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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schaltzeitpunkts
eines Halbleiterschalters, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters,
eine Anordnung zum Bestimmen von Schaltzeitpunkten eines Halbleiterschalters
und eine Leistungsversorgung.
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Bei
einem Plasma handelt es sich um einen besonderen Aggregatzustand,
der aus einem Gas erzeugt wird. Jedes Gas besteht grundsätzlich aus
Atomen und/oder Molekülen.
Bei einem Plasma ist dieses Gas zu einem Großteil ionisiert. Dies bedeutet, dass
durch Zufuhr von Energie die Atome bzw. Moleküle in positive und negative
Ladungsträger,
also in Ionen und Elektronen, aufgespaltet werden. Ein Plasma eignet
sich zur Bearbeitung von Werkstücken,
da die elektrisch geladenen Teilchen chemisch hochgradig reaktiv
und zudem durch elektrische Felder beeinflussbar sind. Die geladenen
Teilchen können
mittels eines elektrischen Feldes auf ein Objekt beschleunigt werden,
wo sie beim Aufprall einzelne Atome daraus herauslösen können. Die
herausgelösten Atome
können über Gasfluss
abtransportiert werden (Ätzen)
oder auf anderen Objekten als Beschichtung abgelagert werden (Herstellung
von Dünnfilmen). Anwendung
findet eine solche Bearbeitung mittels eines Plasmas vor allem dann,
wenn extrem dünne Schichten,
insbesondere im Bereich weniger Atomlagen, bearbeitet werden sollen.
Typische Anwendungen sind Halbleitertechnik (Beschichten, Ätzen, etc.), Flachbildschirme
(ähnlich
Halbleitertechnik), Solarzellen (ähnlich Halbleitertechnik),
Architekturglasbeschichtung (Wärmeschutz,
Blendschutz, etc.), Speichermedien (CD, DVD, Festplatten), dekorative Schichten
(farbige Gläser,
etc.) und Werkzeughärtung.
Diese Anwendungen haben hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessstabilität. Weiterhin kann
ein Plasma auch zur Anregung von Lasern, insbesondere Gaslasern,
dienen.
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Um
aus einem Gas ein Plasma zu generieren, muss ihm Energie zugeführt werden.
Das kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise über Licht,
Wärme,
elektrische Energie, erfolgen. Ein Plasma zur Bearbeitung von Werkstücken wird
typischerweise in einer Plasmakammer gezündet und aufrecht erhalten.
Dazu wird in der Regel ein Edelgas, z. B. Argon, mit niedrigem Druck
in die Plasmakammer geleitet. Über
Elektroden und/oder Antennen wird das Gas einem elektrischen Feld
ausgesetzt. Ein Plasma entsteht bzw. wird gezündet, wenn mehrere Bedingungen
erfüllt
sind. Zunächst
muss eine geringe Anzahl von freien Ladungsträgern vorhanden sein, wobei
zumeist die stets in sehr geringem Maß vorhandenen freien Elektronen
genutzt werden. Die freien Ladungsträger werden durch das elektrische
Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Aufprall auf Atome oder
Moleküle
des Edelgases weitere Elektronen herauslösen, wodurch positiv geladene
Ionen und weitere negativ geladene Elektronen entstehen. Die weiteren
freien Ladungsträger
werden wiederum beschleunigt und erzeugen beim Aufprall weitere
Ionen und Elektronen. Es setzt ein Lawineneffekt ein. Der ständigen Erzeugung
von Ionen und Elektronen wirken die Entladungen bei der Kollision dieser
Teilchen mit der Wand der Plasmakammer oder anderen Gegenständen sowie
die natürliche Rekombination
entgegen, d. h., Elektronen werden von Ionen angezogen und rekombinieren
zu elektrisch neutralen Atomen bzw. Molekülen. Deshalb muss einem gezündeten Plasma
beständig
Energie zugeführt
werden, um dieses aufrecht zu erhalten.
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Die
Energiezufuhr kann über
eine Gleichstrom (DC)- oder eine Wechselstrom (AC)-Leistungsversorgung
erfolgen. Die bei Plasmaanregung mit einer AC-Leistungsversorgung vorkommenden Frequenzen
können
bis in den Gigahertzbereich hinein liegen. Die folgenden Ausführungen
beziehen sich auf Leistungsversorgungen für Hochfrequenz (HF) mit einer
Ausgangsfrequenz von > 1
MHz.
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Eine
Schaltungsvariante von Hochfrequenzverstärkern in AC-Leistungsversorgungen
zum Erzeugen hoher HF-Leistungen kann ein Klasse-D-Verstärker mit
einer Schaltbrücke
sein. Eine Schaltbrücke
weist zumindest zwei Schaltelemente, wie z. B. MOSFETs, IGBTs, Bipolartransistoren,
auf, die in Serie geschaltet sind und die im Gegentakt betrieben werden.
Eine Schaltbrücke
mit zwei schaltenden Elementen wird auch Halbbrücke oder Brückenzweig genannt. Eine Schaltbrücke mit
vier Schaltelementen ist in der Regel aus zwei Halbbrücken beziehungsweise
Brückenzweigen
aufgebaut.
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Der
Verbindungspunkt der schaltenden Elemente stellt den Mittelpunkt
eines Brückenzweigs dar.
Der Mittelpunkt des Brückenzweiges
wird durch die zwei Schaltelemente (im Folgenden auch als schaltende
Elemente oder Schalter bezeichnet) abwechselnd an den positiven
oder negativen Pol einer Gleichstromquelle, die eine bestimmte Betriebsspannung
hat, geschaltet. Mit Betriebsspannung kann auch ein Spannungsbereich
gemeint sein. Die abwechselnde Steuerung der beiden Schaltelemente sowie
der Schaltelemente eines eventuell vorhandenen zweiten Brückenzweigs
erfolgt durch eine Steuerschaltung, die einen Oszillator, der die
Frequenz des Ausgangssignals bestimmt, und weitere Bauelemente wie
Phasenschieber und Signalformer enthalten kann. Ein zusätzlicher
Kondensator zur Befreiung des Ausgangssignals von einem Gleichspannungsanteil
kann vorgesehen sein, wenn nur eine Halbbrücke vorgesehen ist.
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Eine
Vollbrückenschaltung
besteht aus zwei Brückenzweigen
(Halbbrücken),
deren Mittelpunkte mit der gewünschten
Frequenz jeweils gegensinnig an den positiven und negativen Pol
der Gleichstromquelle geschaltet werden. Die Wechselstrom last wird zwischen
diesen beiden Mittelpunkten angeordnet. Ein zusätzlicher Kondensator zur Befreiung
des Ausgangssignals von einem Gleichspannungsanteil ist nicht notwendig.
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Um
Schaltverluste zu vermeiden, sollte es zum Zeitpunkt des Einschaltens
der einzelnen Schaltelemente einer Schaltbrücke keine nennenswerte Spannungsdifferenz
zwischen den beiden Leistungselektroden (im allgemeinen Drain und
Source des jeweiligen MOSFETs) geben. Dieses Schaltverhalten wird
als Null-Volt-Schalten
(Zero Voltage Switching, ZVS) bezeichnet. Man erreicht dies beispielsweise, indem
die Schaltbrücke
auf eine Lastimpedanz mit induktivem Charakter arbeitet. Dies bedeutet,
dass die Schaltbrücke,
also der Hochfrequenzverstärker,
eine induktiv absorptive Lastimpedanz sieht. Die Selbstinduktion
einer Primärwicklung
eines Leistungsübertragers,
welche an den Mittelpunkt der Schaltbrücke angeschlossen ist, kann
dafür ausgenutzt
werden. Bei der zunächst
einseitigen Unterbrechung des Stromflusses durch die Primärwicklung
wird eine Spannung induziert. Bei geeigneter Dimensionierung der Bauelemente
und Berücksichtigung
ihrer parasitären Eigenschaften
sowie bei richtiger Wahl der Schalt-/Wartezeit ist das Potential an diesem
Augenblicklich nicht mit der Gleichstromquelle verbundenen Ende
der Primärwicklung
genauso hoch wie das Potential an demjenigen Anschluss der Gleichstromquelle,
der nun mit dieser Halbbrücke
diesem Ende der Primärwicklung
zugeschaltet werden soll.
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Alternativ
oder zusätzlich
zum Leistungsübertrager
(auch Ausgangsübertrager
genannt) können
weitere Impedanzen vorgesehen sein, die Null-Volt-Schalten ermöglichen,
z. B. eine Last, insbesondere Plasmalast oder Laser, einschließlich möglicher
Außenkreise
oder Impedanzanpassungsschaltungen.
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Die
Halbleiterschalter der Schaltbrücke
weisen neben ihren Leistungsanschlüssen auch einen Steueranschluss
auf. Der Steueranschluss wird je nach Ausgestaltung des Halbleiterschalters
als Gate (z. B. beim MOSFET oder IGBT), oder Basis (z. B. beim Bipolartransistor)
bezeichnet. Jedem Steueranschluss ist in der Regel ein Treiber zugeordnet, über den
dem Steueranschluss ein Steuersignal zugeführt wird. Die Treiber und Halbleiterschalter
können
in einem Modul zusammengefasst sein. Ein Modul kann auch eine gesamte
Halbbrücke
oder Vollbrücke
umfassen.
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Die
Steuerschaltung erzeugt (logische) Ein-/Ausschaltbefehle, in deren
Folge ein (physikalisches) Steuersignal generiert wird. Das Steuersignal kann über einen
Signalübertrager
zur Potenzialtrennung geführt
werden. In diesem Fall kann von einem primärseitigen und einen sekundärseitigen
Steuersignal gesprochen werden.
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Beim
Betrieb von Schaltbrücken
ist darauf zu achten, dass nie beide Halbleiterschalter einer Halbbrücke gleichzeitig
eingeschaltet sind, da es ansonsten zu einem Kurzschluss mit möglicher
Zerstörung der
Halbleiterschalter oder anderer Komponenten kommen kann. Andererseits
sollte die Zeitspanne, in der keiner der beiden Schalter einer Halbbrücke leitet,
möglichst
kurz sein, um ein zu starkes Durchschalten der Bodydioden der Halbleiterschalter
zu verhindern, denn sonst ist die Zeit für deren Ladungsträgerabbau
danach zu lang. Die Schalter müssen daher
sowie für
die Realisierung des Null-Volt-Schaltens exakt synchronisiert werden.
Problematisch ist, dass die Verzögerungszeiten
zwischen den Schaltbefehlen und den Schaltzeitpunkten nicht bei
jedem Schalter gleich sind. Die Verzögerungszeiten hängen von
der Geometrie der Schaltung, in der die Schalter angeordnet sind,
der Leitungslänge
zwischen Steuerschaltung, den Treibern, den Steueranschlüssen und
gegebenenfalls weiterer Bauelemente, den Exemplarstreuungen der
Schalter und der Treiber aber auch den Exemplarstreuungen anderer
Bauteile, beispielsweise des Signalübertragers, ab. Es kommt daher
zu Laufzeitunterschieden der Steuersignale zur Ansteuerung der Schalter,
was dazu führt,
dass die Schaltzeitpunkte der einzelnen Schalter als Reaktion auf
einen Schaltbefehl unterschiedlich sein können.
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Zur
Kompensation von unterschiedlichen Verzögerungszeiten, beziehungsweise
um einen Schaltbefehl so rechtzeitig erzeugen zu können, dass
der angesteuerte Schalter auch zum gewollten Zeitpunkt schaltet,
muss also jede Verzögerungszeit zwischen
Ein- bzw. Ausschaltbefehl der Steuerschaltung und Ein- bzw. Ausschaltzeitpunkt
für jeden Schalter
bekannt sein.
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Zur
Bestimmung der Schaltzeitpunkte ist es bisher bekannt, die Schalter
in der Schaltung, in der sie verwendet werden sollen, anzuordnen
und dann mit normaler Betriebsspannung zunächst zeitlich konservativ,
d. h. Abschalten des einen Schalters lange vor Einschalten des zweiten
Schalters, anzusteuern. Dabei kann die Schaltung nur die Umgebung
des Schalters mit Treiber und weiteren Komponenten oder die komplette
Schaltbrücke
umfassen. Es wird dann die Spannung am Halbbrückenmittelpunkt beobachtet
und mit den Zeitpunkten der Schaltbefehle die Zeitpunkte der Ein-
und Ausschaltvorgänge
solange verändert,
bis die Spannung am Halbbrückenmittelpunkt
die korrekte Kurvenform hat.
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Außerdem ist
es bekannt, die jeweilige Treiberverzögerung zu ermitteln, die eine
der Hauptursachen für
die unterschiedlichen Verzögerungszeiten ist.
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Nachteilig
bei dieser Vorgehensweise ist, dass Erfahrung bei der Beurteilung
der Kurvenform notwendig ist. Weiterhin besteht die Gefahr der Zerstörung der
Schalter. Problematisch ist außerdem
die Synchronisation mit einer zweiten Halbbrücke. Die Messung wird außerdem stark
durch die Betriebsbedingungen, insbesondere einen Ausgangskreis und/oder
die Last, beeinflusst. Selbst wenn die normale Last durch einen
Abschlusswiderstand ersetzt wird, hat die Impedanz des Ausgangskreises
starke Auswirkungen auf die Messung.
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Weiterhin
ist die Messung der Treiberverzögerung
bei Modulen nicht oder nur schwer möglich. An dem Modul müsste zu
diesem Zweck ein eigener Messausgang zwischen Treiber und Steueranschluss
vorgesehen werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem die oben genannten Nachteile beseitigt werden und eine günstige und
zuverlässige
Bestimmung der Schaltzeitpunkte ohne Gefahr der Zerstörung von
Schaltern oder anderen Bauelementen erfolgen kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes eines Halbleiterschalters
in einem Abgleichbetrieb, umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Ansteuern des Halbleiterschalters mit einem Steuersignal
ohne Anlegen einer Betriebsspannung an die Schaltung in der der
Halbleiterschalter angeordnet ist;
- b) Erfassen eines Ausgangssignals an den Leistungsanschlüssen des
Halbleiterschalters;
- c) Bestimmen des Schaltzeitpunkts des Halbleiterschalters unter
Verwendung des erfassten Ausgangssignals.
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Der
Leistungsausgang des Schalters weist auch ohne Betriebsspannung
der Gleichstromquelle, also im Abgleichbetrieb, nur durch Anlegen
eines Steuersignals an den Steueranschluss ein – wenn auch kleines – Ausgangssignal
auf. In diesem Fall kann der Schalter als kapazitiver Spannungsteiler betrachtet
werden. Im Falle eines MOSFETs liegt die Gate-Source-Spannung, also
die Treiberausgangsspannung, an der Serienkapazität CDG – CDS an. Sobald diese Spannung die Schaltschwelle
erreicht hat, schaltet der Schalter zwischen Drain und Source durch,
d. h. CDS wird sehr groß (im durchgeschalteten Fall
unendlich). Die Spannung UDS (als Ausgangssignal)
bricht zusammen. Umgekehrt wird CDS bei
Unterschreiten der Schaltschwelle wieder klein, und es fällt wieder
ein nennenswerter Spannungsbetrag an diesem kapazitiven Widerstand
ab. Die Kurvenform des Ausgangssignals weist durch den Zusammenbruch bzw.
Wiederaufbau der Spannung UDS die Schaltzeitpunkte
eindeutig aus.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann automatisiert ohne die Beurteilung der Kurvenform des Ausgangssignals
durch eine geschulte Person erfolgen. Es besteht keine Gefahr, die
Schalter bzw. den Schalter, für
den der Schaltzeitpunkt bestimmt wird, zu zerstören. Weiterhin ist das Verfahren
bei Modulen einsetzbar, die keinen speziellen Messausgang aufweisen.
Der Schaltzeitpunkt wird insbesondere dadurch bestimmt, dass die
Kurvenform des Signals am Leistungsausgang des Schalters ausgewertet wird.
Das Steuersignal kann in Abhängigkeit
von einem Schaltbefehl generiert werden. Der Schaltbefehl kann durch
eine Steuerschaltung als logischer Befehl erzeugt werden. Infolge
des Schaltbefehls kann ein physikalisches Steuersignal generiert
werden.
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Vorzugsweise
wird nicht oder nicht nur der absolute Schaltzeitpunkt des Schalters
bestimmt, sondern wird eine Verzögerungszeit
zwischen einem Schaltbefehl bzw. einer Flanke des Steuersignals
einerseits und dem Schaltzeitpunkt des Halbleiterschalters andererseits
bestimmt. Die Verzögerungszeit
bestimmt die Zeit, die zwischen einem Schaltbefehl bzw. einer Flanke
des Steuersignals und dem tatsächlichen
Schaltzeitpunkt des Schalters vergeht. Dabei kann auch vorgesehen
sein, dass sowohl eine Verzögerungszeit
für das
Einschalten des Halbleiterschalters in Folge eines Einschaltbefehls
bzw. einer steigenden Flanke des Steuersignals und eine Verzögerungszeit
für das
Ausschalten des Halbleiterschalters in Folge eines Ausschaltbefehls
bzw. einer fallenden Flanke des Steuersignals bestimmt wird. Hierbei
wurde beispielhaft angenommen, dass ein Einschalten bei einer steigenden
Flanke und ein Ausschalten bei einer fallenden Flanke erfolgt. Selbstverständlich ist
auch denkbar, bei einer fallenden Flanke einzuschalten und bei einer
steigenden Flanke des Steuersignals den Schalter auszuschalten und
die entsprechende Verzögerungszeit
zwischen diesen Flanken und dem Schaltzeitpunkt des Schalters zu bestimmen.
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Auch
das Steuersignal kann erfasst werden. Insbesondere kann der zeitliche
Verlauf gemessen werden. Es ist die Messung von Strom und Spannung,
insbesondere auch vor oder nach einem Signalübertrager, denkbar.
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Grundsätzlich könnte der
Halbleiterschalter zur Bestimmung der Schaltzeitpunkte in einer
Testschaltung angeordnet sein. Um die ermittelten Schaltzeitpunkte
sinnvoll bei bestimmungsgemäßem Betrieb
des Schalters in seiner Schaltungsumgebung verwenden zu können, ist
es vorteilhaft, wenn die Bestimmung des Schaltzeitpunkts bei in
seiner bestimmungsgemäßen Schaltungsumgebung,
beispielsweise einem Modul, angeordnetem und angeschlossenem Halbleiterschalter
erfolgt. Nur dadurch ist es möglich,
die tatsächlichen
Verzögerungszeiten,
die auch beim Betrieb des Schalters in seiner bestimmungsgemäßen Schaltungsumgebung
bei der Betriebsspannung auftreten, zu bestimmen. Die Steuerschaltung,
der Treiber und der Schalter sind bereits an Ort und Stelle, die
endgültigen
individuellen Verzögerungen,
beispielsweise durch Leitungen, den Signalübertrager oder den Treiber,
sind schon vorhanden und können
richtig berücksichtigt
werden.
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Es
sind mehrere Möglichkeiten
denkbar, um das Ausgangssignal auszuwerten. Beispielsweise ist es
möglich,
die Zeitpunkte der Minima und/oder Maxima des Ausgangssignals direkt
zu bestimmen. Weiterhin kann eine zeitliche Ableitung erster und/oder höherer Ordnung
des Ausgangssignals gebildet und ausgewertet werden. Es können auch
die Verzögerungszeiten
von mehreren Schaltereignissen, beispielsweise von mehreren Einschaltvorgängen, im Ausgangssignal
UDS bestimmt werden und ein Mittelwert der
so gewonnenen Verzögerungszeiten
bestimmt werden. Weiterhin kann zunächst eine Mittelung einer Anzahl
von Kurvenformen des Ausgangssignals gebildet werden, die jeweils
ein Schaltereignis, beispielsweise einen Einschaltvorgang, aufweisen,
um diese gemittelte Kurvenform auszuwerten.
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Das
Steuersignal kann über
einen Signalübertrager
geführt
werden. Dadurch kann eine Potenzialtrennung erfolgen. Die Verzögerungszeit
kann relativ zu dem primärseitigen
Teil des Steuersignals oder relativ zum sekundärseitigen Steuersignal, insbesondere
in Bezug zu steigenden oder fallenden Flanken dieser Signale, ermittelt
werden.
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Vorzugsweise
wird das Steuersignal durch einen Treiber verstärkt. Bei Verwendung eines Signalübertragers
kann der Signalübertrager
sowohl zwischen Steuerschaltung und Treiber als auch zwischen Treiber
und Halbleiterschalter angeordnet sein.
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Dabei
können
als Verzögerungszeiten
die Zeiten zwischen den Spannungen im Kurvenzug des Steuersignals
am Treibereingang, bei dem der Treiber seine Ein- bzw. Ausschaltschwelle über- bzw.
unterschreitet, und den zugehörigen
Ein- bzw. Ausschaltzeitpunkten des Schalters bestimmt werden. Die
Verzögerungen
zwischen diesen Zeitpunkten sind relevant für die exakte Ansteuerung des
Schalters und können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelt werden.
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Aus
den ermittelten Schaltzeitpunkten beziehungsweise Verzögerungen
können
Korrekturwerte ermittelt werden, die bei der oder für die Verzögerung von
Schaltbefehlen oder Steuersignalen berücksichtigt werden können. Die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelten Schaltzeitpunkte und/oder Verzögerungen und/oder Korrekturwerte
können
abgespeichert werden. Insbesondere können diese in einer Tabelle
abgespeichert werden, auf die die Steuerschaltung zugreifen kann.
Die Steuerschaltung kann digital ausgeführt sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann einmalig vor Inbetriebnahme eines Geräts, in dem der Halbleiterschalter
angeordnet ist, durchgeführt
werden. Somit können
für jeden
einzelnen Schalter einer Schaltbrücke die Schaltzeitpunkte bzw.
Verzögerungszeiten
ermittelt werden und unter Berücksichtigung
der Verzögerungszeiten
können
dann wiederum Steuersignale für
die Schalter ermittelt werden, die sicherstellen, dass die beiden
Schalter nicht gleichzeitig eingeschaltet sind und es zu einem Kurzschluss
kommt und andererseits die Schalter nicht zu lange ausgeschaltet
sind, so dass eine maximale Leistung erzeugt werden kann.
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Da
es auch im Betrieb bzw. mit der Zeit bei einem Gerät zu Veränderungen
kommen kann, kann auch vorgesehen sein, dass öfter, beispielsweise jedes
Mal nach dem Einschalten eines Geräts, in dem der Halbleiterschalter
angeordnet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung
von Schaltzeitpunkten, durchgeführt
wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schalter stets optimal
angesteuert werden können.
Außerdem
können
durch diese Vorgehensweise Störzustände bestimmt
werden. Zudem können
Veränderungen,
beispielsweise das Auswechseln von Schaltern, Treibern oder Modulen oder
die Veränderung
der Leitungslängen,
festgestellt werden.
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Das
Verfahren kann automatisiert durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn es für
mehrere, insbesondere alle Halbleiterschalter einer Schaltbrücke durchgeführt wird.
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Um
das Gerät,
in dem der Schalter angeordnet ist, nicht zu komplex zu gestalten,
kann es vorteilhaft sein, wenn das Verfahren mit Hilfe einer von
dem Gerät,
in dem der Halbleiterschalter angeordnet ist, unabhängigen Abgleichanordnung
durchgeführt wird.
Diese Abgleichanordnung kann dadurch bei der Produktion oder beim
Betrieb von mehreren Geräten eingesetzt
werden. Beispielsweise kann ein Modul, in dem Halbleiterschalter
angeordnet sind, die sich also in ihrer bestimmungsgemäßen Schaltungsumgebung befinden,
mit der Abgleichanordnung betrieben werden, um die Schaltzeitpunkte
der Halbleiterschalter zu bestimmen.
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In
einer anderen Ausgestaltung kann die Abgleichanordnung als Teil
der Steuerschaltung ausgeführt
sein.
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In
den Rahmen der Erfindung fällt
außerdem ein
Verfahren zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters, bei dem unter
Berücksichtigung
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelten Schaltzeitpunkte, Verzögerungszeiten und/oder Korrekturwerte ein
Steuersignal generiert wird. Bei der Generierung des Steuersignals
können
daher Signallaufzeiten des Steuersignals berücksichtigt werden, so dass
ein Schaltbefehl rechtzeitig vor einem gewünschten Schaltzeitpunkt des
Schalters ausgelöst
werden kann.
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In
den Rahmen der Erfindung fällt
außerdem eine
Anordnung zum Bestimmen von Schaltzeitpunkten eines Halbleiterschalters,
umfassend den Halbleiterschalter, eine in Abhängigkeit von einem Schaltbefehl
ein Steuersignal generierende Steuerschaltung, einen mittelbar oder
unmittelbar an den Steueranschluss des Halbleiterschalters angeschlossenen Treiber,
eine an mindestens einen Leistungsanschluss des Halbleiterschalters
mindestens mittelbar angeschlossene Messeinrichtung und eine damit
in Verbindung stehende Analyseeinrichtung, welche zur Auswertung
des durch die Messeinrichtung erfassten Ausgangssignals eingerichtet
ist.
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Bei
der Anordnung kann ein Speicher zur Speicherung der in der Analyseeinrichtung
ermittelten Schaltzeitpunkte, Verzögerungszeiten und/oder Korrekturwerte
oder eine Ausleseeinrichtung zum Auslesen der Schaltzeitpunkte,
Verzögerungszeiten und/oder
Korrekturwerte vorgesehen sein. Die so gespeicherten bzw. ausgelesenen
Daten können
anschließend
durch die Steuerschaltung, wo sie in einer Tabelle gespeichert werden
können,
verwendet werden, um geeignete Steuersignale im Normalbetrieb des
Schalters zu bestimmen bzw. zu generieren.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf eine Leistungsversorgung, insbesondere zur Leistungsversorgung
eines Plasmaprozesses, mit einer Schaltbrücke, die zumindest zwei Halbleiterschalter umfasst,
denen jeweils ein Treiber zugeordnet ist, und einer Steuerschaltung,
die unter Berücksichtigung
der in dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelten Schaltzeitpunkte, Verzögerungszeiten und/oder Korrekturwerte
Steuersignale für
die Halbleiterschalter generiert.
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Bei
einer solchen Leistungsversorgung kann im Betrieb eine Kompensation
von Laufzeitunterschieden und Exemplarschwankungen durch vorher gewonnene
Korrekturwerte bei der Ansteuerung der Schalter erfolgen. Es können mehrere
Schalter in einer Schaltbrücke,
insbesondere einer Halb- oder Vollbrückenanordnung vorgesehen sein.
Der Abgleich bzw. die Kompensation anhand der gewonnenen Korrekturwerte
führt zu
einer Synchronisation der Schalter in der Schaltbrücke. Ein Überlappen
der eingeschalteten Zustände
kann vermieden werden. Differenzen in den Verzögerungszeiten können im Normalbetrieb
kompensiert werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, anhand der Figuren, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen,
und aus den Ansprüchen.
Die einzelnen Merkmale können
je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante
der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und
werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1.
eine schematische Darstellung einer Leistungsversorgung mit einer
Vollbrücke;
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2a die
Darstellung eines Schalters, an dem eine Messung durchgeführt werden
kann;
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2b ein
Ersatzschaltbild des Schalters gemäß 2a;
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3 eine
Anordnung zur Durchführung
eines Abgleichbetriebs;
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4 Signalkurven
zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 zeigt
eine Leistungsversorgung 10 mit einer ersten Halbbrücke 11,
die zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter 12, 13 und
zugeordnete Treiber 14, 15 aufweist. Eine zweite
Halbbrücke 16 weist
zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter 17, 18 mit
zugeordneten Treibern 19, 20 auf. Zwischen die
Mittelpunkte M1 und M2 der ersten und zweiten Halbbrücke 11, 16 sind
ein Ausgangsübertrager 21 sowie
eine Spule L und ein Kondensator C geschaltet. Auf der Sekundärseite des
Ausgangsübertragers 21 ist
eine Last 22 angeschlossen. Die Last 22 ist schematisch
als Impedanz dargestellt, wobei sie die Impedanz eines Plasmas und/oder
einer Impedanzanpassungsschaltung umfassen kann. Die Primärwicklung
des Ausgangsübertragers 21 bildet
zusammen mit der Spule L und dem Kondensator C einen Ausgangskreis.
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In
einer Steuerschaltung 23 werden aufgrund von Schaltbefehlen
Steuersignale generiert, die über
Signalübertrager 24–27 über die
Treiber 14, 15, 19, 20 den Steueranschlüssen 28–31 der
Halbleiterschalter 12, 13, 17, 18 zugeführt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Signalübertrager 24–27 vor
den Treibern 14, 15, 19, 20 angeordnet. Wie
sich schon anhand der schematischen Darstellung zeigt, sind die
Leitungslängen,
die von der Steuerschaltung 23 zu den Steueranschlüssen 28–31 führen, unterschiedlich
lang, so dass sich schon aus diesem Grund unterschiedliche Laufzeiten
für die
durch die Steuerschaltung 23 erzeugten Steuersignale ergibt.
Weitere Laufzeitunterschiede ergeben sich durch die Exemplarstreuungen
der Signalübertrager 24–27 und
insbesondere der Treiber 14, 15, 19, 20.
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In
einem Speicher 32, der als Tabelle ausgeführt sein
kann oder eine solche enthalten kann, sind erfindungsgemäß den Halbleiterschaltern 12, 13, 17, 18 zugeordnete
Schaltzeitpunkte, Verzögerungszeiten
und/oder Korrekturwerte abgelegt, die durch die Steuerschaltung 23 verwendet
werden, um zu geeigneten Zeitpunkten Schaltbefehle bzw. Steuersignale zu
generieren, so dass die Halbleiterschalter 12, 13 der
Halbbrücke 11 sowie
die Halbleiterschalter 17, 18 der Schaltbrücke 16 synchronisiert
werden, so dass kein Kurzschluss entsteht. Die Werte des Speichers 32 werden
zur Erzeugung der Steuersignale in einem Normalbetrieb verwendet,
bei dem eine Betriebsspannung einer Gleichstromquelle mit dem positiven Potenzial 33 und
dem negativen Potenzial 34 anliegt.
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In
der 2a ist exemplarisch der Halbleiterschalter 12 dargestellt.
Der Halbleiterschalter 12 weist einen ersten Leistungsanschluss 40 und
einen zweiten Leistungsanschluss 40 auf. Bei einem MOSFET
wird der erste Leistungsanschluss 40 als Drain und der
zweite Leistungsanschluss 41 als Source bezeichnet. Weiterhin
weist der Halbleiterschalter 12 einen Steueranschluss 28 auf,
der bei einem MOSFET als Gate bezeichnet wird. Zwischen den Leistungsanschlüssen 40, 41 besteht
die interne Drain-Source-Kapazität
CDS und zwischen dem Leistungsanschluss 40 und
dem Steueranschluss 28 besteht die interne Drain-Gate-Kapazität CDG. Die Bodydiode des Halbleiterschalters 12 ist
mit 42 bezeichnet.
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An
den Leistungsanschlüssen 40, 41 kann die
Spannung UDS gemessen werden. Zwischen dem Leistungsanschluss 40 und
dem Steueranschluss 28 liegt die Spannung UDG und
zwischen dem Steueranschluss 28 und dem Leistungsanschluss 41 die
Spannung UGS. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild
ist in der 2b dargestellt. In einem Abgleichbetrieb
wird an den Steueranschluss 40 eine andere Spannung als
die Betriebsspannung angelegt. Beispielsweise wird an den Leistungsanschluss 40 überhaupt
keine Spannung angelegt.
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Wie
sich aus den 2a, 2b ergibt, kann
der Halbleiterschalter 12 als kapazitiver Spannungsteiler
betrachtet werden. Die Spannung UGS, also
die Treiberausgangsspannung, die ein Steuersignal darstellt, liegt
an der Serienkapazität
CDG, CDS an. Sobald
diese Spannung die Schaltschwelle erreicht hat, schaltet der Schalter 12 zwischen
erstem Leistungsanschluss 40 und zweitem Leistungsanschluss 41 durch,
d. h. CDS wird sehr groß. Die Spannung UDS bricht
zusammen. Umgekehrt wird CDS bei Unterschreiten
der Schaltschwelle wieder klein und es fällt wieder ein nennenswerter
Spannungsbetrag an diesem kapazitiven Widerstand ab. Hierbei ist
zu beachten, dass, wie bereits erwähnt, an den Leistungsanschluss 40 keine
oder nur eine geringe Spannung angelegt ist.
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In
der 3 ist eine Anordnung für einen Abgleichbetrieb dargestellt.
Der Halbleiterschalter 12 ist mit seinem Leistungsanschluss 40 an
eine Spannung angeschlossen, die von der Betriebsspannung abweicht.
Durch die Messeinrichtung 45 wird die Spannung UDS als Ausgangssignal des Halbleiterschalters 12 erfasst.
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Aufgrund
eines Schaltbefehls wird in der Steuerschaltung 23 ein
Schaltsignal erzeugt. Das Steuersignal, dass an der Primärseite der
Signalübertragers 24 anliegt,
kann durch die Messeinrichtung 46 erfasst werden. Durch
die Messeinrichtung 47 kann das sekundärseitige Steuersignal erfasst werden.
Dieses wird auf den Treiber 14 gegeben, der dann das durch
ihn verstärkte
Steuersignal an den Steueranschluss 28 übergibt.
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Die
Messeinrichtungen 45–48 können mit
einer Analyseeinrichtung 49 in Verbindung stehen, die die
gemessenen Signale auswertet und miteinander in Beziehung setzt.
Es ist grundsätzlich
denkbar, eine Messeinrichtung 48 vorzusehen, um das Steuersignal
unmittelbar am Steueranschluss 28 zu erfassen. Häufig ist
dies jedoch nicht möglich,
insbesondere bei der Verwendung von vorgefertigten Modulen. Der Verlauf
der Drain-Source-Spannung UDS wird mit der Messeinrichtung 45 erfasst.
Durch die Analyseeinrichtung 49 kann der exakte Schaltzeitpunkt
des Halbleiterschaltelements 12 ermittelt werden. Insbesondere
kann dessen Verzögerung
im Vergleich zu dem Schaltbefehl der Steuerschaltung 23 bzw.
einem der durch die Messeinrichtungen 46, 47 oder 48 erfassten
Steuersignale ermittelt werden.
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Dies
wird anhand der 4 erläutert. Mit der Bezugsziffer 50 ist
das durch die Messeinrichtung 47 erfasste Steuersignal
am Eingang des Treibers 14 bezeichnet. An der Stelle UON ist die vorher bekannte Schaltschwelle
für das
Einschalten des Treibers 14 erreicht. Wie sich aus der
Darstellung der Spannung UDS mit der Kurve 52 ergibt,
schaltet der Halbleiterschalter 12 jedoch erst zum Zeitpunkt
ton ein. Dies bedeutet, dass zwischen dem
Zeitpunkt des Erreichens der Schaltschwelle und dem Zeitpunkt ton eine Zeitdifferenz Δton vergangen
ist. Die Spannung UDS (Ausgangssignal) weist
durch den Zusammenbruch der Spannung zum Zeitpunkt ton den
Einschaltzeitpunkt und zum Zeitpunkt toff den
Ausschaltzeitpunkt eindeutig und genau aus.
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Entsprechend
wird die Schaltschwelle des Treibers 14 für das Ausschalten
bei UOFF erreicht. Tatsächlich schaltet der Halbleiterschalter 12 jedoch
erst zum Zeitpunkt toff ab, der bei einem
zweiten Maximum der Spannung UDS liegt.
Das heißt
auch das Ausschalten des Halbleiterschalters 12 ist um
eine Zeitspanne Δtoff zur Ausschaltschwelle UOFF des
Steuersignals 50 verzögert.
Die Verzögerungszeiten Δ ton bzw. Δtoff können
in dem Speicher 32 abgelegt werden. Entweder werden diese
Verzögerungszeiten
an sich oder entsprechende Korrekturwerte berücksichtigt, wenn durch die
Steuerschaltung 23 im Normalbetrieb Steuersignale generiert
werden, so dass das Steuersignal rechtzeitig vor einem gewollten
tatsächlichen
Schaltzeitpunkt des Halbleiterschalters 12 ausgelöst wird.
Die Verzögerungszeiten
für das
Ein- und Ausschalten sind unterschiedlich. In der 4 ist die
häufig
nicht messbare Spannung UGS als Kurve 51 ebenfalls
dargestellt, die deutlich die durch den Treiber 14 hervorgerufene
Verzögerung
darstellt.