CN109768698A

CN109768698A - 电力变换器的电路、车辆用电力变换器和车辆

Info

Publication number: CN109768698A
Application number: CN201811334294.6A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·鲍曼
Original assignee: Valeo Siemens eAutomotive Germany GmbH
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-05-17
Also published as: EP3484003A1; EP3484003B1

Abstract

用于电力变换器（33）的电路布置（1），该电路布置（1）包括：第一连接器（4），该第一连接器（4）可连接至或者连接至DC电压源（2）的极（5、6）；第二连接器（7），该第二连接器（7）可连接至或者连接至DC电压源（2）的相反极（5、6）；以及开关元件（9），该开关元件（9）具有连接至第一连接器（4）的漏极端子（10）、连接至或者可连接至负载（3）的源极端子（11）、以及栅极端子（12），并且开关元件（9）由具有体二极管（14）的至少一个绝缘栅场效应晶体管（13）实现，其特征在于：二极管（15）在与体二极管（14）的从源极端子（11）至漏极端子（10）的方向相对应的方向上从第二端子（7）连接至栅极端子（12）。

Description

电力变换器的电路、车辆用电力变换器和车辆

技术领域

本发明涉及一种用于电力变换器的电路布置，该电路布置包括：第一连接器，该第一连接器可连接至或者连接至DC电压源的极；第二连接器，该第二连接器可连接至或者连接至DC电压源的相反极；以及开关元件，该开关元件具有连接至第一连接器的漏极端子、连接至或者可连接至负载的源极端子、以及栅极端子，并且开关元件由具有体二极管的至少一个绝缘栅场效应晶体管实现。

此外，本发明还涉及一种用于车辆的电力变换器以及一种车辆。

背景技术

包括由绝缘栅场效应晶体管（IGFET）实现的开关元件的电路布置通常用于将连接至源极端子的负载连接至DC电压源并且使取决于被施加至栅极端子的电压来使该负载从DC电压源上断开连接。因此，DC电压源连接至第二布置的第一连接器和第二连接器。然而，如果DC电压源用错误极性连接至连接器，则即使在电压为零的情况下晶体管也可以将负载连接至DC电压源，这是因为晶体管的体二极管处于正向操作中。这可能会引起短路并且可能由于体二极管的负温度系数而导致对开关元件的损坏。

为了避免在DC电压源上的错误极性的情况下造成对开关元件的损坏，已经提出使用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）来代替IGFET（绝缘栅场效应晶体管）。然而，对于一些应用，IGFET的使用由于有用性质而是优选的。可替代地，当DC电压源用错误极性进行连接时，处于相反方向上的二极管可能被圈进短路的路径中。当DC电压源用正确极性进行连接时，该方案受到在二极管上的电压降的影响。此外，已经提出了瞬态电压抑制二极管与熔线一起的使用。然而，在DC电压源已经用错误极性进行连接之后需要更换熔线。最后，已知的是有源极性保护装置，其受到需要外部电源供应器的影响。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有改进极性保护的电路布置。

上述目的是通过如开头描述的电路布置来解决，该电路布置包括在与体二极管从源极端子连接至漏极端子的方向相对应的方向上从第二端子连接至栅极端子的二极管。

本发明是基于如下考虑因素：将电路布置配置为使得在DC电压源用错误极性连接至第一连接器和第二连接器的情况下，经由处于正向方向上的二极管将由DC电压源供应的电压施加至栅极端子。通过将电压施加至栅极端子，处于相反模式中的晶体管的操作特点不与作为晶体管的正在传导的沟道的体二极管的操作特点相对应。在其中，相比于与处于正向方向上的体二极管相对应的操作特点，开关元件的功率损失显著地减小。

有利地，当DC电压源用错误极性进行连接时，有效地防止了由IGFET实现的开关元件受到损坏。尤其，根据本发明的电路布置不需要外部电源供应器，而是完全无源地进行工作。此外，避免了熔线和在与开关元件和负载串联连接的二极管上的电压降。

如果晶体管具有n沟道，则体二极管处于从源极端子至漏极端子的正向方向上。于是，二极管在正向方向上从第二连接器连接至栅极端子。优选地，连接至或者可连接至第一连接器的DC电源的极是正极并且/或者DC电源的相反极是负极。开关元件可以作为高侧开关相互连接。

如果晶体管具有p沟道，则体二极管处于从源极端子至漏极端子的相反方向上。于是，二极管在相反方向上从第二连接器连接至栅极端子。优选地，连接至或者可连接至第一连接器的DC电源的极是负极并且/或者DC电源的相反极是正极。开关元件可以作为低侧开关相互连接。

通常，晶体管是金属绝缘体半导体场效应晶体管（MISFET），尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。开关元件的端子的命名与形成开关元件的端子的相应晶体管端子的命名相对应。电路布置可以包括第三连接器，负载连接至或者可连接至该第三连接器。尤其，第三连接器和源极端子具有共同电位，并且/或者二极管和栅极端子具有共同电位，并且/或者第一连接器和漏极端子具有共同电位。

优选的是使二极管具有显著较低的正向电压。因此，二极管可以是肖特基二极管或者锗二极管。

此外，根据本发明的电路布置的开关元件可以是由至少一个又一绝缘栅场效应晶体管实现，其中，晶体管并联地连接。这意味着晶体管端子各自与开关元件的同等命名端子具有共同电位。使用多个晶体管允许开关元件传导更高的电流。当使DC电源用错误极性连接至常规电路布置（具有并联地连接的多个绝缘栅场效应晶体管）时，由于随机生产公差，所以只有一个晶体管在体二极管的操作特点下进行操作直到该晶体管被损坏。其后，其它晶体管将像瀑布一样连续被损坏。有利地，电路布置允许均衡平行电流通过晶体管。

此外，根据本发明的电路布置可以包括连接在二极管的栅极侧端子与源极端子之间的电容器。当DC电压源用错误极性连接至第一端子和第二端子时，电容器被加载并且有利地缓冲由DC电压源供应的电压。

电路布置可以进一步包括第二二极管，该第二二极管在与体二极管的方向相对应的方向上从第一二极管和电容器连接至栅极端子。第一二极管、第二二极管和电容器可以具有共同电位。有利地，当DC电压源用正确极性进行连接时，第二二极管避免电容器并联地连接至晶体管的栅电容。第二二极管可以是肖特基二极管或者锗二极管。

为了允许栅电容的排放，优选的是使根据本发明的电路布置可以包括连接在栅极端子与源极端子之间的放电电阻器。放电电阻器可以与栅极端子具有共同电位并且/或者与源极端子具有共同电位并且/或者与未连接至第一二极管的电容器的端子具有共同电位。

优选地，作为放电电阻器的电阻与电容器的电容的乘积的时间常数被选择为使得开关元件的栅源电压高于开关元件的阈值电压长达预定时间跨度。注意，开关元件可以在该时间跨度之后保持导通，这是因为其栅极端子仍受到用错误极性连接的DC电压源的控制。

此外，根据本发明的第二布置可以包括又一连接器，该又一连接器连接至栅极端子并且配置为当在正向模式中操作时获取控制电压以转换开关元件。又一连接器可以被命名为第四连接器。

此外，本发明涉及一种用于车辆的电力变换器，该电力变换器包括根据本发明的电路布置，其中，负载是电力变换器的动力单元。电力变换器优选地是DC/DC变换器。

此外，本发明涉及一种车辆，该车辆包括电力系统、DC电压源以及根据本发明的电力变换器，电力变换器配置为给电力系统供应电压。

电力变换器和/或车辆可以包括控制单元，该控制单元连接至第四连接器并且配置为给栅极端子提供控制电压以使DC电压源连接至动力单元并且使DC电压源从动力单元上断开连接。

参照发明性变换器进行的所有陈述均类似地应用于发明性电机和发明性车辆，因此也可以实现发明性变换器的上述优点。

附图简介

在下文公开了本发明的其它细节和优点，其中，对示意性附图进行参照，在附图中：

图1是根据本发明的电路布置的第一实施例的简图；

图2是在图1电路布置的电压随着时间的进展的简图；

图3是根据本发明的电路布置的第二实施例的简图；

图4是在图3电路布置的电压随着时间的进展的简图；

图5是根据本发明的电路布置的第三实施例的开关元件的简图；

图6是根据本发明的电路布置的第四实施例的框图；

图7是根据本发明的电力变换器的实施例的框图；

图8是根据本发明的车辆的实施例的框图。

具体实施方式

图1是电路布置1、DC电压源2和由DC电压源2供电的负载3的第一实施例的简图。在图1中，从DC电压源2传出的实线表示用正确极性与电路布置1的连接，并且对应的虚线表示用错误极性与电路布置1的连接。

电路布置1包括第一连接器4，第一连接器4在正确极性的情况下连接至DC电压源2的正极5，而在错误极性的情况下连接至DC电压源2的负极6。

对应地，电路布置1的第二连接器7在正确极性的情况下连接至负极6，而在错误极性的情况下连接至正极5。此外，提供了第三连接器8以用于将负载3连接至电路布置1。

此外，电路布置1包括开关元件9，开关元件9具有连接至第一连接器4的漏极端子10、经由第三连接器8连接至负载3的源极端子11、以及栅极端子12。开关元件9由具有一个体二极管14的n沟道绝缘栅场效应晶体管13（IGFET）实现，体二极管14处于从源极端子11至漏极端子10的正向方向上。因此，开关元件9在DC电压源2的正确极性情况下作为高侧开关进行工作。

此外，第二布置1包括由肖特基二极管或者锗二极管形成的二极管，其在正向方向上从第二端子7连接至栅极端子12。因此，二极管15从第二端子7至栅极端子12的方向与体二极管14从源极端子11至漏极端子10的方向相对应。

此外，高电阻放电电阻器16连接在栅极端子12与源极端子11之间，从而允许栅极电容的更快速排放。最后，提供了连接至栅极端子12、二极管15的阴极19以及放电电阻器16的第四连接器17以通过向栅极端子12施加正电压来控制开关元件9的开关状态。

在DC电压源2如实线所描绘的用正确极性进行连接的情况下，二极管15的阳极20经由第二连接器7连接至DC电压源2的负极6。二极管因此在相反操作模式中进行操作且堵塞。通过经由第四连接器17向栅极端子12供应电压，开关元件9可以在晶体管13的截止操作区中的堵塞开关状态与晶体管13的线性或者饱和操作区中的导通开关状态之间进行转换。在导通开关状态下，由DC电压源供应的电流流过负载3，而在堵塞开关状态下，大体上没有电流流过负载3。

然而，需要假定DC电压源2一方面用错误极性连接至第一连接器4并且另一方面连接至第二连接器7和负载3。例如，这也许会由于安装故障或者由人造成的意外误接而发生。在由虚线描绘的该情况下，阳极20经由第二连接器7连接至DC电压源2的正极5。因此，二极管15在正向操作模式中进行操作，其中，来自正极5的正电压被施加至栅极端子12。尽管体二极管14在正向方向上连接至DC电压源2，但被施加至栅极端子12的电压使得晶体管13在相反操作区域中进行操作。因此，避免了从第三端子8至第一端子14的电流由体二极管14传导。相反，DC电压源2的经由导通二极管15被供应至栅极端子12的正电压允许电流2流过晶体管13的沟道。有利地，避免了对晶体管13的损坏，如果二极管15被省略的话，则可能会由于体二极管14的负温度系数导致该损坏。

图2是在DC电压源2用错误极性进行连接的情况下由DC电压源2供应的负电压21和栅源电压22在时间t期间的进展的简图。如可以看到的，在时间23处，在此DC电压源2连接至第一连接器4和第二连接器7，电压21升高并且在稳定状态下具有例如9.2 V的负值。连续地，栅源电压22升高并且在稳定状态下具有例如2.5 V的电压，其中，该电压足以大体上避免电流流过体二极管14。

图3是电路布置1的与第一实施例相对应的第二实施例的简图，其中，附加地提供了连接在第一二极管15的栅极侧端子与源极端子11之间的电容器24以及从第一二极管15连接至栅极端子12的第二二极管25。

电容器24具有第一端子26，第一端子26与作为第一二极管15的栅极侧端子的阴极19以及与第二二极管25的阳极27具有共同电位。电容器24的第二端子28与源极端子11以及与放电电阻器16的第一端子29具有共同电位。第二二极管25的阴极30与栅极端子12、放电电阻器16的第二端子31、以及第四连接器17具有共同电位。当用错误极性进行连接时，电容器24缓冲DC电压源2的电压，其中，第二二极管25避免了晶体管24在DC电压源2用正确极性进行连接的情况下并联地连接至晶体管13的栅极电容。

图4是在DC电压源2用错误极性进行连接的情况下由DC电压源2供应的负电压21和栅源电压22在时间t期间的进展的简图。如可以看到的，在时间23处，在此DC电压源2连接至第一连接器4和第二连接器7，电压21升高并且在稳定状态下具有例如9.2 V的负值。连续地，栅源电压22升高至更高水平（例如，6.8 V）并且由于电容器24被加载而在时间32处下降至例如2.5 V的恒定水平。通过将放电电阻器16的电阻和电容器24的电容选择为作为该电阻和电容的乘积的时间常数，实现了使得栅源电压肯定高于晶体管13的阈值电压长达预定关键时间跨度。在导致图4中描绘的进展的配置中，电容为30 μF并且电阻为47.5 kΩ，从而导致1.425 s的时间系数。

图5是电路布置的与上述实施例相对应的第三实施例的开关元件9的简图，其中，开关元件9由并联地连接的多个晶体管13实现。在其中，晶体管13的漏极端子与开关元件9的漏极端子具有共同电位，晶体管13的源极端子与开关元件9的源极端子11具有共同电位，并且晶体管13的栅极端子与开关元件9的栅极端子12具有共同电位。通常，六个、八个或者更多个晶体管13并联地连接。

图6是电路布置1的与图3中描绘的第二实施例相对应的第四实施例的简图，其中，开关元件9由p沟道绝缘栅场效应晶体管13实现。

在该示例中，开关元件9作为低侧开关进行工作。与图3形成对照，当正极5连接至第二连接器7并且负极6连接至第一连接器4时，DC电压源2用正确极性进行连接，并且在错误极性的情况下反之。在晶体管13的体二极管14处于与n沟道晶体管的体二极管相反的方向上时，第一二极管15的阴极19连接至第二连接器7并且第二二极管25的阴极30连接至第一二极管15的阳极20。因此，阳极20、阴极30以及电容器24的第一端子具有共同电位，并且栅极端子12、阳极27、放电电阻器16的第二端子31以及第四连接器17具有共同电位。

根据电路布置1的与图6中描绘的第四实施例相对应的第五实施例，电容器24和第二二极管25被省略，以便使得该实施例类似于图1中描绘的第一实施例，其中，开关元件9作为由p沟道晶体管13实现的低侧开关进行工作。

根据电路布置1的与第四实施例或者第五实施例相对应的第六实施例，开关元件9由类似于图5的多个p沟道晶体管13实现。

图7是电力变换器33和DC电压源2的框图。电力变换器33包括与前述实施例中其中一个相对应的电路布置1、负载3以及控制单元34。负载3是允许电力变换器33作为DC/DC变换器进行操作的动力单元。

负载3连接至第三连接器8并且控制单元34连接至电路布置1的第四连接器17。因此，控制单元34允许控制开关元件9以将负载3连接至DC电压源2或者使负载3从DC电压源2上断开连接。

在开关元件9由一个或多个n沟道晶体管13实现的情况下，当正极5连接至第一连接器4并且负极6连接至第二连接器7时，DC电压源2具有其正确极性。在开关元件9由一个或多个p沟道晶体管13实现的情况下，当正极5连接至第二连接器7并且负极6连接至第一连接器4时，DC电压源2具有其正确极性。

图8是车辆35的框图，车辆35包括电力系统36、DC电压源2以及与前述实施例相对应的电力变换器33，电力变换器33配置为给电力系统36供应电压。

Claims

1.用于电力变换器的电路布置，所述电路布置（1）包括：

第一连接器（4），所述第一连接器（4）能够连接至或者连接至DC电压源（2）的一极（5、6），

第二连接器（7），所述第二连接器（7）能够连接至或者连接至所述DC电压源（2）的相反极（5、6），以及

开关元件（9），所述开关元件（9）具有：

（i）连接至所述第一连接器（4）的漏极端子（10），

（ii）连接至或者能够连接至负载（3）的源极端子（11），以及

（iii）栅极端子（12），

并且所述开关元件（9）由至少一个具有一个体二极管（14）的绝缘栅场效应晶体管（13）实现，

其特征在于一个二极管（15），在与所述体二极管（14）的从所述源极端子（11）至所述漏极端子（10）的方向相对应的方向上从所述第二端子（7）连接至所述栅极端子（12）。

2.根据权利要求1所述的电路布置，其特征在于：所述二极管（15）是肖特基二极管或者锗二极管。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的电路布置，其特征在于：所述开关元件（9）是由至少一个另外的绝缘栅场效应晶体管（13）实现，其中，所述晶体管（13）并联地连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电路布置，其特征在于：其包括连接在所述二极管（15）的栅极侧端子与所述源极端子（11）之间的电容器（24）。

5.根据权利要求4所述的电路布置，其特征在于：其包括第二个二极管（25），所述第二个二极管（25）在与所述体二极管（14）的所述方向相对应的方向上从所述第一个二极管（15）连接至所述栅极端子（12）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电路布置，其特征在于：其包括连接在所述栅极端子（12）与所述源极端子（11）之间的放电电阻器（16）。

7.根据权利要求4和6或者根据权利要求5和6所述的电路布置，其特征在于：将所述放电电阻器（16）的电阻与所述电容器（24）的电容的乘积作为时间常数，选择为使得在预定时间跨度中所述开关元件（9）的栅源电压高于所述开关元件（9）的阈值电压。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电路布置，其特征在于：其包括另外的连接器（17），所述另外的连接器（17）连接至所述栅极端子（12）并且配置为当在正向模式操作时获取控制电压以转换所述开关元件（9）。

9.用于车辆的电力变换器，所述电力变换器（33）包括一个根据权利要求1至8中任一项所述的电路布置（1），其中，所述负载（3）是所述电力变换器（33）的动力单元。

10.根据权利要求9所述的电力变换器，其特征在于：其是DC/DC变换器。

11.车辆，所述车辆（35）包括电力系统（36）、DC电压源（2）以及根据权利要求9或10所述的电力变换器（33），所述电力变换器（33）配置为给所述电力系统（36）供应电压。