用于切换开关元件的电路装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于切换开关元件的电路装置，该电路装置具有操控电路，该操控电路被设立用于提供取决于开关元件的开关状态的可变的预操控电压。


背景技术：

2.诸如igbt的晶体管或其他半导体开关元件通常由固定的电压来操控。这特别意味着，在开关元件的栅极接头上加载用于接通开关元件的第一电压，并且在开关元件的栅极接头上加载用于断开的第二电压。只要开关状态不应改变，相应的第一或第二电压就保持加载在栅极接头上。例如，对于单极的供给电压来说，用于截止或断开晶体管的0 v和用于导通或接通晶体管的 15 v被加载到栅极接头上。对于双极供给来说，例如使用-8 v或-15 v的负电压或者尤其将其加载到栅极接头上，以用于截止晶体管，并且使用 15 v的正电压或者将其加载到栅极接头上，以用于导通晶体管。该电压通常通过外部参量、像例如有效的发射极电感和开关元件的相应的阈值电压来确定。
3.尤其是在接通状态与断开状态之间的中间状态中转换或切换开关元件时或者在相反地转换或切换时，出现开关损耗。尤其由此电路的效率由于所产生的热量和供电负载使用的较小的能量而降低。热量可能额外地导致开关元件的更快的老化，由此可能引起使用该热量的设备的更短的维护周期。
4.因此，本发明的任务是，降低在开关元件切换时的开关损耗并且提高经济性。


技术实现要素：

5.根据第一方面，提出一种电路装置，该电路装置具有操控电路和开关元件、尤其半导体模块。该电路装置被设立用于在开关元件的第一开关状态与第二开关状态之间转换。该操控电路被设立用于提供取决于开关元件的开关状态的可变的预操控电压，其中该预操控电压是在两种开关状态之一的期间作为操控电压被加载到开关元件的控制接头上的电压，并且其中该操控电路被设立用于在开关状态的期间改变该预操控电压，而该开关状态在此不改变，尤其不是从第一开关状态改变到第二开关状态或者反之。
6.在本公开文件中，术语“阶段”用于以下持续时间，在该持续时间里该晶体管处于开关状态、即导通或截止。这些阶段总是在从在时间上处于接通状态与断开状态之间的中间状态转换时中断或者反之亦然。该预操控电压是例如在两个阶段之一内能够用作操控电压的电压。如果其用于将该晶体管导通，则这种特定的操控电压在这里被称为导通操控电压。如果其用于截止晶体管，则这种特定的操控电压在这里被称为截止操控电压。可变的预操控电压例如能够从第一电压值被提高到第二电压值或者相反地被降低。因此，该预操控电压的可变性例如分两级地涉及两个电压值，但是它也能够被设计为三级或多级或连续可变的结构。随着增加的可变性，能够优化该预操控电压与开关元件的特定的工作点的匹配，尤其是用于使开关损耗最小化。此外，术语“半导体”和“半导体模块”被等效地使用。
7.被加载到开关元件的控制接头上的操控电压例如是晶体管的栅极-发射极-电压。
该预操控电压例如能够是截止操控电压，当该截止操控电压作为操控电压被接通时，该截止操控电压截止晶体管。只要该晶体管导通，该预操控电压就与晶体管分离并且不具有主动的功能。在这个导通的阶段中，在该栅极输入端上加载足够正的第二预操控电压、即导通操控电压。通过引入例如提供截止操控电压的预操控电压这种方式，能够降低开关损耗。截止操控电压通常是非正的电压或者是低于开关元件、像比如晶体管的栅极-控制输入端处的开关阈值的电压。仅当该开关元件应当截止时，该截止操控电压才加载在开关元件的控制接头上。因为在该导通阶段中该截止操控电压与开关元件的控制接头分离，所以在这个阶段中能够调整或改变并且预调节、即已经先验地调节该截止操控电压，从而减小在转换或切换到截止阶段时的开关损耗。
8.根据一种实施方式，该操控电路被设立用于：在开关元件的第一开关状态的期间改变、例如减小该预操控电压并且在开关元件的第二开关状态的期间改变、例如提高该预操控电压。该第一开关状态能够是该开关元件导通的状态。该第二开关状态而后能够是该开关元件截止的状态。如果该开关元件导通，则例如降低在这个阶段中没有加载在开关元件的控制接头或栅极控制输入端上的截止操控电压，以便保证该晶体管的最佳的断开。在该开关元件截止的期间，提高在这个阶段中加载在开关元件的控制接头上的截止操控电压，以便确保最佳的接通。因此，在这种情况下该截止操控电压被调整。
9.为了调整该导通操控电压，在该导通操控电压加载在开关元件的控制接头上的导通阶段的期间降低该导通操控电压，以便确保该晶体管的最佳的断开。在该开关元件截止的期间，提高在这个阶段中没有加载在开关元件的控制接头上的导通操控电压，以便能够实现最佳的导通切换。
10.根据一种实施方式，该操控电路被设立用于：在开关元件的第一开关状态的期间将该预操控电压从第一数值降低到第二数值并且在开关元件的第二开关状态的期间将该预操控电压从第二数值提高到第一数值。如果该预操控电压是用于截止开关元件的截止操控电压，则该截止操控电压的第一数值v_offa和该截止操控电压的第二数值v_offb处于在v_th与v_min之间的范围、例如-20 v，其中v_th高于或等于v_offa并且v_offa高于v_offb。v_th是该开关元件的开关阈值，在该开关阈值之上该开关元件导通。v_min是该开关元件的最小允许的操控电压。如果该预操控电压是用于导通切换开关元件的导通操控电压时，则该导通操控电压的第一数值v_ona和该截止操控电压的第二数值v_onb处于在v_max与v_th之间的范围内，其中v_max等于或高于v_ona并且v_ona高于v_onb。v_max是该开关元件的最大允许的操控电压。
11.例如，该截止操控电压的第一数值是v_offa=0 v，并且该截止操控电压的第二数值是v_offb=-8 v。在该第二状态、即该开关元件的截止开关状态的期间，该操控电路因此将截止操控电压从-8 v切换到0 v，以便调整用操控电压v_ona、例如 15 v的操控电压转换到导通开关状态的情况。将该操控电压从0 v切换到v_ona而不是从-8 v切换到v_ona，由此显著减小开关损耗。根据开关元件或半导体类型，该截止操控电压也能够具有低的正值。因此，该电压v_offa例如能够为 1 v，其中该开关元件继续截止。一般来说，该数值v_th——对于该数值来说该开关元件仍然截止——能够从开关元件的数据表中获得。用于v_offb的另一典型值例如是-15 v。该截止操控电压的典型范围能够被表示为v_th＞截止电压＞v_min、例如-20 v。
12.该可变的预操控电压值的改变也能够在多个中间步骤中进行。从一个预操控电压值到另一个预操控电压值的过渡能够在物理极限之内跳跃形地、斜坡形地或曲线形地进行。
13.根据另一种实施方式，该操控电路具有开关，该开关被设立用于将截止操控电压从例如v_offa改变到v_offb或者反之亦然并且将导通操控电压从比如v_onb改变到v_ona或者反之亦然。在这里作为开关优选是指电子开关、像比如晶体管。电子开关也能够包括具有多个电子构件、例如电源的装置。
14.根据一种实施例，该操控电路被设立用于在导通阶段的期间、特别是在进入导通阶段之后不久将截止操控电压切换到v_offb、例如-8或-15 v。因此，该开关元件立即又准备好受调整地切换到截止阶段中。
15.根据一种实施例，该操控电路被设立用于在截止阶段的期间、尤其是在进入导通阶段之前不久将截止操控电压切换到v_offa、例如0 v。因此，该开关元件在截止阶段的大部分中以例如-8 v或-15 v可靠地截止。
16.也能够相应地选择用于该导通操控电压的时刻。预调整的切换过程也能够在开关元件的导通或截止阶段期间的其他时刻进行。
17.根据另一种实施方式，该开关元件或半导体模块是功率晶体管。例如，它是igbt （绝缘栅双极晶体管）或fet（场效应晶体管）、像比如mosfet （金属氧化物fet）。
18.根据第二方面，提供一种用于在运行期间操控开关元件的方法，其中该开关元件具有两种开关状态，其中不同的开关状态通过以操控电压对开关元件进行的操控来设定。尤其在该两种开关状态中的至少一种开关状态中，可变的预操控电压作为操控电压被加载到控制接头上。在第一步骤中，提供第一预操控电压和第二预操控电压。在第二步骤中，将该第二预操控电压加载到开关元件的控制接头上，以便将该开关元件切换到第一开关状态中。尤其该第一预操控电压在此能够是可变的，并且该第二预操控电压能够是可变的或恒定的。在第三步骤中，在该开关元件处于第一开关状态中的期间减小该开关元件的第一预操控电压。在第四步骤中，将该第一预操控电压作为操控电压加载到开关元件的控制接头上，以便将开关元件切换到第二开关状态中。在第五步骤中，在该开关元件处于第二开关状态中的期间，提高该第一预操控电压。在第六步骤中，将该第二预操控电压作为操控电压加载到开关元件的控制接头上。
19.根据一种实施例，能够将该方法用于可变的截止操控电压，从而将该截止操控电压v_off在该导通阶段的期间从例如0 v降低到-15 v并且在截止阶段中、即当v_off加载在控制接头上时从-15 v提高到0 v。例如，用于可变的截止操控电压的电路装置在负支路中具有用于在v_offa与v_offb之间转换的开关并且例如在正支路中具有恒定的操控电压v_on。
20.根据一种实施例，能够将该方法用于可变的导通操控电压，从而将该导通操控电压v_on在导通阶段的期间从例如15 v降低到8 v并且在截止阶段中、即当v_on未加载在栅极输入端上时从8 v提高到15 v。例如，用于可变的导通操控电压的电路装置在正支路中具有用于在v_ona与v_onb之间转换的开关并且例如在负支路中具有恒定的电压v_off。
21.根据一种实施方式，能够将两种方法变型方案组合起来。在这种情况下，例如不仅在负支路中而且在正支路中都存在开关，从而能够代替恒定的电压v_on或者v_off而接通
可变的操控电压。因此，在该开关元件处于第一开关状态中的期间降低该开关元件的第一预操控电压的步骤额外地具有降低该开关元件的第二预操控电压的步骤；并且在该开关元件处于第二开关状态中的期间提高该第一预操控电压的步骤此外具有提高第二预操控电压的步骤。
22.根据第三方面，提供一种具有用于切换开关元件的电路装置的逆变器，该逆变器具有操控电路，该操控电路被设立用于提供取决于开关元件的开关状态的可变的预操控电压。尤其用于大功率的、例如在电动车中的逆变器具有开关元件、像例如igbt，该开关元件例如在khz范围内切换高电流。在此出现的开关损耗能够通过在这里提出的电路装置降低大约10%。通常，根据架构和应用，逆变器具有多个开关元件或半导体、像比如igbt。逆变器是指直流电压转换器、交流电压转换器和直流/交流电压转换器，它们在与绕组或线圈的组合中以时钟脉冲方式来切换，以便切换电压水平和/或频率。
23.根据第四方面，提供一种具有逆变器的运输工具，该逆变器具有用于切换带有操控电路的开关元件的电路装置，该操控电路被设立用于提供取决于开关元件的第一或第二开关状态的可变的预操控电压。其例如用于为电机提供能量或者用于给用于驱动运输工具的电池充电。电动的运输工具能够是机动车、载重汽车、电动船、航空发动机、火车、做功机械等。
附图说明
24.下面借助于附图与本发明的优选的实施例的描述一起来详细描述其它改进本发明的措施。
25.图1示出了按照一种实施例的用于操控开关元件的原理性的电路装置，图2示出了按照一种实施例的在开关和操控阶段中的操控电压的图表，图2a、2b、2c、2d示出了按照一种实施例的用于在开关和操控阶段中的操控电压的开关位置，图3示出了按照另一种实施例的在开关和操控阶段中的操控电压的图表，图3a、3b、3c、3d示出了按照另一种实施例的用于在开关和操控阶段中的操控电压的开关位置，图4示出了按照一种实施例的方法的流程图，图5示出了按照一种实施例的具有逆变器的运输工具。
具体实施方式
26.图1示出了一种用于操控开关元件101的原理性的电路装置100，其具有操控电路104。在图1中示出的能控制的开关元件101能够例如是场效应晶体管（fet）或其变型方案、igbt或其他类型的晶体管或高功率晶体管。图1仅仅用于图解说明电路装置100和尤其装置104的工作方式。在实际的电路中，电池电压v_batt例如不是接地，而是通过保护电路被连接到负载上。
27.图1示出了简单的原理，从该简单的原理中能够看出，用两个开关103和102能够接通三个电压水平。开关103用于切换开关元件的状态（v_on、v_off），而开关102则进行截止操控电压（v_offa、v_offb）的调整或选择并且由此实现可变的截止操控电压。相同的装置
能够被用于用开关102来进行例如导通操控电压（v _ona、v_onb）的调整并且用开关102在v_on和恒定的电压v_off之间调节开关元件101的开关状态。
28.图2示范性地示出了被加载到控制接头上的操控电压v_t或开关103上的栅极-发射极-电压的变化曲线和开关102上的截止电压v_off的变化曲线。图2a至2d示出了开关装置的与图2中电压变化曲线的相位相对应的开关位置。为了更简单地将图2a至2d的开关装置分配给图2中的电压变化曲线的相位，电压过渡被理想化地示出为在一个状态阶段的中间的电压突变。在本实例中，v_on是15v，v_offa是0 v，并且v_offb是-8v。如已经提到的那样，电压也能够具有其它数值。
29.在图2中的导通阶段和按照图2a的开关装置的情况下开始，在开关103的开关位置中向上首先开关102也向上切换，从而在开关102上首先截取v_offa＝0伏特。开关102的这个开关位置是来自之前阶段的开关位置。现在将当前的导通阶段分成两个半阶段。在第二半阶段中，开关102被向下切换，从而在开关输出端处能够截取或者加载v_offb =-8v。一旦开关103被转换，以用于达到截止阶段，则这个电压v_offb就作为操控电压v_t加载在开关元件101的控制接头上。因此，在导通阶段中，调节或调整该截止控制电压、即用来将该晶体管101截止地切换的电压，使得该开关元件101在开关103的转换中可靠地截止。根据图2c，两个开关102、103于是被向下调节。
30.然而，现在截止阶段也被分成两个半阶段。在第二半阶段中，开关102在图2d中被向上调节，从而在该开关元件101的控制接头处加载截止操控电压v _offa＝0伏特。这引起的结果是，在转换到导通阶段时的开关损耗、也就是说根据在图2a中的导通阶段——该导通阶段随着通过开关103接通正电压而开始——相对于栅极输入端上的从-8v到 15v的电压突变而被减小。
31.开关102和103优选能够以电子方式来实现并且例如通过微控制器来操控。预控制例如能够通过电源或能转换的电势来实现。
32.图3中的图表和具有对应的开关位置的开关装置3a至3d示出了一种实例，在该实例中不仅为v_on而且为v_off可变地调节该操控电压。该电路装置现在在正支路中具有开关104，该开关能够在v_ona＝ 15v与v_onb＝ 8 v之间转换。在图3中该电压v_offa和v_offb的切换连同所产生的电压v_off以与在图2a至2d中相同的方式来完成。在导通阶段中，现在通过从v_ona到v_onb的切换来使该截止阶段准备就绪，使得该控制接头上的操控电压v_t代替从 15v到-8 v现在从8 v切换到-8 v。在该截止阶段中，该操控电压v_t又被切换到15v，从而能够可靠并且快速地过渡到导通状态中。要再次指出，所说明的电压值仅仅是示范性的。
33.图4示出了按照一种实施方式的、用于在运行期间操控开关元件101的方法的流程图，其中该开关元件具有导通阶段和截止阶段。在第一步骤401中提供具有0 v的截止控制电压。在下一步骤402中，将该开关元件101切换到具有主动的正的操控电压的导通阶段中。由此，该控制接头上的电压、例如栅极电压仅仅从0 v跳变到用于转换开关元件101的正电压，其能够例如是15伏特。在步骤403中，在该开关元件的导通阶段的期间减小该开关元件的所提供的截止控制电压。在这个阶段中，该截止控制电压不加载在控制接头上。该减小用于调节或调整、也就是说准备开关元件101的下一个开关阶段。在步骤404中，将所提供的减小的截止控制电压作为主动的操控电压加载到控制接头上，以用于将该开关元件101切换
到截止状态中。因为该电压明显处于负的范围中，例如-8 v或-15 v，所以该开关元件最佳地被截止。在下一步骤405中，通过将所提供的在这个时刻还作为主动的操控电压加载在控制接头上的截止控制电压提高到0 v这种方式，实现了对该开关元件101的下一个导通阶段的准备。然后，在步骤406中，将正电压作为主动的操控电压加载到控制接头上，使得该开关元件101以较少的损耗转换到导通阶段中。
34.步骤403能够额外地具有减小开关元件101的预操控电压的步骤，并且步骤405此外能够具有提高第二预操控电压的步骤。在一个步骤之内两个预操控电压的改变能够在该状态阶段之内、即在开关状态的期间的不同时刻进行。
35.图5示出了按照一种实施方式的具有逆变器501的运输工具500，该逆变器能够具有上面所描述的用于操控开关元件101的电路装置。
36.因此，通过在该开关元件101的截止阶段的期间对截止操控电压进行的调整，降低了在切换到导通状态时的损耗，但是另一方面，通过在导通阶段的期间对截止操控电压的调整，确保开关元件101被切换到安全的截止状态中。