AT523936A4 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines halbleiterschalters - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum steuern eines halbleiterschalters Download PDFInfo
- Publication number
- AT523936A4 AT523936A4 ATA51090/2020A AT510902020A AT523936A4 AT 523936 A4 AT523936 A4 AT 523936A4 AT 510902020 A AT510902020 A AT 510902020A AT 523936 A4 AT523936 A4 AT 523936A4
- Authority
- AT
- Austria
- Prior art keywords
- switch
- circuit
- mode
- semiconductor switch
- turn
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
- H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
- H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
- H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
- H02H7/1203—Circuits independent of the type of conversion
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
- H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
- H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
- H03K17/165—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches by feedback from the output circuit to the control circuit
- H03K17/166—Soft switching
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
Abstract
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalters (T2) mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber (1), der Ein- und Ausschaltsignale (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie Ausschaltsignale (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) bereitstellt. Mithilfe einer Detektionsschaltung (2) wird ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges (dISC/dt) im Leistungskreis detektiert und ein Umschaltsignal (A) an ein zwischen dem Gatetreiber (1) und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) geschaltetes Steuerelement (6) gesendet, das nach Empfang eines Umschaltsignals (A) bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal (AUS) in einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) sendet.
Description
1 51076
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalters mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber, der Ein- und Ausschaltsignale in
einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss
des Halbleiterschalters bereitstellt, sowie Ausschaltsignale für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus bereitstellt, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt als im schnellen Ein- und
Ausschaltmodus, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Leistungsmodul
mit einem in einem Leistungskreis angeordneten
Halbleiterschalter mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber, der ausgelegt ist Ein-
und Ausschaltsignale in einem schnellen Ein- und
Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters bereitzustellen, sowie Ausschaltsignale für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus bereitzustellen, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus, gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 4.
Halbleiterschalter mit einem Gate-Anschluss, wie zum Beispiel Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren
(MOSFETs), werden in einer Vielzahl von Automobil- und
Industrieanwendungen verwendet, wie zum Beispiel in elektrischen Antrieben, Leistungsumrichter oder DC-DCWandler. IGBTs und MOSFETs werden auch als Leistungshalbleiter bezeichnet, und ein Zusammenbau mehrerer Leistungshalbleiter in einem Schaltkreis auch als Leistungsmodul. Ein IGBTLeistungsmodul wäre folglich ein Zusammenbau, der zumindest einen IGBT enthält. Ein Halbleiterschalter fungiert als Schalter und kann zum schnellen Ein- und Ausschalten von
Strömen in einem Leistungskreis verwendet werden.
Der Betrieb eines IGBT und eines MOSFET ist
spannungsgesteuert, wobei der Betrieb auf einer Spannung
des Ausschaltvorganges auf, die beispielsweise auf parasitäre
Induktivitäten im Halbleiterschalter selbst, in Bauelementen eines Spannungszwischenkreises oder auch aufgrund eines Busbars zurückzuführen sind. Diese Überspannungen müssen unterhalb von kritischen Spannungsgrenzen des
Halbleiterschalters liegen, um Beschädigungen des
Halbleiterschalters zu vermeiden,
Daher muss der Gate-Widerstand entsprechend groß gewählt werden, damit beim Ausschaltvorgang der Gate-Strom reduziert und die Abschaltzeit des Halbleiterschalters dadurch erhöht wird. In der Regel werden für den Ein- und Ausschaltvorgang unterschiedliche Gate-Widerstände R verwendet, wobei der GateEinschaltwiderstand Ron für den Einschaltvorgang üblicherweise kleiner ist als der Gate-Ausschaltwiderstand Ross: für den Ausschaltvorgang. Auf diese Weise kann die Schaltgeschwindigkeit beim Ein- und Ausschalten getrennt voneinander gesteuert werden, wobei im ungestörten Betrieb des Halbleiterschalters beim Ausschalten ein Kompromiss zwischen Schaltverzögerung und Bauteilbelastungen einerseits sowie Schaltverlusten andererseits anzustreben ist. Zu geringe Schaltgeschwindigkeiten würden die Effizienz des Leistungsmoduls reduzieren, sodass der Ansteuerkreis auch auf möglichst hohe Schaltgeschwindigkeiten zu optimieren ist. Dieser Betriebsmodus wird im Folgenden auch als schneller Ein- und Ausschaltmodus bezeichnet. Dieser schnelle Ein- und Ausschaltmodus findet vor allem bei ungestörtem Betrieb des
Leistungsmoduls Anwendung.
Neben dem ungestörten Betrieb des Leistungsmoduls kann es
auch zu Störungszuständen kommen, beispielsweise während eines Kurzschlusszustands. In einem solchen Kurzschlusszustand kommt es zu starken Anstiegen des Stroms im Leistungskreis, die den Halbleiterschalter stark belasten
und zu seiner Beschädigung führen können. Besonders kritisch
ist im Kurzschlussfall das Ausschalten des Halbleiterschalters, weil sich zu den Kurzschlussströmen noch die Belastungen aufgrund des Ausschaltens addieren, wobei es zu starken Überspannungen und einer wahrscheinlichen Beschädigung des Halbleiterschalters kommt. Daher ist es auch bekannt Gatetreiber mit Schutzschaltungen zu versehen, die zumeist anhand der Kollektor-Emitter-Spannung einen Kurzschluss im Leistungskreis detektieren und ein sofortiges Abschalten des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus veranlassen, bei dem ein langsames Ausschalten
des Halbleiterschalters erfolgt. Dieser langsame
Ausschaltmodus wird auch als „soft turn-off, STO“ bezeichnet und kann etwa mithilfe eines Gate-STO-Widerstandes Rero erfolgen, der noch größer ist als der Gate-Ausschaltwiderstand
Rose, der für ein Ausschalten des Halbleiterschalters im
schnellen Ausschaltmodus vorgesehen ist. Die Detektion des
Kurzschlusses im Leistungskreis erfolgt beispielsweise
mithilfe eines Schaltungspfades, der die Kollektor-Emitter-
Spannung überwacht. Dazu werden üblicherweise Widerstandsteiler und Hochspannungsdioden verwendet. Bei Detektion eines Kurzschlusses im Leistungskreis initiiert der Schaltungspfad in weiterer Folge einen langsamen Ausschaltmodus etwa durch Beschalten des Gate-Anschlusses über einen hohen Gate-STO-Widerstand Rsro. Diese Widerstandsteiler und Hochspannungsdioden stellen jedoch zusätzliche Komponenten mit entsprechendem Platzbedarf dar und bringen Verzögerungen sowie eine vergleichsweise starke Temperaturabhängigkeit ein, die beim Design des Gatetreibers zu berücksichtigen sind. Zudem zeigt sich, dass das Ansprechverhalten herkömmlicher Schutzschaltungen mitunter zu langsam ist, sodass der
Gatetreiber noch ein schnelles Ausschalten des
Halbleiterschalters im schnellen Ausschaltmodus veranlasst,
obwohl bereits ein Kurzschluss vorliegt, der aber von der
stark belastet und zumeist beschädigt.
Es besteht das Ziel der Erfindung daher darin einen
Überstromschutz für Halbleiterschalter zu verwirklichen, mit dem der Halbleiterschalter zuverlässig vor Beschädigungen beispielsweise durch Abschaltüberspannungen geschützt werden
Kann.
Dieses Ziel wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und eine
Vorrichtung nach Anspruch 4 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalters mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber, der
Ein- und Ausschaltsignale in einem schnellen Ein- und
Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters
bereitstellt, sowie Ausschaltsignale für den Gate-Anschluss
des Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus
bereitstellt, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein
langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt als im
schnellen Ein- und Ausschaltmodus. Erfindungsgemäß wird
hierbei vorgeschlagen, dass mithilfe einer Detektionsschaltung
ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges im Leistungskreis detektiert wird, und bei detektierter Überschreitung eines für einen Kurzschluss charakteristischen Stromanstieges von der Detektionsschaltung ein Umschaltsignal an ein zwischen dem Gatetreiber und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters geschaltetes Steuerelement gesendet wird, das vom Gatetreiber mit den Ein-
und Ausschaltsignalen in einem schnellen Ein- und
Ausschaltmodus sowie mit dem Ausschaltsignal in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt wird, wobei das Steuerelement nach Empfang eines Umschaltsignals bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal in einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters
anlegt.
des Stromanstieges, also der Stromänderungen innerhalb
vorgegebener Zeitintervalle, im Leistungskreis detektiert und ein Umschaltsignal für ein langsames Ausschalten des Halbleiterschalters generiert. Das Umschaltsignal wird allerdings nicht direkt an den Gate-Anschluss gesendet, sondern an ein zwischen dem Gatetreiber und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters geschaltetes Steuerelement, das auch die Ein- und Ausschaltsignale des Gatetreibers erhält. Das Steuerelement koordiniert das Ausschalten des Halbleiterschalters, indem es bei Vorliegen eines Umschaltsignals der Detektionsschaltung das Ausschalten des
Halbleiterschalters erst dann veranlasst, wenn das nächste
Ausschaltsignal vom Gatetreiber eintrifft. Auf diese Weise
wird ein Nachteil herkömmlicher Schutzschaltungen vermieden,
bei denen eine Schutzschaltung in der Regel einen alternativen
und mit dem Gatetreiber unkoordinierten Abschaltpfad für den
Gate-Anschluss bereitstellt, wie er im obigen Beispiel durch den Schaltungspfad zur Detektion des Kurzschlusses und der Einleitung des langsamen Ausschaltens gegeben ist. Im Falle zweier alternativer und unkoordinierter Abschaltpfade kann es
noch zu einem schnellen Ausschalten des Halbleiterschalters
kommen, obwohl bereits ein Kurzschluss vorliegt, der aber entweder noch nicht detektiert wurde, oder der zwar detektiert wurde, aber das Signal für das langsame Ausschalten des Halbleiterschalters noch nicht gesetzt wurde. Erfindungsgemäß wird hingegen sichergestellt, dass nur ein einziger Abschaltpfad für das Ausschalten des Halbleiterschalters vorliegt, nämlich der Abschaltpfad zwischen dem Steuerelement und dem Gate-Anschluss, über den das Steuerelement das Ausschalten des Halbleiterschalters vornimmt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kurzschlussdetektion über den Stromanstieg ermöglicht dabei auch ein rascheres Ansprechverhalten der Detektionsschaltung als bei der in herkömmlicher Weise herangezogenen Messung der Kollektorspannung. Der Stromanstieg im Leistungskreis kann etwa mithilfe einer induktiven Kopplung gemessen werden, wobei ein zur Stromänderung proportionaler Spannungswert generiert
wird, wie noch näher ausgeführt werden wird.
Umschaltsignals durch die Detektionsschaltung bei
Stromänderungen im Leistungskreis während einer für
Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters
charakteristischen Zeitperiode unterbleibt. Diese
Vorgangsweise erhöht die Stabilität und die Effizienz der
erfindungsgemäßen Schutzschaltung, wie zu Anspruch 5 noch
näher ausgeführt werden wird.
Anspruch 4 bezieht sich auf ein Leistungsmodul mit einem in
einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalter mit einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber, der ausgelegt ist Ein- und Ausschaltsignale in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss
des Halbleiterschalters bereitzustellen, sowie
Ausschaltsignale für den Gate-Anschluss des
Halbleiterschalters in einem langsamen Ausschaltmodus bereitzustellen, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters erfolgt als im
schnellen Ein- und Ausschaltmodus. Erfindungsgemäß wird
hierbei vorgeschlagen, dass eine Detektionsschaltung und ein zwischen dem Gatetreiber und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters geschaltetes und mit den Ein- und Ausschaltsignalen in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie mit den Ausschaltsignalen in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagtes Steuerelement vorgesehen sind, wobei die Detektionsschaltung ausgelegt ist ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges im Leistungskreis zu detektieren und bei detektierter Überschreitung eines für einen Kurzschluss charakteristischen Stromanstieges ein Umschaltsignal an das Steuerelement zu senden, und das Steuerelement ausgelegt ist
nach Empfang eines Umschaltsignals von der Detektionsschaltung
bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal in einem
schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss des
Halbleiterschalters anzulegen.
Um die Stabilität und Effizienz des Leistungsmoduls zu erhöhen
wird ferner vorgeschlagen, dass die Detektionsschaltung eine
71728
umfasst, wobei die Sensorschaltung ausgelegt ist ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges im Leistungskreis zu detektieren und ein Detektionssignal zu generieren, der Filter ausgelegt ist bei
Stromänderungen im Leistungskreis während einer für g g
Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters
charakteristischen Zeitperiode die Weiterleitung eines
Detektionssignal zu unterbinden, und das Auslöseschaltglied ausgelegt ist ein weitergeleitetes Detektionssignal mit einem vorgegebenen Schwellwert, der charakteristisch für das Vorliegen eines Kurzschlusses im Leistungskreis ist, zu vergleichen und bei Überschreiten des Schwellwertes das Umschaltsignal zu generieren und an das Steuerelement zu
senden.
Die Sensorschaltung kann etwa als induktiv gekoppeltes Element, beispielsweise als Drossel, zur Generierung eines zur Stromänderung proportionalen und als Detektionssignal herangezogenen Spannungswertes ausgeführt sein. Die Drossel ist hierfür in der Nähe des zu messenden Stromes angeordnet, um über die Kopplungsinduktivität einen Spannungswert zu generieren, der proportional zur Stromänderung ist und als
Detektionssignal herangezogen wird.
Der Betrieb von Leistungsschaltern wie IGBTs ist aber auch mit vorübergehenden und sehr kurzzeitigen Transient-ÜberstromZuständen verbunden, die im Zuge des Ein- und Ausschaltens des Halbleiterschalters entstehen. Während dieser TransientÜberstrom-Zustände kann es auch zu kurzfristigen Stromspitzen kommen, die aber zu kurz sind um zu einer Schädigung des Halbleiterschalters führen zu können. Die mit diesen Transient-Überstrom-Zuständen verbundenen Zeitperioden werden mitunter auch als „blanking time“ bezeichnet und liegen im Bereich von einigen Hundert Nanosekunden. Im Rahmen der Erfindung kann die Stabilität und die Effizienz der Überspannungsschutzschaltung verbessert werden, indem solche kurzfristigen Stromspitzen, die auf Schaltzustandsänderungen der Halbleiterschalter zurückzuführen sind, nicht
berücksichtigt werden. Das wird durch die Anwendung des oben
genannten Filters erreicht, der ausgelegt ist bei Stromänderungen im Leistungskreis während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters charakteristischen Zeitperiode die Weiterleitung eines Detektionssignal zu unterbinden. Bei den genannten
Stromänderungen im Leistungskreis während
Schaltzustandsänderungen handelt es sich um die oben erwähnten Stromspitzen in Transient-Überstrom-Zuständen, die auf
Schaltvorgänge der Halbleiterschalter zurückzuführen sind.
Das Auslöseschaltglied vergleicht ein weitergeleitetes Detektionssignal mit einem vorgegebenen Schwellwert, der
charakteristisch für das Vorliegen eines Kurzschlusses im
Leistungskreis ist, und generiert bei Überschreiten des Schwellwertes das Umschaltsignal und sendet das Umschaltsignal
an das Steuerelement.
Das Steuerelement kann als Multiplexer ausgeführt sein, der an einem ersten Eingang mit den Ein- und Ausschaltsignalen des Gatetreibers für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus beaufschlagt ist, an einem zweiten Eingang mit dem Ausschaltsignal des Gatetreibers für einen langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt ist und an einem dritten Eingang mit dem Umschaltsignal der Detektionsschaltung beaufschlagt ist, und über einen Ausgang mit dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters verbunden ist. Falls kein Umschaltsignal am dritten Eingang des Multiplexers vorliegt, wird das Einund Ausschalten des Halbleiterschalters gemäß den empfangenen Ein- und Ausschaltsignalen des Gatetreibers am ersten Eingang des Multiplexers in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus veranlasst. Mit anderen Worten werden vom Steuerelement bei fehlendem Umschaltsignal am dritten Eingang des Multiplexers stets die Ein- und Ausschaltsignale des Gatetreibers am ersten Eingang des Multiplexers für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss durchgeleitet, und nicht das ebenfalls am zweiten Eingang des Multiplexers anliegende Ausschaltsignal des Gatetreibers für einen langsamen Ausschaltmodus. Falls hingegen ein Umschaltsignal am dritten Eingang des Multiplexers vorliegt, wird vom Steuerelement bei
Empfang eines Ausschaltsignals vom Gatetreiber am ersten
Eingang des Multiplexers nicht das Ausschaltsignal des Gatetreibers für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss durchgeleitet, sondern das am zweiten Eingang des Multiplexers ebenfalls anliegende Ausschaltsignal
des Gatetreibers für einen langsamen Ausschaltmodus. Das
Steuerelement veranlasst somit bei Vorliegen eines
Umschaltsignals der Detektionsschaltung 2 am dritten Eingang
des Multiplexers das Ausschalten des Halbleiterschalters in
einem langsamen Ausschaltmodus erst dann, wenn das nächste
Ausschaltsignal vom Gatetreiber 1 am ersten Eingang des
Multiplexers eintrifft.
Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand der beiliegenden
Zeichnungen mithilfe von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen hierbei die
Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung des Ein- und
Ausschaltverhaltens eines Halbleiterschalters,
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Einund Ausschaltverhaltens des Halbleiterschalters T2 der Fig. 1 anhand der Kollektor-Emitter-Spannung Ucgz2 und des
Kollektorstroms Ice,
Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens eines Halbleiterschalters im
Kurzschlussfall,
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Einund Ausschaltverhaltens des Halbleiterschalters T2 der Fig. 3 anhand der Kollektor-Emitter-Spannung Ucz2 und des Kollektorstroms Ic» im Kurzschlussfall für kleine
Kurzschlussimpedanzen (Fig. 4a) und für sehr kleine
Kurzschlussimpedanzen (Fig. 4b),
Fig. 5 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Schutzschaltung gegen Überspannungen im Kurzschussfall gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer
möglichen Ausfallsituation für einen Halbleiterschalter im
Zuge des Ausschaltens im Kurzschlussfall bei einer
Schutzschaltung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 7 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung gegen Überspannungen,
Fig. 8 ein weiteres Schaltbild zur Erläuterung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung gegen
Überspannungen, und die
Fig. 9 eine zur Fig. 6 analoge Darstellung zur Erläuterung des
Ausschaltvorganges für einen Halbleiterschalter im
Kurzschlussfall bei einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung
zur Vermeidung einer möglichen Ausfallsituation.
Zunächst wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, wobei die Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltverhaltens eines Halbleiterschalters T1, T2 zeigt, und die Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
des Ein- und Ausschaltverhaltens des Halbleiterschalters T2
der Fig. 1 anhand der Kollektor-Emitter-Spannung Uczg2 und des Kollektorstroms Ic2. Das Schaltbild der Fig. 1 zeigt die Anordnung zweier Halbleiterschalter T1 und T2 als Halbbrücke, wie sie üblicherweise beispielsweise in Leistungsumrichter verwendet wird. In der gezeigten Ausführungsform sind die Halbleiterschalter T1 und T2 als IGBTs ausgeführt. Die rechte Seite des Schaltbildes der Fig. 1 zeigt den Leistungskreis mit der Zwischenkreisspannung Up und dem Laststrom Ip. Die parasitären Induktivitäten des Leistungskreises werden durch die eingezeichnete Induktivität L,; symbolisiert. Die linke
Seite des Schaltbildes der Fig. 1 zeigt den Ansteuerkreis für
den Gate-Anschluss des unteren Halbleiterschalters T2 mit der Gate-Spannung Us und dem Gate-Einschaltwiderstand Ron für den Einschaltvorgang des unteren Halbleiterschalters T2 und dem Gate-Ausschaltwiderstand Ror£ für den Ausschaltvorgang, wobei der Einschaltwiderstand Ron für den Einschaltvorgang meist kleiner ist als der Gate-Ausschaltwiderstand Rorr: für den Ausschaltvorgang. Freilich ist auch der obere Halbleiterschalter T1 mit einem analogen Ansteuerkreis versehen, der aber aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Fig. 1 nicht eingezeichnet ist. Die Gate-Spannung Us wird von einem in der Fig. 1 nicht eingezeichneten Gatetreiber 1 (siehe hierzu etwa Fig. 4 oder Fig. 7-9) erzeugt, um den
unteren Halbleiterschalter T2 einzuschalten oder
| 11
auszuschalten. Über die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis kann gemeinsam mit dem oberen Halbleiterschalter T1 eine Zwischenkreisspannung Ucs geformt werden, um eine in der Fig. 1 nicht gezeigte Eingangsspannung in eine andere Ausgangsspannung umzuwandeln. Auch der Schaltweg über den Gate-Einschaltwiderstand Ron für den Einschaltvorgang oder den Gate-Ausschaltwiderstand Rofr£: für den Ausschaltvorgang wird
vom Gatetreiber 1 entsprechend ausgewählt.
In der Fig. 2 ist das Ein- und Ausschaltverhalten des Halbleiterschalters T2 der Fig. 1 anhand der KollektorEmitter-Spannung Uecrs2 und des Kollektorstroms Icz2 dargestellt. Im Zuge des Einschaltvorganges „EIN“ wird eine Gate-Spannung Us an den Gate-Anschluss angelegt. Dadurch beginnt ein Kollektorstrom Ic zu fließen, der aufgrund der Last auf den Laststrom Ip begrenzt ist. Die Kollektor-Emitter-Spannung Ucg2 fällt von einem durch die Zwischenkreisspannung Up, gegebenen Wert auf ein Durchlassniveau ab. Die Fig. 2 zeigt dabei zwei Effekte, die beim realen Betrieb von IGBTs auftreten. Zum einen verursacht der Stromanstieg des Kollektorstroms Ic2 beim
Einschalten an der parasitären Induktivität Lo; einen
Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Spannung Uczm2 des
Halbleiterschalters T2. Wird die parasitäre Induktivität Lg nicht berücksichtigt, bleibt die Kollektor-Emitter-Spannung Ucz2 während des Stromanstiegs des Kollektorstroms Ic? wie in der Fig. 2 strichliert angedeutet unverändert. Zum anderen tritt beim Abfall der Kollektor-Emitter-Spannung Ucze2 vom Zwischenniveau auf das Durchlassniveau eine Stromspitze im Kollektorstrom Ic, auf, bevor der Kollektorstrom Ic2 den lastbedingten Wert des Laststroms Ip einnimmt. Diese TransientÜberstrom-Zustände sind aber zu kurz um zu einer Schädigung
des Halbleiterschalters führen zu können.
Im Zuge des Ausschaltvorganges „AUS“ wird die Gate-Spannung Us auf Null oder auf negative Werte gesetzt, wodurch sich der Halbleiterschalter T2 über den Gate-Widerstand Rofs£ entlädt. Der Kollektorstrom Ic» fällt auf Null ab, und die KollektorEmitter-Spannung Uczg2 steigt wieder auf den durch die Zwischenkreisspannung Up» gegebenen Wert an. Wie der Fig. 2
entnommen werden kann, treten dabei aufgrund der parasitären
Induktivität L7 Spannungsspitzen in Form von Überspannungen Uov auf, die proportional zur Höhe der parasitären Induktivität Lo und der Stärke der Stromänderung dIe2/dt des Kollektorstroms Ic, sind. Diese Überspannungen Uowv müssen kleiner als ein
kritischer Grenzwert Ucrmmax Für die Kollektor-Emitter-Spannung
Ucz2 sein, andernfalls sind Beschädigungen des
| Halbleiterschalters T2 wahrscheinlich. Die Überspannungen Uov können durch ein langsameres Entladen des Halbleiterschalters T2 reduziert werden, was durch einen höheren Gate-Widerstand Rors erreicht werden kann. Dadurch erhöhen sich wiederum die Schaltverluste, sodass bei der Auslegung des Halbleiterschalters T2 und seines Ansteuerkreises in herkömmlicher Weise ein Kompromiss zwischen den auftretenden Überspannungen Uovy und den Schaltverlusten gefunden werden
MUSS.
In weiterer Folge wird auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen,
wobei die Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung des Ein- und
Ausschaltverhaltens des Halbleiterschalters T2 im Kurzschlussfall SC zeigt, und anhand der Fig. 4 das Ein- und Ausschaltverhalten des Halbleiterschalters T2 der Fig. 3 anhand der Kollektor-Emitter-Spannung Ucz2 und des Kollektorstroms Ic2 im Kurzschlussfall SC für kleinere parasitäre Induktivitäten (Fig. 4a) und für sehr kleine parasitäre Induktivitäten (Fig. 4b) erläutert werden soll. Im
Kurzschlussfall SC fließt im Leistungskreis ein
Kurzschlussstrom Isc mit einer Stromänderung dIsec/dt, die stark von der Kurzschlussinduktivität Lsc („Verdrahtungsinduktivität“) abhängig ist, wie in den Fig. 4a und 4b ersichtlich ist. In der Fig. 4a ist zunächst ein Kurzschlussfall SC gezeigt, bei der der Kollektorstrom Le? sowie die Kollektor-Emitter-Spannung Ucz2 aufgrund des Kurzschlusses ansteigen, der Halbleiterschalter T2 aber noch keinen Entsättigungszustand erreicht, wodurch eine auf Kollektor-Emitter-Spannungsmessung basierende Schutzschaltung noch nicht ansprechen würde. In der Fig. 4b steigt der Kollektorstrom Ic» so stark an, dass der Halbleiterschalters T2 rasch in die Entsättigung getrieben wird und die KollektorEmitter-Spannung Uecr2 überhaupt nicht mehr auf ihr
Durchlassniveau absinkt, sondern auf einem höheren Wert
verbleibt. Wird der Halbleiterschalter T2 in weiterer Folge ausgeschaltet, ergeben sich in beiden Fällen starke Überspannungen Uov, die ohne weitere Maßnahmen oberhalb des kritischen Grenzwertes Ucmax für die Kollektor-Emitter-Spannung Ucm2 Liegen und zu Beschädigungen des Halbleiterschalters T2
führen können.
Daher wurden Schutzschaltungen vorgeschlagen, die das Auftreten starker Überspannungen Uov, die zum Ausfall des Halbleiterschalters T2 führen können, vermeiden sollen. In der Fig. 5 ist eine mögliche Ausführung einer solchen Schutzschaltung gezeigt, wie sie im Stand der Technik vorgeschlagen wurde. Schutzschaltungen dieser Art detektieren
die oben erwähnte Entsättigung („Desaturation“) im
Halbleiterschalter T2 durch eine Überwachung der Kollektor-
Emitter-Spannung Ucz2. Falls bei eingeschaltetem
Halbleiterschalter T2 Spannungswerte für die Kollektor-
Emitter-Spannung Ucs2 gemessen werden, die deutlich oberhalb des erwarteten Durchlassniveaus liegen, wird von einer Entsättigung des Halbleiterschalters T2 und somit von einem Kurzschluss im Leistungskreis ausgegangen und ein langsames Ausschalten des Halbleiterschalters T2 veranlasst. Schutzschaltungen dieser Art werden daher auch als „Desaturation detection“, „Desat-Detektion“ oder „Entsättigungsüberwachung“ bezeichnet. Das langsame Ausschalten wird in der Fig. 5 als „soft turn-off“ oder „STO“
bezeichnet und kann etwa mithilfe eines Gate-STO-Widerstandes
Rszo erfolgen, der noch größer ist als der Gate-
Ausschaltwiderstand Ross, der für ein Ausschalten des Halbleiterschalters im schnellen Ausschaltmodus durch den Gatetreiber 1 vorgesehen ist. Wie in der Fig. 5 angedeutet ist, erfolgt die Detektion der Entsättigung beispielsweise mithilfe eines Schaltungspfades zwischen Kollektor und Emitter des Halbleiterschalters T2, der als Spannungsteiler die Kollektorspannung überwacht und in der Regel mithilfe eines
Widerstandnetzwerkes und Hochspannungsdioden verwirklicht
wird. Wie bereits erwähnt wurde, stellen diese Hochspannungsdioden jedoch teure Komponenten mit entsprechendem Platzbedarf dar und bringen Verzögerungen sowie
eine vergleichsweise starke Temperaturabhängigkeit ein, die
beim Design des Gatetreibers 1 zu berücksichtigen sind. Zudem zeigt sich, dass das Ansprechverhalten herkömmlicher Schutzschaltungen mitunter zu langsam ist, sodass es vorkommen kann, dass der Gatetreiber 1 noch ein schnelles Ausschalten des Halbleiterschalters T2 im schnellen Ausschaltmodus
veranlasst, obwohl bereits ein Kurzschluss vorliegt, der aber
von der Entsättigungsüberwachung noch nicht detektiert wurde und daher auch noch kein langsames Ausschalten eingeleitet werden konnte. Zudem kann es auch sein, dass zwar ein Kurzschluss vorliegt, der Halbleiterschalter T2 aber noch
nicht in die Entsättigung getrieben wurde, wie in der Fig. 4a
gezeigt wurde. Der Halbleiterschalter T2 wird in diesen Fällen durch Überspannungen Uov stark belastet und zumeist beschädigt,
wie auch anhand der Fig. 6 erläutert werden soll.
Die Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung
einer möglichen Ausfallsituation für einen Halbleiterschalter
T2 im Zuge des Ausschaltens im Kurzschlussfall SC bei einer
Entsättigungsüberwachung gemäß dem Stand der Technik. Im Kurzschlussfall SC steigen nach dem Einschalten des Halbleiterschalters T2 (siehe „EIN“ im untersten Bild „Schaltzustand T2“ der Fig. 6) der Kollektorstrom Ic? (oberstes
Bild der Fig. 6) sowie die Kollektor-Emitter-Spannung Ucg2 (zweites Bild der Fig. 6) aufgrund des Kurzschlusses analog zur Fig. 4a an, der Halbleiterschalter T2 erreicht aber noch keinen Entsättigungszustand. Die Entsättigungsüberwachung spricht daher noch nicht an, wie im dritten Bild der Fig. 6 („Desat Det.“) gezeigt ist, sodass auch der langsame Ausschaltmodus noch nicht veranlasst wird (siehe „STO“ im vierten Bild der Fig. 6). Wird der Halbleiterschalter T2 in
diesem Zeitbereich ausgeschaltet (siehe „AUS“ im untersten Bild der Fig. 6), ergibt sich eine starke Überspannung Uov, die oberhalb des kritischen Grenzwertes Ucmax für die KollektorEmitter-Spannung Ucm2 Liegt und zu Beschädigungen des Halbleiterschalters T2 führen kann, wie im zweiten Bild der
Fig. 6 durch den Pfeil angedeutet ist.
Daher wird erfindungsgemäß eine verbessere Schutzschaltung für den Kurzschlussfall SC vorgeschlagen, wie in weiterer Folge
anhand der Fig. 7-9 erläutert werden soll. Die Fig. 7 und 8
zeigen dabei eine Schaltung eines Leistungsmoduls mit einem in
einem Leistungskreis angeordneten oberen Halbleiterschalter T1 und einem unteren Halbleiterschalter T2 mit jeweils einem Gate-Anschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten
Gatetreiber 1, der in den Fig. 7 und 8 nur für den unteren
Halbleiterschalter T2 eingezeichnet ist. Der Gatetreiber 1 stellt Ein- und Ausschaltsignale EIN/AUS für den GateAnschluss in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus und Ausschaltsignale STO in einem langsamen Ausschaltmodus für ein langsameres Ausschalten des Halbleiterschalters T2 als im schnellen Ein- und Ausschaltmodus bereit. Des Weiteren ist eine Detektionsschaltung 2 und ein zwischen dem Gatetreiber 1 und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters T2 geschaltetes Steuerelement 6 vorgesehen, das mit den Ein- und Ausschaltsignalen EIN/AUS des Gatetreibers 1 in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus und mit dem Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt wird. Die Detektionsschaltung 2 umfasst eine Sensorschaltung 3, einen Filter 4 und ein Auslöseschaltglied 5, wobei die Sensorschaltung 3 Stromänderungen dI/dt im Leistungskreis detektiert und ein Detektionssignal D
generiert. Die Sensorschaltung 3 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel mithilfe induktiver Kopplung, die in der Nähe des zu messenden Stromes angeordnet ist, verwirklicht, um über die Kopplungsinduktivität einen Spannungswert zu generieren, der proportional zur Stromänderung dI/dt ist und als Detektionssignal D herangezogen wird. Das Detektionssignal D der Sensorschaltung 3 wird als rohes Detektionssignal Dj; einem Filter 4 zugeführt, der rohe Detektionssignale Dj, die während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters T2 charakteristischen Zeitperiode
stattfinden und auf Schaltzustandsänderungen der
Halbleiterschalter T1, T2 zurückzuführen sind, unterdrückt und nur gefilterte Detektionssignale D, für Stromänderungen dIse/dt im Leistungskreis, die nicht auf Schaltzustandsänderungen der Halbleiterschalter T1, T2 zurückzuführen sind, an das Auslöseschaltglied 5 weiterleitet. Wie bereits erwähnt wurde ist der Betrieb der Halbleiterschalter T1, T2 mit
vorübergehenden Transient-Überstrom-Zuständen verbunden, die
im Zuge des Ein- und Ausschaltens der Halbleiterschalter TI1, T2 entstehen. Die Zeitperioden dieser Transient-ÜberstromZustände sind aber sehr kurz und liegen etwa im Bereich von 100-500ns. Der Filter 4 ist so konfiguriert, dass er Stromänderungen dI/dt, die sich innerhalb einer solchen kurzen
Zeitperiode vollziehen, vernachlässigt und nur Stromänderungen
dIse/dt, die innerhalb einer zumindest doppelt so langen Zeitperiode auftreten, berücksichtigt. Auf diese Weise können die Stabilität und die Effizienz der Schutzschaltung sehr
verbessert werden.
Die solchermaßen gefilterten Detektionssignale D,» für Stromänderungen dIse/dt im Leistungskreis, die nicht auf
Schaltzustandsänderungen der Halbleiterschalter T1, T2
zurückzuführen sind, werden an das Auslöseschaltglied 5 weitergeleitet. Das Auslöseschaltglied 5 vergleicht das gefilterte Detektionssignal D;, mit einem vorgegebenen Schwellwert, der charakteristisch für das Vorliegen eines Kurzschlusses im Leistungskreis ist. Falls der Schwellwert überschritten wird, erfolgt eine Generierung eines Umschaltsignals A, das an das Steuerelement 6 gesendet wird. Falls der Schwellwert nicht überschritten wird, erfolgt keine
Generierung eines solchen Umschaltsignals A.
Das Umschaltsignal A wird somit nicht direkt an den GateAnschluss des Halbleiterschalters T2 gesendet, sondern an das zwischen dem Gatetreiber 1 und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters T2 geschaltete Steuerelement 6, das auch die Ein- und Ausschaltsignale EIN/AUS des Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus und das Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen langsamen Ausschaltmodus erhält. Das Steuerelement 6 koordiniert das
Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters T2 nun wie folgt:
Falls kein Umschaltsignal A vorliegt, wird das Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters T2 gemäß den empfangenen Ein- und Ausschaltsignalen EIN/AUS des Gatetreibers 1 in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus veranlasst. Mit anderen Worten werden vom Steuerelement 6 bei fehlendem Umschaltsignal A stets die Ein- und Ausschaltsignale EIN/AUS des Gatetreibers
1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-
Anschluss durchgeleitet, und nicht das ebenfalls anliegende Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen langsamen Ausschaltmodus. Falls hingegen ein Umschaltsignal A vorliegt, wird vom Steuerelement 6 bei Empfang eines Ausschaltsignals AUS vom Gatetreiber 1 nicht das Ausschaltsignal AUS des
Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an
den Gate-Anschluss durchgeleitet, sondern das ebenfalls anliegende Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen langsamen Ausschaltmodus. Das Steuerelement 6 veranlasst somit bei Vorliegen eines Umschaltsignals A der Detektionsschaltung 2 das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 in einem langsamen Ausschaltmodus erst dann, wenn das nächste
Ausschaltsignal AUS vom Gatetreiber 1 eintrifft.
Das Steuerelement kann hierfür beispielsweise als Multiplexer ausgeführt sein, der an einem ersten Eingang mit den Ein- und Ausschaltsignalen EIN/AUS des Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus beaufschlagt ist, an einem zweiten Eingang mit dem Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1
für einen langsamen Ausschaltmodus und an einem dritten
Eingang mit dem Umschaltsignal A der Detektionsschaltung 2.
Der Multiplexer weist ferner einen Ausgang auf, mit dem er mit
dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters T2 verbunden ist.
Auf diese Weise wird ein Nachteil herkömmlicher Schutzschaltungen vermieden, bei denen eine Schutzschaltung in
der Regel einen alternativen Abschaltpfad für den Gate-
Anschluss bereitstellt. Im Falle zweier alternativer und unkoordinierter Abschaltpfade kann es noch zu einem schnellen Ausschalten des Halbleiterschalters T2 kommen, obwohl bereits ein Kurzschluss vorliegt, der aber entweder noch nicht detektiert wurde, oder der zwar detektiert wurde, aber das Signal für das langsame Ausschalten des Halbleiterschalters T2 noch nicht gesetzt wurde. Erfindungsgemäß wird hingegen sichergestellt, dass nur ein einziger Abschaltpfad für das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 vorliegt, nämlich der
Abschaltpfad zwischen dem Steuerelement 6 und dem Gate-
Anschluss, über den das Steuerelement 6 das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 koordiniert. Die erfindungsgemäß
vorgeschlagene Kurzschlussdetektion über den Stromanstieg
dIse/dt ermöglicht dabei auch ein rascheres Ansprechverhalten der Detektionsschaltung als bei der in herkömmlicher Weise
herangezogenen Messung der Kollektorspannung.
Anhand der Fig. 9 wird erläutert, wie mithilfe der
erfindungsgemäßen Schutzschaltung mögliche Ausfallsituationen
für einen Halbleiterschalter T2 im Zuge des Ausschaltens im
Kurzschlussfall SC vermieden werden. Im Kurzschlussfall SC
steigen nach dem Einschalten des Halbleiterschalters T2 (siehe „BIN“ im untersten Bild „Schaltzustand T2“ der Fig. 9) der
Kollektorstrom Ic2 (oberstes Bild der Fig. 9) sowie die
Kollektor-Emitter-Spannung Uecs2 (zweites Bild der Fig. 9) des leitenden Schalters aufgrund des Kurzschlusses analog zur Fig. 6 an. Die Schutzschaltung spricht aufgrund des Filters 4 zunächst noch nicht an, wie anhand des Umschaltsignals A im
dritten Bild der Fig. 9 gezeigt ist, sodass auch der langsame
Ausschaltmodus noch nicht veranlasst wird (siehe „STO“ im
vierten Bild der Fig. 9). Im Unterschied zur herkömmlichen
Entsättigungsüberwachung ist aber das Vorliegen einer Entsättigung des Halbleiterschalters T2 keine Voraussetzung für das Ansprechen der Schutzschaltung mehr. Stattdessen spricht die Detektionsschaltung 2 bereits früher an, nämlich wenn die anhand des gefilterten Detektionssignals D, detektierten Stromänderungen dIsce/dt im Leistungskreis den vorgegebenen Schwellwert überschritten haben. Das Auslöseschaltglied 5 generiert in diesem Fall ein Umschaltsignal A (siehe „A“ im dritten Bild der Fig. 9) und sendet es an das Steuerelement 6, das aber noch kein Ausschalten des Halbleiterschalters T2 in einem langsamen Ausschaltmodus veranlasst (vgl. Bild 2 der Fig. 9). Der langsame Ausschaltmodus wurde aber gewissermaßen bereits
vorbereitet, wie Bild 4 („STO“) der Fig. 9 illustrieren soll.
Bei Empfang eines Ausschaltsignals AUS vom Gatetreiber 1 (siehe „AUS“ im untersten Bild der Fig. 6) wird vom Steuerelement 6 nun aufgrund des Vorliegens des Umschaltsignals A nicht das Ausschaltsignal AUS des Gatetreibers 1 für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss durchgeleitet, sondern das ebenfalls
anliegende Ausschaltsignal STO des Gatetreibers 1 für einen
langsamen Ausschaltmodus. Das Steuerelement 6 veranlasst somit das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 in einem langsamen Ausschaltmodus, sodass Überspannungen Uov, die oberhalb des kritischen Grenzwertes Ucrmax für die Kollektor-Emitter-Spannung Uczm2 liegen würden und zu Beschädigungen des Halbleiterschalters T2 führen könnten, vermieden werden (siehe
zweites Bild der Fig. 9 „Uce2“).
Mithilfe der Erfindung wird somit ein Überspannungsschutz für Halbleiterschalter T1, T2 verwirklicht, mit dem die
Halbleiterschalter Tl, T2 zuverlässig vor Beschädigungen durch
Kurzschlüsse geschützt werden können.
Claims (7)
1. Verfahren zum Steuern eines in einem Leistungskreis
angeordneten Halbleiterschalters (T2) mit einem GateAnschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten
Gatetreiber (1), der Ein- und Ausschaltsignale (EIN/AUS)
in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den GateAnschluss des Halbleiterschalters (T2) bereitstellt,
sowie Ausschaltsignale (STO) für den Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) in einem langsamen Ausschaltmodus bereitstellt, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des
Halbleiterschalters (T2) erfolgt als im schnellen Ein- und
Ausschaltmodus, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe einer Detektionsschaltung (2) ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges (dIse/dt) im Leistungskreis detektiert wird, und bei detektierter Überschreitung eines für einen Kurzschluss cCharakteristischen Stromanstieges (dIse/dt) von der Detektionsschaltung (2) ein Umschaltsignal (A) an ein zwischen dem Gatetreiber (1) und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) geschaltetes Steuerelement (6) gesendet wird, das vom Gatetreiber (1) mit den Ein- und Ausschaltsignalen (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie mit dem Ausschaltsignal (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt wird, wobei das Steuerelement (6) nach Empfang eines Umschaltsignals (A)
bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal (AUS) in
einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss
des Halbleiterschalters (T2) anlegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Senden eines Umschaltsignals (A) durch die Detektionsschaltung (2) bei Stromänderungen (dI/dt) im Leistungskreis während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters (T2) charakteristischen
Zeitperiode unterbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromanstieg (dI/dt) im Leistungskreis mithilfe induktiver Kopplung gemessen wird, die einen zur Stromänderung
(dI/dt) proportionalen Spannungswert generiert.
4. Leistungsmodul mit einem in einem Leistungskreis angeordneten Halbleiterschalter (T2) mit einem GateAnschluss und einem in einem Ansteuerkreis angeordneten Gatetreiber (1), der ausgelegt ist Ein- und Ausschaltsignale (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus für den Gate-Anschluss des
Halbleiterschalters (T2) bereitzustellen, sowie
Ausschaltsignale (STO) für den Gate-Anschluss des
Halbleiterschalters (T2) in einem langsamen
Ausschaltmodus bereitzustellen, wobei im langsamen Ausschaltmodus ein langsameres Ausschalten des
Halbleiterschalters (T2) erfolgt als im schnellen Ein- und
Ausschaltmodus, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionsschaltung (2) und ein zwischen dem Gatetreiber (1) und dem Gate-Anschluss des Halbleiterschalters (T2) geschaltetes und mit den Ein- und Ausschaltsignalen (EIN/AUS) in einem schnellen Ein- und Ausschaltmodus sowie mit den Ausschaltsignalen (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus beaufschlagtes Steuerelement (6) vorgesehen sind, wobei die Detektionsschaltung (2) ausgelegt ist ein für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten des Stromanstieges (dIse/dt) im Leistungskreis zu detektieren und bei detektierter Überschreitung eines für einen Kurzschluss charakteristischen Stromanstieges (dIsc/dt) ein Umschaltsignal (A) an das Steuerelement (6) zu senden, und das Steuerelement (6) ausgelegt ist nach Empfang eines Umschaltsignals (A) von der Detektionsschaltung (2) bei Beaufschlagung mit einem Ausschaltsignal (AUS) in einem schnellen Ausschaltmodus das Ausschaltsignal (STO) in einem langsamen Ausschaltmodus an den Gate-Anschluss
des Halbleiterschalters (T2) anzulegen.
5. Leistungsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschaltung (2) eine Sensorschaltung (3), einen Filter (4) und ein Auslöseschaltglied (5) umfasst, wobei die Sensorschaltung (3) ausgelegt ist ein
für einen Kurzschluss charakteristisches Überschreiten
des Stromanstieges (dIsc/dt) im Leistungskreis zu detektieren und ein Detektionssignal (D) zu generieren, der Filter (4) ausgelegt ist bei Stromänderungen (dI/dt) im Leistungskreis während einer für Schaltzustandsänderungen des Halbleiterschalters (T2) charakteristischen Zeitperiode die Weiterleitung eines Detektionssignal (D) zu unterbinden, und das Auslöseschaltglied (5) ausgelegt ist das weitergeleitete Detektionssignal (D) mit einem vorgegebenen Schwellwert, der charakteristisch für das Vorliegen eines Kurzschlusses im Leistungskreis ist, zu vergleichen und bei Überschreiten des Schwellwertes das Umschaltsignal (A) zu generieren und an das
Steuerelement (6) zu senden.
6. Leistungsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschaltung (3) als induktiv gekoppeltes Element zur Generierung eines zur Stromänderung (dI/dt) proportionalen und als Detektionssignal (D) herangezogenen
Spannungswertes ausgeführt ist.
7. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (6) als Multiplexer ausgeführt ist, der an einem ersten Eingang mit den Ein- und Ausschaltsignalen (EIN/AUS) des Gatetreibers (1) für einen schnellen Ein- und Ausschaltmodus beaufschlagt ist, an einem zweiten Eingang mit dem Ausschaltsignal (STO) des Gatetreibers (1) für einen langsamen Ausschaltmodus beaufschlagt ist und an einem dritten Eingang mit dem Umschaltsignal (A) der Detektionsschaltung (2) beaufschlagt ist, und über einen Ausgang mit dem Gate-Anschluss des
Halbleiterschalters (T2) verbunden ist.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA51090/2020A AT523936B1 (de) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Verfahren und vorrichtung zum steuern eines halbleiterschalters |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA51090/2020A AT523936B1 (de) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Verfahren und vorrichtung zum steuern eines halbleiterschalters |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT523936A4 true AT523936A4 (de) | 2022-01-15 |
| AT523936B1 AT523936B1 (de) | 2022-01-15 |
Family
ID=79259533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA51090/2020A AT523936B1 (de) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Verfahren und vorrichtung zum steuern eines halbleiterschalters |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT523936B1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102022210714A1 (de) | 2022-10-11 | 2024-04-11 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Verfahren zum Überwachen einer Schaltvorrichtung, Überwachungsvorrichtung, elektrischer Energiespeicher und Vorrichtung |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002099972A1 (en) * | 2001-06-02 | 2002-12-12 | Korea Railroad Research Institute | Electrical inertial load controlling apparatus having gate drive for protecting igbt |
| CN101882860A (zh) * | 2010-06-23 | 2010-11-10 | 山东大学威海分校 | 一种新型igbt驱动保护电路 |
| JP2014075694A (ja) * | 2012-10-04 | 2014-04-24 | Renesas Electronics Corp | ゲートドライバ、及びスイッチング方法 |
| US20150026486A1 (en) * | 2013-07-22 | 2015-01-22 | Wistron Corp. | Overcurrent protection circuit and server using the same |
| JP2015032984A (ja) * | 2013-08-02 | 2015-02-16 | 株式会社 日立パワーデバイス | 半導体素子の駆動装置およびそれを用いた電力変換装置 |
| US20150085403A1 (en) * | 2013-09-25 | 2015-03-26 | Silicon Laboratories Inc. | Soft shutdown for isolated drivers |
| JP2017121068A (ja) * | 2017-02-10 | 2017-07-06 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | ゲートドライバ、及びスイッチング方法 |
| US20170237422A1 (en) * | 2015-05-15 | 2017-08-17 | Fuji Electric Co., Ltd. | Driving circuit |
-
2020
- 2020-12-15 AT ATA51090/2020A patent/AT523936B1/de active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002099972A1 (en) * | 2001-06-02 | 2002-12-12 | Korea Railroad Research Institute | Electrical inertial load controlling apparatus having gate drive for protecting igbt |
| CN101882860A (zh) * | 2010-06-23 | 2010-11-10 | 山东大学威海分校 | 一种新型igbt驱动保护电路 |
| JP2014075694A (ja) * | 2012-10-04 | 2014-04-24 | Renesas Electronics Corp | ゲートドライバ、及びスイッチング方法 |
| US20150026486A1 (en) * | 2013-07-22 | 2015-01-22 | Wistron Corp. | Overcurrent protection circuit and server using the same |
| JP2015032984A (ja) * | 2013-08-02 | 2015-02-16 | 株式会社 日立パワーデバイス | 半導体素子の駆動装置およびそれを用いた電力変換装置 |
| US20150085403A1 (en) * | 2013-09-25 | 2015-03-26 | Silicon Laboratories Inc. | Soft shutdown for isolated drivers |
| US20170237422A1 (en) * | 2015-05-15 | 2017-08-17 | Fuji Electric Co., Ltd. | Driving circuit |
| JP2017121068A (ja) * | 2017-02-10 | 2017-07-06 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | ゲートドライバ、及びスイッチング方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102022210714A1 (de) | 2022-10-11 | 2024-04-11 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Verfahren zum Überwachen einer Schaltvorrichtung, Überwachungsvorrichtung, elektrischer Energiespeicher und Vorrichtung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AT523936B1 (de) | 2022-01-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1756926B1 (de) | Verfahren zur fehlerbehandlung in einer umrichterschaltung zur schaltung von drei spannungsniveaus | |
| DE10014641C2 (de) | Schaltungsanordnung mit einem bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor Mode und mit einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung | |
| DE102005023652B3 (de) | Schaltungsanordnung mit Fehlererkennung zur Ansteuerung von Leistungshalbleiterschaltern und zugehöriges Verfahren | |
| DE19746112A1 (de) | Stromrichteranordnung | |
| EP0766395A2 (de) | Leistungstransistor mit Kurzschlussschutz | |
| EP3556000B1 (de) | Modul für modularen mehrpunktumrichter mit kurzschliesser und kondensatorstrombegrenzung | |
| EP3281286A1 (de) | Treiberschaltung, schaltungsanordnung umfassend eine treiberschaltung und wechselrichter umfassend eine schaltungsanordnung | |
| EP0769815A2 (de) | Schaltungsanordnung mit einem Schutzmittel | |
| EP2744110B1 (de) | Ansteuerschaltung und Verfahren zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters | |
| EP0690898B1 (de) | Schaltungsanordnung zum Schutz eines ein- und auschaltbaren Leistungshalbleiterschalters vor Überspannungen | |
| DE4012382C2 (de) | ||
| AT523936B1 (de) | Verfahren und vorrichtung zum steuern eines halbleiterschalters | |
| EP3853957B1 (de) | Elektronischer schalter mit überspannungsschutz | |
| DE102010008815A1 (de) | Überspannungsschutz für einen Halbleiterschalter | |
| DE102009045220B4 (de) | System und Verfahren zum Begrenzen von Stromoszillationen | |
| DE102016210798B3 (de) | Leistungshalbleiterschaltung | |
| DE10031778A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Stromanstiegsgeschwindigkeit | |
| EP3063871B1 (de) | Überspannungsschutzschaltung für einen leistungshalbleiter und verfahren zum schutz eines leistungshalbleiters vor überspannungen | |
| DE102006034351A1 (de) | Treiberstufe für ein Leistungshalbleiterbauelement | |
| EP3449571B1 (de) | Verfahren zum schutz eines halbleiterschalters, schutzvorrichtung für einen halbleiterschalter und ansteuerschaltung für einen halbleiterschalter | |
| DE3215009C2 (de) | ||
| WO1998012816A1 (de) | Vorrichtung zur verminderung der kurzschlussamplitude eines abschaltbaren, nichteinrastenden, mos-gesteuerten leistungshalbleiters | |
| DE102021128811B3 (de) | Schaltungsanordnung mit zuverlässiger Erkennung von Kurzschlüssen | |
| EP1135857B1 (de) | Schutzverfahren für ein steuerbares nicht einrastendes halbleiter-schaltelement und hierzu korrespondierende schutzschaltung | |
| DE10035387B4 (de) | Stromschaltanordnung |