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低电感的半桥装置制造方法及图纸

技术编号:18673495 阅读:88 留言:0更新日期:2018-08-14 21:24
本发明专利技术涉及一种半桥装置。特别地,需要改进用于变流器的半桥装置的开关表现。对此提供一种半桥装置,其具有两个开关元件(T1、T2)、电容装置(C11、C12)和用于将这些构件电路连接的印制电路板(8)。印制电路板(8)具有至少四个印制导线层(11至14)。开关元件(T1、T2)以及电容装置(C11、C12)在印制电路板(8)上如下地布置和电路连接为,在换向事件中在印制电路板(8)中获得至少两个相反指向的偶极子(δ+、δ‑)。

Low inductance half bridge device

The invention relates to a half bridge device. In particular, it is necessary to improve the switching performance of half bridge devices for converters. A half bridge device has two switching elements (T1, T2), a capacitor device (C11, C12) and a printed circuit board (8) for connecting the circuit of these components. The printed circuit board (8) has at least four printed conductor layers (11 to 14). Switching elements (T1, T2) and capacitor devices (C11, C12) are arranged and connected on the printed circuit board (8) as follows to obtain at least two opposite directional dipoles (delta+, delta_) in the printed circuit board (8) during the commutation event.

【技术实现步骤摘要】
低电感的半桥装置
本专利技术涉及一种用于变流器的半桥装置,其具有两个开关元件、电容装置和印制电路板,利用印制电路板使得开关元件和电容装置联接成半桥。此外,本专利技术涉及一种具有这种半桥装置的变流器。
技术介绍
半桥是功率电子设备中的基础模块。其例如应用于大多数的升压式、降压式以及电流和电压变换器拓扑结构中。图1示出了根据现有技术具有驱控系统的半桥装置的电路图。半桥装置具有两个开关元件T1、T2,开关元件能够两个都作为具有并联的续流二极管的MOSFET实现。两个开关元件在节点1处相互连接,其上通常施加有输出电压(通常为交流电压AC)。在当前的实例中,第一开关元件T1的源极S与第二开关元件T2的漏极D经由节点1连接。第一开关元件T1的漏极D一般位于正直流电势DC+并且与中间电路电容器C1的电极连接。同样地,在该实例中第二开关元件T2的源极S位于负直流电势DC-并且与中间电路电容器C1的其它电极连接。第一开关元件T1的栅极G与第一驱动器TR1的输出端连接。在第一驱动器TR1的供给端口上连接有电容器C2,其提供第一供给电压Vcc1。第一驱动器TR1从T1的源极S得到其参考电势。类似地,第二开关元件T2与第二驱动器TR2连接。其输出端与第二开关元件T2的晶体管的栅极G连接。第二驱动器TR2的供给端口在电容器C3处,其提供一个供给电压Vcc2。另一方面,用于第二驱动器TR2的参考电势是第二开关元件T2的源极S。对于半桥的开关表现来说,换向电路中的寄生电感是重要的。在此,换向电路是以下电路,其中电流在开关过程中改变。该换向电路KK在图1中以虚线示出并且延伸穿过开关元件T1、T2和C1。此外,寄生电感由第一驱动器TR1处的第一驱控电路AK1和第二驱动器TR2处的第二驱控电路AK2产生。相应的驱控电路AK1、AK2延伸经过源极S和栅极G到相应的驱动器TR1或TR2的输出端,经过通向相应的电容器C2或C3的相应的供给端口回到源极S。在功率电子件中存在引起更高开关频率的趋势。由此能够缩小多个电路中的无源构件(电感和电容)。然而在此,在构件中产生更高的开关损失(特别在电流或电压不为零时“硬”开关的情况下),因为以提高的频率实现了更多的开关操作。开关损失与开关电流、开关电压和开关时间成比例。在对系统的要求相同(电流和电压固定)时能够通过更快的开关沿减少开关损失。电流和电压的更快的上升时间或下降时间引起电路中的过压和抗干扰性的附加负载。在此根据图1,在换向电路KK和在驱控电路AK1与AK2中的控制电感或寄生电感具有最大影响。特别是在功率更高(电流更高)时应用所谓的高铜印制电路板,其中铜的层厚度与一般的结构相比明显提高。在那里由于高的铜横截面和印制导线边缘上的常规斜坡使得构件的距离更大并因此使得电流路径的电感更大。因此,在高功率和在高频率中获得相矛盾的目标。此外,在功率半导体中产生热量形式的开关和导通损失。该热量需要被排出,以便使半导体散热并且能够因此更加充分地利用半导体。所提及的这些问题以各种方式被最小化。然而各个问题通常都是单独克服的,从而其是彼此矛盾的。例如,为了散热而应用所谓的模块,其例如在图2和3中示出。在那里将功率半导体或开关元件T1和T2安装到DCB基板2上(直接铜键合)。DCB基板2自身主要固定在铝底板3上。在铝底板3的相对的一侧上布置有冷却体4。将开关元件T1和T2浇注到绝缘体5中,连接部6穿过绝缘体伸出。因此,模块7通过铝底板3、DCB基板2和具有浇注的开关元件T1和T2以及连接部6的绝缘层5形成。在与冷却体4相对的一侧上将模块7紧固在印制电路板8上。在此,连接部6代表从开关元件T1和T2到印制电路板8的电连接。在印制电路板8的相对的一侧处能够布置有中间电路电容器C1以及驱动器TR1和TR2。图2中示出,基本上在内置的连接部6以及DCB基板2与印制电路板8之间获得驱控电路AK1和AK2,而根据图3,换向电路KK在外置的连接部6以及DCB基板2与印制电路板8之间获得。在此不能够轻易实现对驱控电路Ak1、AK2以及换向电路KK的漏电感进行优化,因为电感由模块7主导。由于模块而使得该结构通常不适合更高的开关频率。另一个方案是具有离散的元器件的结构,例如具有THT构件(Through-Hole-Technology,通孔技术)和SMD构件(表面贴装装置)。在THT半导体中,类似于在模块结构中那样,仅有限地存在用于低电感连接的可行性方案。在该结构形式中也能够设置到冷却体的连接。然而由此,高频率仅偶尔实现,因此不继续深入探讨。在此,印制电路板的SMD结构更多地提供了有关更高频率的优化潜力。接下来结合图4和图5示出两个常用结构,即一侧或两侧装配。图4示出了单侧装配的变体。在此,所有的部件T1、T2、TR1、TR2、C1、C2和C3布置在电路板(未示出)的一侧上。驱控电路AK1、AK2和换向电路KK位于一个平面中。在此,对于漏电感的优化最大值取决于离散的元器件的大小。在该变体中仅能够困难地实现功率电子件的散热。根据图5的两侧装配的变体主要使用与图4相同的驱控系统并且区别在于,即三个主构件T1、T2或C1中的一个位于电路板8的后侧上。如在图5中识别出的那样,换向电路KK取决于电路板8的厚度(例如1.6mm)。然而特别地,在该结构中,高端开关T1的散热也是困难的,因为大多数离散的功率半导体将其用于散热的热力路径关联到源极电势,并且路径由于抗干扰性的原因应当保持得尽可能小。可能的漏电感L能够借助于下式来评估。由此能够实现结构形式的质量上的改进。根据图6,下式[1]涉及导体9和10,其不/几乎不在其它导体的场中。根据图7,式[2]涉及以下情况,即两个流向相反的导体彼此相对置。导体9和10的相应的几何尺寸t、w、l或者其间距h在图6或7中标记出并且在不同的式[1]和[2]中应用。换向电感对半桥中的损失的影响能够在图8中观察到。在那里,功率损失Pv经由漏电感L表现。随着漏电感更高,功率损失Pv也升高。刚好在更高的开关频率和电流中能识别出在该半桥配置中的主损失部分的这种效果。对此参照下述来源:[1]PowerSupplyDesignSeminar(供电设计研讨会)2004/2005,Tl[2016年七月修订],地址http://www.ti.com/lit/ml/slup224/slup224.pdf[2]EfficientPowerConversionCorporation“EPC2015-Enhancement-modePowerTransistor”,EPC2015datasheet,2011年三月[2016年七月修订],地址http://www.epc-co.com/epc/DesignSupport/ApplicationNotes/AN003-UsingEnhancementMode.aspx
技术实现思路
因此,本专利技术的目的在于,提供一种半桥电路,其对于开关事件是不敏感的。因此根据本专利技术,提供用于变流器的半桥装置,其具有两个开关元件、电容装置和印制电路板,利用该印制电路板使得开关元件和电容装置联接成半桥。半桥装置原则上也能够应用于变流器之外的其他使用目的。对于两个开关元件来说能够采用IGBTs以及其它的功率开关。电容装置用于本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于变流器的半桥装置,具有:两个开关元件(T1、T2),电容装置(C1、C11、C12),和印制电路板(8),利用所述印制电路板使得所述开关元件和所述电容装置联接为半桥,其特征在于,所述印制电路板(8)具有至少四个印制导线层(11、12、13、14),并且所述开关元件(T1、T2)以及所述电容装置(C1、C11、C12)布置在所述印制电路板上并且借助于所述印制导线层(11、12、13、14)电路连接为,在换向事件中在所述印制电路板(8)中获得至少两个相反指向的偶极子。

【技术特征摘要】
2017.02.08 EP 17155207.81.一种用于变流器的半桥装置,具有:两个开关元件(T1、T2),电容装置(C1、C11、C12),和印制电路板(8),利用所述印制电路板使得所述开关元件和所述电容装置联接为半桥,其特征在于,所述印制电路板(8)具有至少四个印制导线层(11、12、13、14),并且所述开关元件(T1、T2)以及所述电容装置(C1、C11、C12)布置在所述印制电路板上并且借助于所述印制导线层(11、12、13、14)电路连接为,在换向事件中在所述印制电路板(8)中获得至少两个相反指向的偶极子。2.根据权利要求1所述的半桥装置,其中,所述电容装置具有两个电容器,所述电容器对称地布置在所述印制电路板上。3.根据权利要求2所述的半桥装置,其中,所述开关元件和所述电容装置布置在所述印制电路板的两侧上。4.根据前述权利要求中任一项所述的半桥装置,其中,所述开关元件以及所述电容装置布置和电路连接为,在所述换向事...

【专利技术属性】
技术研发人员:约翰内斯·菲尔斯特马尔温·坦霍伊泽
申请(专利权)人:西门子公司
类型:发明
国别省市:德国,DE

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