特許 7352654 半導体パワー・スイッチを高電圧範囲で制御するためのデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-20

(45)【発行日】2023-09-28

(54)【発明の名称】半導体パワー・スイッチを高電圧範囲で制御するためのデバイス

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/08 20060101AFI20230921BHJP

【ＦＩ】

H02M1/08 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021565936

(86)(22)【出願日】2020-05-06

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-13

(86)【国際出願番号】 EP2020062587

(87)【国際公開番号】W WO2020225306

(87)【国際公開日】2020-11-12

【審査請求日】2021-11-25

(31)【優先権主張番号】102019111996.0

(32)【優先日】2019-05-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】591018763

【氏名又は名称】ベバスト エスエー

【氏名又は名称原語表記】Ｗｅｂａｓｔｏ ＳＥ

【住所又は居所原語表記】Ｋｒａｉｌｌｉｎｇｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ ５，８２１３１ Ｓｔｏｃｋｄｏｒｆ，Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(72)【発明者】

【氏名】アレクサンダー ヘンネ

(72)【発明者】

【氏名】ハンス レヒバーガー

(72)【発明者】

【氏名】カールハインツ フレーダー

【審査官】遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０５５５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０７９５６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／０１６１４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０３０５０４８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ １／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高電圧範囲の複数のパルス負荷（負荷１、負荷２）の場合に、複数の半導体パワー・スイッチ（Ｓ１２、Ｓ２１）を同時に制御するためのデバイスであって、前記半導体パワー・スイッチ（Ｓ１２、Ｓ２１）の各ドライバ電圧（Ｕｈ_１、Ｕｈ_２）が変圧器によって供給され得る、デバイスにおいて、
前記半導体パワー・スイッチの各ドライバ電圧（Ｕｈ_１、Ｕｈ_２）が前記変圧器の単一の二次巻線の電圧（ＵＬ１）から導出され、
複数の電子電圧レベル・移動回路が、必要とされる振幅の前記ドライバ電圧（Ｕｈ_１、Ｕｈ_２）を前記変圧器の前記二次巻線から取得するために提供され、
各電子電圧レベル・移動回路が、チャージ・ポンプ（Ｃ１、Ｒ１、Ｄ１及びＣ２、Ｒ２、Ｄ２）を含み、
各負荷のクロッキングが、各チャージ・ポンプをクロッキングするように働き、
各負荷及び各チャージ・ポンプのクロッキングは、前記変圧器の前記二次巻線に接続された各スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）によってもたらされ、
各スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）は、閉状態では各チャージ・ポンプを充電し、開状態では各チャージ・ポンプで生成された各ドライバ電圧（Ｕｈ _１ 、Ｕｈ _２ ）を各半導体パワー・スイッチ（Ｓ１２、Ｓ２１）に印加する、
ことを特徴とするデバイス。

【請求項2】

各ドライバ電圧（Ｕｈ _１ 、Ｕｈ _２ ）を供給する各チャージ・ポンプ（Ｃ１、Ｒ１、Ｄ１及びＣ２、Ｒ２、Ｄ２）は、キャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）を含み、
各キャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）の一端は、各負荷（負荷１、負荷２）に接続され、
各キャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）の他端は、直列抵抗（Ｒ１、Ｒ２）を介してダイオード（Ｄ１、Ｄ２）に接続されている、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記高電圧の低電位側と高電位側との間で、各スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）、各負荷（負荷１、負荷２）及び各半導体パワー・スイッチ（Ｓ１２、Ｓ２１）が、この順で直列接続されている、請求項２に記載のデバイス。

【請求項4】

各キャパシタ（Ｃ１、Ｃ２）の前記一端は、各負荷（負荷１、負荷２）の各スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）に接続されている一端に接続されている、請求項３に記載のデバイス。

【請求項5】

各チャージ・ポンプによって前記電圧（ＵＬ１）から生成された各ドライバ電圧（Ｕｈ _１ 、Ｕｈ _２ ）は、入力側において各第２キャパシタ（Ｃ１２、Ｃ２１）によって架橋されている各半導体パワー・スイッチ（Ｓ１２、Ｓ２１）に、各第２ダイオード（Ｄ１２、Ｄ２１）を介して印加される、請求項４に記載のデバイス。

【請求項6】

各半導体パワー・スイッチは、入力側においてキャパシタによって架橋され、
各チャージ・ポンプによって取得された前記必要とされる振幅の各ドライバ電圧は、各半導体パワー・スイッチの入力側を架橋している各キャパシタに各チャージ・ポンプから印加される、請求項１に記載のデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高電圧範囲のパルス負荷の場合に、複数の半導体パワー・スイッチを同時制御するためのデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

イントロダクションで記述されるタイプの従来のデバイスによる半導体パワー・スイッチの制御は、図１及び２を参照して説明されることになる。

【0003】

図１に示すように、二つの半導体パワー・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラ・トランジスタ）を制御するために、制御入力（ゲート、ベース）でスイッチをＯＮにして制御するために必要な１５Ｖ電圧は、基準レベルに対して規定された電位差を常に保持しなければならない。そうでなかったとしたら、スイッチはＯＮされないであろう。最悪の場合、これが、半導体パワー・スイッチの破壊をもたらす可能性さえある。図１で示した高電圧用途では、基準レベルは、例えば、０Ｖ（図１の左の回路変形形態）又は５００Ｖ（図１の右の回路変形形態）にあり得、パワー・スイッチがＯＦＦ又はＯＮされたとき、０Ｖから５００Ｖまでジャップさえし得る（ハイ－サイド問題）。

【0004】

図２の例として示されたような高電圧範囲での用途に対して、ドライバ電圧ＵＬ１、ＵＨ_１及びＵＨ_２は、複数の出力電圧を有する変圧器によって生成され、ガルバニック絶縁された方法で異なる基準レベルでのドライバ電圧を供給する。具体的な詳細には、第１の負荷、負荷１及び第２の負荷、負荷２が、例えば電子パワー・スイッチの対Ｓ１、Ｓ１２及びＳ２、Ｓ２１をそれぞれ介して、ゼロ電位ＨＶ－及び５００ボルトの正電位ＨＶ＋に、周期的に接続される。スイッチＳ１を制御するドライバ電圧ＵＬ１は、変圧器の第１の二次巻線から取り出される（図２の低い方の変圧器二次電圧）。スイッチＳ１２を制御するドライバ電圧Ｕｈ_１は、変圧器の第２の二次巻線から取り出される（図２の高い方の変圧器二次電圧）。スイッチＳ２１を制御するドライバ電圧Ｕｈ_２は、変圧器の第３の二次巻線から取り出される（図２の高い方の変圧器二次電圧）。スイッチＳ１、Ｓ１２及びＳ２、Ｓ２１が閉じられたとき、高電圧が、それぞれの負荷、負荷１及び負荷２に印加され、スイッチが開かれたとき、負荷から切断される。

【0005】

小型の巻線構造の理由で、パワー半導体のクロッキングに起因する電磁干渉が、変圧器の一次側に伝送される。したがって、自動車用途では、デバイスのＨＶ部分で生成される干渉は、低電圧側に伝送される。その上、生成された干渉は、変圧器の更なる二次巻線に電圧スパイクをもたらし得る。干渉は、比較的複雑なＥＭＣフィルタ構成要素を用いた方法で低減されなければならない。その方法の更なる不利益は、複数の二次巻線を有する変圧器を使用することである。後者は、必要とされる絶縁耐力及び高品質で、したがってより高価な絶縁性材料の使用のために、複雑で高価である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、デバイスがＥＭＣ及び費用効果の点で最適化されるように作成され得るようなデバイスを提供することである。

【0007】

この目的は、請求項１の特徴によって達成される。本発明の有益な成果は、従属請求項で定義されている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

したがって、本発明は、高電圧範囲での複数の負荷のクロック動作運転のために、ドライバ電圧によって複数の半導体パワー・スイッチを制御するための、デバイスを提供する。それらは変圧器によって提供され、半導体パワー・スイッチのドライバ電圧は、変圧器の単一の二次巻線から導出される。電圧レベル・移動回路が提供され、それが変圧器の二次巻線で生成された電圧から必要とされる電圧レベルを有するドライバ電圧を取得する。

【0009】

好ましくは、唯一の二次巻線を有する唯一の変圧器が必要とされるようになされる。好ましくは、任意の数のＰＷＭ制御負荷のドライバ電圧は、単純な電子電圧レベル・移動回路により、その都度生成される。

【0010】

本発明によるデバイスは、複数の二次巻線を有する従来技術によるデバイスと比較して、より小型であり、より少ないＥＭＣ干渉を有する。

【0011】

変圧器及びＥＭＣフィルタ構成要素の費用が削減され、顕著なコスト削減がもたらされる。

【0012】

電子電圧レベル・移動回路は、チャージ・ポンプの概念に基づいている。用語、チャージ・ポンプは、電気的電圧値を増大させ、ＤＣ電圧極性を反転させる、複数の異なる電子回路を包括的に含む。

【0013】

チャージ・ポンプは、高出力電流が必要とされない又はコイルなどの好適な磁気的構成要素が使用できない任意の場合に、電圧移動装置として使用され得る。

【0014】

チャージ・ポンプは、その電圧を異なる値に、キャパシタの充電と縦続との間の一時的なシーケンスによって、設定する。このことは、スイッチの周期的スイッチング切り替えによって実施される。

【0015】

プロセスは、往復運動ピストン・ポンプのプロセスに類似している。キャパシタに充電することが、シリンダの充填に対応し、縦続が、シリンダの上昇に対応する。ダイオードは、電子スイッチとして働くことが好ましく、このダイオードは、電位差によって、オフ状態又はオン状態範囲に、その都度切り替えられ、キャパシタを充電する又はその電圧を押し上げる。幾重にも縦続されたチャージ・ポンプは、非常に高いＤＣ電圧を生成し得る。そのような回路は、高電圧カスケードと呼ばれる。

【0016】

それぞれの負荷のクロッキングが、それぞれのチャージ・ポンプをクロッキングするように働くこと、特に、それぞれの負荷のＰＷＭパルスが、チャージ・ポンプのクロッキングのために使用されることが有益である。結果的に、その回路設計が、大いに簡易化される。

【0017】

好ましくは、デバイスのクロッキングが、変圧器の二次巻線に接続されたスイッチであって、閉状態でチャージ・ポンプを充電し、チャージ・ポンプで生成されたドライバ電圧を開状態のそれぞれの半導体パワー・スイッチに印加する、スイッチによって、その都度もたらされる。好ましくは、チャージ・ポンプ・クロッキングは、その都度ＰＷＭでスイッチングされるパワー・スイッチＳｎによってもたらされる。この点に関連して、例えば、Ｓ１が閉状態では、キャパシタＣ１がＤ１－Ｒ１を介して電圧ＵＬ１に充電される。開状態で、Ｃ１は、Ｄ１２を介してＣ１２に放電する。ダイオードＤ１は、ＯＦＦに変わり充電されたキャパシタは、パワー・スイッチＳ１２の基準レベルに設定される。Ｕｈ１＝ＵＬ１＝１５ＶでＳ１２のドライバは、必要電圧を供給される。

【0018】

本発明は、以下で、図面を参照して更に詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、従来技術による半導体パワー・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラ・トランジスタ）の制御の概略図である。

【図2】図２は、パワー・スイッチのドライバ電圧が、変圧器の二次巻線によってガルバニック絶縁されている、パワー・スイッチのそれぞれのドライバ電圧のガルバニック絶縁の変圧器によって、高電圧範囲にある、図１の制御の用途を示す図である。

【図3】図３は、パワー・スイッチの多様なドライバ電圧が導出される、単一の二次巻線を有する変圧器によってパワー・スイッチを制御する、本発明によるデバイスの実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１及び２は、従来技術に対する導入部で説明された。

【0021】

本発明によるデバイスの実施形態が、図３に示されている。この実施形態は、電子負荷スイッチＳ１、Ｓ２に、より正確に述べれば、ゼロ電位ＨＶ－の三つのレベルを有する変圧器の下の二次巻線によって、二つの電子負荷スイッチＳ１及びＳ２に、ドライバ電圧ＵＬ１を供給する単一の二次巻線を有する変圧器の使用において、図２に示されているデバイスとは異なる。

【0022】

図３のデバイスに関して、電子負荷スイッチＳ１２及びＳ２１を制御するドライバ電圧Ｕｈ_１及びＵｈ_２は、変圧器の更なる二次巻線によって供給されず、代わりにチャージ・ポンプによって変圧器の単一の二次巻線から導出される。

【0023】

ドライバ電圧Ｕｈ_１を供給するチャージ・ポンプは、キャパシタＣ１を含み、キャパシタＣ１は、一方の端部でスイッチＳ１に接続されている負荷、負荷１の一方の端部に接続されていて、もう一方の端部で直列抵抗Ｒ１を介して、直列抵抗Ｒ１のもう一方の端部が接続されている、ＵＬ１電位にあるダイオードＤ１に接続されている。チャージ・ポンプにより電圧ＵＬ１から生成されたドライバ電圧Ｕｈ_１が、ダイオードＤ１２を介して、入力側のキャパシタＣ１２によって架橋される電子スイッチＳ１２に印加される。

【0024】

ドライバ電圧Ｕｈ_２を供給するチャージ・ポンプは、キャパシタＣ２を含み、キャパシタＣ２は、一方の端部でスイッチＳ２に接続されている負荷、負荷２の一方の端部に接続されていて、もう一方の端部で直列抵抗Ｒ２を介して、直列抵抗Ｒ２のもう一方の端部が接続されている、ＵＬ１電位にあるダイオードＤ２に接続されている。チャージ・ポンプにより電圧ＵＬ１から生成されたドライバ電圧Ｕｈ_２が、ダイオードＤ２１を介して、入力側のキャパシタＣ２１によって架橋される電子スイッチＳ２１に印加される。

【0025】

スイッチＳ１、Ｓ２が閉じられた場合、キャパシタＣ１、Ｃ２は、直列抵抗Ｒ１、Ｒ２、及びブロッキング・ダイオードＤ１、Ｄ２を介して、ドライバ電圧電位ＵＬに充電される。

【0026】

スイッチＳ１、Ｓ２が開かれた場合、キャパシタＣ１２、Ｃ２１は、キャパシタＣ１、Ｃ２の電荷で充電される。したがって、スイッチＳ１２、Ｓ２１を制御するために必要とされる電位Ｕｈ_１（Ｕｈ_２）＝ＵＬが、有用である。このプロセスが、スイッチＳ１、Ｓ２のクロッキングを用いて周期的に繰り返される。

【0027】

本発明によるデバイスが、二つの半導体パワー・スイッチを有する実施形態に基づいて説明されてきた。しかしながら、本発明は、それに限定されない。むしろ、この種類の二つより多いスイッチが、半導体パワー・スイッチを制御するためのデバイスとして考慮される。

【図1】

【図2】

【図3】