CN108400716B - 低电感的半桥装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半桥装置。特别地，需要改进用于变流器的半桥装置的开关表现。对此提供一种半桥装置，其具有两个开关元件(T1、T2)、电容装置(C11、C12)和用于将这些构件电路连接的印制电路板(8)。印制电路板(8)具有至少四个印制导线层(11至14)。开关元件(T1、T2)以及电容装置(C11、C12)在印制电路板(8)上如下地布置和电路连接为，在换向事件中在印制电路板(8)中获得至少两个相反指向的偶极子(δ+、δ‑)。

Description

低电感的半桥装置
技术领域
本发明涉及一种用于变流器的半桥装置，其具有两个开关元件、电容装置和印制电路板，利用印制电路板使得开关元件和电容装置联接成半桥。此外，本发明涉及一种具有这种半桥装置的变流器。
背景技术
半桥是功率电子设备中的基础模块。其例如应用于大多数的升压式、降压式以及电流和电压变换器拓扑结构中。图1示出了根据现有技术具有驱控系统的半桥装置的电路图。半桥装置具有两个开关元件T1、T2，开关元件能够两个都作为具有并联的续流二极管的MOSFET实现。两个开关元件在节点1处相互连接，其上通常施加有输出电压(通常为交流电压AC)。在当前的实例中，第一开关元件T1的源极S与第二开关元件T2的漏极D经由节点1连接。第一开关元件T1的漏极D一般位于正直流电势DC+并且与中间电路电容器C1的电极连接。同样地，在该实例中第二开关元件T2的源极S位于负直流电势DC-并且与中间电路电容器C1的其它电极连接。
第一开关元件T1的栅极G与第一驱动器TR1的输出端连接。在第一驱动器TR1的供给端口上连接有电容器C2，其提供第一供给电压Vcc1。第一驱动器TR1从T1的源极S得到其参考电势。
类似地，第二开关元件T2与第二驱动器TR2连接。其输出端与第二开关元件T2的晶体管的栅极G连接。第二驱动器TR2的供给端口在电容器C3处，其提供一个供给电压Vcc2。另一方面，用于第二驱动器TR2的参考电势是第二开关元件T2的源极S。
对于半桥的开关表现来说，换向电路中的寄生电感是重要的。在此，换向电路是以下电路，其中电流在开关过程中改变。该换向电路KK在图1中示出并且延伸穿过开关元件T1、T2和C1。此外，寄生电感由第一驱动器TR1处的第一驱控电路AK1和第二驱动器TR2处的第二驱控电路AK2产生。相应的驱控电路AK1、AK2延伸经过源极S和栅极G到相应的驱动器TR1或TR2的输出端，经过通向相应的电容器C2或C3的相应的供给端口回到源极S。
在功率电子件中存在引起更高开关频率的趋势。由此能够缩小多个电路中的无源构件(电感和电容)。然而在此，在构件中产生更高的开关损失(特别在电流或电压不为零时“硬”开关的情况下)，因为以提高的频率实现了更多的开关操作。开关损失与开关电流、开关电压和开关时间成比例。在对系统的要求相同(电流和电压固定)时能够通过更快的开关沿减少开关损失。电流和电压的更快的上升时间或下降时间引起电路中的过压和抗干扰性的附加负载。在此根据图1，在换向电路KK和在驱控电路AK1与AK2中的控制电感或寄生电感具有最大影响。
特别是在功率更高(电流更高)时应用所谓的高铜印制电路板，其中铜的层厚度与一般的结构相比明显提高。在那里由于高的铜横截面和印制导线边缘上的常规斜坡使得构件的距离更大并因此使得电流路径的电感更大。因此，在高功率和在高频率中获得相矛盾的目标。
此外，在功率半导体中产生热量形式的开关和导通损失。该热量需要被排出，以便使半导体散热并且能够因此更加充分地利用半导体。
所提及的这些问题以各种方式被最小化。然而各个问题通常都是单独克服的，从而其是彼此矛盾的。例如，为了散热而应用所谓的模块，其例如在图2和3中示出。在那里将功率半导体或开关元件T1和T2安装到DCB基板2上(直接铜键合)。DCB基板2自身主要固定在铝底板3上。在铝底板3的相对的一侧上布置有冷却体4。将开关元件T1和T2浇注到绝缘体5中，连接部6穿过绝缘体伸出。因此，模块7通过铝底板3、DCB基板2和具有浇注的开关元件T1和T2以及连接部6的绝缘体5形成。在与冷却体4相对的一侧上将模块7紧固在印制电路板8上。在此，连接部6代表从开关元件T1和T2到印制电路板8的电连接。在印制电路板8的相对的一侧处能够布置有中间电路电容器C1以及驱动器TR1和TR2。
图2中示出，基本上在内置的连接部6以及DCB基板2与印制电路板8之间获得驱控电路AK1和AK2，而根据图3，换向电路KK在外置的连接部6以及DCB基板2与印制电路板8之间获得。在此不能够轻易实现对驱控电路Ak1、AK2以及换向电路KK的漏电感进行优化，因为电感由模块7主导。由于模块而使得该结构通常不适合更高的开关频率。
另一个方案是具有离散的元器件的结构，例如具有THT构件(Through-Hole-Technology，通孔技术)和SMD构件(表面贴装装置)。在THT半导体中，类似于在模块结构中那样，仅有限地存在用于低电感连接的可行性方案。在该结构形式中也能够设置到冷却体的连接。然而由此，高频率仅偶尔实现，因此不继续深入探讨。
在此，印制电路板的SMD结构更多地提供了有关更高频率的优化潜力。接下来结合图4和图5示出两个常用结构，即一侧或两侧装配。图4示出了单侧装配的变体。在此，所有的部件T1、T2、TR1、TR2、C1、C2和C3布置在电路板(未示出)的一侧上。驱控电路AK1、AK2和换向电路KK位于一个平面中。在此，对于漏电感的优化最大值取决于离散的元器件的大小。在该变体中仅能够困难地实现功率电子件的散热。
根据图5的两侧装配的变体主要使用与图4相同的驱控系统并且区别在于，即三个主构件T1、T2或C1中的一个位于电路板8的后侧上。如在图5中识别出的那样，换向电路KK取决于电路板8的厚度(例如1.6mm)。然而特别地，在该结构中，高端开关T1的散热也是困难的，因为大多数离散的功率半导体将其用于散热的热力路径关联到源极电势，并且路径由于抗干扰性的原因应当保持得尽可能小。
可能的漏电感L能够借助于下式来评估。由此能够实现结构形式的质量上的改进。根据图6，下式[1]涉及导体9和10，其不/几乎不在其它导体的场中。根据图7，式[2]涉及以下情况，即两个流向相反的导体彼此相对置。导体9和10的相应的几何尺寸t、w、l或者其间距h在图6或7中标记出并且在不同的式[1]和[2]中应用。
Figure GDA0002750669290000041
Figure GDA0002750669290000042
换向电感对半桥中的损失的影响能够在图8中观察到。在那里，功率损失Pv经由漏电感L表现。随着漏电感更高，功率损失Pv也升高。刚好在更高的开关频率和电流中能识别出在该半桥配置中的主损失部分的这种效果。对此参照下述来源：
[1]Power Supply Design Seminar(供电设计研讨会)2004/2005，Tl[2016年七月修订]，地址http://www.ti.com/lit/ml/slup224/slup224.pdf
[2]Efficient Power Conversion Corporation“EPC2015-Enhancement-modePower Transistor”，EPC2015 datasheet，2011年三月[2016年七月修订]，地址
http://www.epc-co.com/epc/DesignSupport/ApplicationNotes/AN003-UsingEnhancementMode.aspx
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种半桥电路，其对于开关事件是不敏感的。
因此根据本发明，提供用于变流器的半桥装置，其具有两个开关元件、电容装置和印制电路板，利用该印制电路板使得开关元件和电容装置联接成半桥。半桥装置原则上也能够应用于变流器之外的其他使用目的。对于两个开关元件来说能够采用IGBTs以及其它的功率开关。电容装置用于存储或中间存储能量并且典型地实现为中间电路电容器。开关元件以常规的方式布置在印制电路板上并且连接成半桥，半桥连接到电容装置上。
印制电路板具有至少四个印制导线层。由此开启以下可行性，即在换向事件中在印制电路板内部形成电流回路，其构造为垂直于印制电路板的主延展面。在一个或两个开关元件的开关位置发生改变的换向事件中，产生至少一个换向电路，其寄生电感对于半桥装置的开关表现来说有重要意义。现在有利地，开关元件以及电容装置布置在印制电路板上并且借助于印制导线层电路连接为，在换向事件中在印制电路板中获得至少两个相反指向的偶极子(Dipole)。因此，在此获得两个并联换向电路，其相应的电流引起相反指向的偶极子。通过偶极子相反指向减弱了其相互影响，由此改进了半桥装置的开关表现。
优选地，半桥装置具有两个电容器或其它偶数个电容器，这些电容器对称地布置在印制电路板上。通过这样的对称布置能够相应地在换向事件中、即在换向时生成相同规格的、相反指向的偶极子。
此外，开关元件和电容器能够布置在印制电路板的两侧上。其优点在于，例如能够实现元器件的点对称的布置。在这样的布置中能够同时在印制电路板的两侧上提供充足的冷却面。
开关元件以及电容装置还能够如下地布置和电路连接为，在换向事件中在两个不同的空间方向上分别获得两个相反指向的偶极子。因此，对于半桥装置的结构而言不仅充分利用了单一空间方向以用于偶极子，还利用了至少两个不同的空间方向，这些空间方向相互偏离并且不平行。在相应的相反偶极子的情况中，偶极子中的一个与空间方向同向且另一个偶极子与该空间方向相反地取向。相同的情况也适用于至少一个其它空间方向。
在一个特殊的设计方案中，印制电路板能够具有四个印制导线层，并且在换向电路中出现至少四个并联的换向电路。目的在于，半桥装置的整体寄生电感尽可能小。因为换向电路相互并联，所以在换向电路中的至少一个具有特别低的电感时是有利的。此时，所造成的整体电感小于最小的单个电感。可用的换向电路越多，该目的能够越轻易地实现。因此也能够实现以下半桥装置，其印制电路板具有多于四个的印制导线层，从而能够获得多于四个的换向电路。
优选地，换向电路相互对称地布置。由此能够在必要时实现，换向电流相互抵消，这导致了干扰辐射的降低。
在另一个设计方案中，半桥装置具有驱动装置，其如下地布置，即在换向事件中驱动装置的主电流的驱动器电流方向垂直于换向电路中的主电流的换向电流方向。由此能够防止，驱动电路或者说驱动装置轻易地耦联到换向电路或者说换向电路的开关元件中并且改变半桥装置的开关表现。更确切地说，通过驱动器电流方向和换向电流方向的垂直布置能够实现，所涉及的电路的电流几乎没有影响。
在另一个有利的设计方案中，半桥的中间抽头构造成尽可能小、特别是小于印制电路板的百分之五。半桥的中间抽头以传统的方式提供交流电压。因此，当中间抽头构造成尽可能小的时，整个半桥装置的抗干扰性提高，因为获得了与其它的元器件或部件的耦联降低。
此外，印制导线层能够分别具有尽可能高的铜填充度。由此得到了有关半桥装置的散热的优点。确切地说，不仅使用印制电路板基板、还有特别地使用铜以用于散热，其中，后者具有非常高的导热系数。
在一个特别的应用方案中，变流器配有上述半桥装置。在变流器中持续出现换向事件，因此在那里特别需要使得开关表现能够尽可能不受到寄生电感的影响。
附图说明
现在根据附图详细阐述本发明，在其中示出：
图1是根据现有技术具有驱控系统的半桥的电路图；
图2是根据现有技术具有驱控电路的半桥模块的原则上的横截面图；
图3是具有换向电路的图2的横截面；
图4是根据现有技术在单侧装配时的驱控系统和换向电路的草图；
图5是根据现有技术的穿过具有换向电路的双侧装配的电路板的横截面；
图6是用于计算漏电感的单个印制导线的简图；
图7是用于计算漏电感的两个并联的印制导线的简图；
图8是根据现有技术通过换向电感引起的损失的效果；
图9是用于根据本发明的半桥装置的印制电路板的印制导线的多个层；
图10是穿过驱控电路的横截面；
图11是沿着具有第一换向电路的开关元件的穿过印制电路板的横截面；
图12是具有第二换向电路的图11的横截面；
图13是具有第三换向电路的图11的横截面；
图14是具有第四换向电路的图11的横截面。
具体实施方式
接下来详细叙述的实施例代表了本发明的优选实施方式。在此要注意的是，各个特征不仅能够以所叙述的特征组合、而且也单独地或以其它技术上合理的组合来实现。
有关半桥装置的实例优选地在变流器中采用。各个元器件和部件能够根据所期望的性能设计。
特别注意的是构件的布置和电路板或印制电路板8的结构。在此特别地，包括驱动器构件在内的、半桥自身的构件以及电容装置的一个或多个构件都属于构件。
图9示出了示例性的印制电路板的四个层11、12、13、14。每个层代表相应的导体层或铜层。例如，第一层11和第三层13处于正电势DC+并且第二层12以及第四层14处于负电势DC-。除了印制导线层11至14，在图9中也标记了直接配属于印制导线层的元器件和镀通孔或连接部6。通过各个层11至14的相互堆叠获得具有根据图10和图11的横截面的印制电路板或半桥装置。
四个层11至14中的每个都具有主部段15，其在此设计为矩形形状的并且其纵向方向16平行于开关元件T1和T2的连续布置的取向地延伸。在此注意，开关元件T1和T2位于印制电路板8的不同侧面上。在当前的实例中，通过两个电容器C11和C12实现中间电路电容器。这两个电容器也位于印制电路板8的不同侧面上(参见图11)。在二者的布置上，两个电容器C11和C12位于与开关元件T1和T2的连续布置相同的线上，即平行于纵向方向16。根据图11至14的印制电路板布置的横截面平行于纵向方向16延伸。
在每个层11至14的每个主部段15的纵向侧面处存在驱动器部段17。该驱动器部段17用于相应的驱动器或驱控电路AK1和AK2(参见图1)的元件的接通。因此，第一层11的和第二层12的驱动器部段17使得驱动器TR1和电容器C2与所属的开关元件T1连接。以相同的方式，第三层13的和第四层14的驱动器部段17使得第二驱动器TR2和电容器C3与第二开关元件T2连接。此外，对于各个层来说应识别出用于开关元件T1和T2的接通的所谓的“路径”。特别是标记了开关元件T1和T2的漏极D、源极S和栅极G。
此外，在第三层13中标记了换向电流方向18，其平行于纵向方向16延伸。换向电流沿着该换向电流方向18延伸穿过元器件T1、T2、C11和C12。换向电流方向18的双箭头意味着，换向电流也能够与纵向方向16相反地延伸。
垂直于纵向方向16地获得驱动器电流方向19。驱动器电流的主电流方向即是驱动器电流方向19。另一方面如双箭头所表明的，驱动器电流能够在两个相反的方向上延伸。要特别强调的是以下事实：驱动器电流方向19和换向电流方向18相互垂直地延伸、即驱控路径垂直于换向路径。由此使得电流进而使得其H场主要相互正交地取向，这导致了二者的相互影响很少。因此提高了半桥装置的抗干扰性。
如上所述，具有驱控系统TR1和C2的开关元件T1位于印制电路板8的一侧上、例如上侧，并且具有驱控系统TR2和C3的另一个开关元件T2位于另一侧上、例如下侧。由此开关元件与驱动器热退耦。经由各自裸露的面20能够实现散热(参见图10和11)。通过相应的铜层的厚度和内层的铜填充度能够扩大经由面实现的热量分散。这样的散热通常比经由印制电路板8的基板21实现的散热更有效率。在此，优选使用在漏极端口处具有“导热垫(Thermalpad)”的开关元件。该“导热垫”构造成比用于栅极G和源极S的其它端口更大的。此外优选的是，各个层11至14的电势是交替的，例如DC+、DC-、DC+、DC-。
图10中示出了沿着驱动器电流方向19穿过完全装配好的印制导线布置或者半桥装置的横截面。各个印制导线层11至14重叠地布置并且通过印制电路板基板21绝缘地形成在此四层的印制电路板8。元器件T1、TR1和C2直接位于第一印制导线层11上，并且元器件T2、TR2和C3直接位于第四印制导线层14上。镀通孔或者连接部6将开关元件T1的源极S与开关元件T2的漏极D连接。在第一印制导线层11与第二印制导线层12之间以及在第三印制导线层13与第四印制导线层14之间标有另外的连接部6。
从图10中能看到T1和T2的驱控系统的特殊结构。在相应的外层上连接有栅极G，并且其下的层又回引在相应的开关元件T1或T2的平坦构造的未负载的源极端口上。通过该措施一方面减小了驱控电感，然而也附加地提高了抗干扰性。
图11至14在原理上示出了与换向电流方向18和纵向方向16平行的穿过印制电路板装置或者半桥装置的横截面。特别地，在此识别出各个元器件T1、T2、C11和C12的布置的点对称性。通过该对称性得到了有关相应的换向电路的特殊情况。该换向电路在图11至14中示例性地示出。其同时在换向事件、即开关元件T1和/或TR2的开关状态发生改变时出现。
图11标记了第一换向电路KK1。其在第一印制导线层11中在电容器C11(中间电路电容器C1的一部分)中开始、延伸经过第二层12和连接部到T2(第四层14)的源极S、随后到T2的漏极D、继续经过连接部6到T1(第一层11)的源极S和漏极D、并且回到电容器C11的其它端口。在此，对于电流曲线来说获得两个相反指向的网格。相应地，由此根据“右手法则”产生偶极子δ+和相反的偶极子δ-。因此，第一换向电路KK1的两个偶极子由于其相反的方向而在其作用上被减弱。
与此对称地，通过对称布置的第二开关元件T2和中间电路电容器C1的相对应的电容器C12产生类似的换向电路KK2，这例如在图12中示出。以相同的方式也在此获得相反的偶极子δ+和δ-。
第三换向电路KK3根据图13的示图获得。换向电路在此从开关元件T1(第一层11)的漏极D延伸经过源极S继续走向开关元件T2(第四层14)的漏极D和源极S、随后穿过电容器C12(第四印制导线层14)并且经过第二印制导线层12返回到开关元件T1的漏极D。通过相应的网格循环再次获得两个相反的偶极子δ+和δ-。
与此类似地，在对称的布置的基础上从源极S出发经过T2的漏极D等获得根据图14的第四换向电路KK4。
通过使用内层使得换向路径平坦地从彼此旁经过，这使得换向路径的电感最小化。此外如图11至14所示建立并联的换向电路KK1至KK4，这导致了具有相应的电感的并联电路并且因此带来整个电感的进一步减小。在此，该构思能够通过另外的内层来任意扩展，这导致了继续的并联电路并因此导致换向路径中继续更小的电感。
在这种布置中特别注意的是换向路径的对称性。由此使得换向电流附加地抵消，并且得出整个电路的较小的干扰辐射。
另一个方面在于半桥的中间抽头(在图9中在第三层13中以“AC”标记)的屏蔽。该中间抽头关于“固定的”中间电路电势进行振荡。因此，中间抽头实施成尽可能小，这导致了更小的寄生电容以及因此导致更少的干扰。在此强调的是，从EMV的角度以该方式优化地屏蔽了完整的连接(参见其上的第二层12和其下的第四层14)。
作为用于该电路的无源散热的优选布置推荐垂直的安装位置。由此能够排出在印制电路板8的两侧上的热量。
在实施例中示出的结构也能够用于并联(特别地由GaN-on-Si开关)具有驱动器的多个开关。在此，开关之间的热耦联是特别重要的。因此实现了开关之间的对称的电流分布。
上述半桥装置的特别优点在于半桥构件的特殊几何形状上的布置。通过采用多层电路板并且在考虑对称性的情况下产生电感特别低的结构。附加地示出了用于印制电路板上的被动散热的解决方案，由此不需要附加的冷却。另一个积极的方面在于优化的EMV特性，其特别对于快速开关的元器件(GaN-on-Si或Si-C)来说极其重要。
因此，基于低电感的结构由于并联的换向路径而获得特别的优点。因此造成了更小的开关过压和更少的开关损失。此外，能够实现更高的开关频率，并且电感能够通过更多内层进一步被减小。
关于抗干扰性有利的是，需要较少的外部布线、能够实现更高的开关速度和开关频率并且获得更小的EMV负载。后者特别地由中间接头的屏蔽、换向电路和驱控电路(垂直布置)的场抵消和并联的换向电路(对称结构)的场彼此抵消的事实来产生。
另一个优点在于，电感不取决于电路板厚度。特别地，当元器件由于铜边缘处的斜坡形状而必须进一步远离彼此移动时，在高铜层的情况下也获得低电感。最后，在上面的半桥装置中也获得优化的散热的可行性方案。也就是说，能够实现经由印制电路板的改进的热分散以及两侧散热。

Claims (8)

1.一种用于变流器的半桥装置，具有：
两个开关元件(T1、T2)，
电容装置(C1、C11、C12)，和
印制电路板(8)，利用所述印制电路板使得所述开关元件和所述电容装置联接为半桥，其特征在于，
所述印制电路板(8)具有至少四个印制导线层(11、12、13、14)，并且
所述开关元件(T1、T2)以及所述电容装置(C1、C11、C12)布置在所述印制电路板上并且借助于所述印制导线层(11、12、13、14)电路连接为，在换向事件中在所述印制电路板(8)中获得至少两个相反指向的偶极子，
其中，所述电容装置具有两个电容器，所述两个电容器对称地布置在所述印制电路板的两侧上，并且所述开关元件布置在所述印制电路板的两侧上。
2.根据权利要求1所述的半桥装置，其中，所述开关元件和所述电容装置被布置和连接为，在所述换向事件中在两个不同的空间方向上分别获得两个相反指向的偶极子(δ+、δ-)。
3.根据权利要求1或2所述的半桥装置，其中，所述印制电路板(8)具有四个印制导线层(11、12、13、14)，并且在所述换向事件中出现至少四个并联的换向电路(KK1、KK2、KK3、KK4)。
4.根据权利要求3所述的半桥装置，其中，所述至少四个并联的换向电路(KK1、KK2、KK3、KK4)相互对称地布置。
5.根据权利要求1或2所述的半桥装置，其中，所述半桥装置具有驱动装置(TR1、TR2)，所述驱动装置布置为，所述驱动装置的电源电流的驱动器电流方向(19)在所述换向事件中垂直于所述电源电流的换向电流方向(18)。
6.根据权利要求1或2所述的半桥装置，其中，所述半桥的中间接头构造成小于所述印制电路板(8)的面积的5％。
7.根据权利要求1或2所述的半桥装置，其中，所述印制导线层(11、12、13、14)填充有铜。
8.一种变流器，具有根据前述权利要求中任一项所述的半桥装置。
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