Desviador de nivel para un conmutador de accionamiento para componentes semiconductores de potencia.

Desviador de nivel para la transmisión unidireccional de una señal desde una primera sección del circuito a un primer potencial hasta una segunda sección del circuito a un segundo potencial,

provisto de un circuito en serie de una pluralidad de transistores en el que la entrada (IN) del desviador de nivel (LS) está conectada a la entrada de control del primer transistor del circuito en serie, este primer transistor es un transistor de conmutación (M1) o un transistor de alta tensión (HV1') y todos los otros transistores son transistores de alta tensión, y estando provisto de un circuito divisor de tensión capacitiva conectado en paralelo con los transistores de alta tensión (HV1 hasta HVn), en el que dicho circuito divisor de tensión capacitiva está conectado entre un potencial de referencia (gnd_ls) del lado bajo y un potencial de referencia (vdd_hs) del lado alto y están instalados nodos (X2 hasta Xn) entre los condensadores individuales (C1 hasta Cn) los cuales están conectados a los terminales de control de los transistores de alta tensión asociados (HV2 hasta HVn) y en el que primeros diodos (D2 hasta Dn) están conectados en cada caso entre un suministro de tensión del lado de la entrada (vdd_ls) del desviador de nivel (LS) y las entradas de control de los transistores de alta tensión (HV2 hasta HVn).

Desviador de nivel para un conmutador de accionamiento para componentes semiconductores de potencia La invención describe un desviador de nivel, preferiblemente para un circuito de control el cual se requiere en sistemas electrónicos de potencia a fin de accionar conmutadores de semiconductor de potencia los cuales están instalados como conmutadores individuales o en un circuito en puente. Los circuitos en puente de este tipo son conocidos en la forma de circuito de una fase, circuitos en puente de dos o tres fases, en el que el circuito de una fase, un denominado medio puente representa un bloque de construcción básica de los circuitos electrónicos de potencia. En un circuito de medio puente, dos conmutadores de potencia, un primero denominado conmutador TOP y un segundo denominado conmutador BOT están conectados en serie.

Un medio puente de este tipo típicamente comprende una conexión a un circuito de vinculación de corriente continua intermedio. La salida, típicamente el terminal de tensión de corriente alterna del medio puente, generalmente está conectada a la carga. El circuito de control típicamente consiste en una pluralidad de subcircuitos o bloques funcionales. La señal de control es procesada en un primer subcircuito, la lógica de control, y alimentada a través de componentes adicionales a los circuitos excitadores y finalmente a la entrada de control del conmutador de potencia respectivo.

Tensiones del circuito intermedio más altas, por ejemplo superiores a 100 V, la lógica de control generalmente está aislada por potencial de los circuitos excitadores, puesto que los conmutadores de potencia asociados están a potenciales diferentes y por lo tanto es obligatorio el aislamiento a base de la tensión. Este aislamiento se aplica por lo menos al conmutador TOP, pero también se implanta a niveles de potencia más altos para el conmutador BOT, debido a una posible ruptura del potencial de tierra durante la conmutación. Un aislamiento se puede implantar por ejemplo por medio de transformadores de impulso (separación galvánica) , por medio de acopladores ópticos o fibras ópticas o bien utilizando tecnología de circuitos integrados en un circuito integrado de alta tensión (HVIC) . La última variante, debido a diversas ventajas, tales como dimensiones pequeñas, bajo precio y una larga vida de servicio, se utiliza con una frecuencia creciente. Al mismo tiempo los HVIC ofrecen la posibilidad de incorporar un componente de alta tensión con una tensión de ruptura mayor o igual a la tensión del circuito intermedio, la cual puede ser utilizada en circuitos para conversiones del nivel de señal, en los denominados desviadores de nivel. Típicamente para esto se utiliza un MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal) de alta tensión lateral.

La sección del circuito presentada es parte del circuito de excitación y preferiblemente se implanta como una instalación de circuito integrado. Sirve para transmitir una señal desde una sección del circuito con un potencial de referencia bajo (lado bajo) a una sección del circuito la cual a veces tiene un potencial de referencia más alto (lado alto) , o viceversa. Una instalación de este tipo se requiere para el accionamiento integrado y aislado de potencial de los semiconductores de potencia y es conocido como un desviador de nivel.

Dos tecnologías de aislamiento fundamentales son conocidas para utilizarlas en los HVIC. En primer lugar las tecnologías SOI (silicio en aislante) y en segundo lugar las tecnologías PN aisladas (aislamiento de unión) . La tecnología SOI ofrece un aislamiento dieléctrico de los componentes y de grupos de componentes, pero únicamente está disponible actualmente hasta una resistencia a la ruptura de la tensión de 800 V. Las obleas de sustrato SOI son marcadamente más caras que los sustratos normales, sin embargo los costes se compensan por las simplificaciones en el procesamiento que resulta a partir del aislamiento dieléctrico. En el caso de tecnologías PN aisladas la tensión inversa es transportada por una unión PN de polarización inversa. Esta técnica está actualmente disponible hasta 1200 V. Es muy complicada de producir sin embargo y por lo tanto es muy cara. Existen también problemas técnicos, por ejemplo con las corrientes de pérdida y los efectos de cierre por ejemplo a temperaturas más altas, por ejemplo por encima de las temperaturas de funcionamiento de 125 °C y debido a la ruptura del potencial de tierra durante los procesos dinámicos rápidos.

Como se revela en el documento DE 10152930 A1, una señal también puede ser convertida de una manera paso a paso por medio de una pluralidad de n desviadores de nivel conocidos idénticos conectados en cascada, en donde en este caso y en lo que sigue, n es un número entero mayor o igual a dos. La tensión de ruptura de un componente de alta tensión individual como parte del desviador de nivel necesita por lo tanto sólo añadir la n-sima parte de la tensión total (tensión del circuito intermedio más la sobretensión dinámica máxima durante la conmutación) , suponiendo que la tensión total se distribuye uniformemente sobre todos los n desviadores de nivel. Del mismo modo la gama de desviación del nivel que se puede utilizar se puede incrementar si se incrementa el número de pasos. Cada desviador de nivel individual puede tener un circuito de transmisión de señal conectado aguas abajo. Desde un circuito del divisor de tensión que funciona de forma de resistividad el cual está acoplado al potencial alterno en la salida del medio puente de potencia, los potenciales intermedios para los terminales negativos de la tensión de suministro son derivados para el circuito de transmisión de la señal primero hasta el (n-1) -simo.

Puesto que el potencial en la salida varía cíclicamente entre 0 V y una tensión previamente definida, por ejemplo 600 V, el intervalo entre cada dos potenciales intermedios cambia en una gama de casi 0 V hasta 600 V/n. Esta generación uniforme de potenciales intermedios, vinculados a las fases de conmutación del medio puente de potencia, asegura que la tensión de ruptura del componente de alta tensión no puede ser excedido en cualquiera de los n desviadores de nivel.

La formación en cascada de los n desviadores de nivel revelada en el documento DE 10152930 A1, sin embargo, tiene la desventaja de que el número de trayectorias de corriente transversales, con una trayectoria de corriente transversal por desviador de nivel, se incrementa en n - veces comparado con un desviador de nivel individual. El consumo de corriente por lo tanto incrementa, y de ese modo también la pérdida de potencia de la instalación de desviador de nivel, por el factor n. Una corriente transversal estática adicional por lo tanto fluye a través de un circuito divisor de tensión el cual genera los n-1 potenciales intermedios para los desviadores de nivel, lo cual adicionalmente incrementa la pérdida de potencia.

El suministro de tensión para cada uno de los circuitos de transmisión de señal se efectúa a través de un suministro de tensión de arranque según la técnica anterior, lo cual significa que un condensador está conectado entre la tensión de funcionamiento y el terminal de tierra de cada circuito de transmisión de señal y es cargado cíclicamente, según la fase de conmutación del medio puente, por una fuente de corriente continua. Puesto que el circuito de transmisión de señal está suministrado separadamente, los requisitos de circuitos y espacio para el suministro incrementan en n- veces.

Además, a partir del documento DE 10152930A1 se conocen diferentes formas de realización para la conversión del nivel de la señal en múltiples etapas. Por lo tanto, por ejemplo, una señal la cual se obtiene a partir de un circuito de medición para la detección de un estado de funcionamiento del conmutador TOP en el lado alto, puede ser transmitida a través de una pluralidad de desviadores de nivel hasta un circuito de procesamiento de señal del lado bajo y suministrada a un micro control. Como componente de alta tensión para un desviador de nivel correspondiente, se puede utilizar un MOSFET de alta tensión de canal P. Por medio de esta señal de detección el micro control puede supervisar el estado de funcionamiento del conmutador TOP. Las desventajas descritas antes en este documento también se aplican a esta variante de la misma manera.

El artículo de M. Vander Kooi y otros "MOS se desplaza hacia aplicaciones de potencia más elevada" (ELECTRONICS, volumen 49, número 13, 24 de junio de 1976, páginas 98 - 103, XP 002531713) revela un MOSFET de potencia integrado dentro de un circuito... [Seguir leyendo]

1. Desviador de nivel para la transmisión unidireccional de una señal desde una primera sección del circuito a un primer potencial hasta una segunda sección del circuito a un segundo potencial, provisto de un circuito en serie de una pluralidad de transistores en el que la entrada (IN) del desviador de nivel (LS) está conectada a la entrada de control del primer transistor del circuito en serie, este primer transistor es un transistor de conmutación (M1) o un transistor de alta tensión (HV1') y todos los otros transistores son transistores de alta tensión, y estando provisto de un circuito divisor de tensión capacitiva conectado en paralelo con los transistores de alta tensión (HV1 hasta HVn) , en el que dicho circuito divisor de tensión capacitiva está conectado entre un potencial de referencia (gnd_ls) del lado bajo y un potencial de referencia (vdd_hs) del lado alto y están instalados nodos (X2 hasta Xn) entre los condensadores individuales (C1 hasta Cn) los cuales están conectados a los terminales de control de los transistores de alta tensión asociados (HV2 hasta HVn) y en el que primeros diodos (D2 hasta Dn) están conectados en cada caso entre un suministro de tensión del lado de la entrada (vdd_ls) del desviador de nivel (LS) y las entradas de control de los transistores de alta tensión (HV2 hasta HVn) .

2. El desviador de nivel según la reivindicación 1 en el que todos los condensadores (C1 hasta Cn) tienen la misma capacitancia.

3. El desviador de nivel según la reivindicación 1 en el que las capacitancias de los respectivos condensadores (C1 hasta Cn) incrementan con su número de secuencia (1 hasta n) .

4. El desviador de nivel según la reivindicación 1 en el que en el caso de una transmisión de señal desde el lado bajo hasta el lado alto, el transistor de conmutación (M1) así como los transistores de alta tensión (HV1 hasta HVn) son del tipo de canal N, una primera resistencia (R1) está conectada en serie antes del primer transistor (M1 o HV1') y una segunda resistencia (R2) está conectada en serie después del último transistor de alta tensión (HVn) .

5. El desviador de nivel según la reivindicación 1 en el que en el caso de una transmisión de señal desde el lado alto hasta el lado bajo, el transistor de conmutación (M1) así como los transistores de alta tensión (HV1 hasta HVn) son del tipo de canal P, una primera resistencia (R1) está conectada en serie antes del primer transistor (M1 o HV1') y una segunda resistencia (R2) está conectada en serie después del último transistor de alta tensión (HVn) .

6. El desviador de nivel según la reivindicación 1 en el que para el propósito de la limitación de la tensión, diodos Zener (Z2 hasta Zn) están conectados entre la entrada de control y la fuente de los transistores de alta tensión asociados (HV2 hasta HVn) .

7. El desviador de nivel según la reivindicación 1 en el que para el propósito de la limitación de la tensión un diodo Zener adicional (Zn+1) está conectado en paralelo con la resistencia (R2) .

8. El desviador de nivel según la reivindicación 1 en el que los nodos (X2 hasta Xn) están conectados cada uno de ellos por medio de segundos diodos (DD2 hasta DDn) a terminales exteriores asociados del desviador de nivel (LS) .

9. El desviador de nivel según la reivindicación 1 en el que el desviador de nivel (LS) está implantado como un circuito monolíticamente integrado en un sustrato o adecuadamente distribuido sobre una pluralidad de sustratos (S1 hasta Sn) .