CN107785353B - 包括改进的电气互连装置的电气开关设备 - Google Patents

Abstract

一种电气开关设备(1′)，包括：至少两个功率元件(4，5)，每个功率元件包括第一功率晶体管(41，51)和第二功率晶体管(42，52)；晶体管的驱动控制装置(2)，该驱动控制装置被配置成将第一控制信号传送至第一晶体管(41，51)中的每一个以及将第二控制信号传送至第二晶体管(42，52)中的每一个；电气互连装置(6)，该电气互连装置将驱动控制装置(2)连接至功率元件(4，5)。互连装置(6)包括数个彼此平行地延伸的导电板(61，62)，每个导电板被连接在第一功率晶体管或第二功率晶体管中的一个的控制电极与驱动控制装置(2)的相应的输出之间。

Description

包括改进的电气互连装置的电气开关设备

技术领域

本发明涉及一种电气开关设备，该电气开关设备包括改进的电气互连装置。

背景技术

电气开关设备存在于电力电子领域中，该电气开关设备包括功率晶体管和控制装置，该控制装置用于驱动这些晶体管以适于通过一个或数个输出接口传送控制信号。这种设备例如是已知的，包括功率晶体管，该功率晶体管由金属氧化物半导体场效应技术(以首字母缩写词MOSFET为人所知)制成，并且该功率晶体管由碳化硅制成。能够使这些晶体管成对地聚集在功率元件或单一电源组内。

在诸如功率转换器之类的应用中，分布在功率元件中的各功率晶体管必须以相对于彼此同步的方式被控制。期望的是驱动控制装置包括用于功率晶体管中的每一个的专用输出接口或“输出电压缓冲器”。对这些晶体管中的每一个使用专用输出电压缓冲器能够获得令人满意的控制性能水平。

然而，这个方案具有极其昂贵的缺点。此外，这个方案会引起非常大的体积。包括数个输出电压缓冲器的驱动控制装置的物理集成因此对于需要具有较小体积的小型化功率转换器的应用场合来说是极其困难的或甚至是不可能的。

为了消除该缺点，已知的是使用由数个并行控制的功率元件共享的单输出电压缓冲器。各个功率晶体管因此以彼此并联的方式通过数个电缆或导电轨道被连接至驱动控制装置。这种方案例如在专利申请FR 2,990,312 A1中描述。

然而这个已知的装置不是完全令人满意的。为了使各晶体管以相对于彼此同步的方式被控制，强制性地使电缆或导电轨道具有相同的长度。功率晶体管因此必须被置于与输出电压缓冲器等距的位置。这使得电气开关设备的各元件的布置变得复杂。这还需要将输出电压缓冲器移动到距离各功率元件足够远的地方，以留出足够的空间来布置电缆或导电轨道，这样由于布线，导致杂散电感增加。这种杂散电感的存在会导致由驱动控制装置提供的控制信号的不可控振荡并且造成电气开关设备的失灵，或甚至造成电气开关设备不可逆地损坏。

发明内容

本发明更具体地旨在通过提出一种电气开关设备来解决这些缺点，该电气开关设备具有可控体积和合理的制造成本，同时允许功率晶体管的驱动器的可靠和令人满意的控制。

为此，本发明涉及一种电气开关设备，该电气开关设备包括：

-至少两个功率元件，每个功率元件包括第一功率晶体管和第二功率晶体管，

-晶体管的驱动控制装置，该驱动控制装置被配置成将第一控制信号传送至第一晶体管中的每一个以及将第二控制信号传送至第二晶体管中的每一个，

-电气互连装置，该电气互连装置将驱动控制装置连接至功率元件以将第一控制信号和第二控制信号传输至第一晶体管和第二晶体管，

其中，互连装置包括数个彼此平行地延伸的导电板，这些导电板中的每一个被连接在第一功率晶体管或第二功率晶体管中的一个的控制电极与驱动控制装置的相应的输出之间。

由于本发明，互连装置的导电板使杂散布线电感最小化，同时将功率元件紧密地电气连接至驱动控制装置的相同输出接口。

根据本发明的有利的但是可选的方面，这种电气开关设备可以包含以任何技术上可容许的组合考虑的以下特征中的一个或多个：

-每个第一功率晶体管包括第一控制电极和第二控制电极，每个第二功率晶体管包括第三控制电极和第四控制电极，以及电气互连装置包括第一导电板、第二导电板、第三导电板和第四导电板，第一导电板、第二导电板、第三导电板和第四导电板将第一控制电极、第二控制电极、第三控制由极和第四控制电极分别连接至驱动控制装置的相应的输出。

-第一导电板和第二导电板被布置在第一电气绝缘支撑件的相对侧上，以及第三导电板和第四导电板被布置在第二电气绝缘支撑件的相对侧上。

-第一导电板和第二导电板具有相同的形状并且彼此叠置。

-第三导电板和第四导电板具有相同的形状并且彼此叠置。

-导电板彼此堆叠，第一导电板和第二导电板相对于第三导电板和第四导电板横向偏移以便只在重叠区域与这些第三导电板和第四导电板叠置。

-重叠区域具有表面面积，该表面面积小于或小于等于导电板中的一个的表面面积的5％，优选地小于或等于导电板中的一个的表面面积的2％。

-导电板中的每一个具有大于或等于1cm²并且小于或等于10cm²的表面面积。

-导电板由诸如铜的金属制成。

-第一功率晶体管和第二功率晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管或双极型晶体管。

附图说明

根据下面仅作为非限制性示例提供且参照附图作出的电气开关设备的一个实施例的描述，本发明将更好地被理解，并且本发明的其它优点因此更加清楚地显现，在附图中：

-图1是根据本发明的第一实施例的电气开关设备的示意图；

-图2是图1的电气开关设备的电气互连装置的分解示意图；

-图3是根据本发明的第二实施例的电气开关设备的示意图；

-图4是图3的电气开关设备的电气互连装置的分解示意图。

具体实施方式

图1和图2示出了电气开关设备1的第一实施例。

设备1包括驱动控制装置2、互连装置3和至少两个功率元件4和5。

功率元件4和5中的每一个包括第一功率晶体管和第二功率晶体管。在该示例中，功率晶体管是由金属氧化物半导体场效应技术(以首字母缩写词MOSFET为人所知)制成的晶体管。此处的这些功率晶体管由碳化硅制成。

可选地，第一功率晶体管和第二功率晶体管是绝缘栅双极型晶体管或双极型晶体管或使用半导体技术的任何其它晶体管。

标记41和42分别表示第一功率元件4的第一功率晶体管和第二功率晶体管。标记51和52分别表示功率元件5的第一功率晶体管和第二功率晶体管。在该示例中，元件4、5中的每一个的第一晶体管41、51以及第二晶体管42、52是彼此相同的。

驱动装置2或启动装置被配置成将第一控制信号传送至第一晶体管41和51中的每一个以及将第二控制信号传送至第二晶体管42和52中的每一个，以便并行地且以同步的方式控制这些晶体管。

此处的驱动装置2包括驱动控制电路21和驱动控制信号的输出电压缓冲器22。输出电压缓冲器22被连接至驱动控制电路21。第一控制信号和第二控制信号由控制电路21产生并且通过输出接口22被发送至晶体管41、42以及晶体管51、52。

晶体管41、42、51和52中的每一个设有控制电极，当该控制电极接收到来自控制装置2的控制信号时，该控制电极能够控制相应的晶体管的操作，尤其是在电导通状态或电截止状态之间控制相应的晶体管。

标记411和412分别表示晶体管41的第一电极，标记421和422分别表示晶体管42的第一电极和第二电极，标记511和512分别表示晶体管51的第一电极和第二电极，标记521和522分别表示晶体管52的第一电极和第二电极。

例如，在MOSFET晶体管的情况下，晶体管41、42、51和52中的每一个的第一电极411、421、511和521对应于这些晶体管的源电极。晶体管41、42、51和52中的每一个的第二电极412、422、512和522对应于这些晶体管的栅电极。

因此，第一控制信号和第二控制信号分别是第一晶体管41和第二晶体管42以及第一晶体管51和第二晶体管52的栅极电压。更具体地，第一控制信号是旨在在每个第一晶体管41、51的栅电极和源电极之间施加的电势之差。第二控制信号是旨在在每个第二晶体管42、52的栅电极和源电极之间施加的电势之差。

互连装置3将输出电压缓冲器22电气连接至功率元件4和5，以便将第一控制信号和第二控制信号分别传输至第一晶体管41和第二晶体管42以及第一晶体管51和第二晶体管52。

该互连装置3包括一个或数个表示为31、31′、32和32′的导电板，这些导电板彼此平行地延伸，并且这些导电板中的每一个被连接在一方面是第一功率晶体管或第二功率晶体管中的一个的控制电极和另一方面是驱动控制装置2的相应的输出22之间。

图2示出了导电板31、31′、32和32′的更详细的示例。

板31和31′负责将来自输出电压缓冲器22的第一控制信号传输至晶体管41和51。类似地，板32和32′负责将第二控制信号传输至晶体管42和52。

每个板31、31′、32和32′是平坦的并且平行于与横轴Z3垂直的几何平面P延伸。板31和31′被布置在装置3的第一电气绝缘支撑件310的相对侧上。类似地，导电板32和32′被布置在装置3的第二电气绝缘支撑件320的相对侧上。此处所有的板31、31′、32和32′具有相同的形状并且彼此叠置。所有的这些板具有诸如成直角的菱形之类的普通四边形形状。此处每个板31、31′、32和32′具有大于或等于1cm²并且小于或等于10cm²的表面面积。

此处的板31、31′、32和32′由诸如铜之类的金属制成，这些板被置于支撑件310和320的相对面上。例如，支撑件310和320是诸如印刷电路板(PCB)之类的环氧树脂板。

此处，在装置3的安装配置中，支撑件310和320被叠置以使得支撑件310的支撑板31′的那一面转向支撑件320的支撑板32的那一面。

有利地，装置3包括电气绝缘材料层330，该电气绝缘材料层被插入在板31′和32之间。在装置3的安装配置中，板32和31′与绝缘材料层330接触。

在该示例中，第一板31被电气连接至第一电极411和511。第二板31′被电气连接至第二电极412和512。第三板32被电气连接至第三电极421和521。第四板32′被电气连接至第四电极422和522。这些电气连接例如使用未示出的连接器件来完成或通过在板31、31′、32和32′中的每一个上直接焊接晶体管的相应的电极来完成。

此外，板31、31′、32和32′中的每一个被电气连接至输出电压缓冲器22的相应的输出。例如，输出电压缓冲器22包括四个输出，每个输出包括端子，该端子引起特定电势并且旨在被电气连接至第一电极411和511、第二电极412和512、第三电极421和521或第四电极422和522中的一个。第一控制信号和第二控制信号的应用因此相当于在电极411、412、421、422、511、512、521和522中的每一个上应用相应的电势。

装置3因此能够将功率元件4和5连接至输出电压缓冲器22，该输出电压缓冲器具有减小的体积并且不需要安装特定的布线，复杂的布线的长度得以优化以使得杂散布线电感最小化。

在该示例中，装置3的长度L3，即，输出电压缓冲器22与电极411、412、421、422、511、512、521和522之间的距离小于或等于5cm，优选地小于或等于1cm。

可选地，设备1包括两个以上的功率元件。装置3然后相应地被调整。例如，设备1包括未示出的第三功率元件，该第三功率元件与功率元件4或5相同并包括与功率元件4和5的第一晶体管和第二晶体管相同的第一晶体管和第二晶体管。在这种情况下，板31、31′、32和32′中的每一个进一步地以如同功率元件4和5的相同的方式被连接至该功率元件的一个晶体管的相应的电极。

图3和图4示出了本发明的第二实施例。根据该实施例的开关设备的器件与第一实施例的带有相同标记的器件相似，并且由于以上描述可以被转移到根据该实施例的开关设备的器件，所以这些器件不做详细描述。

更具体地，图3和图4示出了电气开关设备1′。该设备1′包括互连装置6，该互连装置替代之前描述的设备1的互连装置3，并起到与互连装置3的作用相似的作用。

装置6包括4个表示为61、61′、62和62′的导电板，这些导电板彼此平行地延伸并且每个导电板一方面连接第一功率晶体管和第二功率晶体管中的一个以及另一方面连接驱动控制装置2的电压输出缓冲器22的相应的输出。板61、61′、62和62′平行于与装置6的横轴Z6垂直的几何平面P延伸。

板61和61′负责将来自输出电压缓冲器22的第一控制信号传输至晶体管41和51。类似地，板62和62′负责将第二控制信号传输至晶体管42和52。在该示例中，第一板61被电气连接至第一电极411和511。第二板61′被电气连接至第二电极412和512。第三板52′被电气连接至第三电极421和521。第四板62′被电气连接至第四电极422和522。这些电气连接例如使用未示出的连接器件来完成或通过在板61、61′、62和62′中的每一个上直接焊接晶体管的相应的电极来完成。

板61和61′被布置在装置6的电气绝缘支撑件610的相对面上。类似地，板62和62′被布置在装置6的电气绝缘支撑件620的相对面上。支撑件610和620例如与支撑件310和320相似。

此处的板61、61′、62和62′中的每一个由诸如铜之类的金属形成，这些板被置于支撑件610和620的相应的面上。

此处的板61和61′具有相同的形状。更具体地，板61′所占据的表面对应于由板61所占据的表面沿着轴Z6的方向的转置。类似地，板62、62′具有相同的形状，并且板62′所占据的表面对应于由板62所占据的表面沿着轴Z6的方向的转置。

第一板61和第二板61′相对于第三板62和第四板62′横向偏移，即，沿着属于几何平面P′的方向偏移。有利地，装置6包括电气绝缘材料630的层330，该层起到与之前描述的层330相同的作用。

板61和61′与板62和62′中的每一个具有的重叠尽可能地小。为此，板61和板61′只在重叠区域Z64与板62和62′叠置。例如，由层61和61′所占据的表面在几何平面P′中的正投影与由板62和62′所占据的表面面积在该相同的几何平面P′中的正投影基本上分离。基本上分离的意思是重叠区域Z64的表面面积小于或等于板61、61′在平面P′中所投射的表面的表面面积的5％，优选地小于或等于该表面面积的2％。作为例证，重叠区域Z64的该表面面积等于5mm²。

在该示例中，板61包括多边形的主要部件、四边形形状的次要部件以及将次要部件612连接至主要部件611的连接部件613。主要部件611在支撑件610的顶面的一部分上延伸，主要部件611在一方面具有输出电压缓冲器22的相应的输出的接口区域Z22与另一方面具有第一晶体管41的接口区域Z41之间延伸。部件612与部件611毗邻并且部件612跨过具有第一晶体管51的接口区域Z51来放置。部分613将部件612连接至部件611。

板62具有相似的结构并且包括部件621、622和623。部件621在支撑件620的顶面的一部分上延伸，部件621在一方面具有输出电压缓冲器22的相应的输出的接口区域Z22与另一方面具有第二晶体管52的接口区域Z52之间延伸。部件622被放置在支撑件620的边缘上，跨过具有第二晶体管的接口区域Z42。

晶体管的接口区域指的是当装置6处于安装配置中时，装置6的跨过该晶体管的电极放置的那部分。例如，接口区域Z41对应于装置6跨过电极411和412放置的那部分。对于跨过输出接口22的区域Z22和Z22′是同样的道理。

在装置6的安装配置中，板61和62′与层630接触。

由于装置6，开关设备的性能得到改进，尤其是关于互连装置3。通过将在一方面是板61、61′与另一方面是板62、62′之间的重叠最小化，杂散布线电感(杂散布线电感可在这些相应的板之间出现且可在第一控制信号与第二控制信号之间造成干扰，这使得电气开关设备1的操作恶化)减小。

此外，板61、61′、62和62′的特殊布置能够获得如装置3一样紧凑的装置6。具体地，在输出电压缓冲器22与功率元件4和5之间的装置6的距离L6小于5cm，优选地小于1cm。此处的距离L6与之前描述的距离L3相似地定义。

如之前参照设备1描述的，设备1′可以包括两个以上的功率元件，功率元件的功率晶体管通过装置6被连接至输出电压缓冲器22。

实施例以及以上所考虑的替代方案可以彼此结合以产生本发明的新的实施例。

Claims (8)

1.一种电气开关设备(1；1')，包括：

-至少两个功率元件(4，5)，每个功率元件包括第一功率晶体管(41，51)和第二功率晶体管(42，52)，

-晶体管的驱动控制装置(2)，所述驱动控制装置被配置成将第一控制信号传送至所述第一功率晶体管(41，51)中的每一个以及将第二控制信号传送至所述第二功率晶体管(42，52)中的每一个，

-电气互连装置(3；6)，所述电气互连装置将所述驱动控制装置(2)连接至所述功率元件(4，5)以将所述第一控制信号和所述第二控制信号传输至所述第一功率晶体管和所述第二功率晶体管，

其中，所述电气互连装置(3；6)包括数个彼此平行地延伸的导电板(31、31'、32、32'；61、61'、62、62')，这些导电板中的每一个被连接在所述第一功率晶体管或所述第二功率晶体管(41、42、51、52)中的一个的控制电极与所述驱动控制装置(2)的相应的输出之间，所述电气开关设备(1；1')的特征在于，每个第一功率晶体管(41，51)包括第一控制电极(411，511)和第二控制电极(412，512)，每个第二功率晶体管(42，52)包括第三控制电极(421，521)和第四控制电极(422，522)；以及所述电气互连装置包括第一导电板(31；61)、第二导电板(31'；61')、第三导电板(32，62)以及第四导电板(32'；62')，所述第一导电板、所述第二导电板、所述第三导电板以及所述第四导电板将所述第一控制电极(411，511)、所述第二控制电极(412，512)、所述第三控制电极(421，521)以及所述第四控制电极(422，522)分别电气连接至所述驱动控制装置(2)的相应的输出，

其中，所述第一导电板(31；61)和所述第二导电板(31'；61')具有相同的形状并且彼此叠置，

其中，所述第三导电板(32；62)和所述第四导电板(32'；62')具有相同的形状并且彼此叠置，并且

其中，导电板彼此堆叠，所述第一导电板(31；61)和所述第二导电板(31'；61')相对于所述第三导电板(32；62)和所述第四导电板(32'；62')横向偏移以便只在重叠区域(Z64)与这些第三导电板和第四导电板叠置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一导电板和所述第二导电板被布置在第一电气绝缘支撑件(310；610)的相对侧上，以及所述第三导电板和所述第四导电板被布置在第二电气绝缘支撑件(320；620)的相对侧上。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述重叠区域(Z64)具有表面面积，所述表面面积小于或小于等于所述导电板中的一个的表面面积的5％。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述重叠区域(Z64)具有表面面积，所述表面面积小于或等于所述导电板中的一个的表面面积的2％。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述导电板(31、31'、32、32'；61、61'、62、62')中的每一个具有大于或等于1cm²并且小于或等于10cm²的表面面积。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述导电板(31、31'、32、32'；61、61'、62、62')由金属制成。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述金属是铜。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一功率晶体管和所述第二功率晶体管(41、42、51、52)是金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管或双极型晶体管。

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