用于转换器的快速开关的电路布置的制作方法

本发明涉及一种用于电气转换器的电路布置。该电路布置具有多个开关单元，其中的每个开关单元具有半导体开关和用于控制半导体开关的栅极驱动电路。具有根据本发明的电路布置的电气转换器也属于本发明。

背景技术：

在用于电力电子设备的转换器中，转换器的整流器和/或逆变器的半导体开关可以作为模块来提供。这样的模块于是具有例如由半导体开关形成的三个半桥。为了控制半导体开关，将该模块与单独的电路板连接，在该电路板上实现半导体开关的栅极驱动电路。该电路板通过导线在控制输入端处连接到模块。在模块内部，控制输入端通过焊线与半导体开关的栅极连接。

在此模块技术中出现的模块内部的布线电感限制了可以用于切换半导体开关的可能的最大开关频率。如果超过最大开关频率，则导致布线电感感应出过电压。为了防止半导体损坏，因此必须保持低的开关频率和开关速度(也就是说，导通和不导通开关状态之间的转换)。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种具有高开关频率和/或开关速度的转换器。

上述技术问题通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利扩展通过从属权利要求的特征得到。

本发明包括用于电气转换器的电路布置。在此电路布置中，半导体开关和用于控制半导体开关的其栅极驱动电路分别组成开关单元。为了使该开关单元快速开关，即为了能够以高的开关频率和/或高的开关速度驱动开关单元，根据本发明设置为，在每个开关单元中，分别将半导体开关和栅极驱动电路布置在共同的载体电路板上，并且栅极驱动开关通过载体电路板的至少一个导体迹线与半导体开关的栅极电气相连。

通过本发明得到如下优点：栅极驱动电路不需要通过导线与模块连接，然后在模块内部通过另一个焊线与半导体开关的栅极建立连接。栅极驱动电路和栅极之间的该相对长的路径导致所述的布线电感。相反，在根据本发明的电路布置中，栅极驱动电路和栅极由于共同布置在载体电路板上而可以具有小的距离，从而通过导体迹线不形成电感的显著增大。因此通过本发明得到如下优点：每个开关单元中的栅极驱动电路和栅极之间的布线电感不再是设置最大开关频率和/或开关速度时的限制因素。因此，与基于开头描述的模块的传统转换器电路布置相比，能够以更快地进行开关的方式驱动该电路布置。快速地进行开关特别是应当理解为大于50khz的开关频率。

根据本发明的电路布置特别是被设计为电力电子设备，也就是说，每个半导体开关优选被设计为，能够通过其断路间隔(漏极-源极连接)引导或者切换大于10安培、特别是大于50安培的额定电流。每个半导体开关的断路间隔的反向电压特别是大于100伏。

可选的扩展方案也属于本发明，通过其特征得到附加的优点。

在开关单元中栅极驱动电路与半导体开关的栅极的距离相应地小于2厘米、特别是小于1厘米的扩展方案中，得到特别小的布线电感。

一个扩展方案设置为，开关单元的半导体开关基于宽带隙半导体技术(wide-bandgap-halbleitertechnologie)。尤其是，半导体开关基于碳化硅和/或氮化镓制造。通过该扩展方案得到如下优点：此半导体开关具有比例如硅半导体开关更高的开关频率和/或开关速度。在此，半导体开关例如可以设计为igbt(绝缘栅双极晶体管)或mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)。由此，在该扩展方案中，半导体开关本身也可以以比传统的基于硅的半导体开关更高的最大频率来驱动。

一个扩展方案使得能够切换特别大的电流。为此，将开关单元中的至少两个并联连接。尽管这两个开关单元的栅极驱动电路分布地布置，为了使得能够同步地进行开关，将中央逻辑电路与至少两个并联的开关单元的相应的栅极驱动电路相连。逻辑电路被设计为，依据开关信号来同时控制栅极驱动电路。中央逻辑电路在此可以以与两个栅极驱动电路较大的距离设置，因为在此不存在布线电感的问题。因此，由此还能够以有利的方式实现对栅极驱动电路的中央控制，并且布线电感的影响仍然通过将栅极驱动电路布置在半导体开关上而得以避免。

不需要将每一个开关单元布置在单独的电路板上。替代地，一个扩展方案设置为，将开关单元中的至少两个布置在同一个载体电路板上。由此得到如下优点：可以提供特别节省空间的电路布置。结合并联连接的开关单元得到如下优点：通过载体电路板可以实现所切换的电流的分布。

为了使电路布置以尽可能小的花费实现，一个扩展方案设置为，开关单元的半导体开关分别通过分立的元件来提供。也就是说，该元件是布置在单独的壳体中的半导体开关。然后，将该元件与电路板焊接在一起。

在一个扩展方案中，在开关单元中的至少一个中，对半导体开关的断路间隔并联连接缓冲电路。缓冲电路例如可以通过rc元件形成。由此得到如下优点：还可以对其它电感进行补偿。

开关单元的半导体开关、特别是还有缓冲电路可能在运行过程中发热，其必须消散。本发明的一个扩展方案设置为，在开关单元中的至少一个中，载体电路板具有ims(insulatedmetalsubstrate，绝缘金属基板)。由此得到如下优点：热可以穿过绝缘通过ims的金属消散。特别地，ims与缓冲电路组合使用。

为了抑制并联连接的半导体开关之间的振动，可以设置为，并联连接的半导体开关通过布置在共同的载体电路板上的开关单元提供。于是由此可以以有利的方式通过开关单元在载体电路板上的布置以及由此产生的电流路径长度，对振动产生阻尼效果。影响并联连接的半导体的振动趋势或振动行为的另一个参数是栅极的驱动信号或控制信号的选取。

逆变器和/或整流器相应地具有作为根据本发明的电路布置的实施方式的电路布置的转换器也属于本发明。根据本发明的转换器可以以有利的方式以快速开关的方式运行，在此开关单元的半导体开关不会由于感应出的过电压而损坏。

根据一个扩展方案，转换器的控制装置被设计为，逆变器和/或整流器的相应的电路布置以高于50khz的开关频率运行。相比之下，传统的转换器仅能够切换低于20khz的开关频率。

附图说明

下面将描述本发明的实施例。为此：

图1示出了根据本发明的转换器的一个实施方式的示意图，

图2示出了根据本发明的电路布置的一个实施方式的示意图，

图3示出了根据本发明的电路布置的一个替换实施方式的示意图，以及

图4示出了根据本发明的电路布置的另一个实施方式的示意图。

具体实施方式

下面说明的实施例是本发明的优选实施方式。在这些实施例中，所描述的实施方式的部件相应地是被视为彼此独立的本发明的各个特征，这些特征也相应地彼此独立地扩展本发明，由此也可以单独地或者以与所示出的组合不同的组合视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也可以通过已经描述的本发明的特征中的另一些来补充。

在附图中，对功能相同的元件相应地设置相同的附图标记。

图1示出了转换器1，其包括整流器2、直流中间电路或者简称为中间电路3、逆变器4和控制装置5。整流器2和逆变器4分别可以具有半桥6，转换器1的交流相导线或者简称为相导线7,8通过半桥6以已知的方式与中间电路3的正导线9以及负导线10相连。通过整流器2，可以借助半桥6由相导线7的交流电压以本身已知的方式在中间电路3中产生直流电压11，此直流电压可以在中间电路电容器12中进行缓冲。通过逆变器4，可以借助半桥6由直流电压11在相导体8中相应地产生交流电压。

转换器1例如可以用来驱动电机、例如同步电机。为此，转换器1可以通过相导线7与供电网相连，并且通过相导线8与电机相连。

在转换器1中，半桥6由控制装置5进行切换或控制。电路装置5例如可以由电气和电子元件形成。也可以为整流器2和逆变器4分别设置单独的控制装置。电路装置5例如可以由微处理器或者asic(专用集成电路)形成。

半桥分别具有所谓的高端电路13和低端电路14，为了清楚起见，在图1中仅对其中的一些设置了附图标记。在此，电路13,14分别可以具有由多个半导体开关构成的并联电路。

在图2中再一次详细示出了半桥6。在图2中示出的示例中，高端电路13和低端电路14分别具有并联连接的开关单元15。每个开关单元15具有半导体开关16和相应的半导体开关16的栅极驱动电路或者简称为驱动电路17。为了进行说明，分别示出了半导体开关16的漏极d、源极s和栅极g接线端。半导体开关16例如相应地可以是igbt或mosfet。半导体开关16特别是基于宽带隙半导体技术设计，特别地是基于碳化硅和/或氮化镓的半导体开关或晶体管。

栅极驱动电路相应地可以是本身从现有技术中作为栅极驱动电路已知的电路。通过栅极驱动电路，在相应的半导体开关16开关时，对栅极g的栅极电容进行充放电。在转换器1的半桥6中，这可以以特别高的开关频率和/或开关速度进行。特别是使得能够以高于50khz的开关频率进行。

为此，驱动电路17和相关联的半导体开关16之间的距离18如此之小，使得连接驱动电路17和栅极g的控制导线19短暂地断开，由此形成小的布线电感。特别是距离18小于2厘米。

为了实现由驱动电路17和半导体开关16构成的该低电感布置，在图2中示出的示例中，半桥6被设计为电路布置20，其特征在于，在每个开关单元15中，驱动电路17和半导体开关16被布置在共同的载体电路板21上。在图2中示出的示例中，所有开关单元15布置在共同的载体电路板21上。载体电路板21特别地是例如可以设计为pcb(印刷电路板)的板。载体电路板21特别是可以设计为ims。

在载体电路板21上可以布置导体迹线22或铜迹线或铝迹线，可以通过这些迹线提供开关单元15与正导线9、负导线10和相应的相导体7,8的连接。在电路布置8中，特别是控制导线19也通过载体电路板21上的导体迹线23形成。

为了通过驱动电路17同时切换相应地并联连接的半导体开关16，可以在电路布置20中相应地设置驱动逻辑或者逻辑电路24，其向并联连接的开关单元15的两个驱动电路17传输控制单元5的控制信号25。逻辑电路24可以具有控制电路，用于协调开关单元15的开关时刻。

此外，可选地，可以对并联连接的半导体开关16并联连接缓冲电路26。可以分别为每个半导体开关16设置缓冲电路26或者设置共同的缓冲电路26。缓冲电路26例如可以通过本身已知的缓冲电容器或rc元件或单独通过电容器形成。

电路布置20可以设计为承载具有大于50安培、特别是大于100安培的范围内的电流强度的电流。在此，通过所示出的并联电路，可以每个半导体开关16仅设计为以每个半导体开关16的额定电流小于电路布置25的额定电流的方式作为额定电流承载部分电流。半导体开关16的反向电压可以大于100伏。

驱动电路17可以相应地通过电流隔离装置、例如光电耦合器与控制装置5耦合。由此，在半导体开关16的漏极-源极断路间隔上有高的反向电压的情况下，尽管靠近驱动电路17，也能够防止反向电压侵犯控制装置5。

在图3中示出了电路布置的一个替换实施方式。在该电路布置20中，具有半导体开关16和驱动电路17的单个开关单元15在没有其它开关单元15的情况下布置在单独的载体电路板21上。载体电路板21可以以与已经结合图2所描述的相同的方式构造。这种布置的优点是，基于根据图3的电路布置20的整流器7或逆变器8可以特别灵活地装配到可用结构空间中。

图4示出了电路布置20的另一个实施方式，其中，两个开关单元15布置在共同的载体电路板21上。通过载体电路板21的导体迹线(未示出)，可以将开关单元15并联连接。还可以设置为，在共同的载体电路板21上作为并联电路设置多于两个的开关单元15。由此，可以以有利的方式通过选择开关单元的数量，来设置通过电路布置20可以切换的额定电流的值。

通过示例示出了不需要作为然后必须与另外的电路板连接的、单独的、单件式的模块来提供半导体开关16，整个模块的半导体开关的所有驱动电路都处于该模块上。代替大的模块，分立的功率半导体在电路板上互连，并且与单独的驱动电路以低电感的方式相连。通过低电感连接，可以防止开关过电压，并且可以提高开关速度。并联的半导体之间的振动通过导体迹线22,23的优化布局和控制单元5的正确控制来防止。在需要时，理想地可以为半导体连接缓冲电路，并且理想地通过使用ims进行散热。

利用驱动电路和功率半导体的最佳布局，还可以针对更大的功率范围提高开关频率。由此，低电感半导体壳体、ims电路板技术和定制的驱动外设的组合，使得能够利用特别是通过宽带隙半导体得到的优点。

总的来说，该示例示出了本发明如何能够提供hf转换器模块。