CN107482945A - 具有降低的共用源电感的分离式功率开关装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制分离式功率开关装置的栅极信号的布线(例如在用于电动车辆驱动的逆变器中)配置用于补偿由于集成电路封装而导致的在开关装置中固有的共用源电感。该功率装置具有通过栅极管脚的栅极信号通道和通过第一和第二电源管脚的功率信号通道，其中栅极信号通道和功率信号通道具有第一互感。电路板装置提供与功率信号通道并置的栅极接线回路，其中栅极接线回路和功率信号通道具有大体上抵消第一互感的第二互感。由此导致的共用源电感降低避免了在其他情况下会由共用源电感引入的开关速度降低和开关损耗增加。

Description

具有降低的共用源电感的分离式功率开关装置
技术领域
本发明总体涉及降低分离式半导体功率开关装置中的共用源电感的影响，并且更特别地涉及使用具有快速开关时间和低损耗的分离式功率开关装置的电动车辆的逆变器驱动系统。
背景技术
已经为高压、高功率电子开关应用引入了各种类型的半导体功率开关装置，例如功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，)。由于半导体裸片大小和散热要求，所以这些装置通常包含在安装一个或多个开关装置的独立的封装中，例如在“TO”(Transistor-Outline，晶体管轮廓)封装样式中。该独立的功率开关装置封装通常安装至印刷电路板，印刷电路板还带有与开关应用相关联的辅助电子装置。
电动车辆，例如HEV(Hybrid Electric Vehicle，混合动力电动车辆)和PHEV(Plug-In Hybrid Electric Vehicle，插电式混合动力电动车辆)，使用这样的功率开关装置为电机构造逆变器以提供牵引扭矩和再生制动扭矩。典型的电动驱动系统包括DC(Direct Current，直流)电源(例如电池组或燃料电池)，该DC电源通过接触器开关连接至变压转换器(VVC，Variable Voltage Converter)以控制主链路电容器两端的主总线电压。第一逆变器连接在主总线和牵引马达之间以推进车辆。第二逆变器可以连接在主总线和发电机之间以在制动期间再生能量，从而通过VVC再充电电池。
逆变器包括以桥式配置连接的功率开关装置(最典型的IGBT)。电子控制器通过栅极驱动器电路打开和关闭该开关，以便将来自总线的DC电压逆变为应用于马达的AC(Alternating Current，交流)电压，或以便将来自发电机的AC电压逆变为总线上的DC电压。在每种情况下，通过改变功率装置开启和关闭的频率和占空比响应于各种感测条件来控制逆变器。
用于马达的逆变器脉宽调制DC链电压以传输正弦电流输出的近似值，从而以期望的速度和扭矩驱动马达。应用于IGBT的栅极的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制信号依据必要打开栅极和关闭栅极，以便使产生的电流匹配期望的电流。IGBT和它们的反向恢复二极管具有相关联的开关损耗，而这种开关损耗必须最小化以便限制效率的损耗和余热的引起。
共用源电感指的是在功率开关装置中由主功率回路(例如装置的漏极-源极或集电极-发射极功率输出)和栅极驱动器回路(例如栅极-源极或栅极-发射极)共享的电感。共用源电感传递装置输出电流(例如漏极到源极电流)和栅极充电/放电电流。共用源电感两端感生的电压通过限制打开/关闭的开关时间和增加开关损耗的方式来改变栅极电压。在典型的开关模型中存在共用源电感的各种影响因子，这些影响因子随着与装置封装和印刷电路板迹线相关联的寄生电感而引起。电流通路的相对位置和分离和/或阻塞电感耦合的各种结构的使用已经用于降低已引起的寄生电感的大小。
尽管有已知的实践，由封装(例如TO-247和TO-220)引入的分离式功率装置的共用源电感仍然可能高达10nH。随着新一代的功率装置(例如，CoolMOS、SiC和GaN装置)变得越来越快，共用源电感显著地限制了开关速度和增加了开关损耗。
发明内容
在本发明的一个方面，提供一种用于切换分离式功率装置的装置。功率装置具有通过栅极管脚的栅极信号通道和通过第一和第二电源管脚的功率信号通道，其中栅极信号通道和功率信号通道具有第一互感。电路板装置提供与功率信号通道并置的栅极接线回路，其中栅极接线回路和功率信号通道具有大体上抵消第一互感的第二互感。由此导致的共用源电感降低避免了在其他情况下会由共用源电感引起的开关速度降低和开关损耗增加。
附图说明
图1是示出了使用一对IGBT的逆变器的相桥的原理图；
图2是在通过常规的插口安装至印刷电路板的TO封装上的功率开关装置的立体图；
图3是示出了在常规的功率开关装置中由漏极-源极电流引起的磁通的平面图；
图4是示出了在常规的功率开关装置中由栅极-源极电流引起的磁通的平面图；
图5是示出了增加的具有负耦合的互感的原理图，该负耦合抵消了开关装置的固有的共用源电感；
图6是示出了功率开关装置的外部栅极信号的重新布线以提供本发明的负耦合的图；
图7是示出了对应于图6的重叠磁通模式的图；
图8示出了将功率开关装置安装至印刷电路板的本发明的辅助插口；
图9是图8的辅助插口的俯视图；
图10是图8的辅助插口的主视图；
图11是示出了在图8的辅助插口中的嵌入式导体的布局的立体图；
图12是示出了用于本发明的栅极接线回路的一个实施例的PCB迹线的俯视图；
图13是示出了用于本发明的栅极接线回路的另一个实施例的PCB迹线的俯视图。
具体实施方式
装置11和12具有用于驱动各自的栅极端子24和25的栅极驱动器20和22，栅极驱动器20和22具有各自的栅极耦合电阻器21和23。例如，装置11的功率输出端子26和27和装置12的功率输出端子28和29当使用IGBT时是集电极端子和发射极端子，并且当使用功率MOSFET时是漏极端子和源极端子。固有的寄生共用源电感(即，耦合栅极电流与主装置输出电流的互感)由电感30和31表示。可以有对共用源电感的许多影响因子，这些影响因子包括装置11和12内部的因素和外部的因素。尤其是，出现在装置11和12内的互感已成为现有技术中日益显著的缺点。
本发明的功率开关装置通常可以使用如图2所示的插口安装至印刷电路板(PCB)。带有迹线33的PCB32具有焊接至合适的迹线和配置用于接收分离式功率开关装置35的插口34。如图所示的装置35具有封装有从装置的一边延伸的连续输出管脚的晶体管轮廓(TO)样式。如本领域所知，这种封装样式便于装置在被放置在插口34内后连接至散热器。迹线33可以包括用于传递输出功率信号的放大迹线36和用于传输栅极信号的迹线37。
图3示出了具有连接器管脚的典型设置的装置35，该连接器管脚的典型设置包括在第一端的栅极管脚40、漏极(或集电极)管脚41和源极(或发射极)管脚42。当打开装置35时，输出电流在功率输出管脚41和42之间流过，通过管脚41和42并且通过管脚41和42之间的装置35的主体提供功率信号通道43。如图示出了由功率信号引起的所产生的磁通，其中在功率信号通道43的电流回路内部的X表示指向纸面的磁通，并且在电流回路外部的O表示从纸面向外指向的磁通。
图4表示通过管脚40和42以及在管脚40和42之间的装置35的主体内沿栅极信号通道44流动的栅极电流。栅极通道磁通与来自功率信号通道的磁通大体上一致(即正耦合)。因此，存在具有净正耦合的互感。
由于与功率开关装置相关联的结构的设置(包括但不限于管脚设置)，因此分离式功率开关装置内部产生的共用源电感在任何目前可用的独立封装的功率开关装置中都是不可避免的。为了避免与这种内部共用源电感相关联的降低的性能，本发明通过增加具有反向耦合的外部互感来抵消在装置中固有的正耦合。如图5所示，电感45和46表示与装置封装相关联的固有的共用源电感。本发明分别在装置11和12的外部附近增加互感47和48，其中增加的电感相对于固有的互感负耦合(即具有相反的极性)。由于功率开关装置通常具有栅极信号通道与功率信号通道的正耦合(即互感电压具有与互感电流相同的极性)，增加的互感通常提供负耦合，因此内部互感大体上或完全抵消。尤其是，通向分离式装置内的栅极信号的空间接线模式布置为回路，该回路以致使栅极信号通道和功率信号通道之间大体上没有净耦合的方式与功率信号通道相互作用。这里所用的大体上抵消意思是在分离式装置中固有的互感的影响减轻了大于大约50％。
图6示出了栅极接线回路50，该栅极接线回路50由与分离式功率开关装置35并置的靠近分离式功率开关装置35的功率信号通道(例如电源管脚41和42)的电路板装置51提供。例如，电路板装置51可以包括用于将装置35与印刷电路板(PCB)连接的辅助插口，或者可以包括PCB上的导电迹线的特定设置。为了大体上抵消功率信号通道的第一互感(例如正耦合)，栅极接线回路50以提供具有与回路相反的绕线方向的一个或多个线圈匝52的方式来布置，该回路由与功率信号通道重叠的装置35内部的栅极信号通道(栅极管脚和源极管脚之间)形成。在线圈匝52内的磁通显示为与在装置35内部形成的磁通相反，并且与由功率信号通道形成的磁通相反。
为了提供与在装置35内部的栅极信号通道的固有的不可改变部分的绕线方向相反的期望的绕线方向，栅极接线回路50可以包括跨越装置管脚40-42的栅极端子引线53和跨越装置电源管脚41和42限制线圈匝的源极端子引线55。在一个优选实施例中，当电路板装置51包括辅助插口时，从栅极管脚40分离并侧向偏移的独立的栅极连接件56以及从源极管脚42分离并侧向偏移的Kelvin(开尔文)源极连接件56可以从辅助插口延伸以便于线圈回路50的期望布置。Kelvin源极的使用是已知技术，其中装置输出中出现的有贡献的栅极电流与装置漏极端子和源极端子之间流动的主功率输出电流分离。
图7示出了与本发明中的分离式功率装置相关联的磁通。因此，第一磁通区域57由沿功率信号通道的装置的输出电流产生。由装置内的内部固有的栅极信号通道产生的磁通区域58与区域57具有正耦合。栅极接线回路产生负耦合的磁通区域59。通过将栅极接线回路配置为产生具有大小相等和方向相反的耦合的磁通，本发明实现栅极电流和功率输出电流之间没有净互感，从而加快装置开关和降低开关损耗。
图8示出了一个优选实施例，其中电路板装置包括辅助插口60，该辅助插口60可以接收装置35和适于通过多个接口管脚61-64安装至电路板65。辅助插口60具有适于包含任何三维期望的栅极接口回路的外部轮廓。尤其是，例如，该轮廓可以从装置35的一侧偏移。管脚61可以是栅极管脚，管脚62可以是Kelvin源极管脚，和管脚63可以是输出源极管脚，和管脚64可以是输出漏极管脚。辅助插口可以具有使装置35相对于PCB65的平面垂直或水平放置的取向。
图9示出了辅助插口60的俯视图，该辅助插口60包括分别用于接收分离式功率开关装置的栅极管脚、漏极管脚和源极管脚的栅极插孔70、漏极插孔71和源极插孔72。辅助插口60具有用于形成栅极接线回路的嵌入式导体。该导体包括第一嵌入式导体73，该第一嵌入式导体73在一端与栅极插孔70连接和在另一端与栅极管脚连接件61a连接。第二嵌入式导体74连接在源极插口72和Kelvin源极管脚连接件62a之间。
图10的主视图中进一步示出了嵌入式导体的布局。导体73从管脚61通过大约11/2匝延伸至栅极插口连接件70a，并且导体74从管脚62通过大约1/2匝延伸至Kelvin源极连接件72a，这样协作形成的线圈匝的绕匝方向形成与功率信号通道的负耦合。图11是更详细地示出了嵌入式导体73和74的三维设置的立体图。优选地，辅助插口60具有塑料主体，该塑料主体可以包覆成型在嵌入式导体上，或者可以包括导体插入其中的内部通道。优选地，如图所示，辅助栅极管脚61从功率开关装置的栅极管脚横向偏移，以允许栅极接线回路越过功率信号通道。当辅助接口60安装至PCB65时，管脚61和62变得通过栅极驱动器(未示出)相互连接，同时管脚63和64变得连接至逆变器输入轨和输出轨。
在一个可选实施例中，电路板装置包括带有导线迹线的印刷电路板，该导电迹线适于将功率信号通道和栅极接线回路的一部分配置为具有产生负耦合互感的布局，该负耦合互感用于抵消板本身上的第一互感而不管插口是否用于功率开关装置。
如图12所示，PCB基板80(优选为多层基板)接收功率开关装置，使得装置端子管脚连接至栅极焊盘(pad)81、漏极焊盘82和源极焊盘83。电源迹线84和85与漏极和源极焊盘82和83串联设置在基板80上，从而形成功率信号通道的一部分。栅极迹线86从栅极焊盘81延伸至包括也安装至PCB基板80的集成电路的栅极驱动器电路88。Kelvin源极迹线87设置在基板80上，并且将源极焊盘83连接至栅极驱动器电路88上各自的端子。栅极迹线86和Kelvin源极迹线87与电源迹线84和85交叉(并且隔离)，以形成栅极接线回路90，以便产生用于抵消开关装置中固有的共用源电感的负耦合的互感。调整迹线86和87的回路大小和匝数，以提供期望的负耦合，该负耦合量被选定为大体上抵消在连接至焊盘81-83的装置管脚上存在的第一互感。此外，印刷电路板包括多层，该多层包括导电层和绝缘层，由此迹线86和87使用多层中的多个来限定期望的多个线圈匝。
在如图13所示的进一步示例中，基板91带有增加了匝的栅极接线回路93。栅极迹线92限定多个匝，其中通孔(via)使不同的层互连，以便连接多个匝的不同部分。

Claims (20)

1.一种装置，包含：
分离式功率装置，所述分离式功率装置具有通过栅极管脚的栅极信号通道和通过第一和第二电源管脚的功率信号通道，所述栅极信号通道和所述功率信号通道具有第一互感；和
电路板装置，所述电路板装置提供与所述功率信号通道并置的栅极接线回路，所述栅极接线回路和所述功率信号通道具有大体上抵消所述第一互感的第二互感。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率装置包含在晶体管轮廓功率封装中的绝缘栅双极型晶体管。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一互感具有正耦合和其中所述第二互感具有负耦合。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述栅极接线回路限定多个线圈匝。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路板装置包括辅助插口，所述辅助插口接收所述功率装置和适于安装在印刷电路板上。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述辅助插口包括塑料主体，所述塑料主体具有形成所述栅极接线回路的多个嵌入式导体。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述辅助插口包括辅助栅极管脚，所述辅助栅极管脚从所述塑料主体延伸和从所述功率装置栅极管脚横向偏移。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述辅助插口包括Kelvin源极管脚，所述Kelvin源极管脚从所述塑料主体延伸和连接至所述电源管脚中的一个，并且其中所述Kelvin源极管脚和所述辅助栅极管脚适于进一步连接至栅极驱动器。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述栅极接线回路的第一部分连接在所述功率装置栅极管脚和所述辅助栅极管脚之间，和其中所述栅极接线回路的第二部分连接在一个所述电源管脚和所述Kelvin源极管脚之间。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路板装置包括印刷电路板，所述印刷电路板具有安装在其上的所述功率装置，其中所述装置进一步包含栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路安装在所述印刷电路板上，和其中所述印刷电路板包括：
基板；
一对电源迹线，所述一对电源迹线与所述功率信号通道串联设置在所述基板上；
栅极迹线，所述栅极迹线将所述功率装置栅极管脚连接至所述栅极驱动器电路；和
Kelvin源极迹线，所述Kelvin源极迹线将所述电源管脚中的一个连接至所述栅极驱动器电路；
其中所述栅极迹线和所述Kelvin源极迹线与所述电源迹线交叉，以形成所述栅极接线回路，所述栅极接线回路具有所述第二互感。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述印刷电路板包括多层，和其中所述栅极迹线和所述Kelvin源极迹线使用所述多层中的多个协作限定多个线圈匝。
12.一种用于驱动电动车辆的牵引马达的逆变器，包含：
多个分离式半导体功率开关装置，所述多个分离式半导体功率开关装置以桥式配置互连，以将直流输入逆变为用于驱动所述牵引马达的交流输出，其中每个所述功率装置都具有通过各自的栅极管脚的各自的栅极信号通道和通过各自的第一和第二电源管脚的各自的功率信号通道，各自的所述栅极信号通道和各自的所述功率信号通道具有各自的第一互感；和
电路板装置，所述电路板装置提供每个都与各自的所述功率信号通道并置的多个各自的栅极接线回路，各自的所述栅极接线回路和各自的所述功率信号通道具有大体上抵消各自的所述第一互感的各自的第二互感。
13.根据权利要求12所述的逆变器，其中每个所述功率装置都包含在晶体管轮廓功率封装中的绝缘栅双极型晶体管。
14.根据权利要求12所述的逆变器，其中每个各自的所述第一互感都具有正耦合和其中每个各自的所述第二互感都具有负耦合。
15.根据权利要求12所述的逆变器，其中所述电路板装置包括多个辅助插口，所述多个辅助插口的每个都接收各自的所述功率装置和适于安装在印刷电路板上。
16.根据权利要求15所述的逆变器，其中每个所述辅助插口都包括塑料主体，每个所述塑料主体都具有形成各自的所述栅极接线回路的多个嵌入式导体。
17.根据权利要求16所述的逆变器，其中每个所述辅助插口都包括辅助栅极管脚，每个所述辅助栅极管脚都从所述塑料主体延伸和从各自的所述功率装置栅极管脚横向偏移。
18.根据权利要求17所述的逆变器，其中每个所述辅助插口都包括各自的Kelvin源极管脚，各自的所述Kelvin源极管脚从各自的所述塑料主体延伸和连接至各自的所述电源管脚中的一个，并且其中每个所述Kelvin源极管脚和每个所述辅助栅极管脚都适于进一步连接至各自的栅极驱动器。
19.根据权利要求12所述的逆变器，其中所述电路板装置包括印刷电路板，所述印刷电路板具有安装在其上的所述功率装置，其中所述逆变器进一步包含安装在所述印刷电路板上的多个栅极驱动器电路，和其中所述印刷电路板包括：
基板；
各自的一对电源迹线，各自的所述一对电源迹线与每个各自的所述功率信号通道串联设置在所述基板上；
各自的栅极迹线，各自的所述栅极迹线将每个各自的所述功率装置栅极管脚都连接至各自的所述栅极驱动器电路；和
各自的Kelvin源极迹线，各自的所述Kelvin源极迹线将各自的所述电源管脚中的一个连接至各自的所述栅极驱动器电路；
其中每个各自的所述栅极迹线和各自的所述Kelvin源极迹线都与各自的所述电源迹线交叉，以形成每个各自的所述栅极接线回路，每个各自的所述栅极接线回路具有各自的第二互感。
20.根据权利要求12所述的逆变器，其中所述印刷电路板包括多层，和其中各自的所述栅极迹线和各自的所述Kelvin源极迹线使用所述多层中的多个协作限定用于每个各自的所述栅极接线回路的多个线圈匝。
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