DE102017128264A1 - Aktives gate-blockieren für wechselrichterschaltvorrichtungen mit verbesserter common-source-induktivität - Google Patents

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Abstract

Ein Wechselrichter-Phasenzweig weist obere und untere Gate-Ansteuerschaltungen auf, die den oberen und unteren Transistoren Gate-Ansteuersignale zuführen. Jede Gate-Ansteuerschaltung umfasst eine aktive Blockierschaltung zum selektiven Deaktivieren der oberen und unteren Transistoren. Die Transistoren bestehen aus Halbleitervorrichtungen, die jeweils jeweilige Gate-, Source- und Emitter-Klemmen aufweisen. Jede Emitter-Klemme ist mit einer jeweiligen Ausgangselektrode verbunden, die strukturiert ist, um eine Common-Source-Induktivität zwischen den jeweiligen Gate- und Emitter-Klemmen zu verstärken. Jede Emitter-Klemme ist ferner mit einer jeweiligen Kelvin-Emitter-Elektrode verbunden, die im Wesentlichen die jeweilige Ausgangselektrode umgeht. Jede jeweilige aktive Blockierschaltung ist zwischen der jeweiligen Gate-Klemme und der Kelvin-Emitter-Elektrode geschaltet, so dass die aktive Blockierungsfunktion angesichts der verstärkten Common-Source-Induktivität aktiv bleibt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Leistungsschaltvorrichtungen in einer Wechselrichterbrücke und genauer gesagt ein aktives Gate-Blockieren, um unbeabsichtigte Aktivierungen von Leistungsschaltvorrichtungen in einem Wechselrichter zu vermeiden.
  • Elektrofahrzeuge, wie etwa Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) und Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV), verwenden wechselrichterbetriebene Elektromaschinen, um ein Traktionsmoment bereitzustellen. Ein typisches elektrisches Antriebssystem kann eine DC-Energiequelle (wie etwa einen Batterieblock oder eine Brennstoffzelle) umfassen, die über Schutzausschalter mit einem variablen Spannungswandler (WC) gekoppelt ist, um eine Hauptbusspannung über einen Haupt-DC-Verbindungskondensator zu regulieren. Ein Wechselrichter ist zwischen den Hauptbussen und einem Traktionsmotor angeschlossen, um die DC-Busleistung in eine AC-Spannung umzuwandeln, die mit den Wicklungen des Motors gekoppelt ist, um das Fahrzeug fortzubewegen.
  • Der Wechselrichter umfasst Transistorschaltvorrichtungen (wie etwa Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, IGBTs), die in einer Brückenkonfiguration mit einer Vielzahl von Phasenzweigen geschaltet sind. Eine typische Konfiguration umfasst einen Drehstrommotor, der von einem Wechselrichter mit drei Phasenzweigen angetrieben wird. Ein elektronischer Controller schaltet die Schalter ein und aus, um eine DC-Spannung von dem Bus in eine AC-Spannung umzukehren, die an den Motor angelegt wird. Der Wechselrichter pulsweitenmoduliert typischerweise die DC-Verbindungsspannung, um eine Näherung einer sinusförmigen Stromausgabe abzugeben, um den Motor mit einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment anzutreiben. Pulsweitenmodulations- (PWM) Steuersignale, die an die Gates der IGBTs angelegt werden, schalten diese je nach Bedarf ein und aus, so dass der sich ergebende Strom mit einem gewünschten Strom übereinstimmt.
  • Da jeder Phasenzweig des Wechselrichters ein Paar von oberen und unteren Schalttransistoren aufweist, die über die DC-Verbindung verbunden sind, ist es wichtig, dass die beiden Vorrichtungen in einem Zweig nicht gleichzeitig leitend (d.h. eingeschaltet) sind. Typischerweise wird ein kurzes Zeitintervall (als Pausenzeit bezeichnet) in die PWM-Schaltsignale eingefügt, in dem sowohl die oberen als auch die unteren Schaltvorrichtungen eines Phasenzweigs ausgeschaltet sind, um ein „Durchschalten“ zwischen den positiven und negativen Bussen zu verhindern. Auf Grund des elektrischen Rauschens und der magnetischen Kopplung zwischen den elektrischen Bauteilen und den Signalwegen der Gate-Eingänge der Transistoren muss darauf geachtet werden, dass ein unbeabsichtigtes Einschalten eines Transistors vermieden wird, wenn sein Gate-Ansteuersignal ausgeschaltet sein soll. Manchmal wird ein aktives Blockieren verwendet, wobei eine Blockierschaltung, die über das Gate angeschlossen ist, aktiviert wird, um sicherzustellen, dass der Schalttransistor ausgeschaltet bleibt.
  • Die Common-Source-Induktivität bezieht sich auf eine Induktivität, die von der Hauptleistungsschleife (d.h. dem Leistungsausgang des Transistors von Drain zu Source oder von Kollektor zu Emitter) und der Gate-Ansteuerschleife (d.h. von Gate zu Source oder von Gate zu Emitter) in einem Leistungsschalttransistor gemeinsam genutzt wird. Die Common-Source-Induktivität führt sowohl den Vorrichtungsausgangsstrom (z.B. den Strom von Drain zu Source) als auch den Gate-Lade-/Entlade-Strom. Ein Strom in dem Ausgangs-(Leistungsschleifen-) Abschnitt der Common-Source-Induktivität ändert die Gate-Spannung auf eine Art und Weise, welche die Schaltleistung verstärkt (z.B. beschleunigt). Für eine Schaltbrücke kann die reduzierte Schaltzeit wünschenswert sein, da sie eine dazugehörige Reduzierung der verbrauchten (d.h. verlorenen) Energie während des Schaltübergangs aufweisen kann, solange andere mögliche Nebenwirkungen unter Kontrolle bleiben. Beispielsweise könnte das Vorliegen einer großen Common-Source-Induktivität den Betrieb einer herkömmlichen aktiven Blockierschaltung stören.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Wechselrichter einen Phasenzweig, der in Reihe geschaltete obere und untere Transistoren aufweist, die geeignet sind, um zwischen positiven und negativen DC-Bussen geschaltet zu werden. Obere und untere Gate-Ansteuerschaltungen liefern Gate-Ansteuersignale jeweils an die oberen und unteren Transistoren. Jede Gate-Ansteuerschaltung umfasst eine aktive Blockierschaltung zum Deaktivieren jeweils der oberen und unteren Transistoren. Die Transistoren bestehen aus Halbleitervorrichtungen, die jeweils jeweilige Gate-, Source- und Emitter-Klemmen aufweisen. Jede Emitter-Klemme ist mit einer jeweiligen Ausgangselektrode verbunden, die strukturiert ist, um eine Common-Source-Induktivität zwischen den jeweiligen Gate- und Emitter-Klemmen zu verstärken. Jede Emitter-Klemme ist ferner mit einer jeweiligen Kelvin-Emitter-Elektrode verbunden, die im Wesentlichen die jeweilige Ausgangselektrode umgeht. Jede jeweilige aktive Blockierschaltung ist zwischen der jeweiligen Gate-Klemme und der Kelvin-Emitter-Elektrode geschaltet, so dass die aktive Blockierungsfunktion angesichts der verbesserten Common-Source-Induktivität wirksam bleibt.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 ein schematisches Diagramm, das eine Ersatzschaltung für einen Phasenzweig eines Wechselrichters zeigt, der ein Paar IGBTs aufweist, die eine Common-Source-Induktivität hervorrufen.
    • 2 und 3 Grafiken, die Änderungen jeweils der Ausgangsspannungsspitze und der Schaltenergie für unterschiedliche Pegel der Common-Source-Induktivität zeigen.
    • 4 eine Draufsicht eines pressgespritzten Leistungsmoduls (TPM), das ein Paar IGBTs und eine Elektrodenstruktur zum Minimieren der Common-Source-Induktivität aufweist.
    • 5 eine Draufsicht eines pressgespritzten Leistungsmoduls (TPM), das ein Paar IGBTs und eine Elektrodenstruktur zum Verstärken der Common-Source-Induktivität aufweist.
    • 6 eine Draufsicht eines Direct-Bonded-Copper- (DBC) Leistungsmoduls, das ein Paar IGBTs und eine Elektrodenstruktur zum Minimieren der Common-Source-Induktivität aufweist.
    • 7 eine Draufsicht eines Direct-Bonded-Copper- (DBC) Leistungsmoduls, das ein Paar IGBTs und eine Elektrodenstruktur zum Verstärken der Common-Source-Induktivität aufweist.
    • 8 ein schematisches Diagramm, das einen herkömmlichen Phasenzweig und eine Gate-Ansteuerschaltung mit einer aktiven Blockierungsfunktion zeigt.
    • 9 ein schematisches Diagramm, das eine Schaltung ähnlich wie 8 zeigt, bei der eine verstärkte Common-Source-Induktivität auf einer Emitter-Seite der IGBTs eingeführt ist.
    • 10 ein schematisches Diagramm eines Phasenzweigs und einer Gate-Ansteuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer verbesserten aktiven Blockierungsfunktion.
    • 11 eine Draufsicht eines pressgespritzten Leistungsmoduls (TPM), das ein Paar IGBTs, eine Elektrodenstruktur zum Verstärken der Common-Source-Induktivität und eine Kelvin-Emitter-Elektrode für Verwendung beim aktiven Blockieren aufweist.
    • 12 eine Draufsicht eines Direct-Bonded-Copper- (DBC) Leistungsmoduls, das ein Paar IGBTs, eine Elektrodenstruktur zum Verstärken der Common-Source-Induktivität und eine Kelvin-Emitter-Elektrode zur Verwendung beim aktiven Blockieren aufweist.
    • 13 ein schematisches Diagramm, das eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der ein Gate-Widerstand auf eine Emitter-Seite versetzt ist, um eine Anzahl von E/A-Stiften für die Gate-Ansteuerschaltung zu reduzieren.
    • 14 ein schematisches Diagramm, das einen IGBT und eine Ansteuerschaltung mit einem typischen blockierenden MOSFET zeigt.
    • 15 ein schematisches Diagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform einer Ansteuerschaltung mit einer verbesserten Blockierschaltung zeigt.
    • 16 ein schematisches Diagramm, das eine andere bevorzugte Ausführungsform einer Ansteuerschaltung zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine Common-Source-Induktivität ist eine Induktivität, die von einer Hauptleistungsschleife und einer Gate-Ansteuerschleife für eine Transistorschaltvorrichtung gemeinsam genutzt wird. Sie entsteht gewöhnlich aus Störinduktivitäten, die mit der Vorrichtungsverkapselung und den Bahnen auf Leiterplatten verknüpft sind. In Zusammenhang mit Schaltbrücken, die zur DC/AC-Leistungswandlung verwendet werden, kann das Vorliegen einer Common-Source-Induktivität günstig sein. 1 zeigt ein Beispiel eines Phasenzweigs 10 von der Art, die häufig in einem Wechselrichter-Ansteuersystem in einem Elektrofahrzeug verwendet wird, um einen Elektromotor anzutreiben, wobei ein oberer Transistor 11 als IGBT mit oberen Gate-, Kollektor- und Emitter-Klemmen gezeigt ist. Es könnten andere Arten von Halbleitervorrichtungen verwendet werden, wie etwa ein MOSFET. Wie sie hier verwendet werden, beziehen sich die Gate-, Kollektor- und Emitter-Klemmen eines IGBT auch auf die Gate-, Drain- und Source-Klemmen eines MOSFET. Ein unterer Transistor 12, der untere Gate-, Kollektor- und Emitter-Klemmen aufweist, ist mit dem oberen Transistor 11 zwischen einem positiven Bus 13 und einem negativen Bus 14 in Reihe geschaltet, um einen Zwischenübergang 15 zu definieren. Die antiparallel geschalteten Dioden 16 und 17 sind über die Transistoren 11 und 12 geschaltet.
  • Die oberen Gate- und Emitter-Klemmen erstellen eine obere Common-Source-Induktivität, die aus einer Gate-Schleifeninduktivität 18 besteht, die mit einer Leistungsschleifen- (d.h. Emitterseitigen) Induktivität 19 magnetisch gekoppelt ist. Eine Gate-Ansteuerschaltung 20 und ein Gate-Widerstand 21 sind mit der Gate-Klemme gekoppelt, um das Schalten des oberen Transistors 11 zu steuern. Die unteren Gate- und Emitter-Klemmen erstellen eine untere Common-Source-Induktivität, die aus einer Gate-Schleifeninduktivität 22 besteht, die mit einer Leistungsschleifeninduktivität 23 magnetisch gekoppelt ist. Eine Gate-Ansteuerschaltung 24 und ein Gate-Widerstand 25 sind mit der Gate-Klemme gekoppelt, um das Schalten des unteren Transistors 12 zu steuern.
  • Die Kopplung zwischen einer Leistungsschleife und einer Gate-Schleife kann manchmal unerwünschte Interaktionen erstellen, bei denen Änderungen des Ausgangsstroms von einer Vorrichtung Änderungen des Gate-Signals verursachen, das versucht, die Vorrichtung zu steuern. Daher haben typische Gestaltungsregeln, die bei der Entwicklung der Verkapselung und der Schaltkreise der Transistorvorrichtung, die derartige Vorrichtungen verwendet, verwendet werden, darauf abgezielt, die Common-Source-Induktivität zu minimieren.
  • Für einen Transistor in einem Phasenzweig wird der Einfluss der Größenordnung der Common-Source-Induktivität auf die Schaltzeit und das Spannungsüberschwingen in 2 gezeigt, welche die wechselnde Kollektor-Emitter-Spannung (VCE) über einen Transistor im Verlauf der Zeit während eines Übergangs vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand abbildet. Die Bahnen 18A, 18B, 18C und 18D entsprechen einer Common-Source-Induktivität (LCSI) von jeweils 0 nH, 1 nH, 2 nH und 3 nH. Während somit die LCSI von 0 auf 3 nH ansteigt, wird die Schaltzeit günstigerweise reduziert, während die Größe des Spannungsüberschwingens bzw. der Spannungsspitze im Wesentlichen konstant bleibt. Die reduzierte Schaltzeit führt jedoch zu einem geringeren Energieverlust (d.h. einer erhöhten Effizienz), wie in 3 gezeigt. Die Bahnen 19A, 19B, 19C und 19D entsprechen einer LCSI von jeweils 0 nH, 1 nH, 2 nH und 3 nH. Wenn somit die LCSI von 0 auf 3 nH ansteigt, fällt die Energie, die in dem Transistor verbraucht wird, von fast 19 mJ auf etwa 11 mJ ab. Daher wurde erkannt, dass eine höhere LCSI den Schaltverlust reduzieren und dabei die gleichen Spannungsspitzen bewahren kann.
  • Die Größenordnung der Gate-Schleifeninduktivität und/oder der Leistungsschleifeninduktivität und das Ausmaß der gegenseitigen Kopplung dazwischen kann ohne Weiteres manipuliert (z.B. verstärkt) werden, indem eine geeignete Anordnung ausgewählt wird und/oder indem zusätzliche überlappende Spulen in die PCB-Bahnen einbezogen werden, die Leitwege zu den Gates oder Emittern des Transistors bilden, um eine gewünschte Common-Source-Induktivität zu erzielen. Erläuternd zeigt 4 ein pressgespritztes Leistungsmodul (TPM), das konfiguriert ist, um eine minimale Common-Source-Induktivität aufzuweisen, und 5 zeigt Änderungen, welche die Common-Source-Induktivität verstärken. Ein gespritzter Körper 30 trägt eine Vielzahl von leitfähigen Bahnen bzw. Leiterrahmenelementen 31, 32 und 33, die sich über einen Rand 34 des Körpers 30 hinaus erstrecken, um Leistungsklemmen zur Verbindung jeweils mit dem positiven Bus DC+, dem negativen Bus DC- und den Phasenzweigausgang AC zu bilden. Ein erster (oberer) IGBT 35 ist eine Halbleitervorrichtung, die als Chip gebildet ist, der eine Kollektor-Klemme bzw. Kontaktfläche aufweist, die auf einer unteren Oberfläche gebildet ist, die auf die Bahn 31 gelötet ist. Die obere Oberfläche des Chips stellt eine Gate-Klemme/Kontaktfläche 36 bereit, während der Bereich um die Kontaktfläche 36 herum eine Emitter-Klemme/Kontaktfläche bereitstellt, die an ein Ende einer gebondeten Bleiplatte oder eines Flachsteckers 37 gelötet ist. Ein zweites Ende 38 der Platte 37 ist auf die Bahn 33 gelötet, um den Emitter des IGBT 35 mit dem Kollektor eines zweiten (unteren) IGBT 40 und dem AC-Phasenzweigausgang zu verbinden. Eine obere Oberfläche des Chips des IGBT 40 stellt eine ein Gate-Klemme/Kontaktfläche 43 bereit, während der Bereich um die Kontaktfläche 43 herum eine Emitter-Klemme/Kontaktfläche bereitstellt, die an ein Ende einer gebondeten Bleiplatte oder eines Flachsteckers 41 gelötet ist. Ein zweites Ende 42 der Platte 41 ist auf die Bahn 32 gelötet, um den Emitter des IGBT 40 mit dem negativen Bus DC- zu verbinden. Die Bahnen 31 bis 33 und die Platten 37 und 41 sind alle voneinander elektrisch isoliert und werden durch den gespritzten Körper 30 (der aus einem Epoxidharz bestehen kann) an Ort und Stelle gehalten.
  • Eine Gruppe von Steckerstiften erstreckt sich über einen zweiten Rand 45 des Körpers 30 und umfasst die Gate-Stifte 46 und 48 und die Kelvin-Emitter-Stifte 47 und 49. Die gebondeten Drahtbrücken 50 und 51 verbinden die Gate-Stifte 46 und 48 jeweils mit den Gate-Klemmen 36 und 43. Die gebondeten Drahtbrücken 52 und 53 verbinden die Kelvin-Emitter-Stifte 47 und 49 jeweils mit den Emitter-Kontaktflächen der IGBTs 35 und 40. Die Kelvin-Emitter-Stifte sind derart angeordnet, dass sie die Ausgangsströme der IGBTs nicht führen (d.h. dazu rechtwinklig sind), was dazu beiträgt zu vermeiden, dass eine erhebliche Common-Source-Induktivität entsteht. Ferner sind die gebondeten Drahtbrücken 50 bis 53 kurz gehalten, so dass die Common-Source-Induktivität LCSI niedrig ist.
  • 5 zeigt ein Beispiel einer geänderten Elektrodenstruktur, die eine Common-Source-Induktivität LCSI auf kontrollierte Art und Weise verstärkt (d.h. erhöht), wobei die zusätzliche LCSI auf der Emitter-Seite der Gate-Ansteuerschaltung eingeführt ist. Statt eine typische Kelvin-Emitter-Zuleitung zu verwenden, die sich an einer Stelle befindet, die vom Großteil des Emitter-Ausgangsstroms getrennt ist, sind die Emitter-Steuerungsstifte 55 und 56 somit jeweils für die Transistoren 35 und 40 Teil einer Ausgangselektrodenstruktur, welche die Emitter-Steuersignale dem Hauptausgangsstrom anhand der Bahnverlängerungen 57 und 58 unterzieht, welche die Emitter-Stifte 55 und 56 mit den Emitter-Platten 37 und 41' an der Stelle, wo die Platten 37 und 41' zusammengeschaltet sind, mit den Leistungsklemmenabschnitten der Bahnen 32 und 33 verbinden. Die zusätzliche Länge der Ausgangselektrodenstrukturen für die Emitter-Steuersignale, welche die Gate-Ansteuerschaltung verbinden, erhöht die zusätzliche Common-Source-Induktivität LCSI noch mehr. Die Anordnung und die Länge der Elektrodenstrukturen sind während der Gestaltung der Schaltung (z.B. der Gestaltung des Leiterrahmens) konfigurierbar, um einen gewünschten Betrag an Common-Source-Induktivität LCSI zu erzielen.
  • 6 zeigt ein anderes Beispiel eines IGBT-Leistungsmoduls für einen Wechselrichter-Phasenzweig, wobei ein Direct-Bonded-Copper- (DBC) Substrat 60 einen oberen IGBT 61, eine obere Rückstromdiode 62, einen unteren IGBT 63 und eine untere Rückstromdiode 64 aufnimmt. Ein Kelvin-Emitter-Stift 65 ist mit einer Emitter-Klemme an dem IGBT 61 anhand einer gebondeten Drahtbrücke 66 zusammengeschaltet, die anders als der Haupt-Emitter-Ausgangsstrom ist und kurz ist, was zu einer geringen LCSI führt. Ebenso ist ein Kelvin-Emitter-Stift 67 mit einer Emitter-Klemme an dem IGBT 63 anhand einer gebondeten Drahtbrücke 68 zusammengeschaltet. 7 zeigt eine geänderte Struktur für die Emitter-Ausgangselektroden, welche die LCSI unter Verwendung von Änderungen, welche die Emitter-Steuerstifte 65 und 67 den Haupt-Emitter-Ausgangsströmen aussetzen, verstärkt. Eine verlängerte Ausgangselektrodenstruktur für den Stift 65 wird durch eine Bahn 71 gebildet, und eine lange gebondete Drahtbrücke 72, die mit einer Bahn (d.h. einer Leiterbahn) 70 verbunden ist, wo der Haupt-Emitter-Ausgangsstrom für den IGBT 61 an den positiven Bus gegeben wird. Eine verlängerte Ausgangselektrodenstruktur des Stifts 67 wird durch eine lange gebondete Drahtbrücke 73 gebildet, die mit einer leitenden Bahn 74 verbunden ist, wo der Haupt-Emitter-Ausgangsstrom für den IGBT 63 an den AC-Ausgang gegeben wird.
  • Störinduktivitäten (einschließlich der Common-Source-Induktivität), elektrisches Rauschen oder andere Streuspannungen können möglicherweise falsche (d.h. unabsichtliche) Aktivierungen der Phasenzweig-Schalttransistoren verursachen. Um derartige Aktivierungen zu unterbinden, wurde ein aktives Blockieren verwendet, wie in 8 gezeigt. Die aktive Blockierungsfunktion wird in den Gate-Ansteuerschaltungen 76 und 78 umgesetzt, die jeweils mit den Phasenzweig-Schalttransistoren 75 und 77 gekoppelt sind. Die Ansteuerschaltungen 76 und 78 werden typischerweise in einer integrierten Schaltkreisverkapselung umgesetzt, die Schaltbefehle von einem PWM-Controller annimmt und geeignete Signalkennlinien generiert, um die Gate-Klemmen der Transistoren 75 und 77 anzusteuern. Die Ansteuerschaltungen sind identisch. Die Ansteuerschaltung 76 und ihre Funktionsweise werden stellvertretend ausführlich beschrieben.
  • Ein Verstärker 80 wandelt ein PWM-Signal eines logischen Pegels von einem Controller (nicht gezeigt) in ein Gate-Ansteuersignal um, das anhand eines Gate-Widerstands 81 mit einer Gate-Klemme 82 des IGBT 75 gekoppelt ist. Eine Emitter-Klemme 83 ist mit einem Referenzeingang des Verstärkers 80 verbunden. Eine Blockierschaltung 84 innerhalb der Ansteuerschaltung 80 wird verwendet, um das Gate des Transistors an seinen Ausgang zu binden, um ein falsches Einschalten jedes Mal zu verhindern, wenn die Blockierschaltung 84 geschlossen wird. Die Blockierschaltung 84 kann beispielsweise aus einem MOSFET bestehen, wobei ihre Ausgangsklemmen an den integrierten Schaltungsstiften 85 und 86 verfügbar sind. Der Stift 85 ist mit der Gate-Klemme 82 verbunden, die den Gate-Widerstand 81 umgeht, und der Stift 86 ist mit dem AC-Ausgangsbus verbunden. Ein Steuereingang (z.B. Gate) der Blockierschaltung 84 wird durch einen Wechselrichter/Komparator 87 angesteuert, der die Blockierschaltung 84 abschaltet, wenn der Verstärker 80 ein Ansteuersignal bereitstellt, das den Transistor 75 einschaltet, und der die Blockierschaltung 84 einschaltet, wenn der Verstärker 80 kein Ansteuersignal bereitstellt, das den Transistor 75 einschaltet.
  • 9 zeigt das aktive Blockieren wie in 8, wobei jedoch die verstärkten Common-Source-Induktivitäten 88 und 89 auf den Emitter-Seiten der Phasenzweig-Transistoren 75 und 77 hinzugefügt sind. Selbst wenn die aktiven Blockierschaltungen geschlossen sind, wenn der Transistor 75 und/oder der Transistor 77 dazu gedacht ist bzw. sind ausgeschaltet zu sein, können somit unerwünschte Signale mit den Transistor-Gate-Klemmen gekoppelt werden und es könnte immer noch zu einem falschen Einschalten kommen.
  • Die vorliegende Erfindung überwindet ein derartiges eventuelles Problem, indem sie eine echte Kelvin-Emitter-Verbindung bewahrt, die ausschließlich durch die aktive Blockierungsfunktion zu verwenden ist, wie in 10 gezeigt. Die IGBTs 90 und 91 empfangen Gate-Ansteuersignale jeweils von den Gate-Ansteuerschaltungen 92 und 93. Die Emitter-Ausgangselektroden der IGBTs 90 und 91 sind strukturiert, um die Common-Source-Induktivität LCSI zwischen ihren Gate- und Emitter-Klemmen zu verstärken. Jeder IGBT 90 und 91 verfügt über eine Kelvin-Emitter-Elektrode (z.B. Kelvin-Emitter 99), die im Wesentlichen Ausgangselektrodenstrukturen umgeht. Somit sind die integrierten Schaltungsstifte 97 und 98 für die Ausgänge der Blockierschaltung 96 in der Gate-Ansteuerschaltung 92 jeweils mit einer Gate-Elektrode und der Kelvin-Elektrode 99 verbunden.
  • 11 zeigt ein TPM 100 mit einer ähnlichen Anordnung wie das TPM 30' in 5, außer dass sowohl LCSI-verstärkende Emitter-Ausgangselektroden 55 und 56 als auch Kelvin-Emitter-Elektroden 101 und 102 bereitgestellt werden. Ähnlich zeigt 12 ein DBC-Substrat 105 mit einer Anordnung ähnlich wie das Substrat 60' in 7, außer dass sowohl LCSI-verstärkende Emitter-Ausgangselektroden 65 und 67 als auch Kelvin-Emitter-Elektroden 106 und 107 bereitgestellt werden. Die Gate-Elektroden 108 und 109 wirken mit den Kelvin-Emitter-Elektroden 106 und 107 zusammen, um eine minimale Common-Source-Induktivität bereitzustellen.
  • Die Ausführungsform aus 10 führt dazu, dass ein zusätzlicher E/A-Stift für die Gate-Ansteuerschaltung IC benötigt wird. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei der Gate-Widerstand auf die Emitter-Seite der Ansteuerschaltung verlagert ist. Somit ist ein Gate-Widerstand 115 zwischen einer LCSI-verstärkenden Emitter Ausgangselektrode 115 und einem Stift 111 einer Gate-Ansteuerschaltung 110 geschaltet. Somit kann eine aktive Blockierschaltung 112 direkt mit dem Gate und dem Kelvin-Emitter des IGBT 90 anhand der Stifte 113 und 114 verbunden werden. Sowohl die Gate-Ansteuersignale als auch die aktive Blockierungsfunktion nutzen den Zugriff auf die Gate-Klemme anhand des Stifts 113 gemeinsam. Da die Verbindungen für die aktive Blockierschaltung im Wesentlichen alle Gate-Widerstände oder Induktivitäten vermeiden, wird ein zuverlässiges Blockieren erzielt.
  • 14 bis 16 zeigen zusätzliche Einzelheiten bezüglich einer Blockierschaltung in einer Ansteuerschaltung. In 14 verwendet eine Treiber-IC 120 eine Schaltvorrichtung (z.B. einen MOSFET) 121, um einen blockierenden Schalter zu bilden. Ein blockierendes Steuersignal, das auf in der Technik bekannte Art und Weise erzielt wird, wird an eine Gate-Klemme des MOSFET 121 angelegt. Wenn er sich in einem EIN-Zustand befindet, stellt der MOSFET 121 eine Rail-to-Rail-Steuerung der Blockierungsfunktion bereit.
  • Die Verwendung einer Kelvin-Emitter-Klemme für die Blockierungsfunktion, wie in 14 gezeigt, reduziert das Rauschen am Gate des IGBT erheblich. Um ein Rauschen zu reduzieren, das an dem Gate der Schaltvorrichtung der Blockierschaltung auftreten kann, kann ein RC-Filter verwendet werden. Beispielsweise enthält eine Ansteuer-IC 122 in 15 einen MOSFET 123, der über die blockierenden Klemmen der IC 122 verbunden ist. Der blockierende MOSFET 123 wird über ein RC-Filter angesteuert, das einen Kondensator 124 zwischen den Gate- und Emitter-Klemmen des blockierenden MOSFET 123 aufweist und einen Widerstand 125 aufweist, der das blockierende Steuersignal mit der Gate-Klemme des MOSFET 123 koppelt. Die Bauteile der Blockierungsfunktion können „auf dem Chip“ innerhalb der IC 122 umgesetzt werden oder können unter Verwendung diskreter externer Bauteile umgesetzt werden. Die Werte von C und R jeweils für den Kondensator 124 und den Widerstand 125 werden derart ausgewählt, dass 1) Spannungsspitzen, die an dem Gate des MOSFET 123 induziert werden, ausreichend gedämpft werden, um ein falsches Auslösen zu vermeiden, und 2) die Verzögerung, die durch die RC-Schaltung eingeführt wird, nicht wesentlich ist.
  • Es kann wünschenswert sein, die Gate-Verzögerung gemäß einer Ausführungsform, die in 16 gezeigt wird, zu verbessern. Eine Ansteuer-IC 125 umfasst einen MOSFET 126, der über die blockierenden Klemmen geschaltet ist. Der blockierende MOSFET 126 wird über ein RC-Filter angesteuert, das einen Kondensator 127 zwischen den Gate- und Emitter-Klemmen des blockierenden MOSFET 126 aufweist und einen Widerstand 128 aufweist, der das blockierende Steuersignal mit der Gate-Klemme des MOSFET 126 koppelt. Eine Diode 130 ist mit dem Widerstand 128 parallel geschaltet. Bevorzugt wird eine Diode mit schneller Sperrverzögerungsfähigkeit und geringer Übergangskapazität verwendet.

Claims (13)

  1. Leistungswandler, umfassend: eine DC-Verbindung mit positiven und negativen Bussen, die konfiguriert ist, um eine DC-Versorgungsspannung zu empfangen; eine Vielzahl von Phasenzweigen in einer Brückenkonfiguration, die zwischen den positiven und negativen Bussen gekoppelt ist, wobei jeder Phasenzweig in Reihe geschaltete obere und untere Transistoren aufweist, wobei ein Zwischenübergang einen Phasenzweigausgang bereitstellt; und obere und untere Gate-Ansteuerschaltungen für jeden Phasenzweig, der Gate-Ansteuersignale jeweils für die oberen und unteren Transistoren bereitstellt, wobei jede Ansteuerschaltung eine aktive Blockierschaltung zum Deaktivieren jeweils der oberen und unteren Transistoren umfasst; wobei die Transistoren aus Halbleitervorrichtungen bestehen und jeweils jeweilige Gate-, Source- und Emitter-Klemmen aufweisen; wobei jede Emitter-Klemme mit einer jeweiligen Ausgangselektrode verbunden ist, die strukturiert ist, um eine Common-Source-Induktivität zwischen den jeweiligen Gate- und Emitter-Klemmen zu verstärken; wobei jede Emitter-Klemme ferner mit einer jeweiligen Kelvin-Emitter-Elektrode verbunden ist, welche die Ausgangselektrodenstruktur im Wesentlichen umgeht; und wobei jede jeweilige aktive Blockierschaltung zwischen der jeweiligen Gate-Klemme und der Kelvin-Emitter-Elektrode geschaltet ist.
  2. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jeder Phasenzweig ferner obere und untere Gate-Widerstände umfasst, die jeweilige Gate-Ansteuersignale jeweils zwischen den oberen und unteren Gate-Ansteuerschaltungen und den oberen und unteren Transistoren koppeln, wobei jede jeweilige aktive Blockierschaltung mit einem jeweiligen Übergang zwischen der jeweiligen Gate-Klemme und dem Gate-Widerstand geschaltet ist.
  3. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jeder Phasenzweig ferner obere und untere Gate-Widerstände umfasst, welche die Gate-Ansteuersignale jeweils zwischen den oberen und unteren Gate-Ansteuerschaltungen und den oberen und unteren Transistoren koppeln, wobei die Gate-Widerstände zwischen der jeweiligen Ausgangselektrode und der Gate-Ansteuerschaltung geschaltet sind, wobei jede Gate-Klemme mit einer jeweiligen Gate-Elektrode verbunden ist, wobei jede Gate-Elektrode mit der jeweiligen Gate-Ansteuerschaltung direkt verbunden ist, um das jeweilige Gate-Ansteuersignal zu empfangen und mit der jeweiligen aktiven Blockierschaltung verbunden zu sein.
  4. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jede Kelvin-Emitter-Elektrode aus einem jeweiligen Kelvin-Emitter-Stift besteht, der durch einen jeweiligen ersten gebondeten Draht mit einer Kontaktfläche für die jeweilige Emitter-Klemme an der jeweiligen Halbleitervorrichtung verbunden ist, und wobei jede Ausgangselektrode aus einem Emitter-Steuerungsstift besteht, der durch einen jeweiligen zweiten gebondeten Draht mit einer jeweiligen Leiterbahn verbunden ist.
  5. Leistungswandler nach Anspruch 4, wobei die ersten gebondeten Drähte eine Länge aufweisen, die kürzer als die zweiten gebondeten Drähte ist.
  6. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Transistoren jeweils aus einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) bestehen.
  7. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jede jeweilige aktive Blockierschaltung aus einem MOSFET und einem RC-Filter, das mit einem Gate des MOSFET verbunden ist, besteht.
  8. Leistungswandler nach Anspruch 7, wobei jede jeweilige aktive Blockierschaltung ferner eine Freilaufdiode umfasst, die über einen Widerstand des RC-Filters geschaltet ist.
  9. DC-AC-Wechselrichter in einem elektrischen Antriebssystem für eine Elektrofahrzeug, umfassend; eine Brücke, die obere und untere Transistoren aufweist; und obere und untere Gate-Ansteuerschaltungen, die aktive Blockierschaltungen zum Deaktivieren der Transistoren umfassen; wobei jeder Transistor eine Ausgangselektrode aufweist, die strukturiert ist, um eine Common-Source-Induktivität des Transistors zu verstärken; wobei jeder Transistor eine Kelvin-Emitter-Elektrode aufweist, welche die jeweilige Ausgangselektrode im Wesentlichen umgeht; und wobei jede aktive Blockierschaltung zwischen einer Gate-Klemme und der Kelvin-Emitter-Elektrode des jeweiligen Transistors geschaltet ist.
  10. Wechselrichter nach Anspruch 9, ferner umfassend obere und untere Gate-Widerstände, welche die Gate-Ansteuersignale jeweils zwischen den oberen und unteren Gate-Ansteuerschaltungen und den oberen und unteren Transistoren koppeln, wobei die aktive Blockierschaltung mit einem Übergang zwischen der Gate-Klemme und dem Gate-Widerstand verbunden ist.
  11. Wechselrichter nach Anspruch 9, ferner umfassend obere und untere Gate-Widerstände, welche die Gate-Ansteuersignale jeweils zwischen den oberen und unteren Gate-Ansteuerschaltungen und den oberen und unteren Transistoren koppeln, wobei die Gate-Widerstände zwischen der jeweiligen Ausgangselektrode und der Gate-Ansteuerschaltung geschaltet sind, wobei jede Gate-Klemme mit einer jeweiligen Gate-Elektrode verbunden ist, wobei jede Gate-Elektrode mit der jeweiligen Gate-Ansteuerschaltung direkt verbunden ist, um das jeweilige Gate-Ansteuersignal zu empfangen und mit der jeweiligen aktiven Blockierschaltung verbunden zu sein.
  12. Wechselrichter nach Anspruch 9, wobei jede jeweilige aktive Blockierschaltung aus einem MOSFET und einem RC-Filter, das mit einem Gate des MOSFET verbunden ist, besteht.
  13. Wechselrichter nach Anspruch 12, wobei jede jeweilige aktive Blockierschaltung ferner eine Freilaufdiode umfasst, die über einen Widerstand des RC-Filters verbunden ist.
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