Title:
GETRENNTE LEISTUNGSSCHALTGERÄTE MIT REDUZIERTER COMMON-SOURCE-INDUKTIVITÄT
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Das Leiten eines Gate-Signals zum Steuern eines getrennten Leistungsschaltgeräts (wie etwa bei einem Wechselrichter für einen Elektrofahrzeugantrieb) wird so konfiguriert, dass die Common-Source-Induktivität, die dem Schaltgerät aufgrund dessen integrierter Schaltungsverpackung innewohnt, kompensiert wird. Das Leistungsgerät verfügt über einen Gate-Signalweg über einen Gate-Stift und ein Leistungssignalweg über erste und zweite Leistungsstifte, wobei der Gate-Signalweg und der Leistungssignalweg über eine erste Gegeninduktivität verfügen. Eine Leiterplattenvorrichtung stellt einen Gate-Schaltkreis bereit, der neben dem Leistungssignalweg angeordnet ist, wobei der Gate-Schaltkreis und der Leistungsschaltweg über eine zweite Gegeninduktivität verfügen, die im Wesentlichen die erste Gegeninduktivität aufhebt. Die resultierende Reduzierung von Common-Source-Induktivität verhindert die Reduzierungen von Schaltgeschwindigkeit und die erhöhten Schaltverluste, die andernfalls durch die Common-Source-Induktivität eingebracht werden.





Inventors:
Chen, Chingchi, Mich. (Ann Arbor, US)
Xu, Zhuxian, Mich. (Novi, US)
Application Number:
DE102017112286A
Publication Date:
12/07/2017
Filing Date:
06/02/2017
Assignee:
Ford Global Technologies, LLC (Mich., Dearborn, US)
International Classes:
H03K17/04; H01F27/28; H02M1/08
Attorney, Agent or Firm:
PATERIS Theobald Elbel Fischer, Patentanwälte, PartmbB, 10117, Berlin, DE
Claims:
1. Vorrichtung, umfassend;
ein getrenntes Leistungsgerät mit einem Gate-Signalweg über einen Gate-Stift und einem Leistungssignalweg über erste und zweite Leistungsstifte, wobei der Gate-Signalweg und der Leistungssignalweg über eine erste Gegeninduktivität verfügen; und
Leiterplattenvorrichtung, die einen Gate-Schaltkreis bereitstellt, der neben dem Leistungssignalweg angeordnet ist, wobei der Gate-Schaltkreis und der Leistungsschaltweg über eine zweite Gegeninduktivität verfügen, die im Wesentlichen die erste Gegeninduktivität aufhebt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Leistungsgerät einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate in einer Leistungstransistorgehäuseumhüllung umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Gegeninduktivität über eine positive Kopplung verfügt und wobei die zweite Gegeninduktivität über eine negative Kopplung verfügt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gate-Schaltkreis eine Vielzahl von Wicklungswindungen definiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leiterplattenvorrichtung aus einem Hilfssockel besteht, der das Leistungsgerät aufnimmt und dazu angepasst ist, an einer Leiterplatte befestigt zu werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Hilfssockel aus einem Kunststoffkörper mit einer Vielzahl von eingebetteten Leitern, die einen Gate-Schaltkreis bilden, besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Hilfssockel einen Hilfs-Gate-Stift umfasst, der sich vom Kunststoffkörper erstreckt und seitlich vom Gate-Stift des Leistungsgerät-Gate-Stifts versetzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Hilfssockel einen Kelvin-Hilfsstift umfasst, der sich vom Kunststoffkörper erstreckt und mit einem der Leistungsstifte verbunden ist, und wobei der Kelvin-Source-Stift und der Hilfs-Gate-Stift daran angepasst sind, ferner mit einem Gate-Treiber verbunden zu sein.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein erster Abschnitt des Gate-Schaltkreises zwischen dem Leistungsgerät-Gate-Stift und dem Hilfs-Gate-Stift verbunden ist, und wobei ein zweiter Abschnitt des Gate-Schaltkreises zwischen dem einen Leistungsstift und dem Kelvin-Source-Stift verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leiterplattenvorrichtung aus einer Leiterplatte mit darauf befestigtem Leistungsgerät besteht, wobei die Vorrichtung ferner eine Gate-Treiberschaltung umfasst, die auf der Leiterplatte befestigt ist, und wobei die Leiterplatte aus Folgendem besteht:
einem Substrat;
einem Paar von Leistungsbahnen, die auf dem Substrat in Reihe mit dem Leistungssignalweg angeordnet sind;
einer Gate-Bahn, die den Leistungsgerät-Gate-Stift mit der Gate-Treiberschaltung verbindet; und
einer Kelvin-Source-Bahn, die einen der Leistungsstifte mit der Gate-Treiberschaltung verbindet;
wobei die Gate-Bahn und die Kelvin-Gate-Bahn die Leistungsbahnen überkreuzen, um den Gate-Schaltkreis, der über die zweite Gegeninduktivität verfügt, zu bilden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Leiterplatte aus multiplen Schichten besteht, und wobei die Gate-Bahn und die Kelvin-Source-Bahn in Zusammenarbeit eine Vielzahl von Wicklungswindungen unter Verwendung einer Vielzahl von multiplen Schichten definieren.

12. Wechselrichter zum Antreiben eines Fahrmotors eines Elektrofahrzeugs, umfassend:
eine Vielzahl von getrennten Halbleiter-Leistungsschaltgeräten, die in einer Brückenkonfiguration miteinander verbunden sind, um einen Gleichspannungseingang in einen Wechselspannungsausgang zum Antreiben des Fahrmotors umzuwandeln, wobei jedes Leistungsgerät über einen entsprechenden Gate-Signalweg über einen entsprechenden Gate-Stift und einen entsprechenden Leistungssignalweg über entsprechende erste und zweite Leistungsstifte verfügt, wobei der entsprechende Gate-Signalweg und der entsprechende Leistungssignalweg über eine entsprechende erste Gegeninduktivität verfügen; und
Leiterplattenvorrichtung, die eine Vielzahl von entsprechenden Gate-Schaltkreisen bereitstellt, die jeweils neben einem entsprechenden Leistungssignalweg angeordnet sind, wobei der entsprechende Gate-Schaltkreis und der entsprechende Leistungsschaltweg über eine entsprechende zweite Gegeninduktivität verfügen, die im Wesentlichen die entsprechende erste Gegeninduktivität aufhebt.

13. Wechselrichter nach Anspruch 12, wobei jede entsprechende erste Gegeninduktivität über eine positive Kopplung verfügt und wobei jede entsprechende zweite Gegeninduktivität über eine negative Kopplung verfügt.

14. Wechselrichter nach Anspruch 12, wobei die Leiterplattenvorrichtung aus einer Vielzahl von Hilfssockeln besteht, die jeweils ein entsprechendes Leistungsgerät aufnehmen und dazu angepasst sind, an einer Leiterplatte befestigt zu werden, wobei jeder Hilfssockel aus einem Kunststoffkörper mit einer Vielzahl von eingebetteten Leitern, die den entsprechenden Gate-Schaltkreis bilden, besteht, und wobei jeder Hilfssockel einen Hilfs-Gate-Stift umfasst, der sich vom Kunststoffkörper erstreckt und seitlich vom Gate-Stift des entsprechenden Leistungsgerät-Gate-Stifts versetzt ist.

15. Wechselrichter nach Anspruch 12, wobei die Leiterplattenvorrichtung aus einer Leiterplatte mit darauf befestigten Leistungsgeräten besteht, wobei der Wechselrichter ferner eine Vielzahl von Gate-Treiberschaltungen umfasst, die auf der Leiterplatte befestigt sind, und wobei die Leiterplatte aus Folgendem besteht:
einem Substrat;
einem entsprechenden Paar von Leistungsbahnen, die auf dem Substrat in Reihe mit jedem entsprechenden Leistungssignalweg angeordnet sind;
einer entsprechenden Gate-Bahn, die jeden entsprechenden Leistungsgerät-Gate-Stift mit der entsprechenden Gate-Treiberschaltung verbindet; und
einer entsprechenden Kelvin-Source-Bahn, die einen der entsprechenden Leistungsstifte mit der entsprechenden Gate-Treiberschaltung verbindet;
wobei jede entsprechende Gate-Bahn und entsprechende Kelvin-Gate-Bahn die entsprechenden Leistungsbahnen überkreuzt, um jeden entsprechenden Gate-Schaltkreis, der über die entsprechende zweite Gegeninduktivität verfügt, zu bilden.

Description:
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Reduzieren der Auswirkungen von Common-Source-Induktivität in getrennten Halbleiter-Leistungsschaltgeräten und insbesondere die Wechselrichterantriebssysteme für elektrifizierte Fahrzeuge, die getrennte Leistungsschaltvorrichtungen mit schnellen Schaltzeiten und niedrigen Verlusten verwenden.

Verschiedene Arten von Halbleiter-Leistungsschaltgeräten wurden für Hochspannungs-Hochleistungs-Elektronikschaltanwendungen wie etwa Leistungs-MOSFETs und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) eingeführt. Aufgrund der Halbleiter-Die-Größen und der Wärmeableitungsanforderungen sind diese Geräte normalerweise in getrennten Gehäusen zum Befestigen von einer oder mehreren Schaltgeräten enthalten, z. B. in einer „Transistorgehäuseumhüllung“ (TO-Umhüllung). Die Gehäuse der getrennten Leistungsschaltgeräte werden normalerweise auf einer Leiterplatte befestigt, die auch zusätzliche Elektronik in Verbindung mit der Schaltanwendung umfasst.

Elektrofahrzeuge wie etwa Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) verwenden diese Leistungsschaltgeräte zum Konstruieren von Wechselrichtern für elektrische Maschinen, um Traktionsmoment und regeneratives Bremsmoment bereitzustellen. Ein typisches elektrisches Antriebssystem umfasst eine Gleichstromquelle (wie etwa einen Batteriesatz oder eine Brennstoffzelle), durch Leistungsschütze an einen variablen Spannungswandler (VVC) gekoppelt, um eine Haupt-Busspannung über einen Hauptverbindungskondensator zu regeln. Ein erster Wechselrichter wird zwischen dem Hauptbus und einem Fahrmotor zum Antreiben des Fahrzeugs verbunden. Ein zweiter Wechselrichter kann zwischen dem Hauptbus und einem Generator zum Regenerieren von Energie beim Bremsen, um die Batterie über den VVC wieder aufzuladen, verbunden werden.

Die Wechselrichter beinhalten Leistungsschaltgeräte (besonders typisch IGBT), die in einer Brückenkonfiguration verbunden sind. Eine elektronische Steuerung schaltet die Schalter über Gate-Treiberschaltungen ein und aus, um eine Gleichspannung vom Bus in eine Wechselspannung, die am Motor anliegt, umzuwandeln, oder um eine Wechselspannung vom Generator in eine Gleichspannung am Bus umzuwandeln. In jedem Fall werden die Wechselrichter in Reaktion auf verschiedene wahrgenommene Bedingungen durch Variieren der Frequenz und des Arbeitszyklus, bei denen die Leistungsgeräte ein- und ausgeschaltet werden, gesteuert.

Der Wechselrichter für die Motorimpulsbreite moduliert die Gleichstromanschlussspannung, um einen Näherungswert eines sinusförmigen Stromausgangs zum Antreiben des Motors mit einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment bereitzustellen. PWM-Steuersignale, die an den Gates der IGBT anliegen, schalten diese wie erforderlich ein und aus, sodass der resultierende Strom einem gewünschten Strom entspricht. Die IGBT und deren Sperrverzögerungsdioden verfügen über zugehörige Schaltverluste, die minimiert werden müssen, um den Verlust von Effizienz und die Bildung von Abwärme zu begrenzen.

Common-Source-Induktivität betrifft eine Induktivität, die durch den Hauptleistungsstromkreis (d. h. der Drain-Source- oder Kollektor-Emitter-Leistungsausgang des Geräts) und den Gate-Treiberschaltkreis (d. h. Gate-Source- oder Gate-Emitter) in einem Leistungsschaltgerät gemeinsam verwendet wird. Die Common-Source-Induktivität trägt sowohl den Geräteausgangsstrom (z. B. Drain-Source-Strom), als auch den Gate-Lade-/Entladestrom. Die über der Common-Source-Induktivität induzierte Spannung modifiziert die Gate-Spannung auf eine Weise, die die Ein-/Ausschaltzeiten begrenzt und Schaltverluste erhöht. In einem typischen Schaltmodul sind verschiedene Faktoren für die Common-Source-Induktivität, die als eine parasitische Induktivität in Verbindung mit Geräteverpackung und Leiterplatten-(PCB)Bahnen auftritt, vorhanden. Es wurden die relative Platzierung von Stromwegen und die Verwendung von verschiedenen Strukturen zum Trennen und/oder Blockieren von induktiver Kopplung verwendet, um das Ausmaß der erzeugten parasitischen Induktivität zu reduzieren.

Trotz der bekannten Praktiken kann die Common-Source-Induktivität für getrennte Leistungsschaltgeräte, eingeführt durch Verpackung (z. B. TO-247 und TO-220), immer noch bis zu 10 nH betragen. Da die neuen Generationen von Leistungsgeräten (z. B. CoolMOS-, SiC- und GaN-Geräte) immer schneller werden, begrenzt die Common-Source-Induktivität dramatisch die Schaltgeschwindigkeit und erhöht Schaltverluste.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

In einem Aspekt der Erfindung ermöglicht eine Vorrichtung das Schalten eines getrennten Leistungsgeräts. Das Leistungsgerät verfügt über einen Gate-Signalweg über einen Gate-Stift und einen Leistungssignalweg über erste und zweite Leistungsstifte, wobei der Gate-Signalweg und der Leistungssignalweg über eine erste Gegeninduktivität verfügen. Eine Leiterplattenvorrichtung stellt einen Gate-Schaltkreis bereit, der neben dem Leistungssignalweg angeordnet ist, wobei der Gate-Schaltkreis und der Leistungsschaltweg über eine zweite Gegeninduktivität verfügen, die im Wesentlichen die erste Gegeninduktivität aufhebt. Die resultierende Reduzierung von Common-Source-Induktivität verhindert die Reduzierungen von Schaltgeschwindigkeit und die erhöhten Schaltverluste, die andernfalls durch die Common-Source-Induktivität eingebracht werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Darstellung, die einen Phasenzweig eines Wechselrichters unter Verwendung eines Paares von IGBT zeigt.

2 ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungsschaltgeräts in einem TO-Gehäuse, befestigt an einer Leiterplatte mittels eines herkömmlichen Sockels.

3 ist eine Draufsicht, die einen magnetischen Fluss, erzeugt durch einen Drain-Source-Strom in einem herkömmlichen Leistungsschaltgerät, zeigt.

4 ist eine Draufsicht, die einen magnetischen Fluss, erzeugt durch einen Gate-Source-Strom in einem herkömmlichen Leistungsschaltgerät, zeigt.

5 ist eine schematische Darstellung, die eine zusätzliche Gegeninduktivität mit einer negativen Kopplung, die die innewohnende Common-Source-Induktivität des Schaltgeräts aufhebt, zeigt.

6 ist eine Darstellung, die eine Umleitung eines Gate-Signals außerhalb des Leistungsschaltgeräts, um die erfindungsgemäße negative Kopplung bereitzustellen, zeigt.

7 ist eine Darstellung, die überlappende magnetische Flussmuster entsprechend 6 zeigt.

8 zeigt einen erfindungsgemäßen Hilfssockel, der ein Leistungsschaltgerät an einer Leiterplatte befestigt.

9 ist eine Draufsicht des Hilfssockels von 8.

10 ist eine Vorderansicht des Hilfssockels von 8.

11 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Layout von eingebetteten Leitern im Hilfssockel von 8 zeigt.

12 ist eine Draufsicht, die Leiterplattenbahnen für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gate-Schaltkreises zeigt.

13 ist eine Draufsicht, die Leiterplattenbahnen für eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gate-Schaltkreises zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Geräte 11 und 12 verfügen über Gate-Treiber 20 und 22 mit entsprechenden Gate-Kopplungswiderständen 21 und 23 zum Antreiben von entsprechenden Gate-Anschlüssen 24 und 25. Die Leistungsausgangsanschlüsse 26 und 27 von Gerät 11 und die Leistungsausgangsanschlüsse 28 und 29 von Gerät 12 sind Kollektor-Emitter-Anschlüsse, wenn IGBT verwendet werden, und Drain-Source-Anschlüsse, wenn zum Beispiel ein Leistungs-MOSFET verwendet wird. Die innewohnende parasitische Common-Source-Induktivität (d. h. die Gegeninduktivität, die den Gate-Strom mit dem Hauptgeräteausgangsstrom koppelt) wird durch die Induktivitäten 30 und 31 repräsentiert. Es können viele Faktoren für die Common-Source-Induktivität, sowohl innerhalb, als auch außerhalb der Geräte 11 und 12 vorhanden sein. Insbesondere die Gegeninduktivität, die innerhalb der Geräte 11 und 12 auftritt, wurde im Stand der Technik zu einem zunehmend signifikanten Nachteil.

Die Leistungsschaltgeräte der vorliegenden Erfindung können häufig an einer Leiterplatte (PCB) unter Verwendung eines Sockels, so wie in 2 dargestellt, befestigt sein. Eine PCB 32 mit Bahnen 33 verfügt über einen Sockel 34, der an die entsprechenden Bahnen gelötet ist und so konfiguriert ist, dass er ein getrenntes Leistungsschaltgerät 35 aufnimmt. Das Gerät 35 ist mit einer Transistorgehäuse-(TO)Verpackungsart dargestellt, wobei Ausgangsstifte in einer Reihe von einem Rand des Geräts verlaufen. Diese Verpackungsart ermöglicht nach dem Platzieren innerhalb von Sockel 34, so wie in der Technik bekannt, die Gerätebefestigung an einer Wärmesenke. Bahnen 33 können vergrößerte Bahnen 36 zum Übertragen eines Ausgangsleistungssignals und eine Bahn 37 zum Befördern eines Gate-Signals umfassen.

3 zeigt das Gerät 35 mit einer typischen Anordnung von Anschlussstiften, einschließlich eines Gate-Stifts 40 an einem Ende, einem Drain- (oder Kollektor-)Stift 41 und einem Source- (oder Emitter-)Stift 42. Wenn das Gerät 35 eingeschaltet wird, fließt ein Ausgangsstrom zwischen den Leistungsausgangsstiften 41 und 42, wobei ein Leistungssignalweg 43 über die Stifte 41 und 42 und über einen Hauptkörper des Geräts 35 zwischen den Stiften 41 und 42 bereitgestellt wird. Der resultierende magnetische Fluss, der durch das Leistungssignal erzeugt wird, wird dargestellt, wobei X innerhalb des Stromschaltkreises des Leistungssignalwegs 43 einen Fluss repräsentieren, der in die Seite gerichtet ist, und O außerhalb des Stromschaltkreises einen magnetischen Fluss repräsentieren, der aus der Seite heraus gerichtet ist.

4 repräsentiert einen Gate-Strom, der entlang eines Gate-Signalwegs 44 über die Stifte 40 und 42 und innerhalb des Körpers des Geräts 35 zwischen den Stiften 40 und 42 fließt. Der magnetische Fluss des Gate-Wegs fällt hauptsächlich mit dem magnetischen Fluss vom Leistungssignalweg zusammen (d. h. positiv gekoppelt). Somit besteht eine Gegeninduktivität mit einer positiven Nettokopplung.

Aufgrund der Anordnung der Strukturen (einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Stiftanordnung) in Verbindung mit der Leistungsschaltvorrichtung ist die intern erzeugte Common-Source-Induktivität der getrennten Leistungsschaltgeräte in allen gegenwärtig verfügbaren getrennt verpackten Leistungsschaltgeräten unvermeidbar. Um die reduzierte Leistung in Verbindung mit dieser internen Common-Source-Induktivität zu vermeiden, hebt die vorliegende Erfindung die positive Kopplung, die dem Gerät innewohnt, durch Hinzufügen einer externen Gegeninduktivität mit einer entgegengesetzten Kopplung auf. So wie in 5 dargestellt, repräsentieren die Induktivitäten 45 und 46 die innewohnenden Common-Source-Induktivitäten in Verbindung mit der Geräteverpackung. Die vorliegende Erfindung fügt Gegeninduktivitäten 47 und 48 außerhalb, aber in der Nähe, der Geräte 11 bzw. 12 hinzu, wobei die hinzugefügten Induktivitäten in Bezug auf die innewohnende Gegeninduktivität negativ gekoppelt sind (d. h. eine entgegengesetzte Polarität haben). Da das Leistungsschaltgerät typischerweise über eine positive Kopplung des Gate-Signalwegs mit dem Leistungssignalweg verfügt (d. h. die gegenseitige Spannung hat die gleiche Polarität wie der gegenseitige Strom), stellt die hinzugefügte Gegeninduktivität typischerweise eine negative Kopplung bereit, sodass die interne Gegeninduktivität im Wesentlichen oder vollständig aufgehoben wird. Insbesondere ist ein räumliches Verkabelungsmuster des Gate-Signals, das in das getrennte Gerät führt, als ein Schaltkreis ausgelegt, der mit dem Leistungssignalweg auf eine Weise interagiert, die im Wesentlichen zu keiner Nettokopplung zwischen dem Gate-Signalweg und dem Leistungssignalweg führt. So wie hier verwendet, bedeutet im Wesentlichen aufgehoben, dass die Auswirkungen der Gegeninduktivität, die im getrennten Gerät innewohnen, um mehr als etwa 50 % verringert werden.

6 zeigt einen Gate-Schaltkreis 50, der durch eine Leiterplattenvorrichtung 51 bereitgestellt wird, die neben dem getrennten Leistungsschaltgerät 35 in der Nähe von dessen Leistungssignalweg (z. B. Leistungsstifte 41 und 42) angeordnet ist. Die Leiterplattenvorrichtung 51 kann einen Hilfssockel zum Befestigen des Geräts 35 an einer Leiterplatte (PCB) umfassen oder kann zum Beispiel eine besondere Anordnung von leitenden Bahnen auf einer PCB umfassen. Um eine erste Gegeninduktivität des Leistungssignalwegs (z. B. positive Kopplung) im Wesentlichen aufzuheben, ist der Gate-Schaltkreis 50 auf eine Weise ausgelegt, dass eine oder mehrere Wicklungswindungen 52 mit einer Wicklungsrichtung entgegen einem Schaltkreis, gebildet durch den Gate-Signalweg innerhalb der Vorrichtung 35 (zwischen den Gate- und Source-Stiften), der den Leistungssignalweg überlappt, bereitgestellt wird. Ein magnetischer Fluss in den Wicklungswindungen 52 ist als entgegengesetzt zu dem magnetischen Fluss, der intern im Gerät 35 erzeugt wird, und entgegengesetzt zu dem magnetischen Fluss, der durch den Leistungssignalweg erzeugt wird, dargestellt.

Um die gewünschte Wicklungsrichtung entgegengesetzt zur Wicklungsrichtung des innewohnenden, nicht veränderbaren Abschnitts des Gate-Signalwegs innerhalb des Geräts 35 bereitzustellen, kann der Gate-Schaltkreis 50 einen Gate-Anschlusszweig 53, der die Gerätestifte 4042 überspannt, und einen Source-Anschlusszweig 55, der eine Wicklungswindung definiert, die die Geräteleistungsstifte 41 und 42 überspannt, beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform, wenn die Leiterplattenvorrichtung 51 aus einem Hilfssockel besteht, können eine separate Gate-Verbindung 54, die separat vom und seitlich versetzt vom Gate-Stift 40 ist, und eine Kelvin-Source-Verbindung 56, die separat vom und seitlich versetzt vom Source-Stift 42 ist, vom Hilfssockel verlaufen, um die gewünschte Platzierung der Wicklungsschleife 50 zu ermöglichen. Die Verwendung einer Kelvin-Source ist eine bekannte Technik, wobei der beitragende Gate-Strom, der im Geräteausgang auftritt, von dem Hauptleistungsausgangsstrom, der zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen des Geräts fließt, getrennt wird.

7 zeigt magnetischen Fluss in Verbindung mit dem getrennten Leistungsgerät in der vorliegenden Erfindung. Somit wird eine erste magnetische Flussregion 57 durch einen Ausgangsstrom des Geräts entlang des Leistungssignalwegs erzeugt. Eine magnetische Flussregion 58, die durch den internen, innewohnenden Gate-Signalweg innerhalb des Geräts erzeugt wird, hat eine positive Kopplung mit Region 57. Der Gate-Schaltkreis erzeugt eine negativ gekoppelte magnetische Flussregion 59. Durch Konfigurieren des Gate-Schaltkreises dazu, einen magnetischen Fluss mit einer gleichen und entgegengesetzten Kopplung zu erzeugen, erreicht die Erfindung keine Nettogegeninduktivität zwischen dem Gate-Strom und dem Leistungsausgangsstrom, wodurch die Geräteschaltung beschleunigt wird und Schaltverluste reduziert werden.

8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, wobei die Leiterplattenvorrichtung einen Hilfssockel 60 umfasst, der das Gerät 35 aufnehmen kann, und dazu angepasst ist, an einer Leiterplatte 65 über eine Vielzahl von Sockelstiften 6164 befestigt zu sein. Der Hilfssockel 60 verfügt über ein äußeres Profil, das dazu angepasst ist, jeden dreidimensionalen gewünschten Gate-Schaltkreis zu enthalten. Insbesondere kann das Profil zum Beispiel von einer Seite des Geräts 35 versetzt sein. Stift 61 kann ein Gate-Stift sein, Stift 62 kann ein Kelvin-Source-Stift sein und Stift 63 kann ein Ausgangs-Source-Stift sein und Stift 64 kann ein Ausgangs-Drain-Stift sein. Hilfssockel 60 kann eine Ausrichtung haben, die Gerät 35 entweder vertikal oder horizontal in Bezug auf die Ebene von PCB 65 platziert.

9 zeigt eine Draufsicht von Hilfssockel 60, einschließlich einer Gate-Aufnahme 70, einer Drain-Aufnahme 71 und einer Source-Aufnahme 72 zum Aufnehmen eines Gate-Stifts, Drain-Stifts bzw. und Source-Stifts des getrennten Leistungsschaltgeräts. Hilfssockel 60 verfügt über eingebettete Leiter zum Bilden des Gate-Schaltkreises. Die Leiter umfassen einen ersten eingebetteten Leiter 73, der an einem Ende mit Gate-Aufnahme 70 und am anderen Ende mit einer Gate-Stiftverbindung 61a verbunden ist. Ein zweiter eingebetteter Leiter 74 ist zwischen Source-Sockel 72 und einer Kelvin-Source-Stiftverbindung 62a verbunden.

Das Layout der eingebetteten Leiter ist weiter in der Vorderansicht von 10 dargestellt. Leiter 73 verläuft von Stift 61 über etwa 1½ Wicklungen zu einer Gate-Sockelverbindung 70a, und Leiter 74 verläuft von Stift 62 über etwa ½ Wicklung zu einer Kelvin-Source-Verbindung 72a, sodass die Windungsrichtung der gemeinsam gebildeten Wicklungswindungen eine negative Kopplung mit dem Leistungssignalweg erzeugt. 11 ist eine perspektivische Ansicht mit Darstellung der dreidimensionalen Anordnung des eingebetteten Leiters 73 und 74 in größerem Detail. Bevorzugt verfügt der Hilfssockel 60 über einen Hauptkunststoffkörper, der über den eingebetteten Leitern ausgeformt sein kann, oder kann interne Passagen umfassen, in die die Leiter eingeführt werden. Bevorzugt ist Hilfs-Gate-Stift 61 vom Gate-Stift des Leistungsschaltgeräts seitlich versetzt, um es dem Gate-Schaltkreis zu ermöglichen, den Leistungssignalweg so wie dargestellt zu überqueren. Wenn Hilfssockel 60 an PCB 65 befestigt ist, werden die Stifte 61 und 62 mit einem Gate-Treiber (nicht dargestellt) miteinander verbunden, während die Stifte 63 und 64 mit den Eingangs- und Ausgangsschienen des Wechselrichters verbunden werden.

In einer alternativen Ausführungsform besteht die Leiterplattenvorrichtung aus einer Leiterplatte, die leitende Bahnen trägt, die dazu angepasst sind, einen Abschnitt des Leistungssignalwegs und des Gate-Schaltkreises mit einem Layout zu konfigurieren, das die negativ gekoppelte Gegeninduktivität zum Aufheben der ersten Gegeninduktivität an der Platte selbst erzeugt, unabhängig davon, ob ein Sockel für das Leistungsschaltgerät verwendet wird.

So wie in 12 dargestellt, nimmt ein PCB-Substrat 80 (bevorzugt ein mehrschichtiges Substrat) das Leistungsschaltgerät so auf, dass die Geräteanschlussstifte mit einem Gate-Pad 81, Drain-Pad 82 und Source-Pad 83 verbunden sind. Die Leistungsbahnen 84 und 85 sind auf dem Substrat 80 in Reihe mit den Drain- und Source-Pads 82 und 83 angeordnet, wodurch ein Abschnitt des Leistungssignalwegs gebildet wird. Eine Gate-Bahn 86 verläuft vom Gate-Pad 81 zu einer Gate-Treiberschaltung 88, die aus einer integrierten Schaltung, die auch am PCB-Substrat 80 befestigt ist, besteht. Eine Kelvin-Source-Bahn 87 ist am Substrat 80 angebracht und verbindet Source-Pad 83 mit einem entsprechenden Anschluss an der Gate-Treiberschaltung 88. Gate-Bahn 86 und Kelvin-Source-Bahn 87 überschneiden (und sind isoliert von) Leistungsnahmen 84 und 85, um den Gate-Schaltkreis 90 zu bilden, um die negativ gekoppelte Gegeninduktivität zum Aufheben der Common-Source-Induktivität, die im Schaltgerät innewohnt, zu erzeugen. Die Schleifengröße und die Anzahl der Windungen für die Bahnen 86 und 87 ist eingestellt, um eine gewünschte negative Kopplung mit einer Größe bereitzustellen, die ausgewählt wird, um die erste Gegeninduktivität, die an den mit den Pads 8183 verbundenen Gerätestiften zu sehen ist, im Wesentlichen aufzuheben. Ferner besteht die Leiterplatte aus multiplen Schichten, einschließlich leitender und isolierender Schichten, wobei die Bahnen 86 und 87 eine gewünschte Vielzahl von Wicklungsschleifen unter Verwendung der Vielzahl von multiplen Schichten definieren.

In einem weiteren Beispiel, das in 13 dargestellt ist, trägt ein Substrat 91 einen Gate-Schaltkreis 93 mit zusätzlichen Windungen. Eine Gate-Bahn 92 definierte multiple Windungen, wobei eine Durchkontaktierung 94 verschiedene Schichten miteinander verbindet, um verschiedene Abschnitte der multiplen Windungen zu verbinden.