用于操控至少一个半桥的半导体开关的方法和电路组件

技术领域

本发明涉及一种用于操控至少一个半桥的半导体开关的方法和一种电路组件。

背景技术

脉冲变换器(或称为脉冲逆变器，即Pulswechselrichter)是电动交通(或称为电动汽车，即E-Mobilität)的关键部件。该部件的优化会影响交通工具的整个驱动系，且由此导致针对终端用户的真正的附加值。脉冲变换器的核心件是所谓的整流单元，其包括中间回路和半桥。脉冲变换器的优化不仅可以在机械(半桥的布局、到中间回路处的连接......)而且可以在电气(栅极驱动电路的优化、半导体特性的优化等)方面进行。

从US2021/0152158A1已知带有宽带隙(WBG)的功率半导体系统。在一个方面，该系统包括配置成生成开关控制信号的控制器和配置成接收开关控制信号并响应于开关控制信号生成开关驱动信号的栅极驱动器。该系统还包括WBG功率半导体结构元件，其与栅极驱动器耦合并且其包括用于接收开关驱动器信号的栅极端子并且其被配置为响应于开关驱动器信号而被切换。开关驱动信号具有三个信号电平中的一个：高于零电压电平的第一电压电平、低于零电压电平的第二电压电平、以及任意时间点的零电压电平。结果，栅极驱动器以三个电压电平控制WBG功率半导体结构元件。

发明内容

本发明基于如下目的，即提出一种用于操控至少一个半桥的半导体开关的方法和一种在其中改进操控的电路组件。

该目的根据本发明通过方法和电路组件来解决。本发明的有利的设计方案从本发明得出。

尤其，提供了一种用于操控至少一个半桥的半导体开关的方法，其中带有相应的反向二极管的至少一个半桥的两个半导体开关借助于栅极驱动电路被操控，其中半导体开关中的相应一个半导体开关的操控电压在考虑相应另一半导体开关借助通过电压切换到通过的切换时间点的情况下从阻断电压变为至少一个中间电压。

此外，尤其提出了一种电路组件，其包括具有带有相应的反向二极管的两个半导体开关的至少一个半桥，以及被设立用于操控半导体开关的栅极驱动电路，其中栅极驱动电路此外设立成将半导体开关中的相应一个半导体开关的操控电压在考虑相应另一半导体开关借助通过电压切换为通过的切换时间点的情况下从阻断电压变为至少一个中间电压。

该方法和电路组件能够实现，如此改善至少一个半桥的半导体开关的操控，使得可以减少在半导体开关接通时出现的振荡。由此，可以减少由振荡引起的过电压。此外，总体上可以减少振荡，从而它们尤其更快地衰减。其后存在的基本思想是，通过将阻断的半导体开关的操控电压在考虑应切换到通过或传导的半导体开关被切换的切换时间点的情况下从阻断电压变为至少一个中间电压，降低阻断的半导体开关的反向二极管的电阻。因为这减小了阻断的半导体开关的反向二极管的电阻，所以可以降低振荡幅度并因此降低过电压。例如，如果阻断电压(栅极电压)为-4V且通过电压为+15V，则可以选择0V的中间电压。例如，开关序列那么如下：两个半导体开关都处于阻断状态(栅极电压在-4V的情形中)。半导体开关中的一个半导体开关应被切换到通过，也就是说传导(栅极电压在+15V的情形中)。在考虑该半导体开关的切换时间点的情况下，(相应)另一半导体开关的操控电压从阻断电压(-4V)变为中间电压(0V)。同时或紧接着，应切换到通过的半导体开关的操控电压然后可以从阻断电压(-4V)变为通过电压(+15V)。在(相应)设置的(脉冲模式的)脉冲持续时间之后，半导体开关的操控电压又变为阻断电压。尤其，然后以相应的方式对两个半导体开关中的另一半导体开关重复该方式，其中相应的“角色”在操控时被交换。

通过将一个半导体开关的操控电压从阻断电压变为中间电压尤其减小了该半导体开关的反向二极管的电阻。结果，降低了在(相应)另一半导体开关接通(通过)时发生的振荡和初始过电压。在半桥的半导体开关中的一个半导体开关每次(交替地)接通(或切换为通过)时，相应另一半导体开关的操控电压从阻断电压切换到至少一个中间电压。在其它方面，至少一个半桥的半导体开关的操控以本身已知的方式进行。

本发明的优点是，由于过电压降低，半导体开关可以设计得总体上更小。此外，由于还可以通过减小振荡来减小电流和电压的重叠积分(或称为叠加积分，即Überlappintegrals)的值，所以可以减小损耗功率。这导致降低的对所需结构空间和散热的要求。总体上，可以降低成本。此外，减少的振荡也导致更好的在电磁兼容性(EMV)方面的特性。

半导体开关尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。具体而言，半导体开关是由带有宽带隙的半导体材料(例如GaN、SiC)构成的MOSFET。尤其，半导体开关是SiC-MOSFET。反向二极管(英语，body diode体二极管)尤其是由MOSFET自身在源极和漏极触点之间构造的二极管。

阻断状态尤其表示半导体开关的非传导状态。通过向半导体开关的栅极施加阻断电压来设定阻断状态。通过尤其指在如下状态，在其中半导体开关是传导的。通过向半导体开关的栅极施加通过电压来设定通过(状态)。

中间电压尤其是具有在阻断电压和通过电压之间的值的电压。中间电压尤其可以是0V。

尤其，栅极驱动电路可以包括控制设备和多个栅极驱动器。控制设备提供用于运行栅极驱动器的控制电压。尤其，控制电压构造用于操控多个半桥的半导体开关的脉冲模式(例如以脉宽调制的形式)。栅极驱动器接收控制电压并生成相应于操控电压的栅极电压，该栅极电压被供应给半导体开关的相应的栅极触点。控制设备和栅极驱动器也可以一起构造为集成电路。

电路组件的部分，尤其控制设备，可以单独或总地构造为硬件和软件的组合，例如作为在微控制器或微处理器上实施的程序代码。然而，也可以设置成，这些部分单独或总地构造为专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)。

在一个实施形式中设置成，一个半导体开关的操控电压在考虑切换时间点的情况下对此经历中间电压的序列。由此，可以进一步减少发生的振荡。中间电压的数量、值和持续时间可以例如根据经验和/或借助模拟来规定和/或确定。

在一个实施形式中设置成，一个半导体开关的操控电压在相应另一半导体开关被切换为通过的切换时间点之前或之后的预定时间间隔从阻断电压变为至少一个中间电压和/或在切换时间点之前或之后的预定时间间隔开始经历中间电压的序列。由此，当另一半导体开关切换为通过时，非传导的半导体开关的操控电压已经处于中间电压。由此，可以特别有效地减少振荡，因为一个半导体开关的反向二极管的电阻在另一半导体开关接通时已经减小。备选地，可以在切换时间点之后的预定时间间隔将操控电压设置为中间电压。例如，预定时间间隔可以根据经验以测试次序和/或从模拟出发来规定，以便有效地减少振荡和过电压。

在一种实施形式中设置成，至少一个中间电压和/或中间电压的序列存在预定的持续时间。例如，预定的持续时间可以根据经验以测试次序和/或从模拟出发来规定，以便有效地减少振荡和过电压。预定的持续时间包括例如至少一个时间段，在该时间段中另一半导体开关被切换到通过。然而，原则上，预定的持续时间也可以更短或更长。

在一种实施形式中设置成，在考虑半桥的一个半导体开关的结点温度和/或中间回路电压和/或相电流的情况下，执行将阻断电压变为至少一个中间电压和/或中间电压的序列。由此，可以从一个半导体开关的状态和/或电路组件(中间回路、半桥等)的状态出发来选择至少一个中间电压和/或中间电压的序列。这能够实现对当前状态的动态匹配。尤其，可以在考虑半桥的一个半导体开关的结点温度和/或中间回路电压和/或相电流的情况下确定中间电压和/或中间电压的序列的时间点和/或值和/或持续时间。例如，可以设置成，取决于特性曲线(或特性域，即Kennfeld)(例如查找表)设定一个或多个中间电压的时间点、高度和/或持续时间，其中在特性曲线中相应的值取决于相电流、中间回路电压和/或结点温度被存储并且可以从中调取。

在一种改进实施形式中设置成，至少一个中间电压的值和/或中间电压的序列的值从一个半导体开关的结点温度的值和/或中间回路的值和/或相电流的值出发来确定。由此，至少一个中间电压的值和/或中间电压的序列的值可以直接由电路组件的状态影响。影响的类型可以例如以一条或多条特性线的形式和/或以栅极驱动电路中的函数的形式存储。然后，在一条或多条特性线和/或一个或多个函数中，针对至少一个中间电压的值和/或中间电压的序列的值取决于一个半导体的结点温度的值和/或中间回路电压的值和/或相电流的值被存储并可从中调取。特性线和/或函数例如可以根据经验和/或借助模拟来规定和/或确定。

在另一实施形式中设置成，只有在一个半导体开关的结点温度的值低于预定温度阈值和/或如果中间回路电压的值低于预定中间回路电压阈值和/或如果相电流值的低于预定电流阈值时，执行将阻断电压变为至少一个中间电压或中间电压的序列。由此，可以提高安全性。尤其，可以防止在某些边界条件下发生跨桥短路(Brückenquerkurzschluss)。在包括电路组件的脉冲变换器在低电流下的效率确定的部分负载运行中，然后可以发生从阻断电压到至少一个中间电压和/或中间电压的序列的变化；在更高的电流的情形中，其中跨桥短路的风险提高，操控电压然而可以保留在阻断电压上。相应的阈值可以在此根据经验和/或通过模拟来规定。

在电路组件的一种实施形式中设置成，电路组件具有至少三个半桥，其中栅极驱动电路根据预定脉冲模式如此操控至少三个半桥，使得构造多相脉冲变换器。原则上也可以设置更多的半桥，例如六个半桥，从而构造六相脉冲变换器。

对于电路组件的设计方案的其它特征由方法的设计方案的描述得出。电路组件的优点在此相应与在该方法的设计方案的情形中相同。

另外，还提出了一种交通工具，其包括至少一个根据所描述的实施形式中的一个的电路组件。交通工具尤其是机动车，例如电动车辆或混合动力车辆。然而，原则上，交通工具也可以是其它陆地、轨道、水上、空中或太空交通工具，例如无人机或空中出租车。

附图说明

随后参照附图借助优选的实施例更详细地解释本发明。在此：

图1示出了电路组件的实施形式的示意图；

图2示出了用于阐明电路组件和方法的实施形式的示意图；

图3示出了用于阐明电路组件和方法的另一实施形式的示意图；

图4示出了用于根据模拟阐明本公开中描述的方法的示意性等效电路图；

图5示出了针对在其中不使用本公开中描述的方法的情况(现有技术)的来自图4的等效电路图的电参量的时间上的走向的模拟；

图6示出了针对在其中使用本公开中描述的方法的情况的来自图4的等效电路图的电参量的时间上的走向的模拟；

图7示出了用于操控至少一个半桥的半导体开关的方法的实施形式的示意性流程图。

具体实施方式

在图1中示出了电路组件1的实施形式的示意图。电路组件1例如布置在交通工具50、尤其机动车中，并且在那里例如是脉冲变换器51的一部分。但是原则上也可以在其它领域使用电路组件1。

电路组件1包括半桥3和栅极驱动电路2。栅极驱动电路2包括控制设备2-1和栅极驱动器2-2。控制设备2-1提供用于操控栅极驱动器2-2的控制信号10。栅极驱动器2-2将控制信号10转换成操控电压11并提供它们。半桥3包括例如构造为SiC-MOSFET的两个半导体开关HS,LS。借助于所提供的操控电压11来操控半导体开关HS,LS的栅极。随后根据电路组件1阐释本公开中描述的方法。

对于阻断状态，相应的半导体开关HS,LS的操控电压11被设置为阻断电压(例如-4V)。为了切换到通过(通过状态)，将相应的半导体开关HS,LS的操控电压11设置为通过电压(例如+15V)。此外，还设置有至少一个中间电压(例如0V)，操控电压11可以被设置到该中间电压。

半导体开关HS,LS中的相应一个半导体开关的操控电压11在考虑相应另一半导体开关HS,LS借助于通过电压切换为通过的切换时间点的情况下，从阻断电压变为至少一个中间电压。这通过借助于栅极驱动电路2的相应操控和操控电压11的相应改变来实现。

电路组件1可以具有另外的半桥。对于另外的半桥，在操控时的结构和流程类似于在所示半桥3中的结构或流程。尤其，电路组件1可以具有三个半桥3，其中栅极驱动电路2根据预定的脉冲模式如此操控三个半桥3，使得构造多相脉冲变换器51。

图2示出了用于阐明电路组件1(图1)和本公开中描述的方法的示意图。该图示仅用于阐明所公开的方法和所公开的电路组件。尤其，相应的操控电压11可以具有另一尤其更复杂的时间上的走向。示出了高侧(HS)上的高侧半导体开关HS的操控电压11(以V)和低侧(LS)上的低侧半导体开关LS的操控电压11(以V)的示意性时间上的走向。在时间点t0，两个半导体开关HS,LS的操控电压11被设置为阻断电压12(-4V)。在时间点t1，低侧半导体开关LS应该被切换到通过。为此，将低侧半导体开关LS的操控电压11从阻断电压(-4V)设置为通过电压13(+15V)。考虑该切换时间点t1，将高侧半导体开关HS的操控电压11从阻断电压12(-4V)设置为中间电压14(0V)。在时间点t2，两个半导体开关HS,LS的操控电压11又被设置为阻断电压12(-4V)。在时间点t3，存在相反的情况：高侧半导体开关HS应被切换到通过。为此，将高侧半导体开关HS的操控电压11从阻断电压12(-4V)设置为通过电压13(+15V)。在考虑该切换时间点t3的情况下，将低侧半导体开关LS的操控电压11从阻断电压12(-4V)设置为中间电压14(0V)。紧接着，针对其它时间点t4、t5、t6、t7、...重复该流程，其中时间点t4相应于时间点t0。

可设置成，对此在考虑切换时间点t1、t5的情况下半导体开关HS,LS的操控电压11经历中间电压14的一个序列。例如，除了0V的中间电压14之外，可以设置另外的1V的中间电压14。其中首先经历1V的中间电压14，且随后0V的中间电压14。

可设置成，一个半导体开关HS,LS的操控电压11在相应另一半导体开关HS,LS切换到通过的切换时间点之前的预定时间间隔从阻断电压12变为至少一个中间电压14，和/或在切换时间点之前的预定时间间隔Δt开始中间电压14的序列的经历。该实施形式在图3中示意性地示出。由此可以确保，当低侧功率半导体LS切换到通过电压13时，通过将操控电压11从阻断电压12变为中间电压14，已经降低了高侧功率半导体HS(图1)的反向二极管的电阻(且反之亦然)。针对预定时间间隔Δt的值可以根据经验或借助模拟来规定。备选地，中间回路电压的设定也可以在切换时间点之后的预定时间间隔实现。

可设置成，至少一个中间电压14和/或中间电压14的序列存在预定的持续时间。

可设置成，将阻断电压12变为至少一个中间电压14和/或中间电压14的序列在考虑半桥3的相电流I和/或中间回路电压U和/或一个半导体开关HS,LS的结点温度T-HS,T-LS(图1)的情况下被执行。针对结点温度T-HS,T-LS、一个或多个中间回路电压U和一个相电流I或多个相电流I的当前值例如由逆变器调节部供应给栅极驱动电路2，和/或借助于合适的传感器获取。

改进地可设置成，至少一个中间电压14的值和/或中间电压14的序列的值从一个半导体开关HS,LS的结点温度T-HS,T-LS的值和/或中间回路电压U的值和/或相电流I的值出发被确定。这尤其可以借助特性线和/或函数来实现，其中针对一个或多个中间电压14的值取决于结点温度T-HS,T-LS的值和/或中间回路电压U和/或相电流I存储且在需要时调取。

此外可设置成，只有在一个半导体开关HS的结点温度T-HS,T-LS的值低于预定温度阈值Tmax和/或如果中间回路电压U的值低于预定中间回路电压阈值Umax和/或如果相电流I的值低于预定电流阈值时，执行阻断电压12变为至少一个中间电压14或中间电压14的序列。阈值Tmax、Umax和Imax例如同样可针对栅极驱动电路2预定。

在图4中示出了示意性等效电路图。示出了整流单元，其包括具有中间回路电容器5的中间回路4和半桥3。半桥3包括构造为MOSFET的高侧半导体开关HS和构造为MOSFET的低侧半导体开关LS。各一个反向二极管HSD,LSD(英语，body diode，即体二极管)反并联于两个半导体开关HS,LS。此外，栅极驱动器2-2示出在高侧和低侧。此外示出了挂接到半桥3的相处的电机的马达电感L。

从该等效电路图出发执行模拟，以阐明本公开中描述的方法。在此，图5示出了不使用本公开中描述的方法(现有技术)的情况。图5示出了在操控功率半导体时的时间上的走向的示意图。上方示出了栅极和源极之间或高侧的栅极驱动器2-2处的电压U-GHS的走向。下方示出了相电流I、高侧反向二极管HSD处的电压U-HSD和低侧反向二极管LSD处的电压U-LSD的走向。高侧半导体开关HS的栅极和源极之间的操控电压在整个走向中保持在-4V。在6.05µs的时间，低侧半导体开关LS的操控电压从阻断电压(-4V)变为通过电压(+15V)。可以清楚地看到，高侧反向二极管HSD处的电压U-HSD和相电流I示出强烈的振荡。由于振荡，电压U-HSD在此短暂达到超过600V的峰值。因此存在强烈的过电压。此外，由于强烈的且在400ns后还持续的振荡，电路组件的EMV性能(电磁兼容性)也劣化。

图6示出了使用本公开中描述的方法的情况。示出了与图5中所示相同的曲线。在低侧半导体开关LS的操控电压从阻断电压(-4V)变为通过电压(+15V)之前不久，高侧半导体开关HS的操控电压从阻断电压(-4V)变为中间电压(在示例中为0V)，这可以从上图中的电压U-GHS在6.005µs的时间的跃变清楚地看出。与图5中所示的情况相比，高侧反向二极管HSD的由此降低的电阻导致不仅过电压而且振荡都显著降低。在改变低侧半导体开关LS的操控电压后，电压U-HSD保持在450V以下。发生的振荡在大约50ns内又衰减。因此，在本公开中描述的方法和所描述的电路组件导致显著降低在半导体开关HS,LS被接通时的过电压(“过冲(Überschwinger)”)，并且在接通之后发生的振荡又衰减得明显更快。总体而言，可以提高在半桥运行时的效率，因为尤其不必针对过电压设计结构，如其在图5中所示的情况中出现的那样。

图7示出了用于操控至少一个半桥的半导体开关的方法的一个实施形式的示意性流程图。该方法是针对半桥描述的，但是原则上也可以以相同的方式操控多个半桥，尤其在脉冲变换器的运行中。带有相应的反向二极管的半桥的两个半导体开关借助于栅极驱动电路操控。这尤其根据预定的脉冲模式实现，其中两个半导体开关中的一个半导体开关交替地(或以不同的方式)切换为传导的(为通过)。

在措施100中，高侧半导体开关(尤其MOSFET)的操控电压从阻断电压变为中间电压。

在措施101中，低侧半导体开关(尤其MOSFET)的操控电压从阻断电压变为通过电压。

在措施102中，两个半导体开关的操控电压在设置的脉冲持续时间之后变回阻断电压。

在措施103中，低侧半导体开关的操控电压从阻断电压变为中间电压。

在措施104中，高侧半导体开关的操控电压从阻断电压变为通过电压。

在措施105中，两个半导体开关的操控电压在设置的脉冲持续时间之后变回阻断电压。

紧接着重复措施100-105。

可设置成，措施100和103与措施101和104同时实施。然而，可设置成，措施100和103在措施101或104之前(或替代地之后)或这些措施的相应切换时间点之前(之后)的预定时间间隔实施。

可设置成，只有在一个半导体开关的结点温度的值低于预定温度阈值和/或如果中间回路电压的值低于预定的中间回路电压阈值和/或如果相电流的值低于预定的电流阈值时，执行阻断电压变为至少一个中间电压或中间电压的序列。为此，在措施99中例如检查是否超过了所述阈值中的一个。如果不是这种情况，则实施措施100到105，否则重复措施99。

参考符号列表

1 电路组件

2 栅极驱动电路

2-1 控制设备

2-2 栅极驱动器

3 半桥

11 操控电压

12 阻断电压

13 通过电压

14 中间电压

50 交通工具

51 脉冲变换器

99-105 方法的措施

HS 高侧半导体开关

HSD 高侧反向二极管

LS 低侧半导体开关

LSD 低侧反向二极管

I 相电流

Imax 电流阈值

L 马达电感

t 时间(轴)

t0…t7 (切换)时间点

Δt 时间间隔

T-HS 结点温度(高侧半导体开关)

T-LS 结点温度(低侧半导体开关)

Tmax 温度阈值

U 中间回路电压

Umax 中间回路电压阈值

U-GHS栅极和源极之间的电压(栅极驱动电压)

U-HSD HS反向二极管处的电压

U-LSD LS反向二极管处的电压。