开关电路和制造开关电路的方法与流程

本公开的各实施例涉及一种开关电路和制造开关电路的方法。

背景技术：

通常，当使用以低接通电压工作的开关元件并且将接地电位施加到其栅电极以断开开关元件时，因为接地电位与接通电压之间的差异很小，所以开关元件有时会因噪声等而被错误地接通。

为了解决这样的问题，日本专利申请公开第2007-12861(jp-2016-012861-a)讨论了一种负电源电路，其将负电压施加到栅电极以断开开关元件。

然而，即使使用jp-2016-012861-a中讨论的电路，开关元件也可能受到噪声等的影响，并且可能根据构成经由驱动电路而从负电源电路延伸到栅电极的导电路径的接线图案而错误地运行。

因此，鉴于这样的问题，在下文中描述了本公开的各种实施例，并且本公开的各种实施例之一的目的是提供一种新颖的开关电路，其能够抑制或减少开关元件的错误接通运行。

技术实现要素：

因此，本发明的一个方面提供了一种新颖的开关电路，包括：印刷电路板，该印刷电路板具有绝缘基板和设置在绝缘基板上的接线；开关元件，该开关元件具有栅极电极，并且开关元件设置在印刷电路板上；以及正电源电路，该正电源电路用于产生相对于接地电位的正电压。正电源电路配置在印刷电路板上。设置负电源电路，以产生相对于接地电位的负电压。负电源电路配置在印刷电路板上。驱动电路被设置成向栅极电极供给正电压，以接通开关元件。驱动电路将负电压供给至栅极电极，以断开开关元件。接线具有从负电源电路经由驱动电路到栅极电极的导电路径。导电路径具有负电源电路与驱动电路之间的负电源接线。负电源接线至少部分地具有负电源实心图案。

本公开的另一方面提供了一种在包括绝缘基板的印刷电路板上制造开关电路的新颖的方法。上述方法包括下述工序：在绝缘基板上配置带有栅极电极的开关元件；在绝缘基板上配置正电源电路，以产生相对于接地电位的正电压；在绝缘基板上配置负电源电路，以产生相对于接地电位的负电压。上述方法还包括下述工序：在绝缘基板上配置驱动电路，以选择性地将正电压和负电压供给至栅极电极，以分别接通和断开开关元件；对绝缘基板进行接线，以使开关元件、正电源电路、负电源电路电气连接；在经由驱动电路从负电源电路到栅极电极的接线部分中形成导电路径。上述方法还包括下述工序：在负电源电路与驱动电路之间的导电路径中设置负电源接线；以及至少部分地在负电源接线中设置负电源实心图案。

因此，根据本公开的一个实施例，由于开关电路至少具有作为负电源接线的一部分的实心图案(即负电源实心图案)，因此，可以抑制或减小负电源接线的阻抗和负电源接线中的电位差。也就是说，可以相应地抑制或减小负电压的波动。其结果是，可以抑制或减少开关元件错误的接通运行。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照以下详细描述，将更全面地理解本发明，并且更容易理解其附带的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了应用了根据本公开第一实施例的示例性开关电路的电力转换系统的构造的图；

图2是示出了对本公开第一实施例的开关电路进行支撑的印刷电路板的示例性构造的剖视图；

图3是示出了对本公开第一实施例的开关电路进行支撑的印刷电路板的结构的俯视图；

图4是示出了对作为本公开第二实施例的、应用于电力转换系统的开关电路进行支撑的印刷电路板的示例性构造的剖视图；

图5是示出了对本公开第二实施例的开关电路进行支撑的印刷电路板的结构的俯视图；

图6是示出了对作为本公开第三实施例的、应用于电力转换系统的开关电路进行支撑的印刷电路板的示例性构造的剖视图；

图7是示出了对作为本公开第四实施例的、应用于电力转换系统的开关电路进行支撑的印刷电路板的示例性构造的剖视图；

图8是示出了对作为本公开第五实施例的、应用于电力转换系统的开关电路进行支撑的印刷电路板的示例性构造的剖视图；

图9是示出了对作为本公开第六实施例的、应用于电力转换系统的开关电路进行支撑的印刷电路板的示例性构造的剖视图；

图10是示意性地示出了应用了根据本公开第七实施例的示例性的切换电路的另一电力转换系统的构造的图；

图11是对与图5对应的本公开第七实施例的开关电路进行支撑的印刷电路板的构造的俯视图。

具体实施方式

在下文中，描述了本公开的各种实施例，其中印刷电路板的厚度方向被称为z方向。垂直于z方向的方向称为x方向。垂直于x方向和z方向的方向称为y方向。此外，除非另有说明，否则x-y平面图中的形状(即沿x-y平面限定的形状)在下文中被假定为平面的。这里，x-y平面视图也可以是z方向上的投影视图。

现在参考附图，其中相似的附图标记在若干视图中代表相同或相应的部分，特别是图1，图1是描述应用了根据本公开一个实施例的示例性的开关电路的电力转换系统的概要。

电力转换系统1例如安装在电动车辆或混合动力汽车上。电力转换系统1构造成将从安装在车辆或汽车上的直流电源2供给的直流电压转换为三相交流电，并将转换结果输出到在三相交流系统中运行的电动机。电动机3用作使车辆行驶的驱动源。电力转换系统1还可以将由电动机3产生的电力转换为直流电，并且用直流电对直流电源2充电。以这种方式，电力转换系统1能够执行双向电力转换。

电力转换系统1包括平滑电容器4和逆变器5。位于平滑电容器4的阴极侧的端子连接到位于直流电源2的高电位侧的、作为电极的阴极。相反，位于平滑电容器4的阳极侧的端子连接到位于直流电源2的低电位侧的、作为电极的阳极。逆变器5接收直流电并将其转换为具有给定频率的三相交流电，并将转换的结果输出到电动机3。此外，逆变器5也将由电动机3产生的交流电转换为直流电。

逆变器5通过对于三相中的每一相具有上臂电路和下臂电路，而包括六个臂。三相中的每一相的上臂电路和下臂电路可以包括在用作阴极侧电源线的阴极侧线6与用作阳极侧电源线的阳极侧线7之间的成对的串联连接的臂。阴极侧线6有时被称为高压电源线。阳极侧线7有时也称为低压电源线。相的上臂和下臂的各个连接点被连接至延伸到电动机3的输出线8。

通过具有开关元件20来构造每个臂。在本公开的这一实施例中，开关元件20可以包括绝缘栅双极晶体管21(下文中简称为igbt21)。对于igbt21，续流二极管22(下文中简称为fwd22)反向并联连接以使电流再循环。也就是说，在开关元件20中，包括反向导通igbt(下文中简称为rc-igbt)。

这里，igbt21采用n沟道型。构成上臂的igbt21中的集电极电极与阴极侧线6电气连接。构成下臂的igbt21中的发射极电极与阳极侧线7电气连接。上臂侧的igbt21的发射极电极和下臂侧的igbt21的集电极电极彼此连接。

电力转换系统1包括正电源电路23、负电源电路24和驱动电路25等，以运行开关元件20。正电源电路23用作正电源，以供给相对于作为参考的接地电位(下文中称为gnd电位)的正电压。负电源电路24用作负电源，以供给相对于作为参考的gnd电位的负电压。

驱动电路25将栅极驱动信号输出到igbt21的栅极电极，从而驱动igbt21并因此驱动开关元件20。驱动电路25包括pwm(脉冲宽度调制)产生电路26和成对的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)27、28，以将电源从正电源切换到负电源，并且反之亦然。pwm产生电路26基于从控制电路(未示出)供给的驱动指令产生pwm信号，并将pwm信号输出到每个mosfet27和28的栅极。因此，pwm信号用作供给至成对的mosfet27、28的共用驱动信号。

mosfet27是p沟道型。相反，mosfet28是n沟道型。当驱动信号为低(l)电平时，mosfet27接通，而mosfet28断开。随后，正电源电路23通过电阻29将正电压供给至igbt21的栅极电极。这允许igbt21进入接通状态。相反，当驱动信号为高(h)电平时，mosfet27断开，而mosfet28接通。因此，负电源电路24通过电阻30将负电压供给至igbt21的栅电极。这允许igbt21进入断开状态。这里，电阻29设置在连接mosfet27的源电极和正电源电路23的接线中。类似地，电阻30设置在连接mosfet28的漏电极和mosfet27和28之间的连接点的接线上。

驱动电路25还包括断开保持电路31。断开保持电路31采用n沟道型mosfet。断开保持电路31与mosfet28并联连接。当断开保持电路31接通时，igbt21的栅极电极电气连接到负电源电路24，并且电荷被从其栅极电极拉出。

也就是说，电阻30设置在mosfet28与igbt21的栅极电极之间延伸的栅极接线中。相反，在断开保持电路31与igbt21的栅极之间延伸的栅极接线上没有设置电阻(例如电阻元件)。因此，当断开保持电路31接通时，负电源电路24未通过电阻30，便将负电压供给至igbt21的栅极电极。因此，从断开保持电路31延伸的栅极接线的阻抗小于从mosfet28延伸的栅极接线的阻抗。

当mosfet28接通时，相应地，igbt21的栅极电压(vge)降低到例如规定的程度，pwm产生电路26将高(h)电平的驱动信号输出到断开保持电路31。这允许断开保持电路31进入接通状态，并且电荷从igbt21的栅极电极排出，由此立即使igbt21进入断开状态。以这种方式，断开保持电路31保持igbt21的断开状态。更具体地，当mosfet27接通时，断开保持电路31保持igbt21的断开状态。

这里，如前所述，当igbt的接通电压低并且gnd电位(电压)施加到igbt的栅极电极以将igbt断开时，由于接通电压与gnd电位之间的差异很小，因此可能会因噪声等错误地使igbt接通。相反，根据本公开的这一实施例，负电压被施加到igbt21的栅极电极以将igbt21断开。由此，由于接通电压与负电压之间的差值变得大于接通电压与gnd电位之间的差，因此，可以抑制或减少igbt21错误的接通运行。

特别地，在本发明的这一实施例中，开关元件20采用由例如sic(碳化硅)、gan(氮化镓)等具有比si(硅)低的接通电阻的材料制成的半导体基板。因此，可以降低igbt21的接通电压，然而，可以通过上面描述的构造，防止或减少错误的接通运行。

本公开的这一实施例的开关电路10可以包括开关元件20、正电源电路23、负电源电路24、驱动电路25和构成逆变器5的相应的一个臂。尽管为了方便起见从图1中省略，但是剩余的五个开关电路10中的每一个被类似地构造和配置成与构成逆变器5的其余五个臂分别对应。也就是说，对于每个igbt21，类似地设置驱动电路25等。

现在，下面参考图2、图3以及能应用的附图，来描述印刷电路板的示例性构造，特别是，图2是沿图3中的线ii-ii截取的剖视图。如图所示，开关电路10建立在电路板40上。

电路板40可以包括印刷电路板41，在印刷电路板41上安装有构成开关元件20、正电源电路23、负电源电路24和驱动电路25的各种部件。正电源电路23、负电源电路24和驱动电路25中的每一个可以构造成单个部分或多个部分(即元件)。因此，在图2和图3中，正电源电路23、负电源电路24和驱动电路25中的每一个示出为单个块。

如图所示，印刷电路板41被设置并包括绝缘基板42和配置于其上的接线43。在本公开的这一实施例中，接线43是多层的。具体地，配置四层接线43。接线43可以包括：通过将例如金属箔(例如铜箔)图案化制成的接线图案；以及将设置在不同层上的各个接线图案彼此连接的层间连接器。作为层间连接器，例如，可以采用通孔。然而，为了方便起见，图2和图3中示出了接线43的仅一部分。

当在印刷电路板41的厚度方向(即z方向)上观察时，开关元件20和驱动电路25配置在印刷电路板41的第一侧41a。在印刷电路板41的与第一侧41a相反的后侧41b，配置有正电源电路23和负电源电路24。第一侧41a上的接线43在下文中称为第一层上的接线。

接线43包括构成开关电路10的各个部分。例如，将开关元件20(即igbt21)的栅极电极与驱动电路25连接的栅极接线430、将正电源电路23和驱动电路25(mosfet27)连接的正电源接线431、将负电源电路24和驱动电路25(mosfet28)连接的负电源接线432被包括在接线43中。接线43中还包括gnd实心图案433b。诸如开关元件20等多个部件通过将导线等焊接或是粘合而连接到相应的接线43。这里，gnd实心图案433b相当于接地实心图案。

栅极接线430配置在第一侧41a的表面层上。栅极接线430仅由接线图案构成。

正电源接线431设置成将设置在后侧41b上的正电源电路23与设置在第一侧41a上的驱动电路25电气连接。正电源接线431包括作为接线图案的一部分的正电源实心图案431b。如图所示，正电源实心图案431b配置在例如第三层上。同样，形成在不同层上的多个接线图案通过一个或多个层间连接器431v彼此连接。

负电源接线432将配置在后侧41b上的负电源电路24与配置在第一侧41a上的驱动电路25电气连接。负电源接线432包括负电源实心图案432b作为接线图案的一部分。如图所示，负电源实心图案432b配置在例如第一层上。在本公开的这一实施例中，将mosfet28的源电极与负电源电路24连接的接线和将断开保持电路31的源极电极与负电源电路24连接的接线共同地对应于负电源接线432。此外，如图1和图3所示，mosfet28的各个发射极电极和断开保持电路31在连接点432x处彼此连接。共用接线部分从连接点432x延伸到负电源电路24。在本公开的这一实施例中，负电源实心图案432b设置在共用接线部分中。

同样，分别在不同层上形成的接线图案通过一个或多个层间连接器432v彼此连接。因此，当经由层间连接器432v多次重复在不同层之间的接线时，接线的长度以及相应的负电源接线的长度变得更长。因此，接线阻抗最终会增加。为了减小接线阻抗，优选地使层间连接器432v的使用次数最小。

此外，gnd实心图案433b设置在第三层上。gnd实心图案433b设置为在沿z方向截取的投影视图中、与负电源实心图案432b重叠。具体地，在视图中，gnd实心图案433b配置成几乎覆盖负电源实心图案432b。

这样，根据本公开这一实施例的开关电路10，在包括经由驱动电路25从负电源电路24延伸到开关元件20的栅极电极的导电路径的接线43的多个部分中，在负电源接线432的一部分中，配置有如图3所示的负电源实心图案432b。因此，由于通过负电源实心图案432b的阻抗被减小，同时抑制或减小负电源接线432中的电位差，因此，可以减小或抑制负电压的波动。因此，可以相应地减少或抑制开关元件20(即igbt21)错误的接通运行。

特别地，在本公开的这一实施例中，负电源实心图案432b设置在整个负电源接线432中的共用接线部分中。因此，可以显着减小从mosfet28和断开保持电路31延伸的每个栅极接线中的阻抗。特别地，作为导电路径，从断开保持电路31延伸到igbt21的栅极电极的栅极接线中的阻抗减小的影响很大。也就是说，栅极接线从其中排除电阻30。因此，可以有效地抑制或减小负电压的波动，从而有效地抑制开关元件20中的igbt21错误的接通运行。

此外，如图2所示，在z方向上的负电源实心图案432b旁边的层上，配置有gnd实心图案433b。使用该gnd实心图案433b，可以至少减少外部噪声的影响。特别地，由于gnd实心图案433b配置在负电源实心图案432b与正电源实心图案431b之间，因此，gnd实心图案433b可以减小正电源实心图案431b的电压的影响。

现在，参考图4、图5以及能应用的附图，描述本公开的第二实施例。由于在本公开的这一实施例的开关电路10中采用的一些器件与在本公开的上述第一实施例中的那些器件基本相同，因此不再重复对它们的描述。

首先，如图4和图5所示，在本公开的这一实施例中，负电源电路24另外配置在印刷电路板41的第一侧41a上。这里，图4是沿图5中的iv-iv线截取的剖视图。也就是说，负电源电路24、具有负电源实心图案432b的所有负电源接线432以及驱动电路25配置在第一侧41a上。然而，与本公开的第一实施例不同的是，负电源接线432不包括层间连接器432v。

据此，与包括层间连接器432v的第一实施例的负电源接线432相比，可以缩短本公开的这一实施例的负电源接线432的长度。由此，可以再次有效地减小负电源接线432的阻抗。

此外，在本公开的这一实施例中，构成从负电源电路24延伸到开关元件20的导电路径的所有接线43配置在第一侧41a上。通过这样，由于层间连接器完全被排除在导电路径之外，因此，可以进一步减小阻抗。

此外，如图5所示，根据本公开的这一实施例，驱动电路25配置成在x-y平面上更靠近开关元件20，而非负电源电路24。进而，由于驱动电路25更靠近开关元件20而非负电源电路24，因此，可以缩短栅极接线430的长度，从而减小其阻抗。因此，可以抑制或减小栅极电极附近的负电压的波动，从而有效地抑制开关元件20中的igbt21错误的接通运行。

现在，参考图6以及能应用的附图，描述本公开的第三实施例。同样，由于本公开的这一实施例的开关电路10中采用的一些器件与本公开的上述第一实施例和第二实施例中的器件基本相同，因此不再重复对这些器件的描述。

也就是说，如图6所示，在本公开的这一实施例中，负电源实心图案432b配置在后侧41b的表面层上。其余构造与本公开的第一实施例中的基本相同。具体地，开关元件20(即igbt21)和驱动电路25(即mosfet27、28)配置在第一侧41a上。

通过这样，由于负电源实心图案432b远离开关元件20和驱动电路25两者设置，因此，可以抑制或减少开关噪声的影响。也就是说，可以抑制或减少可能由开关噪声引起的负电压的波动，从而有效地抑制开关元件20中的igbt21错误的接通运行。

虽然图6示出了负电源电路24配置在后侧41b上的示例，但是，本发明不限于此。也就是说，负电源电路24可以与开关元件20和驱动电路25一起配置在第一侧41a上，而负电源实心图案432b可以设置在后侧41b的表面层上。然而，由于层间连接器432v变得很长，因此，更优选图6的构造以降低其阻抗。

现在，参考图7以及能应用的附图，描述本公开的第四实施例。此外，由于本公开的这一实施例的开关电路10中采用的一些器件与本公开的上述第一实施例至第三实施例中的那些器件基本相同，因此不再重复对这些器件的描述。如图7所示，在本公开的这一实施例中，负电源实心图案432b的至少一部分设置在印刷电路板41的内层上。具体地，负电源实心图案432b配置在例如第三层上。

另外，gnd实心图案433b设置在和沿z方向截取的投影图中，负电源实心图案432b至少部分地与负电源实心图案432b重叠配置的层不同的层上。因此，由于gnd实心图案433b用作噪声屏蔽件，因此，可以减小噪声干扰对负电源接线432的影响。因此，可以再次抑制负电压的波动。此外，在本公开的这一实施例中，由于第二层上的gnd实心图案433b配置成几乎包裹负电源实心图案432b，因此可以增强其优点。

如上所述，根据本公开的这一实施例，开关元件20(即igbt21)和驱动电路25(即mosfet27、28)设置在第一侧41a上，负电源实心图案432b配置在靠近后侧41b的内层上而非第一侧41a上。通过这样，由于负电源实心图案432b远离开关元件20和驱动电路25两者配置，可以抑制开关噪声的影响。特别地，如图所示，在本公开的这一实施例中，由于负电源实心图案432b设置在最靠近后侧41b的内层上，切换噪声的影响可以被有效地抑制或减少，从而有效地抑制开关元件20中的igbt21错误的接通运行。

现在，参考图8以及能应用的附图，描述本公开的第五实施例。此外，由于本公开的这一实施例的开关电路10中采用的一些器件与本公开的上述第一实施例至第四实施例中的那些器件基本相同，因此不再重复对这些器件的描述。

在本公开的这一实施例中，负电源实心图案432b的至少一部分再次设置在印刷电路板41的内层上，如图8所示。印刷电路板41采用六层基板，其中负电源实心图案432b配置在例如第三层上。正电源实心图案431b配置在第五层上。两个gnd实心图案433b分别配置在第二层和第四层上。

如图所示，gnd实心图案433b设置成在z方向上几乎将负电源实心图案432b夹在中间。因此，可以减小在正z方向和负z方向中每个方向上引起的噪声干扰的影响。因而，可以有效地减小或抑制因噪声干扰引起的负电压的波动，从而有效地抑制开关元件20中的igbt21错误的接通。特别地，在本公开的这一实施例中，由于位于内层上的gnd实心图案433b设置成在沿z方向截取的投影视图中几乎包裹负电源实心图案432b，因此，可以更有效地减少噪声干扰对其的影响。

此外，当在z方向上观察时，形成在第四层上的gnd实心图案433b也设置在负电源实心图案432b与正电源实心图案431b之间。通过这样，由于gnd实心图案433b介于负电源实心图案432b与正电源实心图案431b之间，因此，可以通过gnd实心图案433b减小正电源实心图案431b的电压对其的影响，由此更有效地抑制开关元件20中的igbt21错误的接通运行。

现在，参考图9以及能应用的附图，描述本公开的第六实施例。由于本公开的这一实施例的开关电路10中采用的一些器件与本公开的上述第一实施例至第五实施例中的那些器件基本相同，因此不再重复对这些器件的描述。

如图9所示，在本公开的这一实施例中，负电源实心图案432b的至少一部分设置在印刷电路板41的内层上。负电源实心图案432b配置在例如第三层上。正电源实心图案431b也配置在第三层上。

此外，gnd实心图案433b也配置在正电源实心图案431b与负电源实心图案432b之间的第三层上。通过这样，由于gnd实心图案433b介于正电源实心图案431b与负电源实心图案432b之间，因此，通过gnd实心图案433b可以减小正电源实心图案431b的电压的影响。

虽然如图9所示，gnd实心图案433b配置在正电源实心图案431b与负电源实心图案432b之间的印刷电路板41的同一内层上，但是本发明不限于此。也就是说，gnd实心图案433b可以配置在正电源实心图案431b与负电源实心图案432b之间的印刷电路板41的第一侧41a的表面层上。而且，gnd实心图案433b也可以配置在正电源实心图案431b与负电源实心图案432b之间的印刷电路板41的后侧41b的表面层上。

现在，参考图10、图11以及能应用的附图，描述本公开的第七实施例。此外，由于本公开的这一实施例的开关电路10中采用的一些器件与本公开的上述第一实施例至第六实施例中的那些器件基本相同，因此不再重复对这些器件的描述。

如图10和图11所示，在本公开的这一实施例中，开关电路10还包括电容器32。电容器32配置在负电源接线432与接地(gnd)之间。通过这样，由于电容器32设置得比起负电源电路24更靠近栅极电极，因此，当电压从正电压切换到负电压时，从栅极电极拉出的电荷可以对电容器32充电。也就是说，可以抑制或减小负电压的波动，从而有效地抑制开关元件20中的igbt21错误的接通运行。

此外，在负电源接线432中，电容器32连接到断开保持电路31的源极电极和它们间的连接点432x。因此，电容器32配置成比起负电源电路24更靠近驱动电路25。进而，由于电容器32设置得更靠近igbt21的栅极电极，因此，可以有效地抑制或减小负电压的波动。

迄今为止，rc-igbt示例为开关元件20。然而，本发明不限于此，例如，可以采用mosfet作为开关元件20。

本发明不限于具有各自层数的上述印刷电路板41中的每一个。也就是说，印刷电路板41可以包括任选数量的层。

此外，接线43在印刷电路板41上的布置方式不限于此前描述的方式。

迄今为止，开关电路10应用于逆变器5。然而，本发明不限于此，并且开关电路10可以应用于其他装置。此外，电动机3被示例为负载(即感应负载)，但是本发明不限于此。

此外，尽管在本公开的一个实施例中驱动电路25包括断开保持电路31，但是本发明不限于此，驱动电路25可以不包括断开保持电路31。在这种情况下(即不包括断开保持电路31)，电容器32可以配置在将mosfet28与负电源电路24连接的负电源接线432中。

此外，尽管在本公开的一个实施例中连接点432x建立在驱动电路25的外部，但是本发明不限于此，还可以在驱动电路25中建立连接点432x。

此外，尽管负电源实心图案432b至少在连接点432x与负电源电路24之间的共用接线部分中建立，但是本发明不限于此。也就是说，负电源接线432可以至少部分地包括负电源实心图案432b。例如，可以在断开保持电路31与连接点432x之间建立负电源实心图案432b。当负电源实心图案432b建立在断开保持电路31的一侧时，如前所述，可以有效地抑制负电压的波动。因此，可以仅在断开保持电路31和负电源电路24之间建立负电源实心图案432b。负电源实心图案432b也可以建立在mosfet28与连接点432x之间的部分中。