WO2007006705A1 - Drive circuit for power semiconductor modules - Google Patents

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WO2007006705A1
WO2007006705A1 PCT/EP2006/063906 EP2006063906W WO2007006705A1 WO 2007006705 A1 WO2007006705 A1 WO 2007006705A1 EP 2006063906 W EP2006063906 W EP 2006063906W WO 2007006705 A1 WO2007006705 A1 WO 2007006705A1
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power semiconductor
semiconductor module
control unit
radio link
drive circuit
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PCT/EP2006/063906
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Eric Baudelot
Günther Bock
Hubert Schierling
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/689—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit

Definitions

  • the invention relates to a driving circuit for power semiconductor modules with a command transmission link Zvi ⁇ rule a higher-level control unit and the power ⁇ semiconductor module.
  • IPM Intelligent Power Modules - IPM
  • IGBTs power devices
  • driver ICs integrated circuits
  • the inputs and feedbacks of these ICs are routed out of the module to the outside to make the control signals and the feedback signals accessible to the higher level controller.
  • the safe electrical isolation is by means of op ⁇ toco-coupler, signal transformer or optical fiber within the elements of the drive circuit or a higher level mit- similar means between control unit (computer, CPU) and the drive circuit realized.
  • Such a power semiconductor module is known, for example, from Iwasaki et al. , A New Intelligent Power Modules for High Performance Motor Control, Mitsubishi Electric Corporation be ⁇ known.
  • the invention has for its object to provide a drive ⁇ circuit for power semiconductor modules, which allows greater space savings in the common structure of control and power devices on a circuit board.
  • the transmission path for the drive commands is designed as a radio link.
  • the radio link is a Bluetooth system.
  • Such radio systems as they are known from the communication technology tion ⁇ tion, today have very small dimensions, so that they can be integrated, for example, in a cell phone or in a portable handset. The advantage of smaller dimensions compared to systems using optocouplers or transformers can thus be use transmission in power semiconductor modules.
  • the systems are also extremely inexpensive because of their wide distribution. They are also very robust, since a paralle ⁇ le transmission can be done via multiple channels.
  • Bluetooth is an internationally standardized interface data ⁇ and previously used to transfer data between different devices in the near field to offer a wireless connection. A use for overcoming a potential separation in control tasks does not correspond to the original and actual concern of this technology.
  • Bluetooth devices transmit in the 2.4 GHz ISM band (Industrial Scientific Medial Band). The data can be transmitted on several channels. The available transmission power is a maximum of 1 Mbit / s, but will increase in the future.
  • Bluetooth modules containing ei ⁇ nen transmitter and / or receiver currently have about the size of a 2-euro coin.
  • the command transmission is expediently carried out by means of Bluetooth technology using Bluetooth ICs, if possible of those already used in communications technology. In this way, significant cost reductions can be made possible.
  • the receiver optionally combined with other known driver ICs, is integrated in the power module.
  • the transmitter is controlled by the higher-level controller or control unit.
  • the feedback channels can be constructed in the reverse direction according to the same principle.
  • the transmission links are each assigned to a switch or by multiplexing multiple switches, wherein a transmitter and / or a receiver for a plurality of switches can be used.
  • the power supply for the drive circuit including radio receiver is advantageously also integrated into the module.

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Abstract

The invention relates to a drive circuit for power semiconductor modules comprising a command transmission link between a superordinate control unit and the power semiconductor module. According to the invention, a transmission link for the drive commands between control unit and power semiconductor module is formed as a radio link. A drive circuit for power semiconductor modules which permits a greater saving of area with joint construction of drive and power components on one circuit board is thus obtained.

Description

Beschreibungdescription
Ansteuerschaltung für LeistungshalbleitermoduleControl circuit for power semiconductor modules
Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für Leistungshalbleitermodule mit einer Befehls-Übertragungsstrecke zwi¬ schen einer übergeordneten Kontrolleinheit und dem Leistungs¬ halbleitermodul .The invention relates to a driving circuit for power semiconductor modules with a command transmission link Zvi ¬ rule a higher-level control unit and the power ¬ semiconductor module.
Leistungshalbleitermodule (Intelligent Power Module - IPM) werden insbesondere in Umrichtern zur Steuerung von Antrieben eingesetzt und erobern in letzter Zeit alle Arten von Antrieben bis hin zu Kleinantrieben in der Haushaltstechnik, wie beispielsweise Staubsaugermotoren, Waschmaschinenmotoren und ähnliche. Die Module sind charakterisiert durch ihren kompakten Zusammenbau von Leistungsbauelementen (IGBTs oder Leistungstransistoren) und Ansteuerschaltungen, die als integrierte Schaltungen (Treiber-ICs) bereitgestellt werden.Power semiconductor modules (Intelligent Power Modules - IPM) are used particularly in converters for controlling drives and lately conquer all types of drives to small drives in household appliances, such as vacuum cleaner motors, washing machine motors and the like. The modules are characterized by their compact assembly of power devices (IGBTs or power transistors) and drive circuits provided as integrated circuits (driver ICs).
Diese Treiber benötigen einer Stromversorgung mit Trennübertrager oder Boot-strap-Kondensatoren, die zusammen mit den ICs und den Leistungsbauelementen auf einer Leiterplatte untergebracht werden. Eine nur einfache Potenzialtrennung zwischen dem oberen und dem unteren Leistungstransistor oder IGBT des Wechselrichters würde nicht die durch Normen festge¬ setzten strengen Anforderungen einer sicheren elektrischen Trennung erfüllen. Ursache ist, dass die Isolationsstrecke in den ICs selber sowie der Einbau der ICs in das Modul nicht sicher ist gegenüber einer Lichtbogenbildung bei elektrischen Durchschlägen.These drivers require power supplies with isolation transformers or boot-strap capacitors, which are housed together with the ICs and power devices on a circuit board. Only a simple electrical isolation between the upper and the lower power transistor or IGBT inverter would not Festge by standards ¬ put strict requirements of safe electrical isolation meet. The reason is that the insulation gap in the ICs themselves as well as the installation of the ICs in the module is not safe against arcing in the case of electrical breakdowns.
Die Eingänge und Rückmeldungen dieser ICs werden aus dem Modul nach außen herausgeführt, um die Steuersignale und die Rückmeldesignale für die übergeordnete Steuerung zugänglich zu machen. Die sichere elektrische Trennung wird mittels Op¬ tokoppler, Signalübertrager oder Lichtwellenleiter innerhalb der Elemente der Ansteuerschaltung oder eine Stufe höher mit- tels ähnlicher Mittel zwischen Kontrolleinheit (Rechner, CPU) und der Ansteuerschaltung realisiert.The inputs and feedbacks of these ICs are routed out of the module to the outside to make the control signals and the feedback signals accessible to the higher level controller. The safe electrical isolation is by means of op ¬ toco-coupler, signal transformer or optical fiber within the elements of the drive circuit or a higher level mit- similar means between control unit (computer, CPU) and the drive circuit realized.
Ein solches Leistungshalbleitermodul ist beispielsweise aus Iwasaki et al . , A New Intelligent Power Module for High Performance Motor Control, Mitsubishi Electric Corporation be¬ kannt .Such a power semiconductor module is known, for example, from Iwasaki et al. , A New Intelligent Power Modules for High Performance Motor Control, Mitsubishi Electric Corporation be ¬ known.
Alle Elemente, die die auf verschiedenem Potenzial liegenden Signale (SV, Befehle) verarbeiten, sowie eventuell die Leis¬ tungsanschlüsse (zum Gleichspannungszwischenkreis und zur Last) treffen sich auf den Leiterplatten, wo sichere Abstände realisiert werden müssen, die in entsprechenden Normen festgelegt sind. Dies führt zu dem Verlust der bei dem Platinen- aufbau an sich angestrebten Integrationsvorteile, da kaum ei¬ ne Flächeneinsparung und somit kaum eine Reduktion der Geräteabmessungen gegenüber einem diskreten Schaltungsaufbau möglich ist .All elements that process the signals present at different potentials (SV, commands), and possibly the Leis ¬ line connections (for direct current link and load) meet on the circuit boards, where safe distances must be implemented, which are defined in appropriate standards. This leads to the loss of the integration advantages aimed at in the circuit board construction since hardly any space savings and thus hardly any reduction of the device dimensions compared to a discrete circuit structure is possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuer¬ schaltung für Leistungshalbleitermodule anzugeben, die eine größere Flächeneinsparung beim gemeinsamen Aufbau von An- steuer- und Leistungsbauelementen auf einer Platine erlaubt.The invention has for its object to provide a drive ¬ circuit for power semiconductor modules, which allows greater space savings in the common structure of control and power devices on a circuit board.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention this object is achieved by the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Danach ist die Übertragungsstrecke für die Ansteuerbefehle als Funkstrecke ausgebildet.Thereafter, the transmission path for the drive commands is designed as a radio link.
In bevorzugter Weise ist die Funkstrecke ein Bluetooth- System. Derartige Funksysteme, wie sie aus der Kommunika¬ tionstechnik an sich bekannt sind, haben heute sehr geringe Abmessungen, so dass sie beispielsweise in ein Handy oder in einem tragbaren Hörer integriert werden können. Der Vorteil der geringeren Abmessungen gegenüber Systemen, die Optokoppler oder Übertrager verwenden, lässt sich so für die Sig- nalübertragung in Leistungshalbleitermodulen nutzen. Die Systeme sind außerdem wegen ihrer weiten Verbreitung äußerst preisgünstig. Sie sind überdies sehr robust, da eine paralle¬ le Übertragung über mehrere Kanäle erfolgen kann.Preferably, the radio link is a Bluetooth system. Such radio systems, as they are known from the communication technology tion ¬ tion, today have very small dimensions, so that they can be integrated, for example, in a cell phone or in a portable handset. The advantage of smaller dimensions compared to systems using optocouplers or transformers can thus be use transmission in power semiconductor modules. The systems are also extremely inexpensive because of their wide distribution. They are also very robust, since a paralle ¬ le transmission can be done via multiple channels.
Bluetooth ist eine international standardisierte Daten¬ schnittstelle und wird bisher zur Übertragung von Daten zwischen verschiedenen Geräten im Nahfeldbereich benutzt, um eine kabellose Verbindung anzubieten. Eine Nutzung zur Über- windung einer Potenzialtrennung bei Steuerungsaufgaben entspricht nicht dem ursprünglichen und eigentlichen Anliegen dieser Technik. Bluetooth-Geräte senden im 2,4 GHz ISM-Band (Industrial Scientific Medial Band) . Die Daten können auf mehreren Kanälen übertragen werden. Die zur Verfügung stehen- de Übertragungsleistung beträgt maximal 1 Mbit/s, wird sich zukünftig aber noch erhöhen lassen. Bluetooth-Module, die ei¬ nen Sender und/oder Empfänger enthalten, haben aktuell etwa die Größe einer 2-Euro-Münze .Bluetooth is an internationally standardized interface data ¬ and previously used to transfer data between different devices in the near field to offer a wireless connection. A use for overcoming a potential separation in control tasks does not correspond to the original and actual concern of this technology. Bluetooth devices transmit in the 2.4 GHz ISM band (Industrial Scientific Medial Band). The data can be transmitted on several channels. The available transmission power is a maximum of 1 Mbit / s, but will increase in the future. Bluetooth modules containing ei ¬ nen transmitter and / or receiver currently have about the size of a 2-euro coin.
Die Befehlsübertragung erfolgt im vorliegenden Fall zweckmäßig mittels Bluetooth-Technik unter Nutzung von Bluetooth- ICs, wenn möglich von solchen, die bereits in der Kommunikationstechnik verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich erhebliche Kostensenkungen ermöglichen. Der Empfänger, gege- benenfalls kombiniert mit weiteren, an sich bekannten Trei- ber-ICs, wird in das Leistungsmodul integriert. Der Sender wird von der übergeordneten Steuerung oder Kontrolleinheit gesteuert .In the present case, the command transmission is expediently carried out by means of Bluetooth technology using Bluetooth ICs, if possible of those already used in communications technology. In this way, significant cost reductions can be made possible. The receiver, optionally combined with other known driver ICs, is integrated in the power module. The transmitter is controlled by the higher-level controller or control unit.
Die Rückmeldekanäle können in umgekehrter Richtung nach dem gleichen Prinzip aufgebaut werden.The feedback channels can be constructed in the reverse direction according to the same principle.
Die Übertragungsstrecken sind jeweils einem Schalter zugeordnet oder mittels Multiplexverfahren mehreren Schaltern, wobei ein Sender und/oder ein Empfänger für mehrere Schalter verwendet werden kann. Die Stromversorgung für die Ansteuerschaltung einschließlich Funkempfänger wird vorteilhafterweise auch mit in das Modul integriert .The transmission links are each assigned to a switch or by multiplexing multiple switches, wherein a transmitter and / or a receiver for a plurality of switches can be used. The power supply for the drive circuit including radio receiver is advantageously also integrated into the module.
Durch die Lösung wird die sichere elektrische Trennung, sowie - wenn gewünscht - eine einfache galvanische Trennung, reali¬ siert, bei wesentlicher Reduzierung der Leiterplattenfläche. Das System wird außerdem gegen Verschmutzung und Feuchtigkeit weniger empfindlich. Gegenüber bisher bekannten Systemen kann eine Reduktion der Abmessungen der Geräte umgesetzt werden.Through the solution, the safe electrical separation, and - if desired - a simple galvanic separation, reali ¬ Siert, with substantial reduction of the PCB surface. The system also becomes less sensitive to dirt and moisture. Compared to previously known systems, a reduction in the dimensions of the devices can be implemented.
Die Verwendung anderer Funkstandards ist ebenfalls denkbar, auch die proprietärer Protokolle. Bisher bietet sich das Bluetooth-System wegen seiner breiten Verwendung in der Büro- und Unterhaltungselektronik jedoch am ehesten an. The use of other wireless standards is also conceivable, including the proprietary protocols. So far, however, the Bluetooth system because of its widespread use in office and consumer electronics, but most likely.

Claims

Patentansprüche claims
1. Ansteuerschaltung für Leistungshalbleitermodule mit einer Befehls-Übertragungsstrecke zwischen einer übergeordneten Kontrolleinheit und dem Leistungshalbleitermodul, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke für die Ansteuerbefehle zwischen Kontrolleinheit und Leistungshalb¬ leitermodul als Funkstrecke ausgebildet ist.1. A drive circuit for power semiconductor modules with a command transmission path between a higher-level control unit and the power semiconductor module, characterized in that the transmission path for the control commands between control unit and power semiconductor module ¬ is designed as a radio link.
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Funkstrecke ein Bluetooth-System ist.2. Control circuit according to claim 1, characterized marked ¬ records that the radio link is a Bluetooth system.
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet , dass die Funkstrecke zur Befehlsübertra- gung von der Kontrolleinheit zum Leistungshalbleitermodul so¬ wie umgekehrt als Rückmeldekanal vom Leistungshalbleitermodul zur Kontrolleinheit dient.3. Control circuit according to claim 1 or 2, characterized ge ¬ indicates that the radio link for command transmission from the control unit to the power semiconductor module so ¬ vice versa as a feedback channel from the power semiconductor module to the control unit is used.
4. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkstrecke je¬ weils einem Halbleiterschalter eines mit mehreren Halbleiter¬ schaltern bestückten Leistungshalbleitermoduls zugeordnet ist .4. Control circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the radio link is allocated to each ¬ weils a semiconductor switch of a plurality of the semiconductor switches with ¬ equipped power semiconductor module.
5. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Funkstrecke mehreren Halbleiterschaltern eines mit mehreren Halbleiterschaltern bestückten Leistungshalbleitermoduls zugeordnet und multiples betreibbar ist. 5. Control circuit according to one of claims 1 to 3, since ¬ characterized in that the radio link assigned to a plurality of semiconductor switches of a populated with a plurality of semiconductor switches power semiconductor module and is operable multiple times.
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