专利名称：带驱动器电路和至少一个功率开关的系统及其驱动方法
技术领域：
本发明描述一种带驱动器电路和至少一个功率开关的系统，功率 开关优选是功率半导体模块的构件。已公知各式各样的这种功率半导 体模块，并且，这种功率半导体模块通常具有半相或三相拓扑结构。
因此，这里描述的功率开关形成了这种功率半导体模块的基础。此外，
本发明描述一种特别有利的方法，用来驱动(Ansteuemng)根据本发 明的功率开关。
背景技术：
例如由EP 0 750 345 A2公知所述类型的功率半导体模块。这里， 功率开关由带反向并联地联接的功率二极管的功率晶体管组成。例如 由同一文献同样己知的是，这种功率开关能形成为更多相同的带多个 相同功率二极管的功率晶体管的并联电路。
由DE 100 10 957 Al公知由至少一个MOS-FET(金属氧化物半导 体场效应管)和至少一个IGBT (绝缘栅双极型晶体管)的并联电路组 成的功率开关。此功率开关在逆变器的使用中用于在高开关频率时实 现大载流能力。然而，这种构造方式局限于相对较低的供电电压，在 供电电压相对较低时MOS-FET能被使用，公知的是，MOS-FET相对 于IGBT而言具有较低的耐压强度。在该构造方式中，两个分开关在接 通指令下同时接通，并且，在随后的断开指令下，MOS-FET相对于IGBT 又延时断开。
在现代的功率半导体模块中，功率开关以直至20kHz的开关频率 来接通。在开关过程期间，在不同的构造方式的功率晶体管中出现高 频振荡，高频振荡导致显著的电磁波形式的辐射。最小化干扰辐射是在功率半导体模块连同另外的结构元件(例如驱动器电路和电容器) 的系统使用时的任务。功率半导体模块的在系统应用中的所谓的EMV (电磁兼容)特性通过电流幅值、电压幅值、驱动的占空比、开关频 率以及通过功率开关的开关时间来确定。
因此，在特别地由功率半导体模块组成的系统中，EMV特性的改 善应已经在干扰有原因地产生的位置上实现。然而，在功率半导体模 块层面上的影响可能性强烈地受到限制，因为很多所谓的因素都通过 应用被确定下来，进而是不可改变的。
此外，单个功率半导体晶体管针对重要的参数，例如小的导通损 耗或小的开关损耗，得以被优化，由此，通常各个其它的参数具有比 在针对这些参数优化过的大功率晶体管中较差的数值。
发明内容
本发明以下述任务为基础，即介绍带至少一个用于功率半导体模 块的功率开关和驱动器电路的系统以及介绍用于所述系统的驱动方 法，其中，功率开关连同驱动方法借助于驱动器电路而具有改善的开
关特性。
此任务根据本发明通过具有权利要求1特征的物体以及通过根据 权利要求3的方法得以解决。优选的实施方式在从属权利要求中进行 描述。
功率晶体管形式的功率半导体结构元件构成本发明的出发点，其 中，本发明不限于下述类型的功率开关，关于这种类型的功率开关公 知第一构造方式，该构造方式在尽可能小的开关损耗方面得到优化； 以及第二构造方式，此构造方式在尽可能小的导通损耗方面得到优化。
此外，在广义上，开关损耗应理解为电能的下述损耗，该电能在
5功率开关接通期间例如几百纳秒的时间段内在该功率开关上被消耗， 并且作为热量散发。典型的数值处于几毫焦的数量级。
此外，在广义上，导通损耗应理解为电能的下述损耗，所述电能 在功率开关导通阶段在直至几百毫秒的典型时间段内在此功率开关上 被消耗，并且作为热量散发。在此，典型的数值达到直至几十毫焦。
因此，根据本发明的带驱动器电路和至少一个功率开关的系统具 有一个相应的功率开关，该功率开关形成为至少一个第一可开关的功 率半导体结构元件和至少一个第二可开关的功率半导体结构元件的并 联电路。为了对相应第一和第二功率半导体结构元件进行个别驱动， 第一和第二功率半导体结构元件分别具有一个到驱动器电路的控制连 接。在此重要的是，至少一个第一功率半导体结构元件在开关时具有 比至少一个第二功率半导体结构元件更小的开关损耗和/或更小的振荡 倾向，而至少一个第二功率半导体结构元件具有比至少一个第一功率 半导体结构元件更小的导通损耗。
在根据本发明的用于驱动这种系统的方法中，由可与驱动器电路 连接的控制器生成开关指令，并且传送给驱动器电路。由此，驱动器 电路将至少一个第一功率半导体结构元件接通持续限定的时段，并且 在此时段内至少一个第二功率半导体结构元件同样收到开关脉冲。因 此，此驱动方法在开关过程中利用至少一个第一功率半导体结构元件 的小的开关损耗和/或小的振荡倾向，并因此在第二种情况下生成比至 少一个第二功率半导体结构元件直接接通情况下更小的干扰辐射。在
第一种情况下，功率开关的由导通损耗和开关损耗构成的总损耗显著
地得以改善。优选地，至少一个第一功率半导体结构元件同时具有更
小的开关损耗和更小的振荡倾向两个优点。然而，这种第一功率半导 体结构元件则具有比在对此优化过的第二功率半导体结构元件明显更
高的传导损耗。至少一个第二功率半导体结构元件也在下述时段内被 接通，即在所述时段内，第一功率半导体结构元件持续接通，由此第二功率半导体结构元件的开关损耗不产生影响。
因此，第一功率半导体结构元件总是只在当第二功率半导体结构 元件应该接收到开关脉冲时的时段内是接通的，以便第一功率半导体 结构元件的较差的导通损耗不产生影响。因此，干扰辐射或者开关损 耗或者上述两者在功率开关的开关阶段被降低，而没有负面地影响其 它的正面特性，例如在接通状态下小的导通损耗，因为在此第一功率 半导体结构元件不再是接通的。
因此，在用于功率开关的接通指令下，借助驱动器电路，将至少 一个第一功率半导体结构元件接通持续第一时段，并且，在此时段期 间，至少一个第二功率半导体结构元件在限定时刻同样被接通。
因此，在用于功率开关的断开指令下，借助驱动器电路，将至少 一个第一功率半导体结构元件接通持续第二时段，其中，在此时段内， 至少一个第二功率半导体结构元件还是接通的，并且，在此时段期间， 至少一个第二功率半导体结构元件在限定时刻被断开。
借助根据本发明的方法，至少一个第一功率半导体结构元件和至 少一个第二功率半导体结构元件如此地被驱动，即开关过程的总损耗
比在根据现有技术的功率开关的构造方式中的明显更小。在大多数公 知的功率半导体模块中，每个功率开关构成为多个相同的功率半导体 结构元件，它们总是针对某个参数，例如小的导通损耗或小的开关损 耗进行优化。所以，关于其散热方面，必须将功率半导体模块针对未 进行优化的参数进行设计，以便也能在此以热量的形式散发损耗。因 此，功率开关的根据本发明的构造方式不是必然需要将每个开关的功
率半导体结构元件加倍，因为在此每个功率开关的对于设计功率半导 体模块所要虑及的总损耗更小。
该电路系统的特别优选的改进构造方案和它的驱动方法在实施例 的相应描述中被提及。此外，借助图1和图2的实施例对发明的解决 方案进行详尽说明。
图1示出根据本发明的带可连接的控制器的系统的构造方式。 图2示出根据本发明的驱动方法的构造方式的脉冲曲线图。
具体实施例方式
图1示出根据本发明的带可连接的控制器10的系统的构造方式。 在此，此系统具有驱动器电路20，驱动器电路20从上位的控制器10 通过数据通道12接收用于功率开关的控制指令120。
驱动器电路20将此控制指令处理成用于功率开关30的驱动信号。 在此，根据本发明，功率开关30形成为至少一个第一可开关的功率半 导体结构元件32和至少一个第二可开关的功率半导体结构元件34的 并联电路。在此，第一功率半导体结构元件32的特征是，它具有比第 二功率半导体结构元件34更小的开关损耗和更小的振荡倾向。与此相 应的是，第二功率半导体结构元件34的特征是，它具有比第一功率半 导体结构元件32更小的导通损耗。
此处两个功率半导体结构元件32、 34形成为以不同技术生产的 IGBT，用于续流情况(Freilauffall)的功率二极管36还相对于此两个 功率半导体结构元件32、 34反向并联地联接。在此，涉及到根据本发 明的功率开关30的最简单的构造形式。当然在另外的构造方式中，第 一功率半导体结构元件32和第二功率半导体结构元件34的数目是不 同的。至少一个反向并联联接的功率二极管36也能在适当的可开关功 率半导体结构元件中，如反向阻断IGBT和MOS-FET完全不被使用。
这两个第一和第二功率半导体结构元件32、 34借助分别配属于它 们的控制连接22、 24与驱动器电路20相连。图2示意示出根据本发明的控制过程的构造方式的从驱动控制器
到驱动器电路的控制指令120的脉冲曲线图，第一功率半导体结构元 件32和第二功率半导体结构元件34的驱动信号220、 240的脉冲曲线 图。作为比较描述的是，依据现有技术的用于功率开关的驱动信号200 的脉冲曲线图。
驱动控制器10在时刻tl发送开关指令，这里是接通指令Sl。在 驱动器电路20的反应时间之后，该驱动器电路20在时刻t2向第一功 率半导体结构元件32发送接通指令，由此该第一功率半导体结构元件 32释放电流通过功率开关30。
随后，驱动器电路20在时刻t3向第二功率半导体结构元件34发 送接通指令，由此第二功率半导体结构元件同样被导电地接通。在此， 第二功率半导体结构元件34的开关损耗很微小，因为电流已经流过功 率开关。
为了避免第一功率半导体结构元件32的导通损耗，第一功率半导 体结构元件在时刻t4重又由驱动器电路20断开，此后总电流流经第二 功率半导体结构元件34。因此，第一功率半导体结构元件32只对于时 段(t4-t2)是工作的。
驱动控制器10在时刻t5发送另一个开关指令，即向驱动器电路 20发送断开指令S2。在驱动器电路20的更新的反应时间之后，在时 刻t6驱动器电路20向第一功率半导体结构元件32发送接通指令，由 此这时两个功率半导体结构元件32、 34再次导通电流。
随后，第二功率半导体结构元件34在时刻t7由驱动器电路20断 开，其中此时，电流就只能流经第一功率半导体结构元件32。
此第一功率半导体结构元件32就在时刻t8同样被断开，其中，
9该第一功率半导体结构元件只在第二时段(t8-t6)期间工作。功率开关 30像这样通过断开第一功率半导体结构元件32而被断开。
对于功率开关30在10kHz范围内的开关频率，第一和第二时段 (t4-t2,t8-t6)的典型数值在lps到5jus之间，第一功率半导体结构元 件32在第一和第二时段(t4-t2,t8-t6)是接通的，而另一个时段(t7-t3) 达到直至50(His，在另一个时段(t7-t3)期间第二功率半导体结构元件 34是接通的。当然，在功率开关30的实际运行中，能如此给出较短的 接通时段，即在所述接通时段内第二个开关不进行开关。
权利要求
1.带驱动器电路(20)和至少一个功率开关(30)的系统，其中，所述功率开关(30)形成为至少一个第一能开关的功率半导体结构元件(32)和至少一个第二能开关的功率半导体结构元件(34)的并联电路，各个所述第一功率半导体结构元件(32)和所述第二功率半导体结构元件(34)分别具有一个配属于所述第一功率半导体结构元件(32)和所述第二功率半导体结构元件(34)的到所述驱动器电路(20)的控制连接(22、24)，并且其中，所述至少一个第一功率半导体结构元件(32)在开关时具有比所述至少一个第二功率半导体结构元件(34)更小的开关损耗和/或更小的振荡倾向，而所述至少一个第二功率半导体结构元件(34)具有比所述至少一个第一功率半导体结构元件(32)更小的导通损耗。
2. 按权利要求l所述的系统，其中，至少一个第三功率半导体结 构元件(36)，即功率二极管相对于所述至少一个第一功率半导体结 构元件(32)和所述至少一个第二功率半导体结构元件(34)反向并 联地联接。
3. 用于对按权利要求1或者2之一所述的系统进行驱动的方法， 其中，在能够与所述驱动器电路(20)连接的控制器(10)的开关指 令(Sl、 S2)下，所述驱动器电路(20)将所述至少一个第一功率半 导体结构元件(32)接通持续限定的时段(t4-t2， t8-t6)，并且在所述 时段期间，所述至少一个第二功率半导体结构元件在时刻(t3、 t6)同 样收到开关脉冲。
4. 按权利要求3所述的方法，其中，在用于所述功率开关(30) 的在时刻(tl)的接通指令(Sl)下，借助所述驱动器电路(20)，将 所述至少一个第一功率半导体结构元件(32)接通持续第一时段(t4-t2)， 并且在所述时段(t4-t2)期间，所述至少一个第二功率半导体结构元件(34)在时刻(t3)被接通。
5. 按权利要求3所述的方法，其中，在用于所述功率开关(30) 的在时刻(t5)的断开指令(S2)下，借助所述驱动器电路(20)，将 所述至少一个第一功率半导体结构元件(32)接通持续第二时段(t8-t6)， 其中，这时所述至少一个第二功率半导体结构元件(34)还是接通的， 并且在所述时段(t8-t6)期间，所述至少一个第二功率半导体结构元件(34)在时刻(t7)被断开。
6. 按权利要求3所述的方法，其中，在所述功率开关(30)的开 关频率在10kHz范围内的情况下，其间所述至少一个第一功率半导体 结构元件(32)为接通的所述第一时段(t4-t2)和第二时段(t8-t6)在 lps到5iis之间，并且，其间所述至少一个第二功率半导体结构元件(34) 为接通的另一个时段(t7-t3)达到直至500ps。
全文摘要
本发明涉及一种带驱动器电路和至少一个功率开关的系统及其驱动方法。描述了一种带驱动器电路和功率开关的系统，其中，功率开关形成第一可开关的功率半导体结构元件和第二可开关的功率半导体结构元件的并联电路。在此重要的是，第一功率半导体结构元件在开关时具有比第二功率半导体结构元件更小的开关损耗和/或更小的振荡倾向，而第二功率半导体结构元件具有比至少一个第一功率半导体结构元件更小的导通损耗。所属的方法在开关脉冲下将第一功率半导体结构元件接通持续确定的时段，而在此时段期间，第二功率半导体结构元件同样收到开关脉冲。借助根据本发明的方法，开关过程的总损耗比在根据现有技术的功率开关的构造方式中的明显更小。
文档编号H02M1/08GK101651406SQ20091016672
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月14日 优先权日2008年8月16日
发明者斯特凡·施米特, 杰尔·多·纳西门托 申请人:赛米控电子股份有限公司