整流器和逆变器的晶体管配置的制作方法

专利名称：整流器和逆变器的晶体管配置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种晶体管配置、根据权利要求12的前序部分所述的用于对至少一个电压进行整流和/ 或逆变的一种配置以及根据权利要求13所述的用于对至少一个电压进 行整流和/或逆变的一种装置。此外，本发明公开根据权利要求14所述 的一种晶体管配置的一种应用或根据权利要求14所述的一种配置、根 据权利要求15所述的一种装置的一种应用以及根据权利要求16的总 概念的用于控制一个晶体管的一种方法。 现有技术整流器和逆变器目前在一个广泛的功率范围中大多采用可通断的 电压控制晶体管来构造。在此尤其针对直流电压到三相交流电压的变 换、或相反的变换而公开了一种六脉冲桥式电路，其中一个直流电压源 可以通过扼流團/电感与一个三相电压源相连接。在此4j"对低于100V 的电压经常4吏用场效应晶体管(FET)，尤其MOSFET。在此单个晶体 管的源极接点和漏极接点与一个二极管相连接(在MOSFET中该二极管 在原理上已经包含在晶体管中)，其中该二极管则以简单的方式在没有 其它控制的情况下承担三个交流电流的整流。对于直流电压的逆变，即 与上述相反的情况，需要对晶体管进行一种特殊的控制，以使其按照一 种已公开的方法(比如在使用基波震荡脉冲或脉宽调制的情况下)来导 通和断开。在此已公开的是，可以有利地使用逆变器运行所需的这种控 制电路，以在整流器运行中通过接通并联的晶体管来减轻该二极管的负 荷。这种有时作为"同步整流"概念而公开的方法降低了整流中的电压 损失。然而在此其缺点在于，为了确定该二极管以及该MOSFET的导通 和关断时间点，尤其在考虑所要求的保护时间的情况下，额外需要一种 控制。在使用一种自身控制的晶体管的情况下，比如在出版物"用于由 爪极发电机组成的汽车车体电网的高效供电的新式整流原理" (U.Ammann;斯图加特大学功率电子和控制技术研究所的毕业论文， 2002 )和"12V汽车交流电机的一种智能同步整流器，，(S.Rees， U.Ammann;第34届IEEE PESC会议2003年学报，第1516页起-' 阿卡普尔科，墨西哥)中公开的，可以省去上述这种耗费，然而同时放
弃逆变器运行的这种可能。从而存留了对一种简化、有效的整流器和逆 变器的期望。本发明的优点在一种具有一个晶体管的晶体管配置中，其具有一个第一和一个第 二接点和一个调节第一和第二接点之间的电流的控制接点，还具有一个根据在第一和第二接点之间所存在的电压差来给该控制接点提供一个 晶体管控制电压的信号处理装置，根据本发明推荐一种分配给该信号处 理装置并将该信号处理装置在至少两种运行方式之间进行切换的控制 装置。所述的晶体管在此在本申请的范畴内应理解为任何一种电压控制 的半导体整流阀，也即其导通特性可以借助所施加的电压来进行控制的 每个半导体元件。 一种第一运行方式能够通过该电压差来控制该晶体管，这假设在一个所述的整流器和逆变器电路中用于自身控制的运行方 式"同步整流，，，也即用在交流电压的整流中。在该第二运行方式中， 其中假设该第二运行方式在前述的整流器和逆变器电路中用于直流电 压的逆变，用于控制该晶体管的电压差被叠加一个附加电压，或被该附 加电压替代。在此其目的是，如此改变在该第一运行方式中所使用的控 制，使得借助与该电压差无关的一个电压控制该晶体管，尤其是接通或 导通。这样就实现了一种晶体管配置，其中该配置既可以自行操纵也可 以接受外部对该晶体管的控制。这种配置的优点在下文中、尤其在实施 例中被阐明。该晶体管有利地作为FET、尤其作为MOSFET来实施，其中该第 一接点是漏极接点，该第二接点是源极接点，该控制接点是栅极接点。 如此可以为大量的应用经济地生产并仍然能够在相当大的功率下使用 该晶体管配置。根据本发明的一种改进，在第 一和第二接点之间设置了 一个电流控制单元D通常晶体管允许电流从第一接点流向第二接点。如果该晶体管不由于其构造而已具有这种单元，比如在MOSFET中，那么借助该电流 控制单元可以l吏电流从第二流向第 一接点。如果该电流控制单元作为二极管来构造，那么这是有利的。这是一 种可靠的和廉价的实现可能性。在MOSFET中由于构造原因已经含有这 种二极管(自身二极管)。该控制装置优选为输出控制信号的一种逆变器控制装置。逆变器控
制装置用于控制一个逆变器电路的单个晶体管。本发明使得为了控制该 信号处理装置并从而间接地控制该晶体管而可以使用一种已公开的逆 变器控制装置的控制信号成为可能。虽然该控制信号也可以单独地产 生，但是利用已有的逆变器控制装置可以省去一个附加的控制电路。在本发明的一个有利的改进方案中，该控制装置借助一个基本为矩 形的控制信号来控制该信号处理装置。这意味着，该控制信号具有两个 电平，其中每个电平与所述运行方式之一相对应。从而相应准确地选择 一个运行方式。该晶体管配置有利地具有把所述控制信号加到该电压差上的一个 加法点。由此可以简单地输入该控制信号以切换该信号处理装置的不同 运行状态。具有如此构造的加法点的一种晶体管配置的功能在一个实施 例中来详细解释。该晶体管配置优选地具有一个加法点，其中该加法点把一个基本恒 定的电压根据该控制装置的一个控制信号而有时加到该电压差上。这为 简单地输入该控制信号以切换该信号处理装置的不同运行状态提供了另 一种可能。与之前所述的选择相比较，这样该信号处理装置的控制与该 逆变器控制装置的信号品质(比如电平稳定性)分离。具有如此构造的 加法点的晶体管配置的这种功能也在一个实施例中详细解释。根据一个优选的实施方案，该信号处理装置具有一个放大该电压差 的放大器。借助该放大器，可以如此放大该电压差，使得在该电压差的 所期待的电压间隔与在控制接点上对于晶体管正确运行所必需的电压 间隔之间得到协调。有利地给该放大器后接了一个电压限制器。由此该放大器可以被调 节为所期望的放大，而没有超过在该控制接点上的最大期望的或允许的 电平的危险。此外，还能够把一个附加的信号输入到该信号处理装置 中，而不会产生连同该附加信号一起而超过该控制接点上允许的电平的 危险。优选地给该控制接点分配了 一种切换装置，其中该切换装置可以借 助该控制装置来操作，并有选择地将该控制接点与一个与该电压差有关 的或一个与该电压差无关的电压相连接。这样就可以简单地并且不受该 控制装置的控制信号品质影响地切换运行状态。此外，本发明还涉及用于对至少一个电压进行整流和/或逆变的一 种配置，其具有一个第一和一个第二晶体管配置以及在该晶体管配置之 间所设置的 一个抽头点，其中该晶体管配置利用前述的 一个或多个权利 要求来构造，还涉及用于对至少一个电压进行整流和/或逆变的一种装 置，其具有多个刚刚所述的、并联的配置。这种配置或装置也可以有针 对性地只用于逆变或整流，然而本发明的全部优点恰好在于混合的整流 器和逆变器运行。此外本发明还涉及前述的一种晶体管配置的应用和前述一种配置在整流器和/或逆变器电路中的应用；此外还涉及前述一种装置针对汽 车的电机、尤其针对爪极发电机的应用。最后本发明涉及用于控制晶体管的一种方法，该晶体管具有一个第 一和一个第二接点以及一个调节在第一和第二接点之间的电流的控制 接点，其中为该控制接点根据在第一和第二接点之间的一个电压差提供 一个晶体管控制电压，并且该晶体管控制电压有时受与该电压差无关的 一个电压影响。附图现在借助实施例来详细解释本发明。其中

图1示出了一种具有该电压差和该控制信号叠加的晶体管配置的一个第一实施例，图2示出了一种晶体管配置的一个第二实施例，在此配置中有选 择地给该控制接点提供与该电压差有关或无关的一个电压，图3示出了一种具有该电压差和借助该控制信号有时接入的一个 电压叠加的晶体管配置的一个第三实施例，图4示出了用于整流和/或逆变的一种配置的一个实施例，以及图5示出了用于整流和/或逆变的一种装置的一个实施例。实施例的描述图1示出了一种晶体管配置1的一个第一实施例，该晶体管配置 具有一个晶体管10，在此作为MOSFET来实施，该晶体管具有一个第 一接点l2，在此为漏极接点D、 一个第二接点14，在此为源极接点S、 和一个控制接点16，在此为栅极接点G。在该源极接点S和该漏极接 点D之间示出了一个电流控制单元18，其在此为一个二极管20，其由 于结构原因而包含在该晶体管10的构造中。 一个漏极电流i。流入该晶 体管10，并在该晶体管10上、也即从该漏极接点D到该源极接点S 间，形成一个电压差U。s，在此为所谓的漏极-源极电压。该晶体管配置1此外还具有一个信号处理装置22，其中给该信号处理装置至少输入该 电压差uDS，并给该栅极接点G提供一个晶体管控制电压uGS。以已知 的方式该漏极电流iD才艮据该晶体管控制电压Ugs来调节。在一个已存在 该电压差uDS的加法点24上，此外给该信号处理装置22输入来自 一个 控制装置23的一个逆变器信号Uwr，在此该控制装置23是一个逆变器 控制装置25。该逆变器信号UwR是具有峰值fiwR的一个矩形信号，像应 用于控制公开的逆变器电路那样。该峰值GwR在此选择得大于一个持续出现的最大漏极-源极电压。因此在该加法点24上存在电压-U。s+UwR， 其值交替着或者等于-U。s，或者等于-UDS+fi鹏。然后将该电压-U。s+Uwr输入该放大器26，该放大器具有一个放大系数K，并从而输出一个电压 K- (-Uds+Uwk)。该电压由后接在该放大器26后面的一个限制器28 保持在确定的界限中，也即在一个最小电压值uGSmin和一个最大电压值Ussmax之间。该限制器2 8的输出电压然后用作晶体管控制电压UGS 。对 于UWK-O的这种情况，就得到了在序言中所述的自身控制的晶体管的功能。该晶体管10从而对于uDS>0截止，而对于uDS<0则导通。在一个相应的电路中，这就为整流器运行提供了基础。如果调节到UwR-fiwR的情况，那么在该放大器26的输入端上存在一个与该电压差uDS的实际 值无关的正电压，这是因为iiwR已被选择为大于该最大电压差uDS (漏 极-源极电压)。这意味着，在适当选择该放大系数K和该限制器值ussmin 和uGSmax的前提下，该晶体管10被导通。由此该晶体管配置1就切换 到了它的第二运行方式，在相应的电路中，这为逆变器运行提供了基础。该晶体管控制电压UGS从而在该第一运行方式中与该电压差Uds相关联，而这种关联在该第二方式中则通过所述的信号相加而被抵消，并 且该晶体管持续地被导通。图2在一个第二实施例中示出形成所述两种运行状态的另外一种 可能。为此在该放大器26和该限制器28之间设置了具有一个第一开 关状态Sl和一个第二开关状态S2的一个开关装置30。在该第一开关 状态S1中，该开关装置30把该放大器26与该限制器28相连接，如 此使得出现所述的第一运行方式。如果切换到该笫二开关状态S2中， 那么在该实施例中现在该限制器28的输入端与具有电压Up。s的一个电 压源相连接。在此该值Up。s的大小如此来选择，使得调节到所述的第二
运行方式，其中该晶体管控制电压UGS与该电压差Uos无关地大到使该晶体管10导通。在此借助来自该逆变器控制装置25的信号u孤来操作 该开关装置30。如果该电平低于某一阈值，尤其是大致为零时，那么 该开关状态Sl被置位，如果该电平高于该阈值，尤其是为iiwR时，那 么就到达该开关状态S2。这种控制的优点其中在于，对该逆变器控制 信号的品质仅提出甚微的要求，因为该信号仅间接地影响该晶体管控制 电压uGS。在图3中示出了一个第三实施例。在此在一个加法点32上把该电 压差u。s和一个可借助一个开关34来开关的电压Up。s相加。在此也借 助来自该逆变器控制装置25的信号UwK来操作该开关34。在开关状态 Sl中，该电压Up。s与该加法点32相分离。那么就出现了所述的第一 运行方式。在开关状态S2中，给该加法点32输入该电压Up。s，该电 压Up。s的大小如此选择，使得该晶体管控制电压Ugs与该电压差uDS无 关地变成如此大，使得该晶体管10导通。则该晶体管配置l处于该第 二运行方式。与该第二实施例相比较，该变化方案所提供的优点是，在 此该开关34在一个导通状态和一个高欧姆状态之间切换，而该开关装 置30则被用作两个不同导通状态之间的切换器。该开关34从而可以 有利地作为半导体开关、尤其FET来实施。在图4中示出了用于对至少一个电压进行整流和/或逆变的一种配 置36的一个实施例，其具有一个第一和一个第二晶体管配置VH、 Vl以 及在该晶体管配置VH、 VL之间所设置的一个抽头点42。在支线43中 设置有一个电感L。在考虑专业人员关于整流器和/或逆变器电路方面 的知识以及前面关于所述晶体管配置VH、 Vl的功能原理的详细介绍的 情况下，该配置36的功能原理是直接显而易见的。仅仅需要指出的是 该电平转换器44 (Level-Shifter )是必要的，用于为该第一晶体管 配置VH来匹配逆变器控制信号。作为这种配置36 (整流器和逆变器支 路)的优点要提及的是，不需要为该栅极接点G提供附加的驱动电路， 并且不需要为该整流器运行附加控制耗费，因为反向传输的漏极电流 iD,H或者i。,L使相应的晶体管配置VH、 VL导通。此外，在所述两个运行方式"逆变器，，和"(同步)整流器"之间的转换简单地通过接通和 断开逆变器运行的控制指令来实现。这种配置36在逆变器运行中的一个特别的优点应该在下文中通过 交流侧阻性-感性负载的基波振荡脉冲输入的例子来解释。在此应考虑一个时间点，在该时间点上该第一晶体管配置vH带有一个正向漏极电 流；Ld,h-;U，并且该第二晶体管配置Vl截止。该负载电流U应当现在 通过该晶体管配置VH的断开以及接着该晶体管配置VL的导通转换到该 晶体管配置Vl。在根据现有技术的逆变器控制中，需要在该晶体管配置 VH、 VL的导通信号之间保持锁定时间，以避免直流电压UzK短路。在这里所考虑的情况中这不可避免地导致在该晶体管配置Vl中该自身二极 管的短时导通，直至该晶体管配置VL被导通。在这种基本节拍振荡的 情况中，该负载电流的方向在该晶体管配置VL的之后的导通时间中被 逆转，如此使得在从该晶体管配置VL到该晶体管配置VH的转换中紧跟 着一个同样过程。根据现有技术，该锁定时间从而必须可以调节得非常 小，并同时非常精确。在本发明的配置36中这是不必要的，因为消耗 电能的开关装置晶体管配置VH (或的导通自动进行。(当然，应 该在该晶体管配置VH (或Vl)耗电与该负载电流"换向之间的时间中 给消耗电能的晶体管配置VH (或VL)提供导通信号。)该配置36从而 此外在作为基波振荡脉沖逆变器的运行中还允许一种简化的控制。最后在图5中示出了用于整流和/或逆变的具有三个配置36的一 种装置46，其具有晶体管配置Vi至Vs，对此已经进行了详细解释。所 需的电平变换器在此集成在该逆变器控制装置25中。在该装置46的 一侧具有一个直流电压UzK，而在另一侧具有三个交流电压Ui、 U2、 U3。 在考虑专业人员关于整流器和/或逆变器电路方面的知识以及前面关于 该晶体管配置Vi至Vs和该配置36功能原理的详细介绍的情况下，该 装置46的功能原理是直接显而易见的，并从而无需进一步解释。本发明尤其适用于将汽车的爪极发电机连接到汽车车体电网上。该 逆变器功能可以有利地用于将该爪极发电机作为起动器运行。通过优化 的同步整流器功能，改善了能量生成的总效率，并降低了发电机的所谓 "起动转数"。
权利要求
1.具有一个晶体管(10)的晶体管配置(1)，其具有一个第一和一个第二接点(12、14)和一个调节在第一和第二接点(12、14)之间电流(iD)的控制接点(16)，并且还具有一个信号处理装置(22)，该信号处理装置根据在第一和第二接点(12、14)之间所存在的电压差(uDS)来给所述控制接点(16)提供一个晶体管控制电压(uGS)，其特征在于分配给所述信号处理装置(22)的、并将该信号处理装置在至少两个运行方式之间进行切换的一个控制装置(23)。
2. 根据权利要求l所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，所述晶体管(10)作为FET、尤其作为MOSFET来实施，其中所 述第一接点(l2)是漏极接点(D)，所述第二接点(14)是源极接点 (S)，并且所述控制接点(16)是栅极接点(G)。
3. 根据前述权利要求之一所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，在第一和第二接点(12、 14 )之间设有一个电流控制单元(18 )。
4. 根据权利要求3所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，所述电流控制单元(IS)作为二极管(20)来构造。
5. 根据前述权利要求之一所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，所述控制装置(23)是一个输出一个控制信号(Uwk)的逆变器控 制装置(25)。
6. 根据前述权利要求之一所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，所述控制装置(23)借助一个基本为矩形的控制信号(UwR)来控 制所述信号处理装置(22)。
7. 根据前述权利要求5和6之一所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，把所述控制信号(u )加到所述电压差(uDS)上的一个加法点 (24)。
8. 根据前述权利要求1至6之一所述的晶体管配置(1 )， 其特征在于，根据所述控制装置(23)的一个控制信号(u孤)有时把一个基本 恒定的电压(Up。s)加到所述电压差(uDS)上的一个加法点(32)。
9. 根据前述权利要求之一所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，所述信号处理装置(22)具有一个用于放大所述电压差(Uds)的 放大器(26)。
10. 根据前述权利要求之一所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，给所述放大器(26)后接了一个电压限制器(28)。
11. 根据前述权利要求之一所述的晶体管配置(1)， 其特征在于，给所述控制接点(16)分配了一个开关装置(30)，其中该开关 装置(30)可借助所述控制装置(23)来操作，并有选择地将所述控 制接点(16)与一个与所述电压差(Uds)有关的或与一个与所述电压 差(uDS)无关的电压(Up。s)相连接。
12. 用于对至少一个电压进行整流和/或逆变的配置(36)，其具 有一个第一和一个第二晶体管配置(Vh、 Vl)和一个设置于所述晶体管 配置(Vh、 Vl)之间的抽头点(42)，其特征在于，所述晶体管配置(Vh、 Vl)根据前述权利要求之一来构造。
13. 用于对至少一个电压进行整流和/或逆变的、具有多个并联的 配置(36)的装置(46)，其特征在于，所述配置(36)的所述晶体管配置(V^ V2、 V3、 V4、 V5、 V6) 根据所述权利要求l至11之一来构造。
14. 应用，所述应用是根据所述权利要求1至11之一所述的一种 晶体管配置(1 )和/或根据所述权利要求12所述的一种配置(36 )在 一种整流器和/或逆变器电路中的应用。
15. 应用，所述应用是根据所述权利要求13所述的一种装置(46 )针对一种汽车电机的应用、尤其针对一种爪极发电机的应用。
16. 用于控制一种晶体管(10)的方法，其中该晶体管(10)具 有一个第一和一个第二接点(12、 14)和一个调节在第一和第二接点 (12、 14)之间的电流(iD)的控制接点(16)，其中根据在第一和 第二接点(12 、 14 )之间所存在的电压差(uDS )来给所述控制接点(16 ) 提供一个晶体管控制电压(uGS)， 其特征在于，所述晶体管控制电压(uGS)有时受一个与所述电压差(uDS)无关 的电压影响。
全文摘要
具有一个晶体管(10)的晶体管配置(1)，其具有一个第一和一个第二接点(12、14)和一个调节在第一和第二接点(12、14)之间的电流(i_D)的控制接点(16)，并还具有一个信号处理装置(22)，该信号处理装置(22)根据在第一和第二接点(12、14)之间所存在的一个电压差(u_DS)来给所述控制接点(16)提供一个晶体管控制电压(u_GS)，并具有一个控制装置(23)，该控制装置(23)分配给该信号处理装置(22)并将该信号处理装置(22)在至少两个运行方式之间进行切换。一个逆变器信号(u_WR)在值u_WR＝0时致使该晶体管(10)对于u_DS＜0导通并对于u_DS＞0截止。对于u_WR=u_WR，该晶体管(10)则持久地导通。
文档编号H02M1/08GK101133554SQ200680006622
公开日2008年2月27日 申请日期2006年1月27日 优先权日2005年3月2日
发明者A·卢夫, S·里斯, U·阿姆曼 申请人:罗伯特·博世有限公司