CN113632380A - 电力电子设备和用于向功率半导体开关的驱动电路供应电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力电子设备(1a)，具有第一功率半导体开关(6a)和驱动电路(49、49a、49b)。利用该电力电子设备能够向适用于至少一种操作模式的驱动电路供应电压。为此，包括辅助电路装置(52、52a、52b)，该辅助电路装置具有供电电容器(53、53a、53b)和辅助电容器(54)、常关辅助半导体开关(55，55a、55b)、二极管(56)和自举二极管(57)，其中辅助半导体开关(55、55a、55b)经由第一连接点(58)连接在第一功率半导体开关(6a)的参考电位端子(59)上，从该第一连接点(58)开始，二极管(56)、第二连接点(60)和辅助电容器(54)的串联电路与辅助半导体开关(55、55a、55b)并联布置，使得在辅助半导体开关(55、55a、55b)截止时，辅助电容器(54)通过流经第一功率半导体开关(6a)的电流充电，并且供电电容器(53、53a、53b)一方面经由自举二极管(57)与第二连接点(60)电连接，另一方面与参考电位端子(59)电连接，使得在辅助半导体开关(55、55a、55b)导通且辅助电容器(54)充电时，供电电容器(53、53a、53b)经由自举二极管(57)被辅助电容器(54)充电。

Description

电力电子设备和用于向功率半导体开关的驱动电路供应电压 的方法
本发明涉及一种电力电子设备，特别是变流器(Stromrichter)，具有至少一个第一功率半导体开关。该电力电子设备还包括驱动电路(Treiberschaltung)，以驱动(Ansteuern)第一功率半导体开关。
本发明还涉及一种向功率半导体开关的驱动电路供应电压的方法。
电力电子设备例如可以是降压转换器、升压转换器或升压/降压转换器或逆变器。这种变流器包括功率半导体开关，这些功率半导体开关通过变流器被相应地切换，以转换施加在输入侧的电压。为了驱动功率半导体开关，控制信号被施加到功率半导体开关的控制输入端处。控制输入端例如可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)的栅极端子(Anschluss)。集成电路(其也可以被称为时钟发生器或信号发生器)通常使用例如微处理器，以产生用于功率半导体开关的驱动信号。然而，由这些集成电路提供的输出电流或输出电压在大多数情况下不足以直接驱动功率半导体开关。因此，在时钟发生器和功率半导体开关之间使用驱动电路，这些驱动电路从时钟发生器的驱动信号产生电流强度和电压足够的控制信号，并且使驱动输出端处的该控制信号在功率半导体开关的控制输入端处可供使用。驱动信号和控制信号可以是所谓的脉冲宽度调制的驱动/控制信号，其中驱动/控制信号的脉冲模式可以借助于调制变量和控制变量在时钟发生器中产生。调制变量可以具有周期性的、三角形的或锯齿形的电压曲线，而控制变量可以具有对应于控制变量的电压值的恒定曲线。脉冲宽度调制的驱动信号的脉冲模式可以通过控制变量和调制变量之间的比较来产生，其中时钟发生器根据变流器的当前操作状态在调制变量的频率和幅度
Figure BDA0003229162470000011
以及控制值的幅度方面受到控制，例如被变流器的控制器控制。可替代地，控制信号也可以具有固定的占空比、经由附属的电流调节器产生(电流模式)、或者以基于开关阈值和/或固定的开关时间的其他方式生成，其中开关频率也可以是可变的。时钟发生器和驱动电路可以安装在共同的组件中。功率半导体开关分别可以具有体二极管(Bodydiode)或者包括极性对应于体二极管的二极管，以用于保护这些功率半导体开关或用于反向传导功能。
在电气设备的操作中和启动情况下，应向其必要的部件(在变流器的情况下例如是变流器的控制器以及变流器的功率半导体开关的驱动电路)供应电功率。例如，在变流器的启动情况下，可以至少在变流器的输入端的第一端子和第二端子之间施加直流电压，该直流电压例如由诸如光伏模块或这种模块的串联电路(串)的DC发电机提供。以这种方式施加的直流电压可以例如在启动情况下向必要的部件供电。
本发明涉及向电力电子设备的至少一个驱动电路供应电压。本发明还涉及向功率半导体开关的驱动电路供应电压的方法。这种用于功率半导体开关(例如，MOSFET或IGBT)的驱动电路需要供应通常10伏至20伏的电压，该电压与功率半导体开关的参考电位端子的电位有关。参考电位端子例如在双极型晶体管或IGBT的情况下是发射极端子，或者在MOSFET的情况下是源极端子。特别地，用于功率半导体开关的驱动电路难以供电，这些驱动电路在变流器的板载电源启动之前就必须工作或者是板载电源的一部分。
众所周知的是，利用集成的驱动电路(PWM控制器)，经由高阻的电阻器，由被设计成反激式转换器(Sperrwandler)的变流器的输入电压给时钟发生器的供电电容器充电，并且经由并联的齐纳二极管限制电容器电压。这种装置的效率低，因为在输入电压例如为400V并且所需的驱动电压为15V的情况下仅实现15V/400V＝3.8％的效率。因此，这种已知的装置仅适用于反激式转换器的启动情况。
本发明的任务在于，给出开篇所述类型的电力电子设备，特别是开篇所述类型的变流器，以及开篇所述类型的方法，借助该电力电子设备、该变流器和该方法，能够实现以至少适用于电力电子设备或功率半导体开关的操作模式的方式和方法向功率半导体开关的至少一个驱动电路供应电压。
根据本发明，该任务在开篇所述类型的电力电子设备中通过包括用于向驱动电路供应电压的电气辅助电路装置得以实现，其中辅助电路装置包括供电电容器和辅助电容器、常关(selbstsperrend)辅助半导体开关、二极管和自举二极管。在此，辅助半导体开关经由第一连接点连接在第一功率半导体开关的参考电位端子上。从第一连接点开始，二极管、第二连接点和辅助电容器的串联电路与辅助半导体开关并联布置，使得在辅助半导体开关截止时，辅助电容器通过流经功率半导体开关的电流充电。为了向驱动电路供应电压，驱动电路被连接到供电电容器，并且供电电容器利用第一端子经由自举二极管与第二连接点电连接，并且利用第二端子与参考电位端子电连接，使得在辅助半导体开关导通并且辅助电容器至少部分地充电时，供电电容器经由自举二极管被辅助电容器充电。
因此，根据本发明的任务在开篇所述类型的电力电子设备中利用辅助电路来实现，该辅助电路包括辅助开关，该辅助开关被集成到用于电力电子设备的主要功能的基本电路中。例如，变流器的主要功能是对电流进行整流。在此，辅助开关仅用于向第一功率半导体开关的驱动电路以及必要时另外的功率半导体开关的另外的驱动电路供应电力，并且与用于主要功能的第一功率半导体开关相比，对电力电子设备或变流器的主要功能没有或基本上没有影响。辅助开关闭合(即，导通)以便由辅助电容器给供电电容器充电的时间段本就不会干扰电力电子设备或变流器的这一主要功能，因为导通的辅助开关基本上表现得像电连接的一部分。在电力电子设备或变流器的启动情况下，也就是说在关断的电力电子设备或变流器的启动过程期间，在第一功率半导体开关的参考电位端子和另一主端子之间向第一功率半导体开关施加DC电压，这是例如因为DC发电机的DC电压施加在电力电子设备的输入端上。在启动情况下，辅助开关不能干扰电力电子设备或变流器本身的主要功能，因为该主要功能在启动情况期间还不存在。在电力电子设备或变流器的操作期间，第一功率半导体开关以高频切换。如果第一功率半导体开关截止，也就是说不导通，则辅助开关根据其开关状态要么表现得像电连接的一部分，要么表现得像第一功率半导体开关本身，使得电力电子设备或变流器的主要功能与辅助开关的相应开关状态无关地不受影响。如果第一功率半导体开关闭合，也就是说导通，则基本电路的功率路径的电流强度流经第一功率半导体开关，由于驱动电路的对此的低能量需求，该基本电路不会显著地受到辅助电容器充电的影响，并且由于该基本电路的电流强度，辅助开关被截止的时间段保持得足够小，因此不会显著影响主要功能。
在启动情况下，辅助电容器可以经由第一功率半导体开关和第一二极管充电，其中第一功率半导体开关可以常开(selbstleitend)或常关。在这两种情况下，第一功率半导体开关可以在截止的开关状态下具有泄漏电流。通常，第一功率半导体开关是常关的，并且在截止的开关状态下，在功率半导体开关的两个主端子之间(即，功率半导体开关的参考电位端子与另一主端子之间)施加电压的情况下，具有泄漏电流。泄漏电流是当功率半导体开关关断时，在存在相应的电压时仍流过组件的剩余电流。该泄漏电流在常规的流经方向上流过功率半导体开关，或者在截止方向上流经功率半导体开关的体二极管或者被包括在功率半导体开关中的具有与体二极管相同极性的附加的二极管。在电力电子设备或变流器的操作中，在第一功率半导体开关截止的时间段期间，辅助电容器同样可以经由第一功率半导体开关的泄漏电流充电，并且在第一功率半导体开关导通操作的时间段期间，辅助电容器可以借助于常规流过第一功率半导体开关的电流的一部分充电。每当辅助半导体开关接通时，辅助电容器就将其电荷的至少一部分释放给供电电容器，使得可以由该供电电容器向实际的驱动电路供电。为了在启动情况下缩短供电电容器的充电时间，可以另外布置启动电阻器(Anlaufwiderstand)，从而为供电电容器和辅助电容器提供附加的充电电流。启动电阻器的一个端子可以例如与第一功率半导体开关的另一主端子电连接，并且启动电阻器的第二端子可以与驱动电路的供电电容器的第一端子电连接。
因此，根据本发明，通过从辅助电容器给供电电容器充电来向第一功率半导体开关的驱动电路供应电压，其中辅助电容器在电力电子设备或变流器的操作中借助于无论以何种方式流经第一功率半导体开关的电流(泄漏电流或当第一功率半导体开关接通时的电流)充电，使得利用根据本发明的电力电子设备或利用根据本发明的变流器能够向第一功率半导体开关的驱动电路供应电压，由于其良好的效率，这种电压供应同时适用于电力电子设备或变流器的启动情况和操作。
为了说明将辅助电路装置的辅助开关集成到用于变流器的主要功能的基本电路(该基本电路包括第一功率半导体开关)中，根据实施例，变流器可以具有输入端和输出端，其中第三连接点与输入端的第一端子电连接，并且第四连接点与输入端的第二端子连接，其中第一连接分支从第三连接点延伸到第四连接点。根据实施例，从第三连接点开始，第一连接分支包括串联的第一功率半导体开关、第一连接点和常关辅助开关。根据实施例，第二电连接分支从第四连接点延伸到第五连接点，并且从第四连接点开始包括串联的辅助电容器、第二连接点、二极管、第一连接点和供电电容器，其中第五连接点和第二连接点与第二连接分支并联地、经由自举二极管电连接。根据实施例，变流器还另外包括驱动电路，该驱动电路利用驱动输出端与第一功率半导体开关的控制端子电连接，该驱动电路与供电电容器并联连接，以向该驱动电路供应电压。根据实施例，变流器还可以包括比较器电路，该比较器电路利用比较器输出端与辅助开关的控制端子连接，该比较器电路被设计用于根据辅助电容器的充电电压在其比较器输出端处提供控制信号，其中二极管的导通方向被布置成使得在变流器的至少一个第一操作状态下，在辅助开关截止时，辅助电容器经由二极管和第一功率半导体开关充电，并且自举二极管的导通方向被布置成使得在至少一个第二操作状态下，在辅助开关接通时，供电电容器经由自举二极管被辅助电容器充电。
本发明的有利的设计方案在下文描述和从属权利要求中给出，其特征可以单独应用，也可以以彼此任意的组合应用。
可以有利地提出，辅助电路装置包括驱动电路(Ansteuerschaltung)，该驱动电路被设计和配置用于根据辅助电容器的充电电压在辅助半导体开关的控制输入端处提供用于切换辅助半导体开关的控制信号。
驱动电路可以从辅助电容器获得其自身的电压供应，因为辅助开关通常是常关的，辅助电容器因此可以经由第一功率半导体开关进行初始充电，并且只有为了从辅助电容器给供电电容器充电，驱动电路才必须在辅助开关的控制输入端处提供控制信号。当辅助电容器被充电到足以向驱动电路供电的电压时，辅助开关才可以闭合，并且可以在较低的充电电压再次断开(迟滞)，使得每当辅助开关接通时，辅助电容器根据自举原理经由自举二极管向用于第一功率半导体开关的驱动电路的供电电容器供电。辅助电路装置可以被设计成使得在第一功率半导体开关第一次接通之后，供电电容器被充电并且向驱动电路供电，因此当对第一功率半导体开关进行时钟控制时，更高的电流流过辅助电路，并且辅助电容器和供电电容器被连续地再充电。特别地，驱动电路可以被设计和配置成使得在辅助电容器的充电电压超过第一阈值时，驱动电路在其控制输入端处提供使辅助开关接通的控制信号。第一阈值可以对应于或基本对应于驱动电路的供应电压。在本申请的范围内，术语“驱动电路的供应电压”不意味着施加在驱动电路上的电压或由用于驱动电路的供电电容器提供的电压，而是意味着与驱动电路的组件相关的、适用于驱动第一功率半导体开关的电压值。例如，驱动电路的供应电压可以介于驱动电路的与组件相关的最小供应电压和与组件相关的最大供应电压之间，或者是与组件相关的预定电压值，并且特别地，可以是根据第一功率半导体开关用于为驱动电路供电而适当选择的电压值。因为在达到第一阈值时借助于辅助开关的接通来保护辅助开关和辅助电路装置免受过高的电压，所以辅助电路装置的所有组件可以仅针对该较低的电压进行设计，从而可以使廉价的组件用于辅助电路装置。
有利地，驱动电路可以被设计和配置成在辅助电容器的充电电压超过第一阈值时，在辅助半导体开关的控制输入端处提供使辅助半导体开关接通的控制信号，以及在辅助电容器的充电电压低于小于第一阈值的第二阈值时，在辅助半导体开关的控制输入端处提供使辅助半导体开关截止的控制信号，其中第一阈值至少对应于驱动电路的供应电压。
由于辅助开关是常关辅助开关，因此截止的控制信号例如也可以是不存在的控制信号。这在本发明的范围内也被称为“截止的控制信号”。换句话说，在辅助电容器的充电电压低于第二阈值时，驱动电路也可以不在辅助半导体开关的控制输入端处提供控制信号，因为取决于开关类型，这同样可以对辅助半导体开关起到截止作用。术语“接通”表示将辅助半导体开关置于闭合的开关状态，即置于导通的开关状态的控制信号，使得由辅助电容器给供电电容器充电。
第一阈值可以至少对应于第一功率半导体开关的驱动电路的供应电压的电压值。关于术语“驱动电路的供应电压”的含义，参考上述解释。特别地，第一阈值可以等于或略高于该供应电压(例如，高出了自举二极管的接通电压)，使得在操作中，在辅助电容器给供电电容器充电时，在该供电电容器处基本上设定了驱动电路的供应电压。电力电子设备的驱动电路的有利的设计方案具有迟滞功能，在辅助电容器给供电电容器充电时，该迟滞功能避免了辅助开关的开关行为的不稳定性。
根据本发明的有利的设计方案，驱动电路可以是两点调节器，特别是比较器电路，或单稳态触发器或PWM调节装置或频率调节装置。
本发明的有利的设计方案可以利用标准组件来实现。例如，比较器电路可以包括常见的比较器，该比较器具有反向和非反向的输入端以及与辅助开关的控制输入端连接的输出端。针对迟滞行为，正反馈电阻(Mitkopplungswiderstand)被电气包括在比较器的输出端和非反向的输入端之间。
有利地，还可以进一步提出，驱动电路被设计和配置并且与辅助电容器电连接，使得借助于辅助电容器向驱动电路供应电压。
由辅助电容器向驱动电路供电是特别有效的。例如，驱动电路可以与辅助电容器并联连接。在设计成比较器电路的情况下，比较器电路可以包括以两个供电端子与辅助电容器并联连接的比较器。经由布线装置，辅助电容器的充电电压可以施加在比较器的非反向输入端上，并且参考电压可以施加在比较器的反向输入端上。例如，截止方向上的齐纳二极管、第八连接点和电阻器的串联电路与辅助电容器并联布置，其中比较器的非反向输入端连接在第八连接点上，并且比较器的反向输入端连接在参考电位上。
也可以认为有利地，辅助半导体开关具有与第一功率半导体开关相同的极性。
此外，可以有利地提出，第一功率半导体开关被设计为常关的，并且在截止的开关状态下，在第一功率半导体开关的参考电位端子和另一主端子之间施加电压时，具有泄漏电流。
第一功率半导体开关具有参考电位端子、另一主端子和控制端子。作为常关的第一功率半导体开关的实施例，第一功率半导体开关可以被设计为n沟道MOSFET的形式，并且参考电位端子可以是MOSFET的源极端子，以及另一主端子可以是MOSFET的漏极端子。
对本发明的上述有利设计方案可替代地，第一功率半导体开关可以被设计为常关的，并且可以包括启动电阻器。启动电阻器可以利用第一端子与第一功率半导体开关的另一主端子连接，并且利用第二端子与供电电容器的端子连接。
如果常关的第一功率半导体开关具有泄漏电流，则启动电阻器可以有利地缩短启动时间。如果常关的第一功率半导体开关没有泄漏电流，则启动电阻器能够在启动情况下给供电电容器和辅助电容器充电，使得在辅助半导体开关截止时，在启动情况下通过流经启动电阻器的电流并且随后在操作中通过流经第一功率半导体开关的电流给辅助电容器充电。
此外，可以有利地提出，辅助电路装置，特别是辅助半导体开关，专用于向至少一个驱动电路供电。
本发明的这个设计方案用于阐明辅助开关对电力电子设备或变流器的主要功能没有或基本上没有影响，就像用于主要功能的第一功率半导体开关一样。尽管辅助开关被集成到用于电力电子设备的主要功能的基本电路中，但是不被包括在电力电子设备或变流器的功率半导体开关中，在变流器的情况下，这些功率半导体开关被布置和配置用于实现变流器的对电流进行整流的主要功能。
本发明的有利的设计方案可以提出，驱动电路被设计成与时钟发生器集成在一起，其中时钟发生器被设计用于生成由驱动电路提供的控制信号的脉冲模式。
这样降低了组件的空间需求以及电力电子设备的制造成本。
可替代地，脉冲模式可以在另一电路部分中产生，并被直接地或电隔离地(例如，经由光电耦合器)供应给驱动电路。
还可以认为有利地，电力电子设备包括半桥，该半桥从第三连接点开始包括由高压侧功率半导体开关、分支点(Abzweigpunkt)和低压侧功率半导体开关以及第四连接点组成的串联电路，其中低压侧功率半导体开关被设计为第一功率半导体开关，其中特别地，电力电子设备是DC/DC转换器或逆变器。
辅助开关与第一功率半导体开关一起布置在分支点上方或下方。根据本发明的设计方案，电力电子设备包括至少一个辅助电路装置，用于向驱动低压侧功率半导体开关的驱动电路供应电压。这能够实现在启动情况下和在操作中向低压侧功率半导体开关的驱动电路供应电压。电力电子设备可以包括启动电阻器，该启动电阻器利用一个端子与第三连接点或分支点连接，并且利用另一端子与辅助电路装置的供电电容器的第一端子连接，以向驱动低压侧功率半导体开关的驱动电路供应电压。
如果变流器是逆变器，则该逆变器可以是例如单相逆变器，并且包括由两个半桥组成的全桥(所谓的H桥)，其中扼流器连接在一个或两个分支点的下游。逆变器例如也可以是三相逆变器，并且每个相均包括半桥，其中这三个分支点的下游各连接一个扼流器。如果变流器是双向DC/DC转换器，则该变流器可以包括半桥，扼流器连接在该半桥的分支点下游。利用半桥可以设置电压，而不管电流方向如何。因此，能量可以在两个方向上传输。因此，必要时可以任意选择变流器的输入端和输出端的概念。对于逆变器，输入端被布置在DC侧并且被称为DC侧，而输出端被布置在AC侧并且被称为AC侧。为了向逆变器的低压侧功率半导体开关的驱动电路供应电压，根据本发明的设计方案，针对每个低压侧功率半导体开关，可以分别包括自身的辅助电路装置和自身的辅助开关。
还可以认为有利地，包括中间回路，该中间电路具有经由一个或更多个串联或并联连接的中间回路电容器使第三连接点与第四连接点连接的电连接。
此外，可以有利地提出，针对高压侧功率半导体开关和低压侧功率半导体开，分别包括用于驱动相应的功率半导体开关的驱动电路，并且分别包括用于向驱动电路供应电压的自身的电气辅助电路装置，因此高压侧功率半导体开关和低压侧功率半导体开关分别被设计成第一功率半导体开关。
可替代地，可以有利地提出，包括驱动电路以驱动高压侧功率半导体开关，并且包括供电电容器以向该驱动电路供应电压，该供电电容器利用一个端子与高压侧功率半导体开关的参考电位端子电连接，并且利用另一端子经由另一自举二极管与被包括在辅助电路装置中的供电电容器的第一端子电连接，该供电电容器用于向驱动低压侧功率半导体开关的驱动电路供应电压。
还可以有利地提出，高压侧功率半导体开关和低压侧功率半导体开关是常关的，并且在截止的开关状态下，在它们的参考电位端子和它们的另一主端子之间施加电压时，具有泄漏电流。
本发明的另一个任务在于，给出一种用于给驱动电路供应电压的方法，通过该方法，可以以至少适用于功率半导体开关的操作模式的方式和方法向功率半导体开关的至少一个驱动电路供应电压。
为此，供电电容器给驱动电路供应电压，其中在常关的辅助开关的截止的开关状态期间，借助于流经功率半导体开关的电流给辅助电容器充电，以便给供电电容器充电。当常关的辅助开关接通时，辅助电容器给供电电容器充电。
因此，可以通过无论以何种方式流经功率半导体开关的电流或电流的一部分给辅助电容器充电，使得辅助电容器的这种充电特别节能。以这种方式储存在辅助电容器中的电能可以至少部分地用于给供电电容器供电，从而最终用于驱动功率半导体开关，并且还可以例如用于驱动辅助开关或者给至少一个另外的驱动电路的至少一个另外的供电电容器供电。例如，流经功率半导体开关的电流可以是启动情况下的泄漏电流或功率半导体开关操作中的工作电流，因此该方法同时适用于功率半导体开关的启动情况和操作。功率半导体开关也可以被称为第一功率半导体开关。该方法可以利用根据权利要求1至14中任一项所述的设备来执行，其中在该方法中使用的功率半导体开关是该设备的第一功率半导体开关。
还可以认为有利地，将常关的辅助开关连接到功率半导体的参考电位端子，使得在第一步骤中，在辅助开关截止时，使流过功率半导体开关的电流的至少一部分转到辅助电容器上并且至少部分地对辅助电容器进行充电，其中在第二步骤中，使辅助开关接通，并且使辅助电容器的至少一部分电荷释放到供电电容器，以及在第三步骤中，将辅助开关再次转变成截止的开关状态，从而通过多次重复这三个步骤向供电电容器供应电功率，以便在操作中向驱动电路供电。
还可以有利地提出，基于辅助电容器的充电电压使辅助开关接通。
该过程独立于流经功率半导体开关的电流的当前强度，因此适用于功率半导体开关的启动情况和操作。
还可以有利地提出，当辅助电容器的充电电压超过第一阈值时，使辅助开关接通，而当辅助电容器的充电电压低于第二阈值时，使辅助开关截止，其中第二阈值小于第一阈值。
该方法的有利的设计方案使得能够由辅助电容器给供电电容器充电，同时辅助开关的开关行为稳定。第一阈值可以至少对应于功率半导体开关的驱动电路的供应电压的电压值。特别地，第一阈值可以等于或略高于供应电压的电压值，使得在操作中，在辅助电容器给供电电容器充电时，在供电电容器处基本上设定了驱动电路的供应电压。在本申请的范围内，术语“驱动电路的供应电压”不意味着施加在驱动电路上的电压或由用于驱动电路的供电电容器提供的电压，而是意味着与驱动电路的组件相关的、适用于驱动功率半导体开关的电压值。例如，驱动电路的供应电压可以介于驱动电路的与组件相关的最小供应电压和与组件相关的最大供应电压之间，或者是与组件相关的预定电压值，并且特别地，可以是根据功率半导体开关用于为驱动电路供电而适当选择的电压值。
还可以认为有利地，使用根据权利要求1至14中任一项所述的电力电子设备来执行该方法。
这样能够在设备的启动情况下和操作中以节能的方式和方法实现至少向第一功率半导体开关的驱动电路供应电压。
本发明的其他有利的设计方案和优点是参照附图描述本发明的实施例的主题，其中相同的参考数字表示功能相同的组件。
在附图中：
图1示意性地示出了根据现有技术的升压转换器，
图2示意性地示出了根据现有技术的降压转换器，
图3示意性地示出了根据现有技术的半桥装置，
图4示意性地示出了根据现有技术的逆变器，
图5示意性地示出了根据本发明的第一实施例的升压转换器，
图6示意性地示出了根据本发明的第二实施例的半桥装置，
图7示意性地示出了根据本发明的第三实施例的半桥装置，以及
图8示出了根据本发明的第四实施例的方法的流程图。
图1以示意图公开了根据现有技术的电力电子设备1a，该电力电子设备是升压转换器1形式的变流器1b，其中为了清楚展示起见，没有示出诸如升压转换器1的壳体的细节。提供直流电压的直流电压发生器3连接在升压转换器1的输入端2上。升压转换器1包括扼流器4、二极管5和功率半导体开关6。为了将施加在输入端2上的直流电压转换成要在输出端7提供的更高的直流电压，功率半导体开关6被驱动电路(未示出)驱动并且相应地被切换，从而在箭头8的方向上产生电能流。
图2以示意图公开了根据现有技术的降压转换器9形式的变流器。直流电压源10连接在降压转换器的输入端2上。降压转换器9包括功率半导体开关6、二极管5和扼流器4。为了将施加在输入端2上的直流电压转换成要在输出端7提供的更低的直流电压，功率半导体开关6被驱动电路(未示出)驱动并且相应地被切换，从而在箭头11的方向上产生电能流。
图3以示意图示出了根据现有技术的半桥装置14形式的变流器。直流电压可以借助于半桥装置14双向设置，使得能够在双向箭头15的两个方向上实现电能流。出于这个原因，图中变流器的输入端2和输出端7的名称是任意选择的。直流电压源16连接在输入端2上，该直流电压源可以是例如既可以作为直流电压源又可以作为负载操作的电池。直流电压源18连接在输出端7上，该直流电压源可以是例如逆变器的中间回路，该中间回路在DC侧可以连接到太阳能设备(未示出)并且在AC侧可以连接到交流电压网(未示出)。为了设定直流电压，半桥装置14包括从连接点21延伸至连接点22的半桥20以及扼流器25。半桥20包括由高压侧功率半导体开关23和低压侧功率半导体开关24组成的串联电路。高压侧功率半导体开关23包括二极管26，并且低压侧功率半导体开关24包括二极管27。为了设置直流电压，半桥20的这两个功率半导体开关在其控制端子处分别被驱动电路(未示出)驱动，使得根据需要在双向箭头15的两个方向之一上产生电能流。
图4以示意图示出了根据现有技术的逆变器29。借助于逆变器29可以将直流电压转换成交流电压，反之亦然，使得能够在双向箭头15的方向上实现电能流。出于这个原因，图中变流器的输入端2和输出端7的名称是任意选择的。逆变器29包括中间回路28，该中间回路具有第一中间回路极(Zwischenkreispol)30和第二中间回路极31，这些中间回路极经由中间回路电容器32彼此连接。逆变器29包括两个半桥33和34，这些半桥在与第一中间回路极30连接的连接点21或35和与第二中间回路极31连接的连接点22或36之间延伸，并且从连接点21或35开始，这些半桥分别包括由高压侧功率半导体开关37或38、分支点39或40和低压侧功率半导体开关41或42组成的串联电路。扼流器44在输出端7的方向上连接在分支点39下游。直流电压发生器45连接到逆变器29的输入端2，并且交流电压电网46连接到逆变器29的输出端7。为了设置电压，用于驱动和切换功率半导体开关的驱动电路(未示出)被布置成使得根据需要能够在双向箭头15的两个方向上实现电能流。
图5以示意图示出了根据本发明的第一实施例的升压转换器48形式的变流器。为了驱动第一功率半导体开关6a，驱动电路49连接到功率半导体开关6a的控制输入端51。驱动电路49与时钟发生器50集成在一个组件中。为了向驱动电路49供应电压，包括辅助电路装置52，该辅助电路装置包括供电电容器53、辅助电容器54、常关辅助半导体开关55、二极管56和自举二极管57。辅助半导体开关55经由第一连接点58连接在第一功率半导体开关6a的参考电位端子59上，并且被集成到升压转换器48的基本电路中。从第一连接点58开始，包括二极管56、第二连接点60和辅助电容器54的串联电路，该串联电路与辅助半导体开关55并联布置。为了向驱动电路49供应电压，该驱动电路连接到供电电容器53，该供电电容器53又利用第一端子61经由自举二极管57与第二连接点60电连接，并且利用第二端子62与参考电位端子59电连接。
此外，为了驱动辅助半导体开关55，辅助电路装置52包括驱动电路64，该驱动电路被设计成比较器电路65。该比较器电路以两个供电端子与辅助电容器54并联连接。另外，由截止方向的齐纳二极管66、第八连接点67和电阻器68组成的串联电路与辅助电容器54并联连接，其中比较器电路65的非反向输入端69连接在第八连接点67上，而比较器电路65的反向输入端(未示出)连接在参考电位(未示出)上。
在升压转换器48操作和启动情况下，其必要的组件(例如，驱动电路49)都需要被供给电功率。例如，在启动情况下，可以至少在升压转换器48的输入端2的第一端子2a和第二端子2b之间施加例如由DC发电机(未示出)提供的直流电压。因此，在启动情况下，在第一功率半导体开关6a的参考电位端子59和另一主端子70之间施加直流电压，该直流电压导致经由第一功率半导体开关6a的泄漏电流，使得在辅助半导体开关55截止时，通过流经第一功率半导体开关6a的电流给辅助电容器54充电。如果辅助电容器54的电荷超过第一阈值，则比较器电路65在辅助半导体开关55的控制输入端处提供使开关接通的控制信号，使得在辅助半导体开关55导通并且辅助电容器54至少部分地被充电时，供电电容器53经由自举二极管57被辅助电容器54充电。在此，辅助电容器的电荷下降到第二阈值以下，因此比较器电路不再在辅助半导体开关55的控制输入端处提供控制信号，并且该辅助半导体开关55再次变换回到截止的开关状态，并且辅助电容器重新被充电。在升压转换器48的操作中，工作电流流经第一功率半导体开关6a，使得通过多次重复充电过程，向供电电容器53供应电功率，以便在操作中向驱动电路49供电。为了缩短启动时间，可以可选地布置启动电阻器63，该启动电阻器将输入端的第一端子2a与供电电容器53的第一端子61电连接。
图6以示意图示出了根据本发明的第二实施例的半桥装置72。下面将主要讨论图6中所示的半桥装置72和图3中所示的现有技术的半桥装置14的区别。半桥装置72的在连接点21和22之间延伸的半桥20a同样从连接点21开始包括由高压侧功率半导体开关23a、分支点39和低压侧功率半导体开关24a组成的串联电路，其中在所示的实施例中，这两个功率半导体开关分别具有集成的体二极管，并且辅助半导体开关55被集成到半桥20a中。为了给低压侧功率半导体开关24a的驱动电路49供电，该低压侧功率半导体开关被设计为第一功率半导体开关，从而借助于包括辅助半导体开关55的辅助电路装置52向用于驱动低压侧功率半导体开关24a的驱动电路49供应电压。关于辅助电路装置52，参考图5的附图描述。为了驱动高压侧功率半导体开关23a，半桥装置72具有驱动电路73，为了向该驱动电路73供应电圧，该驱动电路73与供电电容器74电连接。为了给供电电容器74充电，以便向驱动高压侧功率半导体开关23a的驱动电路73供应电压，该供电电容器利用端子75与高压侧功率半导体开关23a的参考电位端子59电连接，并且利用另一端子76经由另一自举二极管77与被包括在辅助电路装置52中的供电电容器53的第一端子61电连接。因此，在所示的实施例中，用于驱动高压侧功率半导体开关23a的驱动电路73同样可以在半桥装置72的操作中以节能的方式被供应电功率。
图7以示意图示出了根据本发明的第三实施例的半桥装置78。与图6的实施例的区别在于，示出了向高压侧功率半导体开关23a的驱动电路供应电压的可替代方案。为此，高压侧功率半导体开关23a和低压测功率半导体开关24a分别被设计成第一功率半导体开关。因此，用于驱动高压侧功率半导体开关23a和低压侧功率半导体开关24a的两个驱动电路49a、49b分别经由自身的辅助电路装置52a、52b被供应电压。因此，该可替代的实施例同样能够针对半桥装置78的启动情况和操作以节能的方式向驱动这两个功率半导体开关的驱动电路供应电压。向图6和图7中的驱动电路供应电压也可以转用到具有多于一个半桥的电力电子设备，例如在具有相应设计的逆变器桥的单相或三相逆变器中。
图8示出了根据本发明的第四实施例的用于向功率半导体开关的驱动电路供应电压的方法的流程图。在该方法中，首先在针对启动情况的准备步骤VVS中，在功率半导体开关的参考电位端子和功率半导体开关的另一主端子之间施加电压。在第一方法步骤VS1中，在常关辅助开关的截止开关状态期间，借助于流经功率半导体开关的电流的至少一部分给辅助电容器充电。在第二方法步骤VS2中，在超过辅助电容器的充电电压的第一阈值时，使辅助开关置于接通，并且使辅助电容器的至少一部分电荷释放到用于向驱动电路供应电压的供电电容器，以及在第三方法步骤VS3中，在低于辅助电容器的充电电压的较小的第二阈值时，再次使辅助开关转变为截止的开关状态，其中通过多次重复这三个步骤VS1-VS3向供电电容器供应电功率，以便在功率半导体开关的操作中向驱动电路供电。
参考标记列表
1a 电力电子设备
1b 变流器
1、48 升压转换器
2 输入端
2a、2b 端子
3 直流电压发生器
4 扼流器
5 二极管
6 功率半导体开关
6a 第一功率半导体开关
7 输出端
8 箭头
9 降压转换器
10 直流电压源
11 箭头
14、72、78 半桥装置
15 双向箭头
16 直流电压源
18 直流电压源
20、33、34、20a、20b 半桥
21、35、58 连接点
22、36、60、67 连接点
23、37、38、23a 高压侧功率半导体开关
24、41、42、24a 低压侧功率半导体开关
25、44 扼流器
26、56 二极管
27 二极管
28 中间回路
29 逆变器
30 中间回路极
31 中间回路极
32 中间回路电容器
39、40 分支点
45 直流电压发生器
46 交流电压电网
49、73、49a、49b 驱动电路
50 时钟发生器
51 控制输入端
52、52a、52b 辅助电路装置
53、74 供电电容器
54 辅助电容器
55 辅助半导体开关
57 自举二极管
59 参考电位端子
61 第一端子
62 第二端子
63 启动电阻器
64 驱动电路
65 比较器电路
66 齐纳二极管
68 电阻器
69 非反向输入端
70 另一主端子
75 端子
76 另一端子
77 另一自举二极管
VVS 准备步骤
VS1、VS2、VS3 方法步骤。

Claims (19)

1.一种电力电子设备(1a)，特别是变流器(1b)，具有第一功率半导体开关(6a)、用于驱动所述第一功率半导体开关(6a)的驱动电路(49、49a、49b)和用于向所述驱动电路(49、49a、49b)供应电压的电气辅助电路装置(52、52a、52b)，其中所述辅助电路装置(52、52a、52b)包括供电电容器(53、53a、53b)和辅助电容器(54)、常关辅助半导体开关(55、55a、55b)、二极管(56)和自举二极管(57)，其中
所述辅助半导体开关(55、55a、55b)经由第一连接点(58)连接在所述第一功率半导体开关(6a)的参考电位端子(59)上，
从所述第一连接点(58)开始，所述二极管(56)、第二连接点(60)和所述辅助电容器(54)的串联电路与所述辅助半导体开关(55、55a、55b)并联布置，使得在辅助半导体开关(55、55a、55b)截止时，所述辅助电容器(54)通过流经所述第一功率半导体开关(6a)的电流充电，
所述驱动电路(49、49a、49b)被连接到所述供电电容器(53、53a、53b)上，以便给所述驱动电路供应电压，以及
所述供电电容器(53、53a、53b)利用第一端子(61)经由所述自举二极管(57)与所述第二连接点(60)电连接，并且利用第二端子(62)与所述参考电位端子(59)电连接，使得在所述辅助半导体开关(55、55a、55b)导通并且所述辅助电容器(54)至少部分地充电时，所述供电电容器(53、53a、53b)经由所述自举二极管(57)被所述辅助电容器(54)充电。
2.根据权利要求1所述的电力电子设备(1a)，其中，所述辅助电路装置(52、52a、52b)包括驱动电路(64)，所述驱动电路被设计和配置成根据所述辅助电容器(54)的充电电压在所述辅助半导体开关(55、55a、55b)的控制输入端处提供用于切换所述辅助半导体开关(55、55a、55b)的控制信号。
3.根据权利要求2所述的电力电子设备(1a)，其中，所述驱动电路(64)被设计和配置成在所述辅助电容器(54)的充电电压超过第一阈值时，在所述辅助半导体开关(55、55a、55b)的控制输入端处提供使所述辅助半导体开关(55、55a、55b)接通的控制信号，并且在所述辅助电容器(54)的充电电压低于小于所述第一阈值的第二阈值时，在所述辅助半导体开关(55、55a、55b)的控制输入端处提供使所述辅助半导体开关(55、55a、55b)截止的控制信号，其中所述第一阈值至少对应于所述驱动电路(49、49a、49b)的供应电压的幅度。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，所述驱动电路(64)是两点调节器，特别是比较器电路(65)，或者单稳态触发器或PWM调节装置或频率调节装置。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，所述驱动电路(64)按以下方式被设计和配置并且与所述辅助电容器(54)电连接，使得所述驱动电路(64)借助于所述辅助电容器(54)被供应电压。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，所述辅助半导体开关(55、55a、55b)具有与所述第一功率半导体开关(6a)相同的极性。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，所述第一功率半导体开关(6a)被设计成常关的，并且在截止的开关状态下，在所述第一功率半导体开关(6a)的参考电位端子(59)和另一主端子(70)之间施加电压时，具有泄漏电流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，所述辅助电路装置(52、52a、52b)，特别是所述辅助半导体开关(55、55a、55b)专用于为至少一个驱动电路(49、49a、49b、73)供电。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，所述驱动电路(49、49a、49b)被设计成与时钟发生器(50)集成在一起，其中所述时钟发生器(50)被设计用于生成由所述驱动电路(49、49a、49b)提供的控制信号的脉冲模式。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，包括半桥(20a、20b)，所述半桥从第三连接点(21)开始包括由高压侧功率半导体开关(23a)、分支点(39)和低压侧功率半导体开关(24a)以及第四连接点(22)组成的串联电路，其中所述第一功率半导体开关(6a)是所述低压侧功率半导体开关(24a)，其中特别地，所述电力电子设备(1a)是DC/DC转换器或逆变器(29)。
11.根据权利要求10所述的电力电子设备(1a)，其中，包括中间回路(28)，所述中间回路具有经由一个或更多个串联连接或并联连接的中间回路电容器将所述第三连接点(21)与所述第四连接点(22)连接的电连接。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，针对所述高压侧功率半导体开关(23a)和所述低压侧功率半导体开关(24a)，分别包括用于驱动相应的功率半导体开关的驱动电路(49a、49b)，并且分别包括用于向所述驱动电路(49a、49b)供应电压的自身的电气辅助电路装置(52a、52b)，因此所述高压侧功率半导体开关(23a)和所述低压侧功率半导体开关(24a)均被设计成第一功率半导体开关(6a)。
13.根据权利要求10或11中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，包括驱动电路(73)以驱动所述高压侧功率半导体开关(23a)和供电电容器(74)以向所述驱动电路(73)供应电压，所述供电电容器利用一个端子(75)与所述高压侧功率半导体开关(23a)的参考电位端子(59)电连接，并且利用另一端子(76)经由另一自举二极管(77)与被包括在所述辅助电路装置(52)中的供电电容器(53)的第一端子(61)电连接，以便向驱动所述低压侧功率半导体开关(24a)的所述驱动电路(49)供应电压。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的电力电子设备(1a)，其中，所述高压侧功率半导体开关(23a)和所述低压侧功率半导体开关(24a)是常关的，并且在截止的开关状态下，在它们的参考电位端子(59)和它们的另一主端子(70)之间施加电压时，具有泄漏电流。
15.一种用于向功率半导体开关的驱动电路(49)供应电压的方法，其中供电电容器(53、53a、53b)向所述驱动电路(49、49a、49b)供应电压，其中为了给所述供电电容器(53、53a、53b)充电，在常关辅助开关的截止的开关状态期间，借助于流经所述功率半导体开关的电流给辅助电容器(54)充电，并且当所述常关辅助开关接通时，所述辅助电容器(54)给所述供电电容器(53)充电。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述常关辅助开关连接到所述功率半导体的参考电位端子(59)，使得在第一方法步骤(VS1)中，在辅助开关截止时，使流经所述功率半导体开关的电流的至少一部分转到所述辅助电容器上并且至少部分地对其进行充电，其中在第二方法步骤(VS2)中，使所述辅助开关接通并且使所述辅助电容器的至少一部分电荷释放到所述供电电容器，以及在第三方法步骤(VS3)中，将所述辅助开关再次转变成截止的开关状态，从而通过多次重复三个方法步骤将电功率供应给所述供电电容器，以便在操作中向所述驱动电路供电。
17.根据权利要求15或16中任一项所述的方法，其中基于所述辅助电容器(54)的充电电压使所述辅助开关接通。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，当所述辅助电容器(54)的充电电压超过第一阈值(VS2)时，使所述辅助开关接通，而当所述辅助电容器(54)的充电电压低于第二阈值时，使所述辅助开关截止，其中所述第二阈值小于所述第一阈值(VS3)。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，使用根据权利要求1至14中任一项所述的电力电子设备(1a)来执行所述方法。
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