DE102006059833B4 - Elektrisches Gerät - Google Patents

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Abstract

Elektrisches Gerät, umfassend zumindest einen elektronischen Halbleiterschalter (V1), dadurch gekennzeichnet, dass am Steuereingang des elektronischen Halbleiterschalters (V1) ein selbstleitendes Bauelement vorgesehen ist, das nach seiner Aktivierung durch ein für den Betrieb dauerhaft zu haltendes Freigabesignal in einen hochohmigen Zustand oder sperrenden Zustand übergeht, wobei das selbstleitende Bauelement ein elektronischer Schalter ist, der bei Nicht-Anliegen seiner Steuerspannung einen leitenden Zustand aufweist, wobei das selbstleitende Bauelement zwischen Steuereingang und einem weiteren Anschluss des elektronischen Halbleiterschalters (V1) angeordnet ist, wobei eine Treiberschaltung (T1) mit dem elektronischen Halbleiterschalter (V1) verbunden ist, wobei für den Fall, dass die Treiberschaltung (T1) noch keine oder keine ausreichende Spannungsversorgung aufweist, der Steuereingang des elektronischen Halbleiterschalters (V1) von dem selbstleitenden Bauelement (V10) auf demjenigen Potential gehalten wird, bei dem der elektronische Halbleiterschalter (V1) im Sperrzustand ist, wobei die Treiberschaltung (T1) derart gestaltet, ist, dass das selbstleitende Bauelement (V10) solange geschlossen gehalten wird, bis der eigentliche gewünschte Betrieb des elektrischen Geräts begonnen und ausgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät.
  • Aus der DE 199 19 752 C1 ist ein Umrichter bekannt, der einen Wechselrichter umfasst, der drei Halbbrücken von elektronischen Halbleiterschaltern umfasst.
  • Aus der DE 690 11 189 T2 ist als nächstliegender Stand der Technik ein Treiber für Hochvolt-Halbbrücken-Schaltkreise bekannt, bei dem die Entladung eines Steuereingangs eines Schalters durch eine Abtast- und Verzögerungsschaltung verbessert wird.
  • Aus der WO 03/030218 A2 ist ein gesteuerter Gleichrichter bekannt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit bei Umrichtern weiterzubilden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem elektrischen Gerät nach den in Anspruch 1 oder 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem elektrischen Gerät sind, dass es zumindest einen elektronischen Halbleiterschalter (V1, V2), insbesondere Leistungshalbleiterschalter, umfasst,
    wobei am Steuereingang des elektronischen Halbleiterschalters (V1, V2) ein selbstleitendes Bauelement vorgesehen ist, insbesondere das nach seiner Aktivierung in einen hochohmigen Zustand oder sperrenden Zustand übergeht.
  • Von Vorteil ist dabei, dass im ausgeschalteten Zustand des Geräts und auch während des Einschaltens des Geräts der Steuereingang gegen Masse oder gegen ein unteres Potential entladbar ist oder die auftretende Spannung zwischen Steuereingang und einem weiteren Anschluss des elektronischen Halbleiterschalters verringert wird. Somit ist ein Schalten des elektronischen Halbleiterschalters verhinderbar, insbesondere ein Schließen, also Durchleiten von Strom. Auf diese Weise ist der Halbleiterschalter geschützt und auch nachgeordnete Verbraucher, beispielsweise aus einem den Halbleiterschalter umfassenden Wechselrichter versorgte Verbraucher, sind schützbar. Ein unkontrolliertes Betätigen des Schalters ist also verhindert.
  • Erst nach der gewollten und beabsichtigten Aktivierung, also einer Freigabe, ist der Schalter betriebsbereit und betreibbar.
  • Erfindungsgemäß ist das selbstleitende Bauelement ein elektronischer Schalter, der bei Nicht-Anliegen seiner Steuerspannung einen leitenden Zustand aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfaches und sicheres Bauelement verwendbar ist. Insbesondere ist das selbstleitende Bauelement ein Depletion Mode MOSFET.
  • Erfindungsgemäß ist das selbstleitende Bauelement zwischen Steuereingang und einem weiteren Anschluss des elektronischen Halbleiterschalters V1 angeordnet, insbesondere Drain, Source, Kollektor oder Emitter-Anschluss. Von Vorteil ist dabei, dass ein Entladen von parasitären Kapazitäten ermöglicht ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Bauelement im selbstleitenden Zustand einen derart niedrigen Widerstandswert auf und die Bauelemente des elektrischen Geräts derart dimensioniert sind, dass
    beim Einschalten auftretenden Anstiegen der Spannung an den weiteren Anschlüssen des elektronischen Halbleiterschalters V1, insbesondere zwischen Drain-Anschluss und Source-Anschluss beziehungsweise zwischen Kollektor-Anschluss und Emitter-Anschluss,
    die Steuerspannung des elektronischen Halbleiterschalters V1 derart klein bleibt, dass der elektronische Halbleiterschalter V1 im Sperrzustand bleibt.
  • Insbesondere ist der Steuereingang des elektronischen Halbleiterschalters V1 mit dem Mittelabgriff einer Reihenschaltung, insbesondere von Schaltern und Widerständen, verbunden, wobei eine Treiberschaltung Schalter der Reihenschaltung derart ansteuert, dass der Steuereingang wahlweise auf einem oberen oder unteren Potential anliegt.
  • Von Vorteil ist dabei, dass auch bei den schnellstmöglichen Anstiegen der Zwischenkreisspannung von beispielsweise 0 Volt auf 500 Volt die untere parasitäre Kapazität derart schnell entladen wird, dass keine Steuerspannung aufbaubar ist durch parasitäre Effekte, wie Spannungsteiler, welche aus solchen Kapazitäten, wie Miller-Kapazitäten, gebildet sind.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Treiberschaltung galvanisch entkoppelt von der Steuerelektronik des Geräts angeordnet. Insbesondere ist die Treiberschaltung galvanisch entkoppelt von der Steuerelektronik des Geräts mit Energie und Information versorgbar. Von Vorteil ist dabei, dass Halbleiterschalter mit ihren Treiberschaltungen auf verschiedenen Potentialen anordenbar sind.
  • Wichtige Merkmale bei der Erfindung nach Anspruch 7 sind, dass das elektrische Gerät zumindest zwei elektronische Halbleiterschalter (V1, V2), insbesondere Leistungshalbleiterschalter, die in einer Halbbrücke angeordnet sind, umfasst,
    wobei am Steuereingang der elektronischen Halbleiterschalter (V1, V2) jeweils ein selbstleitendes Bauelement vorgesehen ist, insbesondere das nach seiner aus einer Treiberschaltung bewirkten Aktivierung in einen hochohmigen Zustand oder sperrenden Zustand übergeht. Von Vorteil ist dabei, dass die genannten Vorteile bei einem Wechselrichter oder Umrichter, insbesondere einem ein- oder mehrphasigen, erzielbar sind.
  • Erfindungsgemäß ist die Halbbrücke in einem Wechselrichter angeordnet, insbesondere einem dreiphasigen Wechselrichter, umfassend drei solche Halbbrücken. Von Vorteil ist dabei, dass bekannte Anordnungen nur gering zu modifizieren sind.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauelement aus der Treiberschaltung aktivierbar, die auch zum Erzeugen der Ansteuersignale für den elektronischen Halbleiterschalter V1 vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass keine galvanische Trennung zum Treiber erforderlich ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Bauelement aus der Treiberschaltung angesteuert, insbesondere durch eine zwischen Steuereingang und weiterem Anschluss des elektronischen Halbleiterschalters V1 angelegte negative Steuerspannung. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders einfache Art gefunden wurde, die Sicherheit zu erhöhen. Denn die negative Spannung kann nur bei betriebener Treiberschaltung erzeugt werden.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
    In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Schaltplan gezeigt. Dabei wird die Treiberschaltung T1 aus einer Signalelektronik über einen Optokoppler U1 mit Signalen versorgt. Die Treiberschaltung T1 ist mit den Schaltern V11 und V12 verbunden und steuert diese derart an, dass das Gate des MOS-gesteuerten Halbleiterschalters V1 entweder auf oberem oder unterem Potential liegt. Hierzu ist entweder der Schalter V11 geschlossen und V12 geöffnet oder alternativ der Schalter V11 geöffnet und V12 geschlossen. Dabei wird der Schalter V10 geöffnet gehalten und beeinflusst somit das Potential des Gate nicht.
  • Beim Einschalten des elektrischen Gerätes ist der Schalter V10 geschlossen. Somit wird das Potential des Gate des Schalters V1 auf dem unteren Potential der versorgenden Spannung für die Reihenschaltung V11, R11, R12, V12 gehalten. Die Treiberschaltung T1 ist derart gestaltet, dass der Schalter V10 solange geschlossen gehalten wird bis der eigentliche gewünschte Betrieb des elektrischen Gerätes begonnen wird und ausgeführt wird.
  • Wenn nun ein Depletion mode MOSFET als Schalter V10 ausgewählt wird oder ein sonstiger selbstleitender Schalter als Schalter V10 wird auch für den Fall, dass die Treiberschaltung T1 noch keine oder keine ausreichende Spannungsversorgung aufweist, das Gate des Schalters V1 auf dem unteren Potential gehalten und somit der Schalter V1 im geöffneten Zustand gehalten. Der Schalter V1 ist also im Sperrzustand für vom Drain (oder Kollektor) zur Source (oder Emitter) des V1 fließenden Strom.
  • Der Schalter V1 ist als MOS-gesteuerter Halbleiterschalter ausgeführt. Als Schalter V1 ist ein IGBT oder ein sonstiger MOS-gesteuerter Schalter verwendbar.
  • Wichtig ist bei der Erfindung, dass der Schalter V1 im gesperrten Zustand gehalten ist durch einen selbstleitenden Halbleiterschalter V10. Erst nach dessen Ansteuerung mit einem Freigabesignal, wodurch der Schalter V10 in den sperrenden Zustand versetzt wird, wird das Gate des Schalters V1 von der Halbbrücke (R11, V11, R12, V12) auf das zum Betrieb gewünschte Potential bringbar.
  • In 1 ist ersichtlich, dass die Schalter V1 und V2 in Reihe geschaltet sind und aus einer unipolaren Spannung versorgt werden, deren oberes Potential Uzw+ und deren unteres Potential Uzw– ist. Die aus V1 und V2 gebildete Halbbrücke macht also ein Ausgangspotential erzeugbar, das je nach den Schaltzuständen (V1, V2) auf Uzw+ oder Uzw– bringbar ist.
  • In 1 ist auch ein Kondensator zur Glättung der Zwischenkreisspannung (Uzw+, Uzw–) gezeigt.
  • Für den Schalter V2 liegt ein analoger Ansteuermechanismus vor wie für den Schalter V1 oben geschildert wurde.
  • Es wird also wiederum die Treiberschaltung T2 über den Optokoppler U2 mit Signalen versorgt, wobei galvanische Trennung erreicht ist und die Treiberschaltung T2 auf einem völlig verschiedenen Potential anordenbar ist wie die Treiberschaltung T1.
  • Die Treiberschaltung T2 ist dort wiederum mit dem selbstleitenden Schalter V20, also einem bei nicht vorhandener Ansteuerspannung und/oder nicht vorhandener Versorgungsspannung im geschlossenen Zustand befindlichen Schalter, in der Lage, die am Gate des Schalters V2 anliegende Steuerspannung auf das untere Potential herunterzuziehen, welches zur die Reihenschaltung V21, R21, R22, V22 versorgenden Spannung gehört. Aus dem Mittelabgriff dieser Reihenschaltung ist im freigegebenen Betrieb, also bei aktiv angesteuertem Schalter V20, das Gate auf das für den Betrieb jeweils benötigte Potential bringbar.
  • In 2 ist die jeweils galvanisch entkoppelte Spannungsversorgung der Treiberschaltungen T1 und T2 gezeigt. Dabei wird ein Transformator primärseitig mit der Windungszahl W1 ausgeführt und weist zwei unabhängige Sekundärwicklungen mit den Wicklungszahlen W2 und W3 auf, wobei die jeweilige Sekundärspannung nach Gleichrichtung einem Glättungskondensator C1 beziehungsweise C2 zugeführt wird und diese Spannung die jeweilige Treiberschaltung T1 oder T2 versorgt.
  • Bei der Erfindung ist der Schalter V1 auch dann geschützt, wenn ein schnelles Anlegen der Zwischenkreisspannung erfolgt und durch parasitäre Kapazitäten, wie beispielsweise zwischen Gate und Drain oder zwischen Gate und Source vorhandenen Millerkapazitäten, ein am Gate des Schalters V1 wirksamer Spannungsteiler gebildet ist, der ein Ansteuern des Schalter V1 bewirken und somit ein Schließen des Schalters V1 auslösen kann. Denn der Schalter V10 leitet die am Gate des Schalters V1 anliegenden Ströme auf das untere Potential ab. Auf diese Weise ist ein sicheres Ausschalten und sicheres ausgeschaltet Halten von spannungsgesteuerten normal ausgeschalteten Leistungshalbleitern ermöglicht, wenn eine fehlende Versorgungsschaltung der zugehörigen Treiberschaltung vorliegt.
  • Insbesondere ist V1 in erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen als enhancement Mode MOSFET und IGBT ausführbar.
  • Wie in 1 gezeigt, ist dieses sichere Ausschalten bei einer Wechselrichterhalbbrücke einsetzbar. Diese kann beispielsweise von der Wechselrichter-Endstufe eines Umrichters nach Bauart der 1 der DE 199 19 752 C1 umfasst sein. Beim dortigen Umrichter wird aus dem Wechselrichter ein Motor dreiphasig versorgt, wobei jeder Phase eine Wechselrichterhalbbrücke zugeordnet ist innerhalb des Wechselrichters 3 der dortigen 1. Die Wechselrichterhalbbrücken sind dabei aus derselben Zwischenkreisspannung versorgt.
  • Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt Gate ein anderer Haupteinschaltzweig des Schalters V1 verwendet, wie beispielsweise Basis-Anschluss.
  • Die Erfindung ist vorteilhaft in Umrichtern, Wechselrichtern, unterbrechungsfreie Stromversorgungen einsetzbar. Des Weiteren sind auch andere elektrische Geräte mit beliebiger Anzahl von Halbbrücken für die Erfindung verwendbar. Statt der genannten drei Halbbrücken bei einem dreiphasigen Wechselrichter ist die Erfindung auch bei ein- oder mehrphasigen Wechselrichtern einsetzbar.
  • Bezugszeichenliste
    • V1, V2
      MOS-gesteuerter Halbleiterschalter
      V11,V12, V21, V22
      Schalter
      R11, R12, R21, R22
      Widerstand
      V10, V20
      Schalter
      D1, D2
      Diode
      T1, T2
      Treiberschaltung
      U1, U2
      Optokoppler
      W1, W2, W3
      Wicklung
      C1, C2
      Kondensator
      Uzw+
      oberes Potential der Zwischenkreisspannung
      Uzw–
      unteres Potential der Zwischenkreisspannung
      W_OUT
      Ausgangspotential

Claims (12)

  1. Elektrisches Gerät, umfassend zumindest einen elektronischen Halbleiterschalter (V1), dadurch gekennzeichnet, dass am Steuereingang des elektronischen Halbleiterschalters (V1) ein selbstleitendes Bauelement vorgesehen ist, das nach seiner Aktivierung durch ein für den Betrieb dauerhaft zu haltendes Freigabesignal in einen hochohmigen Zustand oder sperrenden Zustand übergeht, wobei das selbstleitende Bauelement ein elektronischer Schalter ist, der bei Nicht-Anliegen seiner Steuerspannung einen leitenden Zustand aufweist, wobei das selbstleitende Bauelement zwischen Steuereingang und einem weiteren Anschluss des elektronischen Halbleiterschalters (V1) angeordnet ist, wobei eine Treiberschaltung (T1) mit dem elektronischen Halbleiterschalter (V1) verbunden ist, wobei für den Fall, dass die Treiberschaltung (T1) noch keine oder keine ausreichende Spannungsversorgung aufweist, der Steuereingang des elektronischen Halbleiterschalters (V1) von dem selbstleitenden Bauelement (V10) auf demjenigen Potential gehalten wird, bei dem der elektronische Halbleiterschalter (V1) im Sperrzustand ist, wobei die Treiberschaltung (T1) derart gestaltet, ist, dass das selbstleitende Bauelement (V10) solange geschlossen gehalten wird, bis der eigentliche gewünschte Betrieb des elektrischen Geräts begonnen und ausgeführt wird.
  2. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das selbstleitende Bauelement ein Depletion Mode MOSFET ist.
  3. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das selbstleitende Bauelement im selbstleitenden Zustand einen derart niedrigen Widerstandswert aufweist und die Bauelemente des elektrischen Geräts derart dimensioniert sind, dass beim Einschalten auftretenden Anstiegen der Spannung an den weiteren Anschlüssen des elektronischen Halbleiterschalters (V1) die Steuerspannung des elektronischen Halbleiterschalters (V1) derart klein bleibt, dass der elektronische Halbleiterschalter (V1) im Sperrzustand bleibt.
  4. Elektrisches Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang des elektronischen Halbleiterschalters (V1) mit dem Mittelabgriff einer Reihenschaltung, insbesondere von Schaltern und Widerständen, verbunden ist, wobei eine Treiberschaltung Schalter der Reihenschaltung derart ansteuert, dass der Steuereingang wahlweise auf einem oberen oder unteren Potential anliegt.
  5. Elektrisches Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung galvanisch entkoppelt von der Steuerelektronik des Geräts angeordnet ist.
  6. Elektrisches Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (T1) galvanisch entkoppelt von der Steuerelektronik des Geräts mit Energie und Information versorgbar ist.
  7. Elektrisches Gerät, umfassend zumindest zwei elektronische Halbleiterschalter (V1, V2), die in einer Halbbrücke angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Steuereingang der elektronischen Halbleiterschalter (V1, V2) jeweils ein selbstleitendes Bauelement vorgesehen ist, das nach seiner Aktivierung durch ein für den Betrieb dauerhaft zu haltendes Freigabesignal in einen hochohmigen oder sperrenden Zustand übergeht, wobei das jeweilige selbstleitende Bauelement ein elektronischer Schalter ist, der bei Nicht-Anliegen seiner Steuerspannung einen leitenden Zustand aufweist, wobei das jeweilige selbstleitende Bauelement zwischen Steuereingang und einem weiteren Anschluss des jeweiligen elektronischen Halbleiterschalters (V1, V2) angeordnet ist, wobei eine jeweilige Treiberschaltung (T1, T2) mit dem jeweiligen elektronischen Halbleiterschalter (V1, V2) verbunden ist, wobei für den Fall, dass eine Treiberschaltung (T1, T2) noch keine oder keine ausreichende Spannungsversorgung aufweist, der Steuereingang des jeweiligen elektronischen Halbleiterschalters (V1, V2) von dem jeweiligen selbstleitenden Bauelement (V10, V20) auf demjenigen Potential gehalten wird, bei dem der jeweilige elektronische Halbleiterschalter (V1, V2) im Sperrzustand ist, wobei die jeweilige Treiberschaltung (T1, T2) derart gestaltet ist, dass das jeweilige selbstleitende Bauelement (V10, V20) solange geschlossen gehalten wird, bis der eigentliche gewünschte Betrieb des elektrischen Geräts begonnen und ausgeführt wird.
  8. Elektrisches Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke in einem Wechselrichter angeordnet ist, insbesondere einem n-phasigen Wechselrichter, umfassend n, n + 1, oder 2n solche Halbbrücken.
  9. Elektrisches Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass n den Zahlenwert 1, 2 oder 3 hat.
  10. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektronische Halbleiterschalter (V1, V2) ein IGBT oder ein MOS-gesteuerter Halbleiterschalter oder ein MOSFET ist.
  11. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige selbstleitende Bauelement (V10, V20) aus der jeweiligen Treiberschaltung (T1, T2) aktivierbar ist, die auch zum Erzeugen der Ansteuersignale für den jeweiligen elektronischen Halbleiterschalter (V1, V2) vorgesehen ist.
  12. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige selbstleitende Bauelement (V10, V20) aus der jeweiligen Treiberschaltung (T1, T2) angesteuert wird, insbesondere durch eine zwischen Steuereingang und weiterem Anschluss des jeweiligen elektronischen Halbleiterschalters (V1, V2) angelegte negative Steuerspannung.
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