CN1855679A - 用于控制功率半导体开关的集成电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于控制单个功率半导体开关或控制半桥结构的多个功率半导体开关的集成电路结构。该电路结构由一个具有多个功能组的第一集成控制芯片和至少一个具有多个功能组的第二集成控制芯片组成，所述第一控制芯片的功能块至少包括至少一个用于较高电位开关的第一电平移位器，所述第二控制芯片的功能块至少包括一个第二电平移位器和一个用于所述开关的驱动器。其中至少一个第二控制芯片连接在第一控制芯片的后面，第二控制芯片的地电位处于第一控制芯片的电平移位器的输出端电位上，并且这些控制芯片以控制芯片相互间适当隔离的方式设置在一个公共的外壳中。

Description

用于控制功率半导体开关的集成电路结构
技术领域
本发明提供一种用于控制设置为单个开关或一个桥电路的功率半导体开关的集成电路结构。这种功率开关的桥式结构已知作为单相、双相或三相半桥电路或作为H桥电路，其中单相半桥是功率电子电路的基础构件。在一个半桥电路中两个功率开关设置为一个串接电路，两个开关中第一个称为TOP开关，第二个称为BOT开关。通常这种半桥具有与一个直流中间回路的连接。典型地，中间接点连接于一个负载。
背景技术
在具有一个功率半导体构件或具有多个以同样形式相互串接的功率半导体构件的功率开关结构中为了控制功率开关必须有一个控制电路。根据现有技术，通常此控制电路由多个子电路或功能块组成。由上级配置的控制装置发出的控制信号在第一子电路-控制逻辑电路-中被处理并通过其它元件送到驱动电路，最终送到相应功率开关的控制输入端。在具有更高的中间回路电压-例如大于100伏-的半桥结构中，用于处理控制信号的控制逻辑电路在电位/电气上与驱动电路相隔离，因为相应的功率开关分别处于不同的电位上，因此在电压上的绝缘是必要的。在现有技术中这种隔离例如通过变压器、光耦或光波导实现。这种电气隔离至少适合于TOP开关，但是在较高功率时也适合于BOT开关，这是由于对开关上地电位可能有严格的要求。
已知的还有用于直至600伏电压等级的功率开关的集成电路结构，它们不采用外部的电气隔离。它们是单片集成电路，其中按照现有技术采用诸如所谓SOI(绝缘器上的硅树脂，Silicon on isolator)工艺的电平移位器，以实现控制逻辑电路与真正驱动电路的电气隔离。这种工艺对于更高的电压等级在技术上受到限制，并且成本过高。
此外还已知了借助“结隔离(junction isolation)”的控制逻辑电路及驱动电路的单片集成。这种技术可应用于直至1200伏的电压等级。但这种集成电路结构在生产技术上的成本很高，因而价格昂贵。此外它存在以下技术问题：例如具有漏电流和锁止效应，此外在较高温度(大于125℃的工作温度)下及在快速动态过程中对地电位有严格要求时也会出现问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成电路结构，它采用已知的生产工艺并可用于较高的电压等级，此电压等级高于该生产工艺通常适用的电压等级，并且它同时也适用于超过125℃的更高工作温度下。
按照本发明，上述任务由具有权利要求1或2所述特征的措施完成。从属权利要求中给出本发明具有优点的实施方式。
根据本发明的集成电路结构用于控制设置为单个开关或桥电路的功率半导体开关。这里桥电路是经常应用的，因此在下面对其重点说明。在桥电路中TOP和BOT开关串联连接，并且与一个直流中间回路和一个负载相连接。这里桥电路可以有不同的结构，例如构成成单相、两相或三相半桥，或者构造成具有另一个功率开关-即所谓制动断路器的三相桥。与桥电路的结构相关地，根据本发明的集成电路结构具有第一集成控制芯片和至少一个第二集成控制芯片。第一控制芯片包括多个功能组，其中有控制逻辑电路和至少一个BOT开关驱动器和至少一个用于TOP开关的第一电平移位器。至少一个第二集成控制芯片包括多个功能组，根据本发明，其中有至少一个第二电平移位器和一个TOP开关驱动器。根据本发明，至少一个第二控制芯片接在第一控制芯片之后。其中相应的第二控制芯片的地电位处于用于相应TOP开关的第一控制芯片的电平移位器的输出电位上。第一和至少一个第二控制芯片最好以所有控制芯片相互间适当隔离的方式一起设置在一个公共的外壳中。
在控制单开关的情况下，显然在电路结构中不存在用于BOT开关的驱动器，而只有用于处于其它电位的功率开关的一个或多个电平移位器。
附图说明
下面借助图1至4所示实施例详细说明本发明。
图1示出现有技术中用于控制功率半导体开关的一个电路结构。
图2示出根据本发明的用于控制设置为功率开关半桥电路的功率半导体开关的电路结构。
图3示出根据本发明的用于控制设置为功率开关三相桥电路的功率半导体开关的电路结构。
图4示出根据本发明的用于控制设置为具有制动断路器的三相桥电路的功率半导体开关的电路结构。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的一个用于控制功率半导体开关的电路结构。其中一个半桥电路由第一功率开关40(即TOP开关)和与其串接的第二功率开关50(即BOT开关)组成。这两个开关分别由一个功率晶体管-例如一个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和一个反向并联连接的空转二极管或者作为替代的MOS-FET构成。按照现有技术，各个半导体开关也可由多个并联连接的IGBT和多个与它们反向并联连接的空转二极管或类似地多个MOS-FET组成。
各晶体管的栅极作为控制输入端与一个驱动电路相连接。其中驱动电路20对应于TOP开关40，驱动开关30对应于BOT开关50。这两个功率开关在工作时处于不同的电位，因而两个驱动电路20，30必须相互电绝缘地设置。
一个上级配置的控制装置的控制信号5在控制逻辑电路10中被处理，并且电气上隔离地传输到驱动电路。这里为了实现电气隔离，在控制逻辑电路10与驱动电路20，30之间接有变压器22，32。在诸如小功率等某些特定应用情况下，按照现有技术没有采用连接到BOT开关50的驱动器30的变压器32。此时控制逻辑电路10和BUT驱动器30处于相同的电位。
图2示出根据本发明的用于控制设置为功率开关半桥电路的功率半导体开关的电路结构。其中该半桥电路与图1中的半桥电路相同。这里电压等级1200伏的IGBT被用作功率开关40，50。
上级配置的控制装置的控制信号5按照本发明由单个构件处理，并送到相应功率开关40，50的栅极。此构件由两个控制芯片72，74组成，这两个控制芯片相互隔离地设置在一个公共的外壳70中。第一控制芯片72包括一个逻辑电路组750、一个用于BOT开关50的驱动器732、以及一个用于TOP开关的电平移位器730。此电平移位器的输出端与第二控制芯片74的输入端相连接。第二控制芯片74包括第二电平移位器740和TOP开关40的驱动器746。
这样在逻辑电路组750和TOP开关40的驱动器746之间的信号借助于所述第二电平移位器730，740提升到所需电位上。由于第一电平移位器730是第一控制芯片72的集成部件，而第二电平移位器740是第二控制芯片74的集成部件，在每个控制芯片72，74上需要克服的电位差只是最大电压的一半。这里第一控制芯片72的地电位例如在0伏与600伏之间，而第二控制芯片74的地电位在600伏和1200伏之间波动。从而根据现有技术，600伏绝缘方法-例如SOI-可以应用于相应的控制芯片72，74上。由于两个控制芯片72，74相互隔离地设置，在整个集成电路结构中克服了两倍于各控制芯片72，74电位差的电位差。在此实施例中，在控制芯片72，74中以600伏的内部绝缘实现了本发明用于1200伏电压等级的集成电路结构70。
图3示出根据本发明的用于控制设置为功率开关三相桥电路的功率半导体开关的电路结构。所述三相桥电路由三个与图1中相同的半桥电路构成。三相桥电路分别具有三个TOP开关和三个BOT开关，它们同样由电压等级为1200伏的IGBT构成。负载60可以例如是交流电动机。
上级配置的控制装置的控制信号5按照本发明由单个构件70处理，并送到三相桥电路的相应功率开关40，50的栅极。构件70由4个控制芯片72，74构成，它们相互绝缘地设置在一个公共的外壳70中。第一控制芯片72在这里比图2所示的更加复杂，它包括以下功能组：电压调节器724，输入接口720，处理逻辑电路722，故障管理726，保护电路728以及用于三相桥电路的BOT开关50的三个驱动器732和用于TOP开关的三个电平移位器730。电平移位器730的输出端与三个第二控制芯片74的输入端相连接。这些第二控制芯片分别包括一个电平移位器740，一个信号重建742，一个处理逻辑电路和一个保护电路744，以及用于各个TOP开关40的驱动器746。
处理逻辑电路722和TOP开关40的驱动器746之间的信号也是借助于所述第二电平移位器730，740提升到所需电位上。第一电平移位器730是第一控制芯片72的集成部件，而第二电平移位器740是第二控制芯片74的集成部件，同时各个第二控制芯片74的输出电位在工作时位于600伏至1200伏之间的不同电位上，并且这些电位在工作期间内发生波动。在控制三相桥电路的情况下，也可以将现有技术中的绝缘方法应用到各控制芯片72，74上。由于所有控制芯片72，74相互隔离，从而与图2所示实施例一样在整个集成电路结构70中克服了两倍于控制芯片72，74内部电位差的电位差。
图4示出根据本发明的用于控制设置为具有制动断路器的三相桥电路的功率半导体开关的电路结构。这里除了三个TOP开关和三个BOT开关50之外还设置了第7个功率开关80。所述的第7个开关80用于在工作中控制所谓的制动断路器，它例如用于由于电动机60的回馈导致的电路中多余电能的排放。为了控制用于制动断路器的功率开关80，与图3相比，第一控制芯片具有另一个驱动器734，它处于与BOT开关50的驱动器732相同的电位上。

Claims (9)

1.用于控制功率半导体开关(40)的集成电路结构，其中该电路结构由具有多个功能组的第一集成控制芯片(72)，和至少一个具有多个功能组的第二集成控制芯片(74)组成，所述第一集成控制芯片(72)的功能组至少包括至少一个用于一个开关(40)的第一电平移位器(730)，所述第二集成控制芯片(74)的功能组至少包括一个第二电平移位器(740)和一个开关(40)的驱动器(746)，其中至少一个第二控制芯片(74)连接在第一控制芯片(72)的后面，第二控制芯片(74)的地电位处于第一控制芯片(72)的电平移位器(730)的输出端电位上，并且控制芯片(72，74)以控制芯片(72，74)相互间适当隔离的方式设置在一个公共的外壳(70)中。
2.用于控制设置在桥电路中的功率半导体开关(40，50)的集成电路结构，其中功率半导体开关作为TOP开关(40)和BOT开关(50)，它们与一个直流中间回路和一个负载(60)相连接，其中该电路结构由一个具有多个功能组的第一集成控制芯片(72)和至少一个具有多个功能组的第二集成控制芯片(74)组成，所述第一集成芯片(72)的功能组至少包括一个BOT开关(50)的驱动器(732)和至少一个用于TOP开关(40)的第一电平移位器(730)，所述第二集成芯片(74)的功能块至少包括一个第二电平移位器(740)和一个TOP开关(40)的驱动器(746)，其中至少一个第二控制芯片(74)连接在第一控制芯片(72)的后面，第二控制芯片(74)的地电位处于第一控制芯片(72)的电平移位器(730)的输出端电位上，并且控制芯片(72，74)以控制芯片(72，74)相互间适当隔离的方式设置在一个公共的外壳(70)中。
3.如权利要求1或2所述的电路结构，其中一个功率半导体开关(40，50)具有一个或多个如IGBT这样的功率半导体元件，与其反向并联设置有空转二极管或者MOSFET。
4.如权利要求1或2所述的电路结构，其中第一集成控制芯片(72)具有以下的其它功能组：电压调节器(724)，输入接口(720)，处理逻辑电路(722)，故障管理(726)和保护电路(728)。
5.如权利要求1或2所述的电路结构，其中第二集成控制芯片(74)具有以下的其它功能组：信号重建(742)，处理逻辑电路和保护电路(744)。
6.如权利要求1或2所述的电路结构，其中第一电平移位器(730)的输出端电位在第一集成控制芯片(72)的地电位之上的0到600伏之间变化。
7.如权利要求2所述的电路结构，其中用于控制由一个TOP开关和一个BOT开关组成的半桥电路的功率半导体开关(40，50)的电路结构具有一个第一控制芯片(72)和一个第二控制芯片(74)。
8.如权利要求2所述的电路结构，其中用于控制一个三相桥电路的功率半导体开关(40，50)的电路结构具有一个包括三个BOT驱动器(732)和三个电平移位器(730)的第一控制芯片(72)以及三个分别包括一个电平移位器(740)和一个TOP驱动器(746)的第二控制芯片(74)。
9.如权利要求2所述的电路结构，其中用于控制具有制动断路器的一个三相桥电路的功率半导体开关(40，50)的电路结构具有一个包括三个BOT驱动器(732)，用于制动断路器的另一开关(80)的驱动器(734)和三个电平移位器(730)的第一控制芯片(72)以及三个分别包括一个电平移位器(740)和一个TOP驱动器(746)的第二控制芯片(74)。
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