CN102545557B - 功率半导体系统 - Google Patents

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Abstract

功率半导体系统(2)，在其中，-带有至少一个具有三个接点(8a-c)的功率半导体开关(4)；-并带有控制功率半导体开关(4)的驱动电路(6)；-其中，接点(8a-c)中的每个通过各一个联接线路(10a-c)联接到驱动电路(6)的触点(12a-c)上；-为每个功率半导体开关(4)配属有具有三个耦合的绕组(14a-c)的共模扼流圈(16)；-其中，将绕组(14a-c)中的各一个联接到各自的功率半导体开关(4)的联接线路(10a-c)中的各一个中。

Description

功率半导体系统
技术领域
本发明涉及一种功率半导体系统。
背景技术
所述的功率半导体系统一般包括至少一个功率半导体开关，例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)。一个或多个功率半导体开关此外一般合并或者说集成在一个功率模块内。功率半导体系统此外包括驱控所述一个或多个功率半导体开关的驱动电路，经常简称为驱动器。后者将小功率的逻辑开关信号转换成实际开关功率半导体开关的、一般大功率的、此外例如处于高压电位上的开关信号。驱动电路典型地不是功率模块的必然的部件。
尤其是在包含多个功率半导体开关的功率半导体系统中，将这些功率半导体开关经常在负载侧(例如在它们的发射极和集电极方面)并联，以便可以开关特别大的电流或电压。在这种并联的功率半导体开关中有意义的是，将这些功率半导体开关也在其控制接点(例如栅极)方面在驱动电路的唯一控制输出端上并联联接。
目标是，特别在上述的并联电路中让功率半导体开关尽可能同时开关并以尽可能相同的速度开关。由此应达到均匀的电流分配，也就是说，并联的功率半导体开关中的每个应尽可能接收总电流的相同份额。
在这种情况下出现的问题是，实际上并非全部功率半导体开关都同样开关。此外，例如IGBT在它开关的瞬间在其发射极上经历强电流变化。至少发射极引线的寄生欧姆电阻或者说电感在此情况下在特别高的待开关电流的情况下容易引起发射极上例如100伏范围内的电位突变。在IGBT的情况下，由此其发射极与栅极之间的电压也出现变化。因为驱动器一般不能迅速跟随这种电位波动，所以出现的栅极-发射极电压发生变化并由此晶体管的开关速度也发生变化。由于栅极的上述并联电路因此也改变了全部并联联接的功率半导体开关的开关速度。
因此驱动器与半导体开关之间的连接，尤其是各自的栅极连接和发射极连接是有问题的。也就是驱动器的各自的触点或接点与半导体开关上的发射极接点或栅极接点之间的联接线路。
为避免上述效应，例如由WO2004/102806A1公开了向各自的栅极连接和发射极连接内，也就是相关的联接线路内接入共模扼流圈。共模扼流圈具有总计两个、进而各一个接入联至栅极和联至发射极的相应联接线路中的绕组，以及具有这两个绕组之间的耦合。这种类型的共模扼流圈于是将驱动器的发射极触点与功率半导体开关的发射极接点之间的电位偏移传递到驱动器的栅极触点与功率半导体开关的栅极接点之间的相应连接线路中。功率半导体开关的栅极与发射极之间的电压差因此几乎与功率半导体开关与驱动器之间的电压偏移无关。
图3示出依据现有技术的功率半导体系统2，该功率半导体系统带有功率半导体开关4和驱动电路6，它们通过联接线路10a-c相互连接。带有其他未示出的半导体开关的并联电路象征性通过虚线的连接线路简要示出。在联接在作为接点8b的栅极G上和作为接点8c的发射极E上的联接线路10b、10c中联接有具有两个绕组14b、14c的共模扼流圈16。该共模扼流圈尤其在功率半导体开关4的开关过程中防止发射极E上的电位突变传递到并联的其他未示出的功率半导体开关上。
在相应的功率模块内一般所谓的短路检测是值得期望的。驱动器为此具有其它触点，该触点与集电极K，也就是与功率半导体开关的接点8a连接。这样可以在驱动电路2内检测并评估半导体开关4上的集电极-发射极电压UKE或将其由该驱动电路为进行进一步处理而传输。在这种情况下，对在大约100mV直到几伏的范围内的电压进行测量。这种测量在开关过程中和在功率半导体开关4上的发射极E的电位在100V范围内的上述突变情况下很难进行。
驱动器内的相应测量因此存在缺陷。在作为功率半导体开关的MOSFET的情况下，上述的电压偏移或电压突变作用的比在IGBT的情况下更强，因为这里在已接通的构件上，也就是说，在导电的MOSFET上的电压(源极-漏极电压，相应于IGBT情况下的UKE)，一般情况下明显低于在导电的IGBT中的集电极-发射极电压。即使通过上述共模扼流圈也不能实现在上述的电压测量中消除功率半导体开关的发射极与驱动器的发射极触点之间的电位偏移。
发明内容
本发明的任务在于，提供得到改进的功率半导体系统。
该任务通过依据权利要求1的功率半导体系统得以解决，该功率半导体系统如上所述包含带有三个接点的功率半导体开关和控制该功率半导体开关的驱动电路。三个接点通过三个联接线路与驱动电路的相应触点，也就是输入端或输出端连接。依据本发明，功率半导体系统此外为每个功率半导体开关包含有一个带有三个耦合的绕组的共模扼流圈，其中，绕组中的各一个联接到联接线路中的各一个中。换句话说，也就是每个功率半导体开关直接前置连接一个共模扼流圈。功率半导体开关的开关输入端的可能的并联电路在扼流圈的面朝驱动电路的一侧上才实现。
功率半导体在这种情况下一般是IGBT或MOSFET，于是它们的接点是栅极、发射极和集电极或栅极、源极和漏极。
功率半导体开关的发射极(源极)与驱动器的发射极(源极)触点之间产生的电位偏移这样不仅转换到栅极的联接线路中，而且也转换到集电极的联接线路中，并由此也将在驱动器内所测量的在功率半导体开关的集电极与发射极或者说源极与漏极之间的电压从上述电位偏移修正。电位偏移因此从测量中清除，尤其是在开关过程中，该测量进行得基本上更加准确。
在本发明优选的实施方式中，各自的扼流圈集成在驱动电路中。因此一般在驱动器内存在多个扼流圈，为每个功率半导体开关设有一个扼流圈。可以特别简单地联接传统的功率半导体开关到依据本发明的驱动器上，以便获得依据本发明的功率半导体系统。专用的功率半导体开关或相应的功率模块不是必须的。现有系统的改造在驱动器内进行。
在本发明的备选的实施方式中，功率半导体开关是功率模块的部件。于是，属于该功率半导体开关的共模扼流圈包含或者说集成在功率模块中。这样备选地，改造在功率模块内进行并且传统的驱动器可以继续使用。
在其它备选方案中，扼流圈分别联接到未改变的驱动器与功率模块或者说功率半导体之间。在这里无需改造上述单元。本发明在功率半导体系统的层次上起效。
在本发明的优选实施方式中，驱动电路为不同功率半导体开关的同类型接点(例如栅极的接点和发射极的接点)仅分别具有唯一的触点。换句话说，各自的从这些接点引导向驱动器的联接线路在驱动器侧并联。在驱动器上因此为所有功率半导体的全部同类型的接点始终仅需设置有唯一的触点或接点。
在本发明的优选实施方式中，驱动电路包含测量装置，该测量装置用于探明功率半导体开关的接点中的两个之间的电压。尤其是相应的测量装置用于上述的短路检测。也就是测量半导体开关的发射极(源极)与集电极(漏极)接点之间的电压。该测量基于本发明消除了上述电位偏移的缺陷，因为尤其也在集电极联接线路中现在存在扼流圈的耦合的线圈，该线圈将在发射极联接线路中和在栅极联接线路中的电位偏移现在也传递到集电极联接线路上。在驱动器中，测量装置与相关的触点连接，这些触点联接到相关的、朝待测量的接点引导的联接线路。
在这种实施方式的优选变化中，驱动器为每个功率半导体包含自己的测量装置。当然在这种情况下，于是为每个半导体开关在驱动器上设置有至少一个自己的触点，以便在这里也可以测量各自的个别电压。例如，也就是说将这些集电极接点的所有各自的联接线路均引导到在驱动器上的单独的触点或者说输入端上。
附图说明
对本发明的进一步说明参阅附图的实施例。在示意性的原理图中分别示出：
图1依据本发明的功率半导体系统；
图2带有并联半导体开关的备选的功率半导体系统；
图3依据现有技术的功率半导体系统。
具体实施方式
图1示出功率半导体系统2，该功率半导体系统包括功率半导体开关4和驱动电路6。功率半导体开关4具有三个接点8a-c。因为是IGBT，所以这些接点是集电极K、栅极G和发射极E。接点8a-c中的每个通过一根联接线路10a-c联接到驱动电路6的3个触点12a-c上。与联接到驱动电路6上的其他未示出的半导体开关的并联象征性通过虚线的连接线路简要示出。触点12a、12c形成驱动器的(测量)输入端，触点12b形成(控制)输出端。
依据本发明，在联接线路10a-c中的每个内连接共模扼流圈16的一个绕组14a-c，其中，全部绕组14a-c彼此磁性地耦合。
发射极E上例如通过功率半导体开关4的开关过程造成的电位突变通过共模扼流圈16传递到栅极G和集电极K的电位上。
图1此外示出本发明的优选实施方式，其中驱动电路6因此包括测量装置20，该测量装置测量功率半导体开关4的集电极K与发射极E之间的电压UKE。该测量装置例如用于功率半导体开关4上的短路检测。
共模扼流圈16作为单独的构件联接在驱动电路6与功率半导体开关4之间。在仅虚线简要示出的备选方案中，共模扼流圈16作为构件集成到驱动电路6中。
图2示出备选的功率半导体系统2，其中唯一的驱动电路6操作多个(在这里两个上面所示的)功率半导体开关4。功率半导体开关4分别成两个样本地按照半桥的类型合并在功率模块18内。分别属于功率半导体开关4的共模扼流圈16集成在相关的功率模块18中。下面的两个功率半导体开关4由其它未示出的驱动器操作并形成自己的与上面相应的功率半导体系统。
在图2中尤其可以看出所有功率半导体开关4的发射极E和集电极K的负载侧并联电路。针对各自的联接线路10b和10c，朝驱动电路去地同样实现并联电路。在驱动电路6上因此为联接线路10b和10c仅分别设置有唯一的共同触点12b、12c。
但因为在这里应该为功率半导体开关4中的每个单独进行集电极-发射极电压UKE的测量，所以将所有联接线路10a均引导到驱动电路6上的各一个单独的输入端或者说触点12a上。因此也相应设置有驱动电路6中的许多测量装置20。
附图标记列表
2功率半导体系统
4功率半导体开关
6驱动电路
8a-c接点
10a-c联接线路
12a-c触点
14a-c绕组
16共模扼流圈
18功率模块
20测量装置
K集电极
G栅极
E发射极
UKE电压

Claims (6)

1.功率半导体系统(2)，
-带有至少一个具有三个接点(8a-c)的功率半导体开关(4)；
-并带有控制所述功率半导体开关(4)的驱动电路(6)；
-其中，所述接点(8a-c)中的每个通过各一个联接线路(10a-c)联接到所述驱动电路(6)的触点(12a-c)上；
-其中，为每个功率半导体开关(4)配属有具有三个耦合的绕组(14a-c)的共模扼流圈(16)；
-其中，所述绕组(14a-c)中的各一个联接到各自的功率半导体开关(4)的联接线路(10a-c)中的各一个中。
2.按权利要求1所述的功率半导体系统(2)，其中，所述共模扼流圈(16)集成在所述驱动电路(6)中。
3.按权利要求1所述的功率半导体系统(2)，其中，所述功率半导体开关(4)是功率模块(18)的部件，其中所述共模扼流圈(16)集成在所述功率模块(18)中。
4.按前述权利要求之一所述的功率半导体系统(2)，其中，所述驱动电路(6)为不同的功率半导体开关(4)的同类型的接点(8a-c)具有唯一的触点(12a-c)。
5.按权利要求1至3之一所述的功率半导体系统(2)，其中，所述驱动电路(6)包含至少一个探明所述功率半导体开关(4)的所述接点(8a-c)中的两个之间的电压(UKE)的测量装置(20)。
6.按权利要求5所述的功率半导体系统(2)，每个所述功率半导体开关(4)都包含自己的测量装置(20)。
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