用于三电平逆变器的控制电路制造技术

提出了具有一个初级侧电路部分和四个次级侧电路部分的控制电路，初级侧电路部分具有控制逻辑电路和初级侧基准电位，次级侧电路部分分别具有驱动级，该驱动级为了控制三电平逆变器的相位而构造，三电平逆变器分别具有第一至第四半导体开关，其中，每个半导体开关和分配给它的次级侧电路部分具有所分配的第一至第四次级侧基准电位，并且其中，各电平转换器将初级侧电路部分和各自的次级侧电路部分连接起来，并且因此被分别分配给两个电路部分。在这里，初级侧基准电位相应于第一次级侧基准电位。此外，至少控制逻辑电路、第一和第二电平转换器以及第一和第二驱动级是单片集成的。

【技术实现步骤摘要】
用于三电平逆变器的控制电路
本专利技术描述了具有多个电平转换器的控制电路，该电平转换器用于将控制信号从具有第一基准电位的控制逻辑电路传输至具有至少部分地不同的另外的基准电位的驱动级。原则上，在功率电子系统中需要这样的控制电路来控制半导体开关，该半导体开关作为单个开关地布置或者布置在桥式电路中。这种桥式电路作为单相、双相或三相桥式电路而已知，其中，单相的、所谓的半桥电路是许多功率电子电路的基础元件。在二电平半桥电路中，将两个功率开关、下方的所谓第一BOT开关和上方的所谓第二TOP开关布置在串联电路中。这样的半桥通常具有至直流电压中间电路的连接。构造为半桥的交流电压接头的输出端以本领域常规方式与负载连接。
技术介绍
通过TOP开关和BOT开关的交替切换，在中间电路上的正负电压接头的固定电压值之间的半桥电路中的输出电压发生改变。因为因此存在两个静态电压状态，所以将该半桥电路称为二电平半桥电路或二电平逆变器。除了二电平半桥电路，还已知更复杂的桥式电路，通过所述更复杂的桥式电路可切换三个或更多个静态电压状态。这被称为多电平逆变器。多电平逆变器的优点是可以使输出电压的曲线接近期望的正弦形曲线。由此可以降低输出电流的总谐波失真(TotalHarmonicDistortion，THD)，从而可以使用较小的且成本较低廉的电源滤波器。另一方面，借助多电平逆变器，相对于二电平逆变器而言可以以较低的切换频率实现相同的TDH值，由此产生较小的切换损耗。然而，在多电平逆变器的情况下不利的是提高了的用于调节的耗费，以及较高数量的所需器件和控制电路。多电平逆变器的最简单的设计方案是具有三个可切换电压状态的三电平逆变器。原则上，已知两种用于三电平逆变器的拓扑结构，其共同点是它们以本领域常规方式通过两个串联联接的高压中间电路利用正接头和负接头供电。串联电路的中点被称为中性节点，并且以本领域常规方式处于接地电位。中性节点被用作第三电压状态。用于三电平逆变器的控制电路以本领域常规方式利用一个初级侧和多个次级侧之间的电流隔离来实施。在这种情况下，控制电路由多个部分电路或功能块组成。将置于上游的控制逻辑电路例如微控制器的控制信号在第一初级侧电路部分中为了控制逻辑电路而进行预处理。在这种情况下，初级侧电路部分的基准电位位于接地的中性节点上。控制信号向次级侧电路部分的传输以电流隔离的方式通过变压器式工作的脉冲传输器或者以光学方式通过光电耦合器或光纤来实现。作为次级侧电路部分的一部分的驱动级相应于传输的控制信号控制半导体开关，例如IGBT。原则上可以将所有初级侧的以及各次级侧的功能分别整合在单片集成电路中。然而，根据现有技术，所需的电流隔离的电位隔离件不是能集成的，从而初级侧电路部分和次级侧电路部分的功能块以通常方式连同电位隔离件分散地构建在电路板(PCB-印制电路板)上。对于二电平逆变器，在集成电路技术中，例如在高压开关电路(HVIC-高压集成电路)中，借助电位隔离的控制电路原则上是已知的。由于不同的优点，例如小体积、低价格和长寿命，HVIC使用得越来越多。在这种情况下，HVIC提供了在初级侧控制电路与次级侧驱动电路之间实现电位隔离的可能性，以及另一方面将电平转换器与高压器件集成的可能性，该高压器件具有与电位差相应的HVIC的击穿电压，该电平转换器可用于初级侧和次级侧电路部分之间的信号传输。这种电平转换器可以实施为控制电路的一部分并在HVIC中集成式地实施。它用于使信号从具有规定的基准电位的初级侧电路部分向具有暂时较高或较低的基准电位的次级侧电路部分的传输。此外，用于形成HVIC的两种隔离技术是原则上已知的。一方面为SOI(绝缘层上的硅)技术，另一方面为pn隔离技术(结隔离)。SOI技术提供器件或器件组的介电电位隔离，但是目前由于受限的耐电压强度仅可获得最高800V的电位差。在pn隔离技术的情况下，电位差由反向偏置的pn过渡区来承担。该技术目前可获得最高1200V的电位差。电平转换器的一种简单的设计方案由串联电路中的高压晶体管(HV晶体管)和电阻组成，该高压晶体管具有与待桥接的电位差相应的阻隔能力。如果在初级侧的电路部分上在HV晶体管的栅极上给出一个信号，则该电路部分接通。由此产生的通过电平转换器的横向电流导致电阻上的电压降，该电压降可以作为信号由分析电路在次级侧电路部分上采集。由原理决定地，这种具有HV晶体管的电平转换器含有信号传输所需的横向电流路径，从而使得存在电位隔离但是不存在电流隔离。在DE10152930A1中公开了一种扩展的电平转换器拓扑结构，其中，将控制信号逐步地通过多个相同类型的、级联的电平转换器传输到中间电位上。因此可使用晶体管，所述晶体管仅具有整个电平转换器的所需阻隔能力的一部分。因此，电平转换器的阻隔能力可以显著提高。DE102006037336A1公开了一种电平转换器，该电平转换器实施为n沟道类型的HV晶体管的串联电路。该拓扑结构具有如下优点：与根据DE10152930A1的拓扑结构相比，一方面将功率消耗并且另一方面将电路耗费降低。这尤其导致较小的空间需求。所有针对HVIC列出的设计方案具有如下共同点：在电平转换器的互补构建的情况下，信号从具有高的基准电位的电路部分向具有低的基准电位的电路部分的传输在原则上也是可能的。该特性因此可以用于信号从次级侧电路部分向初级侧电路部分的反向传输并因此用于那里的控制逻辑电路。然而，为此的前提条件是p沟道类型的HV晶体管。基于由功率半导体模块和控制电路组成的系统的寄生电感，会在功率开关的快速切换期间在控制侧基准电位下主要在正方向上但也在负方向上发生次级侧电路部分的各基准电位的强烈变动。这在中等功率或高功率的系统中以特别大的程度地发生，其中，接通大的电流，尤其是大于50A的电流。然而，目前可用的电平转换器大多不是为了在负方向上的这种信号传输而设计的。已知的pn隔离技术还具有如下缺点：在基准电位在负方向上发生相应变动的情况下，失去了初级侧和次级侧电路部分之间的阻隔能力，并且流通的漏电流会导致寄生闸流管结构的导通，即所谓的闩锁。这导致功能损失并可能导致相关电路的损坏。由介电隔离以及与之相关的隔离区域的双向阻隔能力所决定地，在SOI技术的情况下不受这样的限制，从而传输电路可通过电路技术转换，该传输电路即使在短时间或持久的负的次级侧基准电位的情况下也保证可靠的信号传输和隔离。DE102006050913A1公开了一种这样的用于BOT次级侧的电平转换器，该电平转换器在SOI技术中实施有各一个上电平转换器支路和下电平转换器支路，而DE102007006319A1公开了一种这样的用于TOP次级侧的电平转换器，该电平转换器同样在SOI技术中实施为上电平转换器支路和下电平转换器支路。
技术实现思路
本专利技术基于如下任务：提供一种用于控制三电平逆变器的控制电路，该三电平逆变器具有对称供电的中间电路，该中间电路的形式为至少部分地单片集成的电路，该单片集成的电路可以构建在壳体中或者基底上，尤其是构建在功率半导体模块的金属化陶瓷基底的印制导线上。根据本专利技术，该任务通过如下控制电路解决。本专利技术涉及具有一个初级侧电路部分和四个次级侧电路部分的控制电路，该初级侧电路部分具有控制逻辑电路和初级侧基准电位，该次级侧电路部分分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有一个初级侧电路部分(4)和四个次级侧电路部分(6)的控制电路(32、34、36)，所述初级侧电路部分具有控制逻辑电路(42)和初级侧基准电位(420)，所述次级侧电路部分分别具有驱动级(61、62、63、64)，所述驱动级为了控制三电平逆变器(10、20)的相位而构造，所述三电平逆变器分别具有第一至第四半导体开关(T1、D1、T2、D2、T3、D3、T4、D4)，其中，每个半导体开关和分配给所述半导体开关的次级侧电路部分(6)具有所分配的第一至第四次级侧基准电位(610、620、630、640)，其中，各电平转换器(81、82、83、84)将所述初级侧电路部分(4)与各自的次级侧电路部分(6)连接起来，并且因此被分别分配给两个电路部分，其中，所述初级侧基准电位(420)相应于所述第一次级侧基准电位(610)，并且其中，至少所述控制逻辑电路(42)、所述第一和第二电平转换器(81、82)以及所述第一和第二驱动级(61、62)是单片集成在HVIC(70)中的。

【技术特征摘要】
2013.11.07 DE 102013112262.01.一种具有一个初级侧电路部分(4)和四个次级侧电路部分(6)的控制电路(32、34、36)，所述初级侧电路部分具有控制逻辑电路(42)和初级侧基准电位(420)，所述次级侧电路部分分别具有第一驱动级(61)、第二驱动级(62)、第三驱动级(63)或第四驱动级(64)，所述第一驱动级(61)、所述第二驱动级(62)、所述第三驱动级(63)和所述第四驱动级(64)为了控制三电平逆变器(10、20)的相位而构造，所述三电平逆变器分别具有第一至第四半导体开关(T1、D1、T2、D2、T3、D3、T4、D4)，其中，每个半导体开关和分配给所述半导体开关的次级侧电路部分(6)具有所分配的第一至第四次级侧基准电位(610、620、630、640)，其中，第一电平转换器(81)、第二电平转换器(82)、第三电平转换器(83)和第四电平转换器(84)分别将所述初级侧电路部分(4)与各自的次级侧电路部分(6)连接起来，并且因此被分别分配给两个电路部分，其中，所述初级侧基准电位(420)相应于所述第一次级侧基准电位(610)以及相应于所述三电平逆变器(10、20)的负电压接头(-DC)的电位，并且其中，至少所述控制逻辑电路(42)、所述第一电平转换器(81)和所述第二电平转换器(82)以及所述第一驱动级(61)和所述第二驱动级(62)是单片集成在HVIC(70)中的。2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述三电平逆变器的半导体开关串联联接或者联接成T拓扑结构，并且其中，所述第一半导体开关(T1、D1)与所述三电平逆变器的负电压接头(-DC)连接并且所述第四半导体开关(T4、D4)与所述三电平逆变器的正电压接头(+DC)连接。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：莱茵哈德·赫策，巴斯蒂安·福格勒，
申请(专利权)人：赛米控电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE