DE102010063046A1

DE102010063046A1 - Verfahren zur Bestimmung der Verzögerung bei der Ansteuerung eines Halbleiterschalters

Info

Publication number: DE102010063046A1
Application number: DE102010063046A
Authority: DE
Inventors: Florian Maier
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der Verzögerungen zwischen der Generierung eines Schaltbefehls und/oder einer Flanke eines Ansteuersignals und dem zugehörigen Schaltzeitpunkt eines in einer Halbbrückenschaltung (11, 16) angeordneten ersten Halbleiterschalters (13, 18) in einem Abgleichbetrieb, umfasst die Verfahrensschritte: a. Anlegen einer Abgleichbetriebsspannung an die Halbbrücke (11, 16); b. Ansteuern des ersten Halbleiterschalters (13, 18) mit einem ersten Ansteuersignal; c. Ansteuern des komplementären Halbleiterschalters (12, 17) mit einem zweiten Ansteuersignal, wobei die Ansteuersignale derart aufeinander abgestimmt sind, dass vor einem Einschalten des ersten Halbleiterschalters (13, 18) der komplementäre Halbleiterschalter (12, 17) ausgeschaltet wird und/oder der erste Halbleiterschalter (13, 18) ausgeschaltet wird, während der komplementäre Halbleiterschalter (12, 17) eingeschaltet ist; d. Erfassen der Spannung (60, 70) am Halbbrückenausgang; e. Bestimmen der Einschaltverzögerung und/oder der Ausschaltverzögerung des ersten Halbleiterschalters (13, 18) unter Berücksichtigung der erfassten Spannung (60, 70) am Halbbrückenausgang.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verzögerungen zwischen der Generierung eines Schaltbefehls und/oder einer Flanke eines Ansteuersignals und dem zugehörigen Schaltzeitpunkt eines in einer Halbbrückenschaltung angeordneten ersten Halbleiterschalters in einem Abgleichbetrieb.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Wechselstromlast wird zwischen diesen beiden Mittelpunkten angeordnet. Ein zusätzlicher Kondensator zur Befreiung des Ausgangssignals von einem Gleichspannungsanteil ist nicht notwendig.
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.
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.
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 Ansteuersignal zugeführt wird. Die Treiber und Halbleiterschalter können in einem Modul zusammengefasst sein. Ein Modul kann auch eine gesamte Halbbrücke oder Vollbrücke umfassen.
Die Steuerschaltung erzeugt (logische) Ein-/Ausschaltbefehle, in deren Folge ein (physikalisches) Ansteuersignal generiert wird. Das Ansteuersignal kann über einen Signalübertrager zur Potenzialtrennung geführt werden. In diesem Fall kann von einem primärseitigen und einen sekundärseitigen Ansteuersignal gesprochen werden. Ein Ansteuersignal muss demnach eine Ansteuerkette, die einen Treiber, einen Signalübertrager und weitere Bauelemente umfassen kann, durchlaufen, ehe es am Steueranschluss ankommt und zu einem Schalten des Halbleiterschalters führen kann. Dadurch kommt es zu Verzögerungszeiten.
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.
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.
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.
Außerdem ist es bekannt, die jeweilige Treiberverzögerung zu ermitteln, die eine der Hauptursachen für die unterschiedlichen Verzögerungszeiten ist.
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.
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.
Aus der DE 10 2009 010 753 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes eines Halbleiterschalters in einem Abgleichbetrieb bekannt, welcher die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a. Ansteuern des Halbleiterschalters über seinen Steueranschluss mit einem Steuersignal ohne Anlegen einer DC-Betriebsspannung an die Schaltung;
b. Erfassen eines Ausgangssignals an den Leistungsanschlüssen;
c. Bestimmen des Schaltzeitpunktes des Halbleiterschalters unter Verwendung des erfassten Ausgangssignals.

Die in der DE 10 2009 010 753 A1 beschriebene Lösung funktioniert, solange kein Resonanzkreis an die Halb- bzw. Vollbrücke angeschlossen ist. In der Praxis ist jedoch häufig ein Resonanzkreis an die Halb- bzw. Vollbrücke angeschlossen, was die Ermittlung der Einschaltzeitpunkte der Transistoren bzw. der Verzögerungszeiten der Ansteuerkette beeinflusst. Dies bedeutet, dass zumindest in bestimmten Konfigurationen von Resonanzkreisen die Ein- bzw. Ausschaltzeitpunkte nicht immer sicher erkannt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Ermittlung von Schaltverzögerungen bereit zu stellen, mit dem die Verzögerungen zwischen der Generierung eines Schaltbefehls und/oder einer Flanke eines Ansteuersignals und dem zugehörigen Schaltzeitpunkt eines in einer Halbbrückenschaltung angeordneten Halbleiterschalters ohne Veränderung der Lastbedingung und ohne zusätzliche Schaltungselemente genau ermittelt werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der Verzögerungen zwischen der Generierung eines Schaltbefehls und/oder einer Flanke eines Ansteuersignals und dem zugehörigen Schaltzeitpunkt eines in einer Halbbrückenschaltung angeordneten ersten Halbleiterschalters in einem Abgleichbetrieb, umfassend die Verfahrensschritte:

a. Anlegen einer Abgleichbetriebsspannung an die Halbbrücke;
b. Ansteuern des ersten Halbleiterschalters mit einem ersten Ansteuersignal;
c. Ansteuern des komplementären Halbleiterschalters mit einem zweiten Ansteuersignal, wobei die Ansteuersignale derart aufeinander abgestimmt sind, dass vor einem Einschalten des ersten Halbleiterschalters der komplementäre Halbleiterschalter ausgeschaltet und und/oder der erste Halbleiterschalter ausgeschaltet wird, während der komplementäre Halbleiterschalter eingeschaltet ist;
d. Erfassen der Spannung am Halbbrückenausgang;
e. Bestimmen der Einschaltverzögerung und/oder der Ausschaltverzögerung des ersten Halbleiterschalters unter Berücksichtigung der erfassten Spannung am Halbbrückenausgang.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Verzögerung ermittelt, die sich in einem Ansteuersignalpfad bzw. in einer Ansteuerkette ergibt. Es wird also die Verzögerung bestimmt zwischen der Generierung eines Schaltbefehls und der Reaktion des Halbleiterschalters auf diesen Schaltbefehl. Zwischen der Generierung des Schaltbefehls bzw. einer Flanke eines aufgrund des Schaltbefehls erzeugten Ansteuersignals und der Reaktion des Halbleiterschalters kann eine gewisse Zeit vergehen, da das Ansteuersignal gegebenenfalls über eine Ansteuerkette, die eine Potentialtrennung, einen Treiberbaustein und gegebenenfalls weitere Elemente aufweisen kann, verzögert wird. Zur Bestimmung der Einschaltverzögerung kann der komplementäre Halbleiterschalter so eingestellt werden, dass zum Einschaltzeitpunkt des ersten Halbleiterschalters die parasitären Drain-Kapazitäten möglichst weit aufgeladen sind. Es wird also mit relativ hoher Betriebsspannung gearbeitet. Das bedeutet, dass der komplementäre Halbleiterschalter vor dem Einschaltzeitpunkt eingeschaltet ist. Dabei wird erfindungsgemäß darauf geachtet, dass zum Einschaltzeitpunkt des ersten Halbleiterschalters der komplementäre Halbleiterschalter bereits ausgeschaltet ist. Er muss also kurz vor dem Einschaltzeitpunkt des ersten Halbleiterschalters ausgeschaltet werden. Dabei müssen die Toleranzen der Schaltzeiten berücksichtigt werden. Im Einschaltzeitpunkt des ersten Halbleiterschalters entsteht eine charakteristische steile Flanke am Brückenausgang, weil die aufgeladene parasitäre Drain-Kapazität entladen wird. Anhand dieses Signals kann die Verzögerungszeit bestimmt werden.
Zur Bestimmung des Ausschaltzeitpunkts des ersten Halbleiterschalters wird die Einschaltzeit des komplementären Halbleiterschalters so eingestellt, dass sie sich mit der des ersten Halbleiterschalters überschneidet. Zum Ausschaltzeitpunkt des ersten Halbleiterschalters ist der komplementäre Halbleiterschalter noch eingeschaltet. Dies führt zu einem großen Strom durch die Halbbrücke (sogenannte Cross-Conduction). Zum Ausschaltzeitpunkt des ersten Halbleiterschalters entsteht aufgrund der Leitungsinduktivitäten ein charakteristischer Spannungssprung am Brückenausgang. Die Betriebsspannung für die Ermittlung des Ausschaltzeitpunktes bzw. der Ausschaltverzögerung kann verglichen mit der Betriebsspannung zur Bestimmung des Einschaltzeitpunktes bzw. der Einschaltverzögerung niedriger gewählt werden, um den Stromanstieg während der Cross-Conduction zu begrenzen.
Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erhöht werden, wenn eine im Normalbetrieb an die Halbbrückenschaltung angeschlossene Last reduziert oder abgeschaltet wird. Die im Normalbetrieb vorhandene Last kann dadurch reduziert oder abgeschaltet werden, dass die Halbleiterschalter einer oder mehrerer weiterer Halbbrücken sperrend geschaltet werden. Weiterhin dient der jeweils komplementäre Halbleiterschalter einer Halbbrücke zur Veränderung der Lastbedingung des abzugleichenden ersten Halbleiterschalters. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann insbesondere der Einfluss eines Resonanzkreises, der an die Halbbrückenschaltung angeschlossen ist, reduziert oder gar ausgeschlossen werden.
Die Einschaltverzögerung und/oder die Ausschaltverzögerung des ersten Halbleiterschalters kann unter Berücksichtigung eines Referenzsignals bestimmt werden. Für jede abzugleichende Flanke eines Ansteuersignals (Einschaltzeitpunkt und Ausschaltzeitpunkt) werden Referenzkurven bzw. Referenzsignale generiert, so dass sich eine Sollposition für die abzugleichenden Flanken ergibt. Hierfür können Ausschnitte von Idealkurven dienen, die während eines manuellen Abgleichs erfasst wurden.
Unterschiedliche Verfahren können für die Analyse und die Bestimmung der Verzögerungszeiten verwendet werden. Insbesondere kann eine zeitliche Ableitung der erfassten Spannung bestimmt werden, ein gleitender Kreuzkorrelationsfaktor zwischen der Ableitung und dem Referenzsignal ermittelt werden und eine Extremstelle, insbesondere ein Maximum, des Kreuzkorrelationsfaktors bestimmt werden. Das Maximum des Kreuzkorrelationsfaktors bestimmt die erkannte Position der gemessenen Flanke. Stimmt die Ist-Position nicht mit der Sollposition des Referenzsignals überein, so wird die Steuerung entsprechend angepasst und die Messung wiederholt. Dies bedeutet, dass die Bestimmung der Einschaltverzögerung und/oder der Ausschaltverzögerung vorzugsweise iterativ erfolgt. Insbesondere kann zu Beginn der Ermittlung der Verzögerungszeiten, wenn genaue Schaltzeiten für keinen der Halbleiterschalter bekannt sind, zunächst mit einem sehr konservativen Puls-Pausenverhältnis, das bei ca. 35% liegen kann, angefangen werden. Der Abgleich bzw. die Bestimmung der Verzögerungszeiten finden Schritt für Schritt für jeden Halbleiterschalter und für jede Steuerflanke (Einschalten oder Ausschalten) einzeln statt.
Gegenüber einem manuellen Abgleich ist das erfindungsgemäße Verfahren deutlich schneller und reproduzierbarer und kann insbesondere besonders einfach automatisiert durchgeführt werden. Durch Verwendung der Kreuzkorrelation ist nur die Kurvenform der gemessenen Spannung entscheidend. Spannungshöhen sind dabei nicht entscheidend. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, fehlerhafte Bauteile zu detektieren, da an dem Abgleich nur zwei Halbleiterschalter beteiligt sind. Weiterhin ist das Verfahren gefeit gegenüber Toleranzen im Ausgangsnetzwerk bzw. Resonanzkreis, da das Netzwerk nicht von Strom durchflossen ist, während die Verzögerungszeiten bestimmt werden. Bei anderen Verfahren werden die Kurvenformen durch die Toleranzen verändert. Flanken können so schlechter automatisch detektiert werden. Grundsätzlich ist es denkbar, den Abgleich bzw. die Bestimmung der Verzögerungszeiten bei der Normalbetriebsspannung durchzuführen. Vorteilhafterweise wird jedoch die Abgleichbetriebsspannung kleiner gewählt als die Normalbetriebsspannung.
Für die Ermittlung der Verzögerungszeiten können unterschiedliche Ansteuersignale verwendet werden. Beispielsweise kann ein digitales Signal verwendet werden, es kann ein Ausgangssignal eines Controllers, das Eingangssignal eines Treibers oder ein durch eine analoge Schaltung generiertes analoges Signal verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, wird die Einschaltverzögerung und die Ausschaltverzögerung für jeden Halbleiterschalter mit vorgeschalteter Ansteuerkette einer Brückenschaltung ermittelt. Wenn die Verzögerungszeiten für jeden Halbleiterschalter bekannt sind, können die Halbleiterschalter exakt angesteuert werden, so dass ein Null-Volt-Schalten zuverlässig sichergestellt werden kann.
Die ermittelten Einschaltverzögerungen und/oder Ausschaltverzögerungen werden vorzugsweise abgespeichert, so dass sie dann zur Ansteuerung der Halbleiterschalter im Normalbetrieb zur Verfügung stehen.
Die Erfassung der Spannung am Halbbrückenausgang kann mittels eines in der Leistungsversorgung integrierten Analog-Digital-Wandlerbausteins erfolgen. Dadurch kann die Leistungsversorgung, die die Halbleiterschalter aufweist, die Verzögerungszeiten selbst bestimmen. Ein Selbstabgleich ist daher möglich. Der Analog-Digital-Wandlerbaustein kann auch noch für weitere Aufgaben genutzt werden.
Weiterhin kann ein externes Referenzsignal zur Synchronisierung der Messgeräte und der Ansteuersignalerzeugung verwendet werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Messungen erhöht. Vor allem wird aber so gewährleistet, dass alle so abgeglichenen Halb- und Vollbrücken und damit alle diese Halb- oder Vollbrücken enthaltenden Leistungsversorgungen den gleichen Phasenversatz haben und somit phasengleich arbeiten. Dadurch ist es möglich, mehrere mit demselben externen Referenzsignal abgeglichenen Leistungsversorgungen synchron zu betreiben. Dies wäre bei Verwendung jeweils eines internen Referenzsignals zum Abgleich der Halb- und/oder Vollbrücken einer Leistungsversorgung unter Umständen nicht möglich.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer Leistungsversorgung mit in einer Brückenschaltung angeordneten Halbleiterschaltern, wobei die ermittelten Einschaltverzögerungen und Ausschaltverzögerungen der Halbleiterschalter bei der Ansteuerung der Halbleiterschalter berücksichtigt werden. Dies trägt zur Stabilität und zum verlustarmen Betrieb der Leistungsversorgung bei.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Leistungsversorgung mit einer Vollbrücke;
2a die Darstellung eines Schalters, an dem eine Messung durchgeführt werden kann;
2b ein Ersatzschaltbild des Schalters gemäß 2a;
3a ein schematisches Diagramm zur Verdeutlichung der Ermittlung der Einschaltverzögerung;
3b ein schematisches Diagramm zur Verdeutlichung der Ermittlung der Ausschaltverzögerung;
4a bis 4d Diagramme zur Verdeutlichung der Ermittlung eines Einschaltzeitpunkts eines Halbleiterschalters;
5a bis 5d Diagramme zur Verdeutlichung der Ermittlung eines Ausschaltzeitpunkts eines Halbleiterschalters
6a Spannungen an einer nicht abgeglichenen resonanten Vollbrücke;
6b Spannungen an einer abgeglichenen resonanten Vollbrücke.
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 bzw. Resonanzkreis.
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 bzw. die Ansteuerketten, 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.
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.
In der 2a ist exemplarisch der Halbleiterschalter 12 dargestellt. Der Halbleiterschalter 12 weist einen ersten Leistungsanschluss 40 und einen zweiten Leistungsanschluss 41 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 C_DS und zwischen dem Leistungsanschluss 40 und dem Steueranschluss 28 besteht die interne Drain-Gate-Kapazität C_DG. Die Bodydiode des Halbleiterschalters 12 ist mit 42 bezeichnet.
An den Leistungsanschlüssen 40, 41 kann die Spannung U_DS gemessen werden. Zwischen dem Leistungsanschluss 40 und dem Steueranschluss 28 liegt die Spannung U_DG und zwischen dem Steueranschluss 28 und dem Leistungsanschluss 41 die Spannung U_GS. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild ist in der 2b dargestellt.
In der 3a ist zunächst die Ausgangsspannung 50 des komplementären Halbleiterschalters, beispielsweise des Halbleiterschalters 12 dargestellt. Gezeigt ist die Spannung zwischen den Leistungsanschlüssen 40, 41. Da die Schaltzeitpunkte nicht genau bekannt sind, sind der Einschaltbereich 51 und der Ausschaltbereich 52 gestrichelt dargestellt. Die gestrichelte Darstellung verdeutlicht, dass Einschalttoleranzen und Ausschalttoleranzen berücksichtigt wurden. Darunter ist mit der Bezugsziffer 53 die Ausgangsspannung zwischen den Leistungsanschlüssen des abzugleichenden Halbleiterschalters dargestellt. Es wurde darauf geachtet, dass der komplementäre Halbleiterschalter bereits sicher ausgeschaltet ist, ehe der abzugleichende Halbleiterschalter, also beispielsweise der Halbleiterschalter 13, eingeschaltet wird. Wird der Halbleiterschalter eingeschaltet, so entsteht die steigende Flanke 54. Das Einschalten des abzugleichenden Halbleiterschalters führt dazu, dass die Spannung 55 am Brückenausgang einbricht, was durch die Flanke 56 verdeutlicht wird. Der Zeitpunkt des Einbrechens der Brückenausgangsspannung lässt sich bestimmen, so dass damit auch feststeht, wann der abzugleichende Halbleiterschalter als Reaktion auf einen Steuerbefehl eingeschaltet hat. Die steile Flanke 56 ergibt sich, da die aufgeladene parasitäre Drain-Kapazität des abzugleichenden Halbleiterschalters entladen wird.
3b zeigt die Vorgehensweise zur Bestimmung des Ausschaltzeitpunkts eines Halbleiterschalters. Der abzugleichende Halbleiterschalter wird ausgeschaltet, während der komplementäre Halbleiterschalter noch eingeschaltet ist. Dies ist dadurch zu erkennen, dass die fallende Flanke 57, d. h. das Ausschalten des abzugleichenden Halbleiterschalters, zwischen dem Einschaltbereich 51 und dem Ausschaltbereich 52 des komplementären Halbleiterschalters liegt. Wird nun der abzugleichende Halbleiterschalter abgeschaltet, so führt dies zu einer steigenden Flanke 58 in der Spannung 55 des Brückenausgangs. Der Spannungssprung, d. h. die Flanke 58, entsteht aufgrund von Leitungsinduktivitäten. Die steigende Flanke 58 ist ein Indikator dafür, dass zu diesem Zeitpunkt der abzugleichende Halbleiterschalter als Reaktion auf einen Steuerbefehl ausgeschaltet wurde.
In der 4a ist ein von einem Oszilloskop aufgenommenes Messsignal 60 der Spannung am Brückenausgang gezeigt, wobei in diesem Fall der Einschaltzeitpunkt eines Halbleiterschalters bestimmt wird. Dieses Messsignal 60 wird abgeleitet, so dass die Kurve 61 entsteht. Für den Einschaltzeitpunkt existiert ein Referenzsignal 62. Erfindungsgemäß wird ein gleitender Kreuzkorrelationsfaktor zwischen der Kurve 61, d. h. dem abgeleiteten Messsignal, und dem Referenzsignal 62 gebildet.
Die Berechnung der gleitenden Kreuzkorrelation erlaubt gute Detektionsergebnisse, wenn die Form des zu detektierenden Signalmusters bekannt ist. Erfindungsgemäß wird das zu detektierende Signalmuster durch das Referenzsignal 62 vorgegeben. Das Ereignis wird dann als erkannt bewertet, wenn ein bestimmtes Maß an Ähnlichkeit zwischen den N Abtastpunkten des zu findenden Musters X_i (= Referenzsignal) und einer Folge von N Abtastpunkten des zu untersuchenden Signals Y_i (= Kurve 61) vorliegt. Der Korrelationswert wird fortlaufend oder gleitend für jeden neuen Y_i-Wert berechnet, indem das Muster X_i schrittweise über Y_i geschoben wird. Die normierte Korrelation in Abhängigkeit vom Verschiebungsschritt k, mit dem das Muster über Y_i verschoben wird, lautet:
Um den Einfluss der absoluten Signalamplitude in der Ähnlichkeitsbewertung zu eliminieren, kann die Korrelation normiert werden, so dass ihre Werte nur noch zwischen –1 und 1 schwanken können.
Der gleitende Kreuzkorrelationsfaktor ist in der 4d dargestellt. Die Referenzkurve (Referenzsignal 62) wird von links nach rechts über die ermittelte Ableitung (Kurve 61) geschoben. Das absolute Maximum definiert dann die zeitliche Position, an der die Referenz am besten passt. Eine Extremstelle 63, insbesondere das absolute Maximum, des gleitenden Kreuzkorrelationsfaktors bestimmt somit die erkannte Position der gemessenen Flanke. Dabei kann der Korrelationsfaktor noch mit dem Kehrwert der Amplitudendifferenz zwischen Referenzsignal und Messignal bewertet werden. Das verstärkt die Ausgeprägtheit des ”richtigen” Maximums. Außerdem kann nach dem absoluten Maximum, das sich innerhalb der halben Periodendauer um den Sollwert befindet, gesucht werden, insbesondere wenn ein Messinstrument, z. B. ein Oszilloskop, mehr als eine Periodendauer aufzeichnet.
Stimmt die Ist-Position nicht mit der Sollposition, die durch das Referenzsignal vorgegeben wird, überein, so wird die Steuerung entsprechend angepasst, d. h. das Ansteuersignal wird verändert, und die Messung wiederholt bis eine gute Übereinstimmung der Ableitung des Messsignals mit dem Referenzsignal gefunden wurde. Eine gute Übereinstimmung spricht dafür, dass der richtige Einschaltzeitpunkt gefunden wurde. Eine perfekte Übereinstimmung ist dabei nicht notwendig. Es wird vorzugsweise das Ansteuersignal zeitlich verschoben, bis das Maximum des gleitenden Kreuzkorrelationsfaktors an der in einer Referenztabelle angegebenen (zeitlichen) Position ist, bzw. der Abstand zum Referenzsignal kleiner ist als die kleinst mögliche Schrittweite des Ansteuersignals. An diesem Punkt kann noch eine minimale Ähnlichkeit (z. B. 0.8) für diese gefundene Position überprüft werden, um den Abgleich auf Plausibilität zu testen.
Im Ausführungsbeispiel wird nur die Form des abgeleiteten Signals 61 und des Referenzsignals 62 verglichen, nicht auch die Amplitude. Es ist jedoch denkbar, auch noch die Amplitude mit in die Korrelation einzurechnen, um die Genauigkeit zu erhöhen. Dadurch wird die Aussage noch eindeutiger und sicherer. Der Einschaltzeitpunkt der übrigen Halbleiterschalter der Brücke wird analog bestimmt.
In der 5a ist ein Messsignal 70 gezeigt. Es handelt sich hierbei wiederum um die Spannung am Brückenausgang. Allerdings wird in diesem Fall der Ausschaltzeitpunkt des Halbleiterschalters ermittelt. Es wird auch hier wieder eine Ableitung gebildet, die durch die Kurve 71 dargestellt ist. Es wird eine gleitende Kreuzkorrelation mit dem Referenzsignal 72 gebildet. Das Ergebnis ist in der 5d dargestellt, wobei die Maxima 73 des gleitenden Kreuzkorrelationsfaktors wiederum die Position der gemessenen Flanke, d. h. des Ausschaltzeitpunktes, angeben. Gesucht wird wieder vorzugsweise das absolute Maximum. Stimmt diese Ist-Position nicht mit der Sollposition, die durch das Referenzsignal 72 vorgegeben wird, überein, so wird wieder entsprechend das Ansteuersignal verändert und die Messung wiederholt.
Wurden somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ein- und Ausschaltzeitpunkte bzw. -verzögerungen für alle Halbleiterschalter der Brücke bestimmt, so kann in einem Normalbetrieb die Steuerung diese Einschaltzeitpunkte bzw. Verzögerungszeiten bei der Ansteuerung der Halbleiterschalter berücksichtigen in der Art, dass ein Null-Volt-Schalten realisiert werden kann.
In der 6a ist beispielhaft ein Fall gezeigt, bei dem die Einschaltzeitpunkte nicht exakt bekannt sind. Dies führt dazu, dass die Spannungen am Brückenausgang unsymmetrisch sind. Eine weitaus bessere Symmetrie wird in der 6b erreicht, wo die Spannungen am Ausgang der Vollbrücke mit abgeglichenen Halbleiterschaltern erzeugt wird. Beispielsweise kann dies am Nulldurchgang der Signale gesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009010753 A1 [0018, 0019]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Verzögerungen zwischen der Generierung eines Schaltbefehls und/oder einer Flanke eines Ansteuersignals und dem zugehörigen Schaltzeitpunkt eines in einer Halbbrückenschaltung (11, 16) angeordneten ersten Halbleiterschalters (13, 18) in einem Abgleichbetrieb, umfassend die Verfahrensschritte: a. Anlegen einer Abgleichbetriebsspannung an die Halbbrücke (11, 16); b. Ansteuern des ersten Halbleiterschalters (13, 18) mit einem ersten Ansteuersignal; c. Ansteuern des komplementären Halbleiterschalters (12, 17) mit einem zweiten Ansteuersignal, wobei die Ansteuersignale derart aufeinander abgestimmt sind, dass vor einem Einschalten des ersten Halbleiterschalters (13, 18) der komplementäre Halbleiterschalter (12, 17) ausgeschaltet wird und/oder der erste Halbleiterschalter (13, 18) ausgeschaltet wird, während der komplementäre Halbleiterschalter (12, 17) eingeschaltet ist; d. Erfassen der Spannung (60, 70) am Halbbrückenausgang; e. Bestimmen der Einschaltverzögerung und/oder der Ausschaltverzögerung des ersten Halbleiterschalters (13, 18) unter Berücksichtigung der erfassten Spannung (60, 70) am Halbbrückenausgang.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Normalbetrieb an die Halbbrückenschaltung (11, 16) angeschlossene Last reduziert oder abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Normalbetrieb vorhandene Last dadurch reduziert oder abgeschaltet wird, dass die Halbleiterschalter (12, 13, 17, 18) einer oder mehrerer weiterer Halbbrücken (11, 16) sperrend geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltverzögerung und/oder der Ausschaltverzögerung des ersten Halbleiterschalters (13, 18) unter Berücksichtigung eines Referenzsignals (62, 72) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Ableitung der erfassten Spannung bestimmt wird, ein gleitender Kreuzkorrelationsfaktor zwischen der Ableitung und dem Referenzsignal (62, 72) ermittelt wird und eine Extremstelle (63, 73), insbesondere ein Maximum, des Kreuzkorrelationsfaktors bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Extremstelle (63, 73) mit einer Sollposition verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Einschaltverzögerung und/oder der Ausschaltverzögerung iterativ erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der erfassten Spannung bei der Ermittlung des gleitenden Kreuzkorrelationsfaktors berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgleichbetriebsspannung kleiner gewählt wird als die Normalbetriebsspannung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ansteuersignale eines der folgenden Signale verwendet wird: a. Digitales Signal b. Ausgangssignal eines Controllers c. Eingangssignal eines Treibers d. Ein durch eine analoge Schaltung generiertes analoges Signal
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltverzögerung und die Ausschaltverzögerung für jeden Halbleiterschalter mit vorgeschalteter Ansteuerkette einer Brückenschaltung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Einschaltverzögerungen und/oder Ausschaltverzögerungen abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Spannung am Halbbrückenausgang mittels eines in eine Leistungsversorgung (10) integrierten Analog-Digital-Wandlerbausteins erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein externes Referenzsignal zur Synchronisierung der Messgeräte und der Ansteuersignalerzeugung verwendet wird.
Verfahren zum Betrieb einer Leistungsversorgung mit in einer Brückenschaltung angeordneten Halbleiterschaltern (12, 13, 17, 18), wobei die ermittelten Einschaltverzögerungen und Ausschaltverzögerungen der Halbleiterschalter (12, 13, 17, 18) bei der Ansteuerung der Halbleiterschalter (12, 13, 17, 18) berücksichtigt werden.