阅读说明：本技术 用于在高电压范围内操控半导体功率开关的设备 (Device for actuating a semiconductor power switch in a high voltage range ) 是由 A·亨纳 H·雷西贝格尔 K·弗莱德 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于借助于驱动电压来操控多个半导体功率开关(S12、S21)的设备,所述驱动电压用于多个负载(Last1、Last2)在高电压范围内的有时钟节拍的运行,其中,所述半导体功率开关的驱动电压(Uh-(1)、Uh-(2))能够通过变压器提供。根据本发明设置,用于所述半导体功率开关的驱动电压(Uh-(1)、Uh-(2))从所述变压器的唯一次级绕组的电压导出,其中,设置有电子电压电平转换器电路,以便从所述变压器的次级绕组中以所需大小获得所述驱动电压(Uh-(1)、Uh-(2))。(The invention relates to a device for controlling a plurality of semiconductor power switches (S12, S21) by means of a drive voltage for a clocked operation of a plurality of loads (Last1, Last2) in a high voltage range, wherein the drive voltage (Uh) of the semiconductor power switches 1 、Uh 2 ) Can be provided by a transformer. According to the invention, the driving voltage (Uh) for the semiconductor power switch 1 、Uh 2 ) Derived from the voltage of the only secondary winding of the transformer, wherein an electronic voltage level converter circuit is provided to obtain the drive voltage (Uh) from the secondary winding of the transformer in the required magnitude 1 、Uh 2 )。)

用于在高电压范围内操控半导体功率开关的设备

技术领域

本发明涉及一种用于在脉冲负载的情况下在高电压范围内同时操控多个半导体功率开关的设备。

背景技术

借助图1和2阐述借助于开头所述类型的传统设备对半导体功率开关的操控。

如图1中所示，为了操控两个半导体功率开关(MOSFET，IGBT，双极晶体管)，在控制输入端(栅极，基极)处的操控所需的15V电压在接通开关的情况下总是与参考电平具有限定的电势差。如果不是这种情况，则不能接通开关。在最不利的情况下，这甚至可能导致半导体功率开关的损坏。参考电平在图1所示的高电压应用中例如可以为0V(图1中左侧的电路变型方案)或500V(图1中右侧的电路变型方案)，当功率开关被截止或接通时，参考电平甚至会从0V跳到500V(高侧问题)。

对于在图2中示例性示出的在高电压范围中的应用，借助于具有多个输出电压的变压器产生驱动电压UL1、Uh₁和Uh₂，这些输出电压电流隔离地提供在不同参考电平上的驱动电压。具体而言，第一负载Lastl和第二负载Last2分别通过一对电子功率开关S1、S12和S2、S21与零电势HV-和例如500伏特的正电势HV+有节拍地连接。用于操控开关S1的驱动电压UL1从变压器的第一次级绕组(在图2中为变压器的下部次级电压)被分接。用于操控开关S12的驱动电压Uh₁从变压器的第二次级绕组(在图2中为变压器的上部次级电压)被分接。用于操控开关S21的驱动电压Uh₂从变压器的第三次级绕组(图2中为变压器的上部次级电压)被分接。在开关S1、S12和S2/S21闭合的情况下，高电压被施加到相应的负载Lastl和Last2，并且在开关断开的情况下与所述负载分离。

由于紧凑的绕组结构，由功率半导体的时钟节拍引起的电磁干扰被传递到变压器的初级侧。因此，在汽车应用中，在设备的HV部分中产生的干扰被传递到低压侧上。此外，所产生的干扰可能导致在变压器的另外的次级绕组上的电压峰值。这些干扰必须借助EMV滤波器部件相对耗费地来减少。该方法的另一缺点是使用具有多个次级绕组的变压器。由于所要求的介电强度和使用高品质的并因此较昂贵的绝缘材料，这些次级绕组是耗费和昂贵的。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种设备，使得其可以在EMV方面优化并且可以成本低廉地制造。

该任务通过权利要求1的特征解决。本发明的有利扩展方案在从属权利要求中确定。

因此，本发明提供了一种用于借助于驱动电压来操控多个半导体功率开关的设备，所述驱动电压用于多个负载在高电压范围内的有时钟节拍的运行。所述驱动电压由变压器提供，其中，用于半导体功率开关的驱动电压由变压器的唯一次级绕组导出。设置有电压电平转换器电路，所述电压电平转换器电路从在变压器次级绕组中产生的电压中提取具有所需电压电平的驱动电压。

优选地设置，仅需要一个具有仅一个次级绕组的变压器。用于任意多个PWM控制的负载的驱动电压优选分别通过简单的电子电压电平转换器电路产生。

与根据现有技术的具有多个次级绕组的设备相比，根据本发明的设备更紧凑并且具有较少的EMV干扰。

变压器和EMV滤波器部件的耗费变小并且导致明显的成本节省。

电子电压电平转换器电路基于电荷泵的方案。术语“电荷泵”包括多种不同的电路，这些电路使电压的值增大或者使直流电压的极性颠倒。

在不需要大的输出电流或者不能使用合适的磁性器件、如线圈的情况下，电荷泵用作电压转换器。

电荷泵通过电容器的充电与级联之间的时间序列将其电压设置为不同的值。这通过开关的周期性切换来实现。

这些过程类似于往复式活塞泵。电容器的充电对应于缸的填充，并且级联对应于缸的功率提高。二极管优选地作为电子开关起作用，所述二极管通过电势差分别被接通到截止范围或导通范围中并且对电容器充电或者使其电压升压。电荷泵以多重级联的方式能够产生非常高的直流电压。这种电路被称为高电压级联。

有利的是，相应负载的时钟节拍用于相应电荷泵的时钟节拍，尤其是相应负载的PWM脉冲被用于电荷泵的时钟节拍。由此极大地简化了其电路设计。

优选地，分别通过一开关来实现设备的时钟节拍，所述开关衔接到变压器的次级绕组上，所述开关在闭合状态下对电荷泵充电，并且所述开关在断开状态下将在电荷泵中产生的驱动电压施加到相应的半导体功率开关上。电荷泵时钟节拍优选分别通过PWM开关的功率开关Sn实现。因此，例如在S1的闭合状态下，电容器C1通过D1-R1被充电到电压UL1上。在断开状态下，C1通过D12向C12放电。二极管D1截止，并且被充电的电容器被调设为功率开关S12的参考电平。通过Uh1＝UL1＝15V，驱动器由S12供给必要的电压。

附图说明

下面借助附图详细阐述本发明；附图中示出：

图1总体上示出了对根据现有技术的半导体功率开关(MOSFET，IGBT，双极晶体管)的操控，

图2示出了图1的操控借助于变压器在高电压范围内的应用，用于使用于功率开关的相应驱动电压电流分离，其中，用于功率开关的驱动电压借助于变压器的次级绕组被电流分离，并且

图3示出了根据本发明的用于借助于具有唯一次级绕组的变压器来操控功率开关的设备的一个实施方式，从该次级绕组中导出用于功率开关的不同驱动电压。

具体实施方式

图1和图2关于现有技术在引言部分进行了阐述。

图3示出了根据本发明的设备的一个实施方式。该实施方式与图2中所示的设备的不同之处在于，通过使用具有唯一次级绕组的变压器来对电子负载开关S1、S2提供驱动电压UL1，更详细地说，利用具有三个零电势HV-水平的变压器的下部次级绕组来对两个电子负载开关S1和S2提供驱动电压UL1。

用于操控电子负载开关S12和S21的驱动电压Uh₁和Uh₂不通过变压器的其他次级绕组来提供给图3的设备，而是借助于电荷泵从变压器的唯一次级电压中导出。

用于提供驱动电压Uh₁的电荷泵包括电容器C1，该电容器一方面与负载Last1的衔接到开关S1上的一侧连接，并且另一方面通过串联电阻R1，该电容器的另一端与处于UL1电势上的二极管D1连接。通过电荷泵从电压UL1中产生的驱动电压Uh₁通过二极管D12施加到电子开关S12上，该电子开关在输入侧由电容器C12桥接。

用于提供驱动电压Uh₂的电荷泵包括电容器C2，该电容器一方面与负载Last2的衔接到开关S2上的一侧连接，并且另一方面通过串联电阻R2，该电容器的另一端与处于UL1电势上的二极管D2连接。通过电荷泵从电压UL1中产生的驱动电压Uh₂通过二极管D12施加到电子开关S12上，该电子开关在输入侧由电容器C21桥接。

当开关S1闭合时，电容器C1、C2通过串联电阻R1、R2和截止二极管D1、D2充电到驱动电压电势UL上。

如果开关S1、S2断开，则电容器C12、C21被充电以电容器C1、C2的电荷。由此提供用于开关S12、S21的操控所需的电势Uh₁(Uh₂)＝UL。该过程周期性地以开关S1、S2的时钟节拍重复。

根据具有两个半导体功率开关的实施方式阐述了根据本发明的设备。然而，本发明不限于此。而是对于用于操控半导体功率开关的设备可以考虑多于两个的这种开关。