

13、13』二極體

14、14』電容

15、15』開關元件

16、16』二極體

17、17』二極體

18、18』控制設備

19、19』電阻器

20、20』電阻器

21、21』端子

22、22』端子

23、23』端子

24、24』控制輸入端

25、25』延遲電阻器

26、26』下拉電阻器

27延遲電阻器

28二極體

29二極體

30、30』電路布置

31雙向電路布置

32反相器

101驅動電路

130電路布置

vcc、vcc』控制電勢

gnd、gnd』基準電勢