CN111512555B - 用于功率电子电路的灵活自举 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在功率电子电路中进行灵活自举的方法和充电电路(800)，其中包含有阻断二极管(112)、至少一个自举晶体管(804)、至少一个电阻(812，822)和至少一个电气构造元件(802)，该电气构造元件被形成为在超过预定的电势差时传导电流，其中用于控制功率半导体开关(100)的储能器(102)和该功率半导体开关(100)的源极/发射极电势处于相同的电势，其中一旦供应电压(106)的电势高于该储能器(102)的电势就实现对该储能器(102)的充电，其中一旦超过在该电气构造元件(802)中预定的电势差就防止过载，并且其中通过该阻断二极管(112)防止该储能器(102)的放电。

Description

用于功率电子电路的灵活自举
本发明涉及用于在功率电子电路的情况下灵活自举(flexibles Bootstrapping)的方法和充电电路，这些功率电子电路例如应用在用于从电池组提供交流电压供应的设备中。另外，要求保护采用该方法和该充电电路的多电平转换器。
目前通常安装在电动车辆中的电池组为例如单独电池电芯的硬接线的单元。此类电池在输出端几乎仅仅提供直流电压，相反，电动车辆中的大多数耗电器需要具有特定频率、幅值和相位的交流电压。另外，所提供的直流电压在相应的充电状态上变化。为了不仅在峰值电压下而且还在充电终止电压下都能够用所要求的功率来供应所连接的耗电器，此前一直为其配备复杂的供应电路，例如功率半导体开关。如果耗电器所需的电压与电池电压偏离较远，则功率电子电路在输出电压中造成高损耗和失真。这尤其不利地影响驱动电动机，该驱动电动机一般恰在低速下需要具有明显较低幅值的交流电压，并且该驱动电动机的绝缘体也经受到负载，由此缩短其使用寿命。
在电池组的情况下问题还有，由于电池电芯在物理和化学行为上的分散，为了实现均一的充电状态，必须提供所谓的电池管理，该电池管理包含对单独的电池电芯且尤其对局部的电荷交换的复杂的监测。另外，单一电池电芯的缺陷通常迫使整个电池组停工，因为有缺陷的电池电芯在继续受到负载时可能过热并起火。
与用几个功率半导体开关在少数级别之间切换输入或输出电压以平均实现所希望的电压的传统功率电子装置不同，模块化多电平转换器可以通过布置在模块中的储能器(例如电容器或电池)的可动态变化的电气构型以非常精细的等级来提供电压。在此意义上重要的中央多电平转换器是模块化多电平转换器MMSPC，由S.M.Goetz，A.V.Peterchev和T.Weyh，"Modular Multilevel Converter With Series and Parallel ModuleConnectivity：Topology and Control(具有串联和并联模块连接性的模块化多电平转换器：拓扑和控制)"，IEEE Transactions on Power Electronics，vol.30，no.1，pp.203-215，Jan.2015描述。
在电子半导体开关、尤其在场效应晶体管(简称为FET)的情况下或者在具有绝缘栅极的双极晶体管(简称为IGBT)的情况下的问题形成了一般将其相对于其自身电势进行控制的必要性。如果例如在FET的情况下阈值电压为2V，则为了获得阻断状态栅极电势必须相对于源极电势明显低于这个阈值，为了获得导通状态必须明显高于这个阈值。在逆变器中常用的半桥(即两个串联连接的半导体开关)中在所谓的低侧开关的情况下这也是容易实现的，因为低侧开关的源极一般位于整个功率电路的电压供应装置的接地上。相对地，所谓的高侧开关的源极电势对应于低侧开关的漏极并且因此不是固定的。如果低侧开关被闭合，则高侧开关的源极电势位于相同的接地。但如果低侧开关被断开并且高侧开关被闭合，则电势甚至位于半桥的上供应电压上。如果这两个开关都被断开，则电势采取接地与上供应电压之间的值，其中准确值要么是未定义的要么取决于负载(例如带有迫使电流持续流动的迟滞电感的电机)。即，因为高侧开关的源极电势可以采用不同的值，也必须改变栅极电势的供应电压以启动开关。
小型的电流隔离的直流-直流变换器提供了弥补手段，该变换器将相对于接地的供应电压以电势偏移的方式与高侧开关的源极电势相关并且因此提供同时滑移的(mitgleitende)供应电压以用于高侧开关的开关启动。然而这样的变换器是昂贵且低效率的。
替代地可以使用所谓的自举。因为在半桥中高侧开关和低侧开关至少以一定的间隔交替地启动，所以可以将所谓的自举电容器(但是其中还可以设想另外的储能器)与参考点如下地相连，使得一旦低侧开关被闭合，该自举电容器就准备好作为高侧开关控制器的短期或中期供应并且通过二极管由低侧开关的电压供应装置或另一个相对于接地的供应端来充电。二极管在此防止了当低侧开关再次被断开并且高侧开关的源极电势升高时能量的回流。在此例如在FET的情况下将源极电势用作参考点并且在双极晶体管(例如IGBT)的情况下将发射极电势作为参考点。
即，在高侧开关处的栅极电势的供应电压通过其自身电势同时偏移的储能器来进行，该储能器必须具有后续充电可能性。然而，尤其在模块化多电平转换器的情况下还存在带有功率半导体开关的半桥，在这些功率半导体开关的情况下出于电路技术原因不能使用自举，因为相应的自举电容器在某些电路构造下可能会过载。例如在以下情况下可能出现这个问题：待连接的晶体管分别以其漏极/集电极端子而非其源极/发射极端子处于电压供应装置的电势上，尤其在多电平转换器内部分配到同类的构件组的情况下，在这些多电平转换器中待连接的晶体管有利地同步组合成构件组，但是由此有时这些晶体管不再能按照常规的自举方法来控制。常规的自举方法的前提条件是，自举电容器的参考电势(也就是说一般为负极的电势)暂时处于电压供应装置的参考电势以便允许自举电容器的暂时的后续充电并且在其余时间处于更高电势。由此，二极管可以在后者的时间区间中禁止电流流动并且还阻断电压。然而在自举电容器的参考电势还可能至少暂时低于电压供应装置的参考电势的情况下，所述的二极管在流动方向上可能被极化并且可能无法进行阻断。另外，自举电容器此时可能过载，因为只有当自举电容器的正极的电势对应于电压供应装置的正端子的电势时电流流动才停止。但是因为这些参考电势(在这种情况下即自举电容器和电压供应装置的负极的电势)不是相等的，自举电容器可能被充电到供应电压的电压加上自举电容器与电压供应装置的这两个参考电势之间的差。这可能明显过高。文献DE 10 2015 112512 A1说明了一种用于模块化多电平转换器的四象限模块类型，其中若干个晶体管的驱动器不能通过常规的自举来供应，因为其参考电势可能暂时低于电压供应装置的参考电势。文献DE 10 2016 112 250 A1公开了一种具有晶体管的二象限模块，出于同样的原因，这些晶体管的驱动器电路不能用常规的自举来供应。
从文献US 4,710,685已知在自举电路升高时由电容器对其进行充电。充电进行直至另一个电容器被充电到供应电压的电势。
为了中断电容器的充电，日本文献JP 2015-201915 A中提出一种充电继电器。一旦电容器电压和电池电压低于预定值，充电就停止。
最后，美国文献US 4,401,926公开了将电容器充电直至其达到预设的电压。
在此背景之下，本发明的目的是提供一种用于在功率半导体开关的情况下对自举电容器进行后续充电的方法，其中在此时不求助于昂贵且占据大量空间的直流-直流变换器的情况下，该功率半导体开关的源极电势经历波动并且在电路技术方面无法指定用于对自举电容器进行充电的参考点。另外，本发明的目的是提供一种用于执行此类方法的对应的充电电路，以及一种使用该方法和该充电电路的多电平转换器。
为了实现上述目的，提出了一种用于在功率电子电路中进行灵活自举的方法，其中用于控制功率半导体开关的储能器和该功率半导体开关的源极/发射极电势处于相同的电势，其中阻断二极管如下连接到由源提供的相对于参考电势的供应电压，使得该源经由该阻断二极管只能输出能量而不能接收能量，并且在该阻断二极管之后跟随至少一个自举晶体管，该至少一个自举晶体管用其漏极/集电极输入端连接到该阻断二极管并且用其源极/发射极输出端连接到该储能器的上电势，其中在n沟道场效应晶体管或npn双极晶体管作为自举晶体管时，被形成为当超过预定的电势差时在阻断方向上也传导电流的至少一个电气构造元件用该电气构造元件的输入端在阻断方向上连接到该自举晶体管的栅极/基极控制端子并且用该电气构造元件的输出端连接到该储能器的处于该功率半导体开关的源极/发射极电势的端子，并且在p沟道场效应晶体管或pnp双极晶体管作为自举晶体管时，该电气构造元件用该电气构造元件的输入端在阻断方向上连接到该储能器的上电位并且用该电气构造元件的输出端连接到该自举晶体管的栅极/基极控制端子，并且其中在n沟道场效应晶体管或npn双极晶体管作为自举晶体管时，至少一个电阻对应地布置在该供应电压的电势与该自举晶体管的栅极/基极控制端子之间，并且在p沟道场效应晶体管或pnp双极晶体管作为自举晶体管时，该电阻布置在该功率半导体开关的源极/发射极电势与该自举晶体管的栅极/基极控制端子之间，由此一旦该供应电压的电势高于该储能器的电势就实现对该储能器的充电，并且由此一旦超过在该电气构造元件中预定的电势差就防止过载，并且由此通过该阻断二极管防止该储能器的放电。除自举晶体管的栅极/基极控制输入端之外的电阻可以用于限制进出自举晶体管的栅极/基极控制输入端的电流。
被形成为用于在超过预定电势差时传导电流的电子构造元件的阻断方向由流动的电流的方向得出。在输入端处此时流动的电流施加在电子构造元件处，在输出端处电流已经流过电子构造元件。
通过实施本发明的方法，当在电势图中观察，储能器的正极的电势小于供应电压的正极的电势并且同时储能器的电压仍然未高到使得电路中断充电时，实现了对储能器的自动的后续充电。充电例如是如下情况：储能器的电压低于参考电压的电压。此外，当储能器的负极的电势使得这个电势和储能器的电压之和小于供应电压与其参考电势之和时，对储能器进行充电。即，为了对储能器进行充电，其在负极的电势因而必须与供应电压的参考电势不对应。
执行根据本发明的方法使得，当储能器的上电势高于供应电压与其参考电势之和时，阻断储能器向供应电压的放电，并且当储能器比由预定值(例如功率半导体开关的驱动电路的最小供应电压要求)所要求的更空并且存在从供应电压向储能器的电压降低时，用供应电压对储能器充电。相反，当应当用来充电的电势(即供应电压与供应电压所参照的参考电势之和)高于储能器的正极的目标电势和/或储能器已经达到充电结束电压时，阻断对供应电压的连接。
所需的阻断电压(技术人员称为“介电强度”)有利地优选如此分配，使得可以用二极管来阻断所出现的最高的电压，因为还可以成本低廉地制造用于较高电压的这种二极管。为了执行本发明的方法另外需要的可控半导体(例如晶体管等)由此需要较低的阻断电压。这例如以如下方式产生：在放电方向上通过二极管来阻断，但是在正向方向上通过晶体管来阻断。
但是此外，该至少一个自举晶体管还可以被设计为，能够阻断在充电电路中所出现的最大的电压。这个电压例如可以为在模块电容器(作为另外的储能器存在于模块化多电平转换器中)中可能出现的电压的两倍。
在本发明方法的一个实施方式中，自举电容器被选择为储能器。其他的储能器、例如电池是可设想的。
在本发明方法的另一个实施方式中，该至少一个自举晶体管被选择为双极晶体管。
在本发明方法的仍另一个实施方式中，该至少一个自举晶体管被选择为场效应晶体管。
在本发明方法的另一个实施方式中，该至少一个电气构造元件被选择为齐纳二极管。齐纳二极管的击穿电压例如被预定为，使得该击穿电压从功率半导体开关的开关电压(例如+15V)与在使用双极晶体管作为自举晶体管时约650mV的电压值之和得出。在使用场效应晶体管作为自举晶体管时，齐纳二极管的击穿电压例如被预定为，使得该击穿电压对应于功率半导体开关的开关电压(例如+15V)与自举晶体管的阈值电压(例如2V)之和。
在本发明方法的仍另一个实施方式中，该至少一个电气构造元件被选择为单极或双极瞬态电压抑制器(技术人员简称为TVS)。此外，在本发明方法的仍另一个实施方式中，该至少一个电气构造元件被选择为电压标准(Spannungsnormal)。即使在瞬态电压抑制器或电压标准的情况下，预定的电压也可以对应于功率半导体开关的开关电压与在使用双极晶体管作为自举晶体管时约650mV的电压值之和或者功率半导体开关的开关电压与在使用场效应晶体管作为自举晶体管时自举晶体管的阈值电压之和。
在本发明方法的另一个实施方式中，在n沟道场效应晶体管或npn双极晶体管作为自举晶体管时，该至少一个电阻被选择为上拉电阻。也就是说上拉电阻将自举晶体管连接为导通的，直至由于超过齐纳二极管中的电压值、瞬态电压抑制器的电压值或自举晶体管的电压标准的电压值而再次被关闭。
在本发明方法的仍另一个实施方式中，在p沟道场效应晶体管或pnp双极晶体管作为自举晶体管时，该至少一个电阻被选择为下拉电阻。
在本发明方法的一个实施方式中，通过第一自举晶体管和被形成为在超过第一预定电势差时传导电流的第一电气构造元件来满足该储能器中的电压上限，并且通过第二自举晶体管和被形成为在超过第二预定电势差时传导电流的第二电气构造元件来满足在控制该功率半导体开关时的电流限值。尤其当自举电容器大幅度放电并且功率晶体管突然从自举电容器的正极的电势大幅度超过供应电压的电势的开关状态转换到可以对自举电容器进行后续充电的开关状态时，出现了应当用于充电的供应电势与自举电容器的正端子的电势之间的高瞬时电压差。对应地，在没有电流限制的情况下可能会表现出突然的高电流，这可能造成各种问题，其中尤其是供应电压中断、电磁辐射、构件和导体的升温和/或受损。
另外要求保护一种充电电路，该充电电路用于在具有至少一个储能器和至少一个功率半导体开关的功率电子电路中进行灵活自举，该充电电路包括阻断二极管、至少一个自举晶体管、至少一个电阻和至少一个电气构造元件，该电气构造元件被形成为在超过预定的电势差时传导电流，并且其中用于控制该至少一个功率半导体开关的该至少一个储能器和该至少一个功率半导体开关的源极/发射极电势处于相同的电势，其中该阻断二极管在流通方向上连接到相对于参考电势的供应电压，并且该至少一个自举晶体管用其输入端在流通方向上连接到该阻断二极管并且用其输出端在流通方向上连接到该储能器的上电势，其中在n沟道场效应晶体管或npn双极晶体管作为自举晶体管时，被形成为当超过预定的电势差时传导电流的该至少一个电气构造元件用其输入端在阻断方向上连接到该自举晶体管的控制端子并且用其输出端在阻断方向上连接到该储能器的处于该功率半导体开关的源极/发射极电势的端子，并且在p沟道场效应晶体管或pnp双极晶体管作为自举晶体管时，该电气构造元件用其输入端在阻断方向上连接到该储能器的上电位并且用其输出端在阻断方向上连接到该自举晶体管的控制端子，并且其中在n沟道场效应晶体管或npn双极晶体管作为自举晶体管时，该至少一个电阻对应地布置在该供应电压的电势与该自举晶体管的基极之间，并且在p沟道场效应晶体管或pnp双极晶体管作为自举晶体管时该电阻布置在该功率半导体开关的源极/发射极电势与该自举晶体管的基极之间。
本发明的充电电路允许对储能器进行后续充电仅直至与待控制的功率半导体及其最大或理想控制电压相匹配的预设电压。本发明的充电电路在此具有特别高效地利用所提及的供应电压的实施方式。
储能器的后续充电由整个电路的已有的电压供应装置来进行，该电压供应装置至少暂时相对于带控制的功率半导体(发射极或源极)的参考电势至少具有待控制的功率半导体的所需的供应电压。以如下方式激活后续充电，使得每当达到所要求的电势差时，储能器就尽可能被充电到所选的电压。当达到所选的电压时，后续充电结束。另外，当供应电压的电势低于储能器的正电势时，后续充电结束，以便防止储能器向所使用的供应端中放电。
在本发明的充电电路的设计中，该至少一个储能器通过自举电容器构成。
在本发明充电电路的其他设计中，该充电电路另外包括阈值开关，该阈值开关连接在该自举电容器处。为了在下阈值时激活并且只有在超过上阈值时再次解除激活，优选可以将此类的阈值开关形成为施密特触发器并且因此具有滞后性。任选地，电压传感器可以位于自举电容器处。这个阈值开关可以用于监测相关的自举电容器的充电状态。阈值开关的信号可以用于阻断栅极驱动器，以便当没有达到自举电容器的充电状态并且功率半导体开关在仅半接通状态下在电流流动时有受损风险时，防止激活相关的功率半导体开关。另外，阈值开关的信号可以被传递给上级的控制器，该控制器例如还负责生成功率半导体开关的控制信号。
最后要求保护一种配备有根据本发明的充电电路的多电平转换器，该多电平转换器具有至少一个模块存储元件并且被设计为用于实施根据本发明的方法。该至少一个模块存储元件被设计为用于存储电能。在此例如可以涉及电池。
在本发明的多电平转换器的设计中，该多电平转换器包含至少两个同类的模块，其中该至少两个同类的模块分别包括至少一个功率半导体开关并且分别包括至少一个根据本发明的充电电路，该功率半导体开关的源极/发射极电势至少暂时低于相应模块的供应电压的参考电势，并且其中该至少两个模块分别包括至少一个直流电压变换器，并且在该至少两个模块中，该供应电压分别经由该至少一个直流电压变换器与该至少一个模块存储元件相连。
本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图中得出。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。
将概括并一般性地描述附图，相同的部件与相同的附图标记相关联。
图1以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式通过双极晶体管控制功率半导体开关的示例性电路。
图2以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式尤其在多电平转换器中通过双极晶体管控制功率半导体开关的示例性电路。
图3以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式通过场效应晶体管控制功率半导体开关的示例性电路。
图4以示意图示出借助于本发明方法的实施方式用于替代性自举电路的示例性电路。
图5以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式用额外的电流限制来控制功率半导体开关的示例性电路。
图6以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式控制MMSPC模块的示例性电路。
图7以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的MMSPC模块中相应自举电路的示例性扩展方案。
图8以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有阈值开关的MMSPC模块的示例性电路。
图9以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有作为模块存储元件的电池的MMSPC模块的示例性电路。
图10以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有多个电池电芯作为模块存储元件的MMSPC模块的示例性电路。
图11以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有电池电芯平衡系统作为模块存储元件的MMSPC模块的示例性电路。
图12以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有六个开关的四象限模块的示例性电路。
图13以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有六个开关的四象限模块的另一个示例性电路。
图14以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有六个开关的三象限模块的示例性电路。
图15以可以借助于本发明方法的实施方式接通的四象限模块的示例性电路示出并联的导线路径，这些导线路径因此具有相同的接线端电压。
图16以示意图示出可以借助于本发明方法的实施方式接通的缩减的四象限模块的示例性电路。
图17以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的示例性电路，该电路通过电流不隔离的直流电压变换器从模块存储元件对自举电路进行供应。
图18以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的示例性电路，该电路通过降压变换器从模块存储元件对自举电路进行供应。
图19以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的示例性电路和被置于供应电压的参考电势的模块控制器。
图20以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有开关式电容器变换器的示例性电路。
在图1中以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式通过双极晶体管804控制功率半导体开关的示例性电路810和820。双极晶体管804实现充电开关的功能，其中其控制电势与开关信号212的电势不同。对应地，电平转换装置206可以任选地用于进行控制，该电平转换装置使开关信号212的电势偏移到源极/发射极参考值并且可以与栅极驱动器222的驱动输出级集成到一起。优选地，能量供应在电平转换装置206的输入侧上通过与提供开关信号212的控制器的电势相同的电势来进行。同样可以设想的是使用光耦合器或信号隔离器，其中在此情况下使用的开关不一定是功率晶体管，而小信号晶体管(Kleinsignaltransistor)可能就足够，并且于是由此并不一定必须使用成本昂贵的栅极驱动器222。在电路810和820中，画虚线的框标记了本发明充电电路800的实施方式，该充电电路包括上拉电阻812或822、阻断放电方向的二极管112、双极晶体管804和齐纳二极管802。充电电路800的供应电压106参照提供开关信号212的控制器的接地电势。齐纳二极管802的击穿电压从功率晶体管100的开关电压加上650mV得出。齐纳二极管804的功能一般还可以被单极或双极TVS(瞬态电压抑制器的简称)、电压标准或类似的构件替代，这些构件适合于生成电压参考值(例如基于电流-电压图中的清晰边缘)。作为功率半导体开关100，主要可以使用增强模式的n沟道IGFET(绝缘栅极场效应晶体管的简称)，即根据标准、也就是说在0V的栅极-源极电压下进行阻断并且与正电压接通的晶体管。但是还可设想的是使用n沟道IGBT、npn晶体管以及常用的具有PnpN结构和相对于N区的栅极控制器的晶闸管。栅极驱动器222以及其供应端224和226还可以选择性地被功率半导体开关100的其他控制电路替代。在电路810中，简化地看，处于千欧姆范围内的上拉电阻812开启双极晶体管，直至齐纳二极管802再次将该双极晶体管关闭。在电路820中，自举电容器102的上拉电阻822被推移到阻断二极管112后方，以便在从供应电势106到自举电容器102的负电压下利用阻断二极管112的阻断电压并且实现在双极晶体管804的基极处较小的电压负载。
图2以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式尤其在模块化多电平转换器(简称为MMC或者称为原先在现有技术中描述的MMSPC)中通过图1所示的双极晶体管804来控制功率半导体开关102的示例性电路910和920。在电路921中示出此类MMC模块的局部，该模块具有由两个半桥形成的位于同一个板上的模块间连接元件，这两个半桥分别由在电势中依据开关位置不同可以相对移动的功率半导体开关901和902或者903和904组成。在电路921中虚线框出的功率半导体开关903和904(尤其称为“次级高侧功率晶体管”903和“次级低侧功率晶体管”904)被设置为用于与电路920(该电路对于相应的功率半导体开关903或904具有光耦合器206或926以及栅极驱动器222或922)一起进行控制。特别在MMC/MMSPC模块中，每个功率晶体管的所需状态通常在模块之外在包含中央控制器的状态模块202中获得并且作为状态信息208例如以经编码方式传输给模块的相应控制器204，该控制器任选地存在于相应模块上或者集中地存在。控制器204从相应的状态信息208获得用于各个功率晶体管的特定的开关信号212并且将这些开关信号例如经由栅极驱动器222借助于已经在图1的电路810中示出的控制器实现在相应的功率半导体开关100中。在将相应的状态信息从状态模块202传递到模块的相应控制器204时，大多数情况下通过光耦合器或信号隔离器来进行控制信号的电流隔离。电路910示例性地关于上述过程展示了本发明方法的实施方式，其中另外实现了任选的栅极预置电阻912，一般在所有功率晶体管栅极中在适当时用二极管和另外的电气构造元件来补充该栅极预置电阻。
图3以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式通过场效应晶体管114控制功率半导体开关100的示例性电路1010和1020。在图1中所示的电路810和820的变体中，通过场效应晶体管114来实现充电开关的功能。齐纳二极管或TVS二极管802的击穿电压在此由功率晶体管100的开关电压加上场效应晶体管114的阈值电压得到。
在图4中以示意图示出借助于本发明方法的实施方式用于替代性自举电路的示例性电路1110和1120。自举电路1110的供应电压106施加在阻断放电方向的二极管112处。在晶体管1114处，借助于在基极-发射极电压UBE 1116下的电流来接通通向栅极驱动器的供应端1102的在集电极-发射极电压UCE 1112下的电流。齐纳二极管802的击穿电压UZ 1118从功率晶体管100的开关电压加上650mV得出。除了端子1102之外，自举电容器102还具有用于供应功率半导体开关的栅极驱动器或源极/发射极端子的第二端子1104。电路1120展示了另一种替代的自举电路，该电路具有p沟道场效应晶体管1124并且在该电路中齐纳二极管1122连接到栅极驱动器的供应端1102。用于场效应晶体管1124的栅极的10千欧姆的下拉电阻1128与功率半导体开关的栅极驱动器或源极/发射极端子的供应端1104相连。
在图5中以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式用额外的电流限制来控制功率半导体开关100的示例性电路1210和1220。尤其当自举电容器102大幅度放电并且功率晶体管100突然从自举电容器102的正极的电势大幅度超过供应电压106的电势的开关状态转换到可以对自举电容器102进行后续充电的开关状态时，出现了应当用于充电的供应电势106与自举电容器102的正端子的电势之间的高瞬时电压差。对应地，在没有电流限制的情况下可能会表现出突然的高电流，这可能造成各种问题，其中尤其是供应电压106中断、电磁辐射、构件和导体的升温和/或受损。在自举电路中具有两个晶体管1214和1212以及齐纳二极管802的电路1210示出附加于上拉电阻1216的电阻1217和1218的示例性布置，这些电阻插入到供应电压106与自举电路之间或者在自举电路与自举电容器102之间的路径中，以便对应地禁止恰在自举电容器102较空时造成突然的大电压差的大电流。栅极驱动器222在此经由栅极控制信号1202来控制。替代于或附加于电阻1217和1218，电感也可以禁止快速电流升高。替代地，还可以将电路1220中所示的限流电路集成到自举电路中，以便实现对自举电容器102经调节地充电直至所希望的电压。电压限值在此由位于箝位电路1228下的构造元件(其中有一个晶体管“Q1”1224和两个电阻“R1”1221和“R2”1222)来确定。电气构造元件1226(例如可以为TVS或齐纳二极管)的击穿电压在此由功率晶体管100的开关电压加上晶体管“Q1”1224的阈值电压得到。电气构造元件1227(例如可以为TVS或齐纳二极管)限定晶体管“Q1”的栅极-源极电压，以便防止损伤。在电压过高(例如在适当的TVS或齐纳二极管的情况下20V)时，这个构造元件1227导出另外的电流。电流限值在此由位于箝位电路1229下的电气构造元件(其中有一个晶体管“Q2”1225和一个电阻和“R3”1223)来确定。当经过“R3”1223的电流构成了足够高的电压(例如在双键晶体管的情况下约650mV或在达灵顿对的情况下约1300mV，该电压同时也是“Q2”1225的基极-发射极电压)时，“Q1”1224设定了自举电容器102的目标电压，而晶体管“Q2”1225调节“Q1”1224的晶体管栅极、或者当“Q1”1224为双极晶体管时调节“Q1”1224的晶体管基极。
在图6中以示意图示出用于借助于本发明方法的实施方式控制MMSPC模块的示例性电路1300，其中另外地在电路图1310中展示了模块控制器1310，其控制信号1321、1322、1323、1324、1325、1326、1327、1328相应地构成栅极控制信号1301、1302、1303、1304、1305、1306、1307、1308。晶体管“A”1311、“B”1312、“C”1313、“D”1314、“E”1315、“F”1316、“G”1317和“H”1318由功率半导体开关构成。在所展示的MMSPC四象限模块的电路1300中，晶体管“B”1312和D“1314”(这些晶体管并不一定也必须是优选处于5V或3.3V的模块逻辑供应装置)的栅极驱动器的供应装置1309参照模块存储元件CM 1319的负端子并且例如为15V-18V。功率晶体管“B”1312和“D”1314的控制可以直接由以上提及的供应装置来进行，而对晶体管“A”1311和“C”1313的控制的供应在此分别用彼此独立的传统自举单元(即阻断放电方向的二极管和自举电容器，该自举电容器例如可以为几个μF大小)来进行。其相应的后续充电在如下情况进行：当对于晶体管“A”1311而言将晶体管“B”1312接通时或者当对于晶体管“C”1313而言将晶体管“D”1314接通并且相关的自举电容器的参考电势暂时参照供应电压的接地时。然而在此要注意的是，这些自举单元实际上是独立的，也就是说，仅仅因为通向晶体管“B”1312的自举电容器由于接通的晶体管“A”1311而被充电，并不意味着通向晶体管“D”1314的自举电容器也被充电。存在模块间连接的如下状态：“低侧旁通”、“串联负”、“并联”。在适当时，“高侧旁通”状态也可能提供充分的条件，但是只是当右侧连接的模块的充电状态匹配时。在准确观察时，“B”1312还与“E”1315一起构成半桥，而“D”1314与“G”1317一起构成半桥。对晶体管“E”1315和“G”1317的供应可以经由惯用的自举方法来进行，因为其参照电势同样可以如电路1300中可见地通过晶体管“B”1312或“D”1314(由于所提及的晶体管的水平标示的连接)暂时参照供应电压的接地，以便分别经由二极管从晶体管“B”1312和“C”1313的供应电压来对相应的自举电容器进行后续充电。上文提及的二极管有利地可以为肖特基二极管，该肖特基二极管上具有较小的电压降。后续充电同样可以在晶体管“B”1312或“D”1314接通时进行(在此这些单元也是独立的)。存在模块间连接的如下状态：“低侧旁通”、“串联负”、“并联”。在适当时，“高侧旁通”也可能提供充分的条件，但是只是当右侧连接的模块的充电状态匹配时。然而，所需的用于晶体管“F”1316和“H”1318的电压供应也可能向负向漂移，使得惯用的自举电路在这样的瞬间将相关的自举电容器过载到明显过高的电压。在此对应地实现自举电路的本发明实施方式。在此后续充电分别不仅在如下状态下进行：在这些状态下，这些晶体管的参考电势(即源极或发射极电势)处于供应电压的电势且因而处于晶体管“B”1312和“D”1314的电势；而且还与现有技术相反地低于该电势。存在模块间连接的如下状态：在相等电势时的“低侧旁通”和“并联”，以及在较低电势时的“负串联”。自举电容器的布局如此设计，使得充电至少足以跨越直到下次后续充电为止的时间，而没有大幅度的电压中断。在理想情况下，控制器(例如模块控制器1320)考虑到这种特性并且对于每个自举电容器获取自上一次后续充电起至今为止的时间并且在适当时在超时(Time-outs)过去之后强制采取对应的用于后续充电的模块状态。另外，这个控制器还可以用以往的和在适当时未来的状态的知识来估算自举电容器的放电以及向待控制的晶体管中的放电。电路1300中的栅极驱动器形成为电流隔离的驱动器。这意味着，输入信号允许参照共用的其他的电势，在此示例性地模块存储元件CM 1319的负电势。相反，这个栅极驱动器的输出端参照连接到驱动器的供应电压，例如通过将驱动器负供应电压连接到相关晶体管的源极/发射极端子。为此目的，栅极驱动器可以包含所谓的电平转换装置。然而根据本发明的实施方式可以同样与如下栅极驱动器一起使用：这些栅极驱动器的信号输入端和输出端必须处于相同的电势。在后者的情况下优选使用额外的电平转换装置，以便能够控制处于另一电势的控制器。另外，为了MMSPC模块的工作，电路1300可以在模块存储元件CM1319处任选地具有至少一个电压传感器，该电压传感器被模块控制器1320读出。另外，电路1300可以包括至少一个电流传感器，该电流传感器测量在模块存储元件CM 1319中流动的电流并且被模块控制器1320读出。最后，在至少一个模块功率端子处可以存在电流传感器，这些电流传感器被模块控制器1320读出。
功率半导体开关(例如栅极驱动器)的控制电路的供应电压且因此能量供应可以由模块存储单元中得知。另外，供应电压还可以用于本地模块控制器电子装置的工作，也就是说与同多个模块交换数据和/或命令的中央控制器或控制零件相反，本地模块控制电子装置是被指定给某一模块并优选定位在对应的模块中或对应的模块处的控制器或控制零件。本地模块控制电子装置尤其可以包括集成电路(IC)、例如逻辑构造单元，微控制器，数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑构造单元(CPLD)或可编程门阵列(FPGA)。此外，供应电压同样可以用于检测电路和测量电路以及对应模块的模数转换器的运行。当模块存储元件包括电池和/或电容器(其充电电压在待供应的电子部件(尤其功率半导体开关的控制电路)的工作范围内)时，供应电压还可以直接由所提及的模块存储元件来进行。
由此，不需要从外部对模块进行能量供应，该能量供应必须通过电流隔离、例如通过电流隔离的直流电压变换器向这个或这些模块中进行并且因而在高成本和不可忽视的构造空间下涉及较低的效率。尤其在具有高电压的多电平转换器的情况下，从外部的供应必须提供系统的整个绝缘电压，以便实现在相应模块的电势上进行供应。这可能是几千伏特至几百万伏特，虽然供应电压的电压例如仅仅可能为15V。
相反，在很多情况下，用于控制功率半导体开关所需的电压低于该至少一个模块存储元件的电压范围，例如低于20V，而该至少一个模块存储元件的电压例如尤其当涉及电池时通常可以高达60V，或者当涉及例如在能量传输领域中的高电压转换器时甚至可以高达超过1000V。在此情况下，直流电压变换器、尤其降压变换器(buck converter)是有利的，该变换器优选单向地将能量从该至少一个模块存储元件取出并且变换到适合用作本发明意义上的供应电压的较低电压。当供应电压的参考电势对应于对应的模块存储元件的极之一的电势时，尤其可以使用电流不隔离的降压变换器，例如降压变换器(开关式电感器降压变换器(switched-inductor buck converter))或开关式电容器变换器(switched-capacitor converter)。这些变换器可能以成本非常低廉、小型且高效的方式实现并且与现有技术相反无须包含用于电流隔离的大型且昂贵的传输器或变压器来保证一定的绝缘电压。
在图7中以示意图示出用于在例如与图6中所示的MMSPC模块1300中的相应自举电路的示例性扩展方案1410和1420。扩展的自举电路1410在自举电容器102处具有阈值开关1412。在电压过小时，阈值开关1412将输出信号1414(例如可以为二进制信号)传递给模块控制器(例如来自图6的模块控制器1320)，使得模块控制器可以对应地在模块日程安排中在稍后的将来设置后续充电。替代地，模块控制器1320还可以直接强迫进入如下的模块状态：在该模块状态中，对对应的自举电容器进行充电。在扩展的自举电路1420中，在电压阈值下的电路连接用施密特触发器1422实现。施密特触发器因此具有滞后性，以便在下阈值时将开关信号1424激活并且只有在超过上阈值时才再次将开关信号解除激活。任选地，电压传感器可以位于自举电容器处。
在图8中以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有阈值开关1501、1503、1506、1507、1508的MMSPC模块的示例性电路1500。根据本发明，先前在图7中描述的扩展的电路1410被布置在通向晶体管1311、1313、1316、1317和1318的相应所需的自举电路处。供应电压1309以其负极连接在参考电势1531处并且直接为功率半导体开关1312、1314的栅极驱动器提供能量供应，其中源极/发射极电势处于供应电压1309的参考电势1531。用于具有相应源极/发射极电势(这些电势暂时处于参考电势1531并且在其他时间总是高于该参考电势)的功率开关1311、1313、1315、1317的栅极驱动器的能量供应装置分别包括储能器和阻断二极管。在本发明的意义上，用于功率半导体开关1316、1318(其源极/发射极电势依据功率半导体开关1311-1318的导通状态不同而至少暂时低于供应电压1309的参考电势1531)的栅极驱动器的能量供应装置分别包括阻断二极管、储能器、自举晶体管和电气构造元件，该电气构造元件被形成为用于当其端子之间的预定电势差被超过时传导电流。
在图9中以示意图示出用于执行本发明方法的另一个实施方式的带有作为模块存储元件的电池1602的MMSPC模块的示例性电路1600。先前在以上附图中提及的模块存储元件CM 1319在此被电池1602替代。
在图10中以示意图示出用于执行本发明方法的仍另一个实施方式的带有作为模块存储元件的多个电池电芯1702的MMSPC模块的示例性电路1700。电池电芯1702可以由包括处于串并联连接的多个单独电芯的电池组构成。
在图11中以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有电池电芯平衡系统1802的MMSPC模块的示例性电路1800。电池电芯平衡系统1802尤其可以具有锂离子电芯。
在图12中以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有六个晶体管1312、1313、1314、1316、1317、1318的四象限模块的示例性电路1900。
在图13中以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有六个晶体管1311、1312、1313、1314、1315、1318的四象限模块的另一个示例性电路2000。
在图14中以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有六个晶体管1311、1312、1313、1314、1315和1316的三象限模块的示例性电路2100。
在图15中以可以借助于本发明方法的实施方式接通的四象限模块(该四象限模块包括模块存储元件2209和八个晶体管2201、2202、2203、2204、2205、2206、2207和2208)的示例性电路2210、2220和2230示出并联的导线路径，这些导线路径因此具有相同的接线端电压。在电路2210中，此类的并联导线路径由导线路径2211和导线路径2212构成或者由导线路径2213和导线路径2214构成；在电路2220中，此类的并联导线路径由导线路径2221和导线路径2222构成；并且在电路2230中，此类的并联导线路径由导线路径2231和导线路径2232构成。当通过相应电路仅应执行以下内容，即通过这两个并联导线路径之一来提供相应的接线端电压时，首先可以从相应的电路中去除位于相应的其他导线路径上的任意一个晶体管。但应如此选择待去除的第二晶体管：使得仍然总是能够通过这些剩余的晶体管产生从每个接线端到每个其他接线端的连接。通过这种规定产生了多种可能的缩减的电路。如果去掉更多的开关，则可能丢失若干可能的开关状态，例如“并联”，这对于某些应用而言可能具有优点。
图16以示意图示出相应的四象限模块的两个示例性电路2310和2320，该四象限模块用关于图15的说明中的规定来缩减并且包括模块存储元件2309。在电路2310中，四象限模块被缩减为晶体管2301、2302、2303、2306、2307和2308。在电路2320中，四象限模块被缩减为晶体管2301、2302、2303、2305、2306和2307。
图17以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的示例性电路2400，该电路通过电流不隔离的直流电压变换器2401从模块存储元件1319对自举电路进行供应。供应电压1309的参考电势(在所示的情况下为其负极的参考电势)与模块存储单元的负极重合。即，在此情况下不需要昂贵的电流隔离。自举方法使能量进一步偏移到功率半导体开关1311、1312、1313、1314、1315、1316、1317、1318的相应电势。为了控制电路2400，使用了模块控制器1310。
图18以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的示例性电路2500，该电路通过降压变换器2501从模块存储元件1319对自举电路进行供应。用电路2500展示的本发明实施方式是从图17中的电路2400中获得的，其具体方式为由降压变换器2501构成直流电压变换器2401。
图19以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的示例性电路2600和被置于供应电压1309的参考电势的模块控制器1320，其中降压变换器2501同样处于接地2601。由于供应电压1309可以用于控制电路2600，提供用于电路2600的功率半导体开关1311、1312、1313、1314、1315、1316、1317、1318的信号1321、1322、1323、1324、1325、1326、1227、1328的模块控制器1320以其接地2631处于供应电压1309的参考电势并且连接到具有供应电压1309的供应端2632。这在适当时可以用另外的电流不隔离的降压变换器或线性调节器(当电压应更低时)来执行。
图20以示意图示出用于执行本发明方法的实施方式的带有开关式电容器变换器2701的示例性电路2700以及关于模块控制器1320的电路图2710。来自图18中的电路2500的电流不隔离的降压变换器2501现在由开关式电容器变换器2701设计成。所示出的是作为两级的电压减半的变换器的实施方式，其中电容器在输入侧上串联地充电并且在输出端并联地放电。在更低的输出电压下更多的级也是可以设想的。

Claims (14)

1.一种用于在功率电子电路中进行灵活自举的方法，其中用于控制功率半导体开关(100)的储能器(102)和该功率半导体开关(100)的源极/发射极电势处于相同的电势，其中阻断二极管(112)如下连接到由源提供的相对于参考电势的供应电压(106)，使得该源经由该阻断二极管(112)只能输出能量而不能接收能量，并且在该阻断二极管(112)之后跟随至少一个自举晶体管(114，804，1114，1124)，该至少一个自举晶体管用其漏极/集电极输入端连接到该阻断二极管(112)并且用其源极/发射极输出端连接到该储能器(102)的上电势，其中在n沟道场效应晶体管(114)或npn双极晶体管(804，1114)作为自举晶体管(114，804，1114)时，被形成为当超过预定的电势差时在阻断方向上也传导电流的至少一个电气构造元件(802)用该电气构造元件(802)的输入端在阻断方向上连接到该自举晶体管(114，804，1114)的栅极/基极控制端子并且用该电气构造元件(802)的输出端连接到该储能器(102)的处于该功率半导体开关(100)的源极/发射极电势的端子，并且在p沟道场效应晶体管(1124)或pnp双极晶体管作为自举晶体管(1124)时，该电气构造元件用该电气构造元件(1122)的输入端在阻断方向上连接到该储能器(102)的上电位并且用该电气构造元件(1122)的输出端连接到该自举晶体管(1124)的栅极/基极控制端子，并且其中在n沟道场效应晶体管(114)或npn双极晶体管(804，1114)作为自举晶体管(114，804，1114)时，至少一个电阻(812，822，1128)对应地布置在该供应电压(106)的电势与该自举晶体管(114，804，1114)的栅极/基极控制端子之间，并且在p沟道场效应晶体管(1124)或pnp双极晶体管作为自举晶体管(1124)时，该电阻布置在该功率半导体开关(100)的源极/发射极电势与该自举晶体管(1124)的栅极/基极控制端子之间，由此一旦该供应电压(106)的电势高于该储能器(102)的电势就实现对该储能器(102)的充电，并且由此一旦超过在该电气构造元件(802)中预定的电势差就防止过载，并且由此通过该阻断二极管(112)防止该储能器(102)的放电，其特征在于，
通过第一自举晶体管(1224)和被形成为在超过第一预定电势差时传导电流的第一电气构造元件(1226)来满足该储能器(102)中的电压上限，并且通过第二自举晶体管(1225)和被形成为在超过第二预定电势差时传导电流的第二电气构造元件(1227)来满足在控制该功率半导体开关(100)时的电流限值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该储能器(102)被选择为自举电容器。
3.根据以上权利要求之一所述的方法，其中该至少一个自举晶体管(804，114)被选择为双极晶体管(804)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中该至少一个自举晶体管(804，114)被选择为场效应晶体管(114)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中该至少一个电气构造元件(802)被选择为齐纳二极管。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中该至少一个电气构造元件(802)被选择为单极或双极瞬态电压抑制器。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中该至少一个电气构造元件(802)被选择为电压标准。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中在n沟道场效应晶体管(114)或npn双极晶体管(804，1114)作为自举晶体管(114，804，1114)时，该至少一个电阻被选择为上拉电阻。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中在p沟道场效应晶体管(1124)或pnp双极晶体管作为自举晶体管(1124)时，该至少一个电阻被选择为下拉电阻(1128)。
10.一种充电电路(800)，该充电电路用于在具有至少一个储能器和至少一个功率半导体开关的功率电子电路中进行灵活自举，该充电电路包括阻断二极管(112)、至少一个自举晶体管(804，114，1114，1124)、至少一个电阻(812)和至少一个电气构造元件(802)，该电气构造元件被形成为在超过预定的电势差时传导电流，并且其中用于控制该至少一个功率半导体开关(100)的该至少一个储能器(102)和该至少一个功率半导体开关(100)的源极/发射极电势处于相同的电势，其中该阻断二极管(112)在流通方向上连接到相对于参考电势的供应电压(106)，并且该至少一个自举晶体管(804，114，1114，1124)用其输入端在流通方向上连接到该阻断二极管(112)并且用其输出端在流通方向上连接到该储能器(102)的上电势，其中在n掺杂的自举晶体管(804，114，1114)的情况下，被形成为当超过预定的电势差时传导电流的该至少一个电气构造元件(802)用其输入端在阻断方向上连接到该自举晶体管(804，114，1114)的控制端子并且用其输出端在阻断方向上连接到该储能器(102)的处于该功率半导体开关(100)的源极/发射极电势的端子，并且在p掺杂的自举晶体管(1124)的情况下，该电气构造元件用其输入端在阻断方向上连接到该储能器(102)的上电位并且用其输出端连接到该自举晶体管(1124)的控制端子，并且其中在n掺杂的自举晶体管(804，114，1114)的情况下，该至少一个电阻(812)对应地布置在该供应电压(106)的电势与该自举晶体管(804，114，1114)的基极之间，并且在p掺杂的自举晶体管(1124)的情况下，该电阻布置在该功率半导体开关(100)的源极/发射极电势与该自举晶体管(1124)的基极之间，其特征在于，
通过第一自举晶体管(1224)和被形成为在超过第一预定电势差时传导电流的第一电气构造元件(1226)来满足该储能器(102)中的电压上限，并且通过第二自举晶体管(1225)和被形成为在超过第二预定电势差时传导电流的第二电气构造元件(1227)来满足在控制该功率半导体开关(100)时的电流限值。
11.根据权利要求10所述的充电电路(800)，其中该至少一个储能器(102)由自举电容器构成。
12.根据权利要求10或11所述的充电电路(800)，该充电电路另外包括阈值开关(1412，1501，1503，1506，1507，1508)或者施密特触发器(1422)。
13.一种多电平转换器(1300，1500，1600，1700，1800，1900，2000，2100，2210，2220，2230，2310，2320，2400，2500，2600，2700)，该多电平转换器具有至少一个模块存储元件(1319)和至少一个根据权利要求10至12之一所述的充电电路并且被配置为用于执行根据权利要求1至9之一所述的方法。
14.根据权利要求13所述的多电平转换器(2400，2500，2600，2700)，该多电平转换器包括至少两个同类的模块(1300，1500，1600，1700，1800，1900，2000，2100，2210，2220，2230，2310，2320)，其中该至少两个同类的模块分别包括至少一个功率半导体开关(1316，1318，2204，2208)并且分别包括至少一个根据权利要求10至12之一所述的充电电路，该功率半导体开关的源极/发射极电势至少暂时低于相应模块的供应电压(106，1531)的参考电势，并且该至少两个模块另外分别包括至少一个直流电压变换器(2401，2501，2701)，其中在该至少两个模块中，该供应电压(106，1531)分别经由该至少一个直流电压变换器(2401，2501，2701)与该至少一个模块存储元件(1319)相连。
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