CN104756390A - 用于受控电源开关模块的拓扑 - Google Patents

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Abstract

用于受控电源开关模块的本拓扑涉及一种模块，其中，优化顶部电源开关的发射极的寄生电感，以允许作为反馈在该顶部电源开关的栅极驱动电路中的这个寄生电感上注入过压的采样，以在大于预定值的过压期间将下降的栅极电压的斜率变缓。

Description

用于受控电源开关模块的拓扑
技术领域
本发明总体上涉及受控电源开关。更具体地，本发明涉及用于受控电源开关模块的拓扑。
背景技术
在本领域中公知受控电源开关模块。它们例如以下述形式被发现：绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管。
受控电源开关模块通常具有：两个输入连接端连接，其被设计来连接到DC(直流)电源；以及至少一个输出连接端连接，其被设计来提供AC(交流)输出。传统上，例如在DC至AC转换器中使用一个或多个模块。
每一个模块具有一个、两个或更多受控电源开关、一个、两个或更多的二极管和可能诸如电阻器和二极管的其他无源组件。
而且，在对于在电动和/或电动混和汽车应用中的电源逆变器电路允许的有限空间和半导体的高成本的情况下，对于电源电子装置的集成的要求增加。
减少由在汽车逆变器中的半导体占用的空间的一种已知方式是增大它们的效率，以允许减少冷却表面的大小。
在传统的逆变器设计中存在的受控电源开关模块中的损耗主要由两个来源引起：传导损耗和开关损耗。用于改善受控电源开关模块开关损耗的一种方式一般是通过加速受控电源开关的导通和关断。然而，随着较快的受控电源开关关断，因为高频回路的寄生电感引起的过压增大使得经常要求关断的变慢以保护该装置，由此严重地影响逆变器的效率。
可以向转换器传递的电力与最大运行电压和最大输出电流相关。限制在受控电源开关上的过压允许在较高的电压下运行，并且然后提供较高的功率。
附图说明
在附图中：
图1(标注为“现有技术”)是具有高频回路的典型的栅极驱动IGBT配置的电路图，用于图示寄生电感和其中栅极驱动器获取它们的参考的逻辑连接；
图2是使用在发射极寄生电感上连接的电阻分压器来降低过压的栅极驱动IGBT的电路图；
图3(标注为“现有技术”)图示了用于IGBT模块的典型拓扑；
图4图示了根据第一说明性实施例的IGBT模块的拓扑；
图5图示了根据第二说明性实施例的IGBT模块的拓扑；以及
图6图示了根据第三说明性实施例的IGBT模块的拓扑。
具体实施方式
词“一个”当与在权利要求和/或说明书中的词语“包括”相结合地使用时的使用可以表示“一个”，但是它也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或超过一个”一致。类似地，词“另一个”可以表示至少第二个或更多。
如在本说明书和权利要求中使用，词“包括”(和包括的任何形式)、“具有”(和具有的任何形式)或“包含”(和包含的任何形式)是包含性的或开放性的，并且不排除另外的、未描述的元件或处理步骤。
在本申请中和在所附的权利要求中，使用在本质上为方向、地理和/或空间的各个术语，诸如“纵向”、“水平”、“前”、“后”、“向上”、“向下”等。应当明白，这样的术语为了说明容易并且仅在相对的含义上被使用，并且不以任何方式被看作对于本公开的范围的限制。
在本申请中和在所附的权利要求中，将使用同一术语来用于受控电源开关的互连。更具体地，将使用术语IGBT。本领域内的技术人员容易明白，IGBT的集电极具有与MOSFET的漏极和双极的集电极相同的功能；IGBT的发射极具有与MOSFET的源极和双极的发射极相同的功能；并且，IGBT的栅极具有与MOSFET的栅极和双极的基极相同的功能。为了精确和简单的目的，在此作为示例给出IGBT。然而，这不限制本公开的范围。因此，表达IGBT在本公开中和在所附的权利要求中要被解释为任何受控电源开关，除了别的之外包括IGBT、MOSFET和双极晶体管。
类似地，在在此描述和图示受控电源开关模块的同时，本拓扑也适用于管芯和包。因此，表达“模块”在此和在所附的权利要求中要被解释为模块、管芯或包。
通过阅读参考附图仅通过示例给出的受控电源开关模块的拓扑的下面的说明书实施例的下面的非限定性说明，用于受控电源开关模块的拓扑的其他目的、优点和特征将变得更清楚。
根据一个说明性实施例，提供了一种用于受控电源开关模块的拓扑，该受控电源开关模块被配置使得被顶部和底部栅极驱动器电路控制，该受控电源开关模块包括：
顶部受控电源开关，其包括栅极、集电极和发射极；
底部受控电源开关，其包括栅极、集电极和发射极；
顶部集电极轨迹，其连接到该顶部受控电源开关的该集电极；
底部集电极轨迹，其连接到该底部受控电源开关的该集电极；
顶部发射极轨迹，其连接到该顶部受控电源开关的该发射极；
底部发射极轨迹，其连接到该底部受控电源开关的该发射极；
-Vbus连接端，其连接到该底部发射极轨迹；
+Vbus连接端，其连接到该顶部集电极轨迹；
至少一个相位连接端，其连接到该底部集电极轨迹和该顶部发射极轨迹的任何一个；
其中，所述顶部发射极轨迹到所述底部集电极轨迹的互连限定了寄生发射极电感，所述寄生发射极电感具有这样的值，使得在dl/dt期间在其上产生的电压被注入在所述顶部栅极驱动器电路中，以在所述顶部IGBT的所述发射极处产生正电压，以使处于导通的所述栅极-发射极电压(Vge)的斜率变缓。
一般而言，用于受控电源开关模块(以下称为IGBT模块)的本拓扑涉及一种IGBT模块，其中，顶部IGBT的发射极不直接地连接到底部IGBT的集电极，但是其中，这两个元件经由在DBC(直接敷铜)上的轨迹连接到外部连接端，该外部连接端限定可以内部或外部地互连的两个相位连接端。顶部IGBT的发射极到底部IGBT的集电极的该间接连接允许在IGBT模块中的DBC上的IGBT的重新定位，以由此允许优化、配置和/或预定寄生电感。
用于IGBT模块的本拓扑也一般涉及IGBT模块，其中，优化顶部IGBT的发射极的寄生电感，以允许作为反馈在该顶部IGBT的栅极驱动电路中的这个寄生电感上注入过压的采样，以在大于预定值的过压期间将下降的栅极电压的斜率变缓。
本领域内的技术人员公知，在该IGBT的关断出后的dl/dt在IGBT上施加的高频回路的寄生电感上产生大于总线电压的电压。在此提出了一种解决方案，该解决方案基于作为反馈在栅极驱动电路中的IGBT上过压的采样的注入，以在大于预定值的过压期间将下降的栅极电压的斜率变缓，以将过压值限制在这个预定值出。
本领域内的技术人员已知，该换流过程包含两个主要步骤：dl/dt和dV/dt。该dl/dt与在半导体中的电流的改变的速率相关，并且dV/dt与在半导体上的电压的改变的速率相关。在受控电源开关中的dl/dt与在半导体上的电压的改变的速率相关。在受控电源开关中的dl/dt首先在导通处出现，并且然后dV/dt一旦从二极管向受控电源开关完全地传送电流则出现。在导通处理的结尾，从二极管向受控电源开关传送电压，并且从受控电源开关向二极管传送电流。在受控电源开关中的dl/dt在导通处具有正斜率，并且在关断处具有负斜率。DV/dt在关断处在受控电源开关上具有正斜率，并且在导通处具有负斜率。
在输入电容器上的总线电压当受控电源开关导通时被施加在二极管上，并且当它关断时被施加的受控电源开关上。Dl/dt被施加在包括受控电源开关、二极管和输入电容器的整个高频回路上。
被标注为现有技术的图1公开了例如用于从电池(也未示出)对于三相电动机(未示出)加电的三相电力转换器10的一条腿。。
因为相信本领域内的技术人员公知这种转换器，所以在此不详细描述它。然而，应当注意，已经在图1中示意地表示了在导线、连接、去耦合对如方前和层叠的汇流条中固有地设置的电干。
可以从图1看出，每一个栅极驱动器的参考连接到对应的IGBT的、通常被称为逻辑引线的发射极。为了精确的目的，我们将描述包括IGBT Q1的底部部分。
当IGBT被关断时，必须能够承受由在该电路中存在的各种寄生电感(Lc、L+bus、Lc-top、Le-top、Lc-bot、Le-bot和Lbus)上的dl/dt产生的过压。事实上，因为该电感抵抗其中的电流的改变，所以另外的电压在该电路中产生，如可以通过在图1中所示的寄生电感的极性可见。被增加到源极电压的这些电压经常导致比可以在IGBT的集电极和发射极(Vce)之间安全地施加的通常的最大电压更大的电压。
一般而言，通过将栅极驱动器的参考从图1的逻辑引线改变为地总线(用于底部IGBT Q1)和底部IGBT的集电极(用于顶部IGBT Q2)，有可能减少在关断期间的这个过压Vce。
换句话说，已经开发了一种用于将栅极驱动器的参考连接到IGBT的电力连接端而不是逻辑引线的技术。在发射极电感上的电压因此被注入在栅极驱动器中，以在IGBT的发射极处产生负压(反馈)，以将栅极-发射极电压(Vge)的负斜率变缓。结果是在栅极电压上的直接作用，而没有任何延迟或另外的栅极电流。
因为在传统的商用IGBT模块中的发射极的逻辑和电力连接之间没有最佳的发射极电感，所以已经开发了一种技术来使用电阻分压器优化在栅极驱动电路中注入的过压的采样。当然，本领域内的技术人员可以明白，可以使用其他技术来调整所注入的过压的采样的大小。例如，可以使用变压器。
图2示出使用电阻分压器技术来优化过压。
再一次，讨论图2的三相电力转换器12的一条臂的底部部分。IGBT Q1包括：集电极14(C-bot)，其具有寄生电感Lc-bot；发射极16(E-bot)，其具有寄生电感Le-bot；以及，栅极18，其经由电阻器R1连接到栅极驱动器20。栅极驱动器20的参考22连接到电阻分压器电路，该电路包括两个电阻器R2和R3与防止影响导通的二极管D3。
根据在Q1上允许的过压的电平来选择电阻器R2和R3的值。R2相对于R3的比率增大以降低过压。并联的两个电阻器的值与R1串联地被设置为栅极驱动器电阻器。根据正确的换流行为来调整栅极电阻器的这个值。
通过正确地设置该电阻器值，有可能调整整体的寄生电感的影响，以获得被允许因此获得该模块的最好的可能性能的最大过压。
事实上，因为通过反馈电阻器R2和R3来调整过压，所以有可能使用相同的电流在较高的DC电压处运行该模块。这允许该模块更快地换流，并且/或者降低运行温度，并且/或者增大电流和/或增大运行电压。
换句话说，已经通过下述方式来修改了通常的做法，该通常的做法在于在栅极驱动的地连接中使用电阻器来限制在二极管中的电流，该二极管保护下IGBT的栅极驱动以防当上IGBT关断时的负电流：将该电阻器一分为二，并且将它们之间的比率适配以限制总的寄生电感对于dl/dt的影响。总的电阻器保持相同，但是分压器给出了发射极电感的期望的权重。
可以优化过压以达到最大运行电压；通过与连接到电源连接端R3的电阻器作比较减小连接到逻辑发射极R2的电阻器来如此进行。在发射极电感上的电压将被划分为二，并且仅在栅极驱动电路中施加在逻辑电阻器上的电压以限制栅极电压降。
附图的图3示意地图示了传统IGBT模块拓扑100，其包括：第一组并联的IGBT 102，用于限定图2的顶部IGBT Q2和它们的相关联的二极管104；第二组并联的IGBT 106，用于限定图2的底部IGBT Q1和它们的相关联的二极管108；+Vbus连接端110、-Vbus连接端112和相位连接端114。
可以从该图看出，经由DBC轨迹、焊线和外部连接来进行在各个元件之间产生寄生电感。
在底部IGBT 106的发射极和-Vbus 112的外部连接之间的连接包含曲折图案，由此在这些元件之间产生寄生电感。因此，在栅极驱动器中注入以在底部IGBT的发射极处产生负电压以将栅极电压的负斜率变缓的、底部IGBT的发射极电感上的电压电平是足够的。
另一方面，互连顶部IGBT 102的发射极和底部IGBT 106的集电极轨迹122的焊线120很短。事实上，因为在IGBT模块的封装上的约束，上和下IGBT和二极管经常彼此接近地被封装。因此，在顶部IGBT的发射极和底部IGBT的集电极之间的电感很小，具有几个nH的数量级。因此，在栅极驱动器中诸如以在顶部IGBT的发射极处产生负压以将栅极电压的负斜率变缓的、顶部IGBT的发射极电感上的电压电平小得不足以将过压限制在适当的电平上。
附图的图4图示了根据第一说明性实施例的IGBT模块拓扑200。
一般而言，模块200包括：+Vbus连接端202，其连接到顶部IGBT(C-top)的集电极轨迹204；-Vbus连接端206，其连接到底部(E-bot)的发射极轨迹208；第一相位连接端210，其连接到底部IGBT(C-bot)的集电极轨迹212；以及，第二相位连接端214，其连接到顶部IGBT(E-top)的发射极轨迹215。模块200也包括：第一组并联的IGBT 216，用于限定图2的顶部IGBT Q2和它们的相关联的二极管218；第二组并联IGBT 220，用于限定图2的底部IGBTQ1和它们的相关联的二极管222。
上IGBT管芯216的基极直接地连接到C-top 204，而下IGBT管芯220的基极直接地连接到C-bot 212。使用焊线来将IGBT 216和220的发射极连接到它们各自的发射极轨迹215和208。使用焊线226和228来将IGBT 216和220的栅极连接到它们各自的g-top和g-bot栅极轨迹230和232。
因此，可以使用焊线224(以虚线示出)或直接地通过第一和第二相位连接端210和214的互连或使用预定长度的导线(未示出)来建立在C-bot和E-top之间的互连，以增大在这两个元件之间的寄生电感，即，顶部IGBT的发射极用于在较高电平下运行的寄生电感。因此，在栅极驱动器中注入以在顶部IGBT的发射极处产生负电压以将栅极电压的负斜率变缓的、顶部IGBT的发射极电感上的电压电平是足够的。
现在转向附图的图5，将描述根据第二说明性实施例的IGBT模块拓扑300。应当注意，虽然图4的第一说明性实施例200是2D实施例，但是图5的第二说明性实施例是3D实施例，如通过下面的公开可以明白。
类似于如上所述的模块200，模块300包括：+Vbus连接端302，其连接到顶部IGBT(C-top)的集电极轨迹304；-Vbus连接端306，其连接到底部(E-bot)的发射极轨迹308；第一相位连接端310，其连接到底部IGBT(C-bot)的集电极轨迹312；以及，第二相位连接端314，其连接到顶部IGBT(E-top)的发射极轨迹315。模块300也包括：第一组并联的IGBT 316，用于限定图2的顶部IGBT Q2和它们的相关联的二极管316；第二组并联IGBT 320，用于限定图2的底部IGBT Q1和它们的相关联的二极管322。
IGBT管芯316的基极直接地连接到C-top轨迹304，而IGBT管芯320的基极直接地连接到C-bot轨迹312。在IGBT和二极管的顶部上设置了焊球330。这些球用于将IGBT 316和320的发射极与它们的相关联的二极管318和322连接到它们各自的发射极轨迹315和308。通过下述方式来如此进行：将E-top轨迹315和其相关联的衬底在C-top轨迹304的顶部上分层，并且将E-bot轨迹308和其相关联的衬底在C-bot轨迹312的顶部上分层结果产生的IGBT模块拓扑因此具有较小的足迹和较小的整体寄生电感。
因此，可以使用焊线332(以虚线示出)、使用其他互连手段或直接地通过第一和第二相位连接端30和34的互连或使用预定长度的导线(未示出)来建立在C-bot和E-top之间的互连，以增大在这两个元件之间的寄生电感，即，顶部IGBT的发射极的寄生电感。因此，在栅极驱动器中注入以在顶部IGBT的发射极处产生负电压以将栅极-发射极电压(Vge)的负斜率变缓的、顶部IGBT的发射极电感上的电压电平是足够的。
在附图的图6中所示的IGBT模块拓扑400类似于如上所述的图4的IGBT模块拓扑。主要差别是在第一和第二组并联的IGBT406和408而不是其外部之间设置E-top轨迹402和其相关联的G-top轨迹404(将顶部IGBT的栅极与外部世界连接的轨迹)，如图4中所示。通过将Le-top保持在足够的值，该封装减小了整体寄生电感以允许对于相同的过压的更快的关断。模块400的各个元件的互连类似于图4的模块200的元件的互连。
有益的是，将在高频回路中的总的寄生电感保持得低。理想上，可以通过下述方式来完成这一点：减小Lc-top(例如，在图3中的轨迹116)，并且增大Le-top(例如，在图4中的连接端210和214之间的互连的长度)。
本领域内的技术人员可以明白，附图是示意性的，并且在如上所述的拓扑中需要其他元素。例如，在一些轨迹上需要一些连接，以允许信号被检索和反馈并且互连栅极驱动器和其他电阻器，如图2上所示。
本领域内的技术人员也可以明白，虽然在此图示和描述了包括多个并联的受控电源开关的模块，但是包括单个受控电源开关的模块也受益于上面的教导。
应当明白，用于受控电源开关模块的拓扑在其应用上不限于在附图中所示和以上描述的构造和部分的细节。所提出的用于受控电源开关模块的拓扑能够具有其他实施例，并且能够以不同的方式被实施。也应当明白，在此使用的短语或术语用于说明而不是限制的目的。因此，虽然已经通过其说明性实施例而在以上描述了用于受控电源开关模块的拓扑，但是在不偏离本发明的精神、范围和本质的情况下可以将其修改。

Claims (14)

1.一种用于受控电源开关模块的拓扑，所述受控电源开关模块被配置使得被顶部和底部栅极驱动器电路控制，所述受控电源开关模块包括：
顶部受控电源开关，其包括栅极、集电极和发射极；
底部受控电源开关，其包括栅极、集电极和发射极；
顶部集电极轨迹，其连接到所述顶部受控电源开关的所述集电极；
底部集电极轨迹，其连接到所述底部受控电源开关的所述集电极；
顶部发射极轨迹，其连接到所述顶部受控电源开关的所述发射极；
底部发射极轨迹，其连接到所述底部受控电源开关的所述发射极；
-Vbus连接端，其连接到所述底部发射极轨迹；
+Vbus连接端，其连接到所述顶部集电极轨迹；
至少一个相位连接端，其连接到所述底部集电极轨迹和所述顶部发射极轨迹的任何一个；
其中，所述顶部发射极轨迹到所述底部集电极轨迹的互连限定了寄生发射极电感，所述寄生发射极电感具有这样的值，使得在dl/dt期间在其上产生的电压被注入在所述顶部栅极驱动器电路中，以在所述顶部IGBT的所述发射极处产生正电压，以使处于导通的所述栅极-发射极电压(Vge)的斜率变缓。
2.根据权利要求1所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述顶部受控电源开关包括至少两个并联的受控电源开关。
3.根据权利要求1所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述底部受控电源开关包括至少两个并联的受控电源开关。
4.根据权利要求1所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述至少一个相位连接端包括连接到所述顶部发射极轨迹的第一相位连接端和连接到所述底部集电极轨迹的第二相位连接端。
5.根据权利要求4所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述顶部发射极轨迹和所述底部集电极轨迹经由所述第一和第二相位连接端的外部互连而互连。
6.根据权利要求1所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述顶部发射极轨迹和所述底部集电极轨迹经由焊线互连。
7.根据权利要求2所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述顶部发射极轨迹经由被安装到所述并联的顶部受控电源开关的发射极的多个焊球互连所述并联的顶部受控电源开关的发射极，所述顶部发射极轨迹被分层到所述并联的顶部受控电源开关上。
8.根据权利要求3所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述底部发射极轨迹经由被安装到所述并联的底部受控电源开关的发射极的多个焊球互连所述并联的底部受控电源开关的发射极，所述底部发射极轨迹被分层到所述并联的底部受控电源开关上。
9.根据权利要求7所述的受控电源开关模块拓扑，其中，a)其中，所述底部受控电源开关包括至少两个并联的受控电源开关，并且，b)所述底部发射极轨迹经由被安装到所述并联的底部受控电源开关的发射极的多个焊球互连所述并联的底部受控电源开关的发射极，所述底部发射极轨迹被分层到所述并联的底部受控电源开关上。
10.根据权利要求9所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述至少一个相位连接端包括连接到所述顶部发射极轨迹的第一相位连接端和连接到所述底部集电极轨迹的第二相位连接端。
11.根据权利要求10所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述顶部发射极轨迹和所述底部集电极轨迹经由所述第一和第二相位连接端的外部互连而互连。
12.根据权利要求9所述的受控电源开关模块拓扑，其中，所述顶部发射极轨迹和所述底部集电极轨迹经由焊线互连。
13.一种DC至AC逆变器，包括根据权利要求1所述的拓扑的受控电源开关模块。
14.一种三相逆变器，包括根据权利要求1所述的拓扑的三个受控电源开关模块。
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