专利名称：用于以电流分离的方式控制半导体开关的电路装置以及方法
技术领域：
本发明涉及用于以电流分离的方式控制半导体开关的电路装置以及方法。
技术背景当控制电子设备和开关至少暂时地处于不同电位时，总是在功率电子设备中应用自由电位(potentialfrei)的栅极控制。在交流网络中例如在降压转换器、 逆变器桥、相位控制装置中情况如此。在已知的电路实现中半导体开关的栅极例如ilil具有光电子分离的驱动器 来控制。该驱动器的供电电压并且因此半导体开关的控制功率的提供通过具有 高频变压器的电流分离的电源部分实现。因此在这种电路方案中需要两个电位 分离的电流路径，用于控制具有相应的电路花费的开关。还存在这样的解决方案，其中开关功率和开^t号一起M31^ffi^M专输。 用于接通半导体开关的控制信号作为高频信号在变压器的初级输入端上被提 供。为关断幵关，切断初级侦i腊号。这种电路驢虽然没有用于功率侧的开关 元件的附加的辅助供电电压也可以，但是开，号的精度对于多数应用来说不 够。为了将半导体开关切换到不导通状态，去除'班器的初级侧绕组上的电压。 由此半导体开关的栅极能够通过所连接的晶体管被放电，其中该栅极最终具有 大小为在达林顿晶体管的情况下例如1.4 V的晶体管S^及-发射极电压加上降落 在位于电流路径中的电阻上的电压的剩余电位。在现有技术中在这种情况下剩 余栅极电压达到大约2.5 V。因为ffiil对半导体开关的密勒电容的再充电可能出 现附加的电压峰值，所以产生以下问题，即半导体幵关在达到它的最小的接通 电压时偶然被复位到导通状态(两次或者多次切换)。因此这样的电路装置例如 不适M逆变器中的高频运行。对于这种情况在现有技术中4顿M:光耦合器的控制，该控制如上所述需要增加的组件花费，并且因此在制造方面相对昂贵。另外，在该解决方式中出 现较高的电路损耗，因为除了开关的控制能量外还必须提供驱动元件的供电能
发明内容因此提出以下问题，即给出用于以电流分离的方式控制半导体开关的电路 装置以及设备，它们在减少组件花费并且因此减少成本花费的情况下特别适合 于高鹏变器运行。根据本发明，介绍一种按照3拉权利要求的、用于以电流分离的方式控制 半导体开关的电路装置以及方法。有利的改进方案是从属权利要求的主题。只要不另外明确说明，下面的说明同样适用于根据本发明的电路装置以及 根据本发明的方法。ffi^发明可以M^组件花费。由此育,以更低成本制造电路装置。通过 仅经由一条电流路《辣实现开关的控制，亦即控制信号同时提供控制功率，能 够使电路花费(成本、组件的数量、空间需求)最小化。作为另外的优点，产 生非常小的功率需求，因为仅需从控制电压供给中提供开关的控制功率，在按照图2的 的实施例中例如在16 KHz脉冲宽度调制时每一 驱动级仅需0.8 W。 原则上仅接M关断信号(根据所使用的半导体开关和/或控制晶体管，例如单 极、双极、n沟道、p沟道、npn、 pnp等；专业人员应理解半导体开关和控制晶 体管的何种组合适^T使用目的)以自由电位传输。另外的切换过程在开关电 位上无源地实现。在本发明的一个优选的改进方案中，控制晶体管的S^及与电压产生装置的 一个，，接，并皿^S少两个、tti&t也三个二极管与半导体开关的源极连接。 该连接可以通过高频变压器进行。由此可以在控制晶体管的基极和半导体开关 的源极或者ite间在三个Si二极管的情况下实现预定的电压差、例如2.1 V。因 此會,有利地使半导体开关的栅极达到零电位。在本发明中，有利地，电压产生装置被构造为至少一个电容性组件、特别 是皿他具有10nF的电容器。财卜可以有利地设置电阻性组件、特别是电阻， 用于限制充电电流。由此可以简单地获得预期的第三电压。该电容性组件在切 换过程中被充电，于是其可以为其他的切换过程提供i亥第三电压。m他，本发明在控制晶体管的基极和集电极之间具有二极管装置，用于 限帝拌导体开关的栅极和源极之间的电压，所述二极管装置具有至少一个带有 反极性保护的Z 二极管。由此會,保护半导体开关不被损坏。有利的是，在本发明中在半导体开关的栅极和源极之间设置电容性组件、
特别是电容器，用于阻尼通过半导体开关的密勒电容耦合输入的干扰电流。通 过半导体开关的电极之间的密勒电容耦合输入高的电流峰值，该电流峰值可能 在接通阶段期间例如在逆变器中干扰装置的运行。这些电流峰值通过所设置的 电容被阻尼，因此其作用被抑制。适宜地，在本发明中半导体开关被构造为单极晶体管、特别是被构造为FET、 MOSFET或者IGBT。这些晶体管允许用小的切换功率切换大的电流。但 是半导体开关同样可以被构造为双极晶体管。在本发明的一个非常优选的改进方案中，半导体开关被构造为单极n沟道 晶体管，并且控律U晶体管被构造为双极p叩晶体管，其中半导体开关的栅极与 控制晶体管的发射t腿接，并且半导体开关的源极与控制晶体管的集电极连接， 并且电压产生，被构造用于在控制晶体管的基极和集电极之间产生负电压。 该解决方案可以有利地被用于运行在用于三相交流电动机的逆变器中，其中控 制电路中的信号关闭半导体开关，亦即允许电流流过，并且在关断该控制信号 之后半导体开关借助根据本发明的辅助电压来打开。同样im地，在本发明中控制晶体管的基极特别是M:电阻与电压产生装置的负极连接，并3M:至少两个、im地三个二极管特别^I过高频变压器与 半导体开关的源极或者地连接。通皿一改进方案，控制晶体管的基极在关断 阶段中被置于负电位。由此能够有利地借助所提供的负辅助电压把栅极弓l导到 零电位，因为在三个硅二极管的情况下例如2.1 V的负电压在控制晶体管的基极 和半导体开关的源极或者地t间存在。本发明的其它的优点和改进方案从说明书和附图中得出。应该理解，，的以及下面还要说明的特征不仅可以以分别所给出的组合 而且也可以以另外的组合或者3^i也被使用，而不离开本发明的范围。本发明借助一个实施例在附图中示意地被示出，并且在下面参考附图详细 地来说明。
图1示出按照现有技术的用于以电流分离的方式驱动半导体开关的电路装 置的电路图；和图2示出按照本发明的用于以电流分离的方式驱动半导体开关的电路， 的电路图。
具体实施方式
首先借助图1说明按照现有技术的电路^S ioo'。电路装置100可以被分为两个区域、即控制电路101 (控制电位上的电路 部分)和驱动电路102'(开关电位上的电路部分)。这两个电路通过具有两个初 级线圈201、 202和两个次级线圈203、 204的^il器200以电流分离的方式耦合。在控制电路ioi中控制信号ffl^接端子iio和m提供。连接端子m接地。连接端子113与正的供电电压(在该例子中是15 V)连接。在输入端110、 111上施加例如具有250 kHz的切换频率和例如30 ns的预定的接通延迟的互补 的控制。该信号可以例如取自逻辑电路或者由具有相应的控制卡的常规计算机 提供。该信号处于低压范围内，例如为大约2.5 V。 M该控制信号，晶体管114、 U5被交替地置于导通状态。由此，位于输A^113上的供电电压交替i舰过初 级线圈201和202与地112连接。为支持供电电压，另外在供电电压和地112 之间连接有电容器116。在驱动电MU02'，在次级绕组203和204中感生预定的电压。通过二极 管301、 302向节点303和304提供正电压。为平滑该电压可以设置电容器。该 电压的幅度由变压器200的变压比决定。该幅度被设立，使得达到被构造为n 沟道MOSFET的要控制的半导体开关400的栅极控制电压、例如15 V。节点304上的正电ffi!31二极管305和电阻306被施加到MOSFET400的 栅极401上。由此MOSFET 400在 极402和漏极403之间导通。该正控制 电Mil节点303和另一个二极管307也位于控制晶体管的對及321上，该控 制晶体管在该例子中是pnp晶体管320。在MOSFET 400的栅极401和pnp晶 体管320的基极321之间在这种情况下不存在电压。pnp晶体管320的，极322与MOSFET 400的栅极401连接。pnp晶体 管320的集电极323与MOSFET 400的源极402连接。此外pnp晶体管320的 集电极323和MOSFET 400的源极402与地连接。pnp晶体管320的基极321 3!31电阻308同样与地连接。为使MOSFET 400返回到不导通状态，在控制电路101内断开该控制信号。 由此在驱动电路102'内在次级线圈203、 204内不再感生电压。施加在pnp晶体 管320的基极321上的正电压现在通过电阻308下降到地电位。施加在MOSFET
400的栅极401上的正电压S51二极管305、 302与地分离。由此在pnp晶体管 320的基极321和MOSFET 400的栅极401之间建立负电压。如果该负电压达 到预定的值、即pnp晶体管320的阈值，则pnp晶体管320在其发射极322与 其集电极323之间导通。MOSFET 400的栅极401由此同样与地电位连接，由 此该栅极被放电。如果现在施加在栅极401上的正电压低于MOSFET的阈值电 压值，则该MOSFET不导通。在这种情况下，MOSFET400的栅极401可以通过所连接的pnp晶体管320 仅被放电到大小为晶体管基极一发射极电压(在达林顿晶体管的情况下例如为 1.4 V)和在电阻308上降落的电压的剩余电位。在这种情况下达到大约2.5 V 的剩余栅极电压。因为通过MOSFET的密勒电餘关断瞬间由于再充电过程而 出现附加的电压峰值，所以产生以下问题，即当栅极电压达到例如约5 V的最 小接通电压时，半导体开关偶然被复位到导通状态(两次或者多次切换)。因此为改进上述问题建议根据本发明的解决方案。劍军决方案在下面借助 图2来说明。首先说明电路錢与现有技术(图1)的不同。两个电路體100和100' 的控制电路101分别相同地被构造。而电路，100的驱动电路(开关电位上的电路部分)102与电路装置100' (现有技术)的驱动电路102'不同。除了用于提供点303、 304上的正电压的所述二极管301、 302之外，现在 还设置有二极管301'、 302'，用于在节点304'上JI供负电压。该负电压通过电阻 351 (例如100R)被引向电容器350 (例如10nF)的第一连接端子，该电容器 的第二连接端子位于地电位上。因此电容器350被负充电。此外可以看到，二极管305和307 M地被实施，其中两个二极管305'和 307'为此被串联。它们的作用方式在后面说明。为接通MOSFET 400， ffi器200在初级侧用例如频率为250 khz的推挽 信号来控制。鄉过两个晶体管、例如FET114、 115进行，这两个晶体管例如 通过(未示出的)逻辑门来控制。由此在次级侧产生的矩形电压被整流并且在 MOSFET 400的栅极401上作为直流电压可供使用。选择〃，器的变压比，使 得在栅极401上在考虑二极管正向电压(Diodenflussspaimung)和控制晶体管 114、 115的导通损耗的情况下产生约+15 V的电压。MOSFET 400的栅极电容和并联的电容器309 (例如10nF)的充电电流由 电阻306 (例如10R)和FET 114、 115的RDSoJ艮制。fflii该充电电流的大小 可以调节MOSFET的接313I度。与MOSFET 400的栅极-源极段并联的电容器 309的任务是，阻尼在"接通"阶段期间M: MOSFET的密勒电容耦合输入的干 扰电流并且因此保持MOSFET的栅极电压没有干扰峰值。与电容器309并联的电阻(例如4K99)即使在达至嘬大栅极电压时也导致 ilil充电二极管305、 305'的电流并且因此导致规定的正向电压。在所示的实施方案中栅极电压另夕卜通过被构造为具有反极性保护的齐纳二 极管的二极管装置311在pnp晶体管320的SI及321上被限制于允i锁(例如 小于20V)。该二极管装置是可选的，并且也可以被省略。为关断MOSFET 400，结鄉过变压器200的控制。在"接通"阶段期间pnp 晶体管320关闭，因为在它的UBE段上不产生电压。如果变压器200的控制被 结束，贝U在pnp晶体管320的基极321上施加的正电位ilil电阻308 (2k)朝负 辅助电压的值的方向下降。在MOSFET 400的栅极401上施加的正电iBI过二 极管305、 305'被去耦。因此在pnp晶体管320的基极321和MOSFET 400的栅 极401之间建立负电压UBE。如果该负电压达到预定的值、即pnp晶体管320 的阈值，则pnp晶体管320在它的发射极322和它的集电极323之间导通。由 此MOSFET 400的栅极401同样与地电位连接，由此该栅极被放电。MOSFET的关断速度可以通过基极电阻308和并联的电容352 (例如 330pF)的时间常数在考虑基极电流分量盼瞎况下进行调节。ilii两个二极管301'和302'、用于限流的电阻351和电容350产生负辅助 电压。该负辅助电压是必需的，以便补偿该驱动级方案的原理性缺点、即单极 栅极控制。如参考图1 (现有技术)所说明的，当pnp晶体管320的基极电阻 308不是与负辅助电压而是与MOSFET 400的鄉极电位连接时，MOSFET400 的栅极401只能被放电到pnp晶体管320的Ube和pnp晶体管320的基极电阻 308上的电压降之和。这导致，在MOSFET的密勒电容再充电时所产生的电流 将使栅极电容充电到至少2.5 V。但是为了具有与MOSFET的最小阈值电压(典 型地最小5V)的足够的电压间距，绝对必需的是，无论如何将栅极电压保持在 2.5 V以下。通a^t及电阻308参考负辅助电压，能够将MOSFET 400的栅极 401放电到0V，因为pnp晶体管320的基极电位在关断状态下位于-2J V。尽
管有负辅助电压，但是在pnp晶体管320的基极321上不可能产生大于-2.1 V的 电位，因为基极321 M31H个二极管302、 307、 307邻被关断的变压器200的 绕组203或者三个二极管301 、 307、 307邻被关断的变压器200的绕组204被 箝位到MOSFET400的源极电位(例如地)。在为变压器200产生初级侧推挽控审腊号时优^t也应注意，在时钟信号和 控制信号同步开始时分别交替地控制FET114、 115，以便防止由于单侧充磁而 使变压器饱和。这被证明是有利的，因为控律脂遣的大部分已经在第一时钟中 被传输。应该理解,必须理解根据本发明的方法的上述iM的实施例仅^例性的。除ltk^外，对于专业人员来说可以设想其它的解决方案，而不离开本发明的范 围。
权利要求
1. 用于以电流分离的方式控制半导体开关(400)的电路装置(100)，其中，该电路装置具有控制电路(101)，即在控制电位上的电路部分；驱动电路(102)，即在开关电位上的电路部分；变压器(200)，用于以电流分离的方式将来自所述控制电路(101)的控制信号作为开关信号传输到所述驱动电路(102)中；和用于对该开关信号进行整流的装置(301，302)，其中，具有栅极(401)、源极(402)和漏极(403)的所述半导体开关(400)在所述驱动电路(102)中被构造，并且能够通过所述栅极(401)和所述源极(402)之间的预定的第一电压被切换，使得预定的电流在所述漏极(403)和所述源极(402)之间流动，其中，所述开关信号能够被施加到所述栅极(401)上，以便切换所述半导体开关(400)，其中，所述驱动电路(102)包含具有基极(322)、发射极(322)和集电极(323)的控制晶体管(320)，并且该控制晶体管(320)能够通过所述基极(321)和所述发射极(322)之间的预定的第二电压被切换，使得能够通过所述发射极(322)和所述集电极(323)使所述半导体开关(400)的栅极(401)与所述半导体开关(400)的源极(402)连接，以便转换所述半导体开关，其特征在于电压产生装置(350)，用于在所述控制晶体管(320)的基极(321)和集电极(323)之间产生对所述第二电压整流的第三电压。
2. 根据权利要求l的电路^S(100)，其特征在于，所述控制晶体管G20) 的基极(321)与所述电压产生装置(350)的一个极连接，并通过至少一个、 ^TOft两个或者三个二极管(301、 307、 307、 302、 307、 307')、特别^M3！ 所述变压器(200)的部分(203， 204)与所述半导体开关(400)的源极(402) 连接。
3. 根据权利要求1或2的电路装置(100)，其特征在于，所述电压产生装 置(350)被构造为至少一个电容性组件、特别是被构造为电^器(350)。
4. 根据，禾又利要求之一的电路装置(100)，其特征在于在所述控制晶体 管(320)的基极(321)和集电极(322)之间的、用于限制所述半导体开关(400) 的栅极(401)和源极(402)之间的电压的二极管装置(311)，该二极管^S具有至少一个带有反极性保护的Z 二极管。
5. 根据权利要求之一的电路體(100)，其特征在于在所述半导体开 关(400)的栅极(401)和源极(402)之间的电容性组件(309)、特别是电容 器，用于阻尼通H^f述半导体开关(400)的密勒电容耦合输入的干扰电流。
6. 根据权利要求之一的电路装置(100)，其特征在于，所述半导体开 关(400)被构造为单极晶体管，特别是被构造为FET、 MOSFET或者IGBT。
7. 根据权利要求6的电路装置(100)，其特征在于，所述半导体开关(400) 被构造为单极n沟道晶体管，并且所述控制晶体管(320)被构造为双极pnp晶 体管，其中所述半导体开关(400)的栅极(401)与所，制晶体管(320)的 Mrt皿接，并且所述半导体开关(400)的源极(402)与所述控制晶体管(320) 的集电极(323)连接，并且所述电压产生装置(350)被构造用于在所述控制 晶体管(320)的基极(321)和集电极(323)之间产生负电压。
8. 根据权利要求7的电路装置(IOO)，其特征在于，所述控制晶体管G20) 的基极(321)与所述电压产生装置(350)的负极连接，并通过至少两个、优 i^tikH个二极管(301、 307、 307'; 302、 307、 307')与所述半导体开关(400) 的源极(402)连接。
9. 用于以电流分离的方式控制半导体开关(400)的方法，其中，使用电路装置(100)，该电路装置具有控制电路(101)、驱动电路 (102)、用于以电流分离的方式将来自所述控制电路(101)的控制信号作为开 关信号传输到所述驱动电路(102)中的变压器(200)和用于对该开关信号进 行整流的装置(301， 302)，其中，具有栅极(401 )、源极(402)和漏极(403)的所述半导体开关(400) 在所述驱动电路(102)中被构造，并且育的多通31M述栅极(401)和所述源极 (402)之间的预定的第一电压被切换，使得预定的电流在所述漏极(403)和所 述源极(402)之间流动，其中，所述开刘言号被施加到所述栅极(401)上，以便切换所述半导体开 关(400)，其中，所述驱动电路(102)包含具有基极(322)、发射极(322)和集电 极(323)的控制晶体管(320)，并且该控制晶体管(320)育,通过所述基极 (321)和所述，极(322)之间的预定的第二电压被切换，使得能够fflii所述发射极(322)和所述集电极(323)使所述半导体开关(400)的栅极(401) 与所述半导体幵关(400)的源极(402)连接，以便转换所述半导体开关，其特征在于，^^f述控制晶体管(320)的基极(321)和集电极(323)之 间产tot所述第二电压整流的第三电压。
10. 根据权利要求9的方法，其特征在于，所述半导体开关(400)被构造 为单极n沟道晶体管，并且所鹏制晶体管(320)被构造为双极pnp晶体管， 其中所述半导体开关(400)的栅极(401)与所述控律U晶体管(320)的鄉极 连接，并且所述半导体开关(400)的源极(402)与所鹏制晶体管(320)的 集电极(323)连接，并且在所鹏制晶体管(320)的Sm (321)和集电极(323) 之间产生负电压。
11. 根据权利要求10的方法，其特征在于，所述控制晶体管(320)的基 极(321)与所述电压产生装置(350)的负极连接，并通过至少两个、,地 三个二极管(301、 307、 307'; 302、 307、 307')特别M过所述鄉器(200) 的部分(203， 204)与所述半导体开关(400)的源极(402)连接。
全文摘要
介绍了用于以电流分离的方式控制半导体开关(400)的电路装置(100)以及方法，其中该电路装置(100)具有控制电路(101)、驱动电路(102)、用于以电流分离的方式将来自控制电路(101)的控制信号作为开关信号传输到驱动电路(102)中的变压器(200)和用于对该开关信号进行整流的装置(301，302)，其中该驱动电路(102)包含具有栅极(401)、源极(402)和漏极(403)的半导体开关(400)，其中该半导体开关(400)能够通过栅极(401)和源极(402)之间的预定的第一电压被切换，使得预定的电流在漏极(403)和源极(402)之间流动，其中所述开关信号能够被施加到栅极(401)上，以便切换半导体开关(400)，其中驱动电路(102)包含具有基极(321)、发射极(322)和集电极(323)的控制晶体管(320)，其中该控制晶体管(320)能够通过基极(321)和发射极(322)之间的预定的第二电压被切换，使得能够通过发射极(322)和集电极(323)使半导体开关(400)的栅极(401)与半导体开关(400)的源极(402)连接，以便转换所述半导体开关，其中设置有电压产生装置(350)，用于在控制晶体管(320)的基极(321)和集电极(323)之间产生对第二电压整流的第三电压。由此能够以简单的方式改进半导体开关的运行。
文档编号H03K17/567GK101401308SQ200680041460
公开日2009年4月1日 申请日期2006年9月5日 优先权日2005年11月7日
发明者T·迪特里克 申请人:博世雷克斯罗思股份公司