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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Stromes in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Schaltsignal. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Halbleiter-Leistungsschalter zum Steuern einer Stromstärke des zu schaltenden Stromes sowie eine Treiberschaltung zum Empfangen des Schaltsignals und zum Erzeugen einer Steuerspannung an einem Steuereingang des Halbleiter-Leistungsschalters in Abhängigkeit von dem Schaltsignal. Durch eine Schaltflanke des Schaltsignals wird dabei ein Wechsel eines Schaltzustands des Halbleiter-Leistungsschalters vorgegeben. Die Treiberschaltung lässt sich mit einer verringerten Schaltgeschwindigkeit betreiben, was bedeutet, dass auf eine Schaltflanke des Schaltsignals hin an dem Steuereingang des Halbleiter-Leistungsschalters eine Steuerspannung erzeugt wird, deren zeitlicher Verlauf bei dem Halbleiter-Leistungsschalter einen Schaltvorgang bewirkt, dessen Zeitdauer größer ist als eine Zeitdauer der Schaltflanke.
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Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist aus der
WO 2008/032113 A1 bekannt. Eine solche Schaltungsanordnung kann z. B. in einem steuerbaren Wechselrichter bereitgestellt sein, wie er zum Betreiben einer Drehstrommaschine verwendet wird.
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Die Funktionsweise eines steuerbaren Wechselrichters wird im Folgenden anhand von 1 näher erläutert. Mittels eines Wechselrichters 10 können mit Hilfe einer Gleichspannung Uzk in Phasenleitern 12, 14, 16 Wechselströme I1, I2, I3 erzeugt werden, die zusammen einen Drehstrom bilden, mit dem eine elektrische Maschine 18 betrieben werden kann. Die Gleichspannung Uzk kann beispielsweise zwischen zwei Stromschienen ZK+, ZK– eines Zwischenkreises eines Frequenzumrichters bereitgestellt sein. Zum Erzeugen der Wechselströme I1, I2, I3 sind die Phasenleiter 12, 14, 16 jeweils über eine Halbbrücke 20, 22, 24 mit den Stromschienen ZK+, ZK– in der in 1 gezeigten Weise verbunden. Wie die Wechselströme I1, I2, I3 erzeugt werden, ist im Folgenden im Zusammenhang mit der Halbbrücke 20 erläutert. Entsprechendes gilt auch für die Wechselströme I2 und I3 im Verbindung mit den Halbbrücken 22 und 24.
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Die Halbbrücke 20 weist zwei Halbleiter-Leistungsschalter Tr1, Tr2 auf, über welche der Phasenleiter 12 einmal mit der Plus-Stromschiene ZK+ und einmal mit der Minus-Stromschiene ZK– verschaltet ist. Bei den Halbleiter-Leistungsschaltern Tr1, Tr2 kann es sich z. B. um IGBT (Insulated gate bipolar transistor) oder um MOSFET (Metal Oxide semiconductor field effect transistor) handeln. Die Leistungsschalter Tr1, Tr2 sind jeweils über eine Steuerleitung 26, 28 mit einem Mikrocontroller 30 verbunden. Der Mikrocontroller 30 erzeugt ein Taktsignal 32, welcher über die Steuerleitung 26 zum Leistungsschalter Tr1 übertragen wird. Durch das Taktsignal 32 wird der Leistungsschalter Tr1 abwechseln in einen leitenden und einen sperrenden Zustand geschaltet. Über die andere Steuerleitung 28 überträgt der Mikrocontroller 30 ein Gegentaktsignal zum Halbleiter-Leistungsschalter Tr2, so dass der Leistungsschalter Tr2 im Gegentakt zum Leistungsschalter Tr1 geschaltet wird. Das abwechselnde Schalten der Leistungsschalter Tr1 und Tr2 erzeugt in dem Phasenleiter 12 den Wechselstrom I1. Zum Erzeugen des Drehstroms werden durch den Mikrocontroller 30 entsprechend phasenversetzte Taktsignale über Steuerleitungen an Leistungsschalter der übrigen Halbbrücken 22 und 24 übertragen.
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Die von dem Mikrocontroller 30 erzeugten Taktsignale, wie das Taktsignal 32, sind in der Regel nicht in einer Form vorhanden, um damit einen Halbleiter-Leistungsschalter schalten zu können. Daher ist einem Steuereingang 34 des Leistungsschalters Tr1 eine Ansteuerschaltung 36 vorgeschaltet, welche mittels einer (nicht näher dargestellten) Treiberschaltung in Abhängigkeit von dem Taktsignal 32 eine Steuerspannung 38 an dem Steuereingang 36 erzeugt. Der Steuereingang 34 ist im Falle eines Transistors dessen Gate bzw. Basis. In gleicher Weise ist dem Halbleiter-Leistungsschalter Tr2 eine Ansteuerschaltung 40 und sind auch den Leistungsschaltern der Brücken 22 und 24 entsprechende Ansteuerschaltungen vorgeschaltet.
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Das Taktsignal 32 kann (wie in 1 gezeigt) aus einzelnen Rechteckimpulsen gebildet sein. Hierdurch ergeben sich sehr steile Schaltflanken. Mit anderen Worten ist ein Übergang von „An” zu „Aus” (und umgekehrt) verhältnismäßig abrupt. Würde auf der Grundlage des Taktsignals 32 am Steuereingang 34 eine Steuerspannung mit demselben Verlauf erzeugt, so würde das Sperren des Leistungsschalters Tr1 zu einer abrupten Unterbrechung eines Stromflusses in der Stromschiene ZK+ und in dem Phasenleiter 12 führen. Durch (in 1 nicht gezeigte) Induktivitäten kann hierdurch eine Induktionsspannung erzeugt werden, durch welche die Halbbrücke 20 beschädigt werden kann. Zudem verursacht dieser Vorgang eine Störstrahlung, welche die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) des Wechselrichters 10 unzulässig vergrößern kann.
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Deshalb kann vorgesehen sein, dass durch die Treiberschaltung der Ansteuerschaltung 36 zumindest bei Schaltflanken des Schaltsignals 32, durch die ein Sperren des Halbleiter-Leistungsschalters Tr1 bewirkt werden soll, eine Steuerspannung 38 erzeugt wird, deren zeitlicher Verlauf einen Schaltvorgang bewirkt, der im Verhältnis zu einer Zeitdauer der Schaltflanke des Schaltsignals 32 länger andauert. Mit anderen Worten verlängert sich eine Zeitdauer, während welcher der Leistungsschalter Tr1 vom einem dauerhaft leitenden in einen dauerhaft sperrenden Zustand übergeht. Anstelle einer Zeitdauer des Schaltvorgangs wird auch von einer Schaltgeschwindigkeit der Ansteuerschaltung geredet. Mit geringerer Schaltgeschwindigkeit ergibt sich ein längerer Schaltvorgang. Durch Verringern der Schaltgeschwindigkeit wird der Betrag der induzierten Spannung verringert und so eine Beschädigung der Halbbrücke 20 verhindert.
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Um die Schaltgeschwindigkeit zu verringern, lehrt die oben genannte Druckschrift
WO 2008/032113 A1 , eine zeitliche Veränderung eines durch einen Leistungsschalter fließenden Stromes zu messen und eine Steuerspannung des Leistungsschalters in Abhängigkeit von diesen Messwerten einzustellen. Es wird also in Abhängigkeit von einem Verlauf der Messgröße in Echtzeit auf den Schaltvorgang Einfluss genommen.
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Nachteilig bei einer solchen Lösung ist, dass genaue und schnelle Messeinrichtungen benötigt werden. Solche Messvorrichtungen sind verhältnismäßig teuer.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen Halbleiter-Leistungsschalter einen kostengünstigen Schutz vor solchen Überspannungen und vor einer Beeinträchtigung der EMV bereitzustellen, wie sie beim Schalten des Halbleiter-Leistungsschalters entstehen können.
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Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist einen Halbleiter-Leistungsschalter auf, der mittels einer Treiberschaltung steuerbar ist. Die Treiberschaltung empfängt dazu ein Schaltsignal und erzeugt in Abhängigkeit von diesem eine Steuerspannung an einem Steuereingang des Halbleiter-Leistungsschalters. Die Treiberschaltung lässt sich mit einer verringerten Schaltgeschwindigkeit betreiben, so dass also auf eine Schaltflanke des Schaltsignals hin an dem Steuereingang des Halbleiter-Leistungsschalters eine Steuerspannung erzeugt wird, deren zeitlicher Verlauf bei dem Halbleiter-Leistungsschalter einen Schaltvorgang bewirkt, dessen Zeitdauer größer ist als eine Zeitdauer der Schaltflanke.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist die Treiberschaltung wenigstens einen Transistorschalter zum Einstellen der Steuerspannung auf. Sie ist zudem dazu ausgelegt, bei Empfangen der Schaltflanke ein Transistor-Steuersignal für den (oder die) Transistorschalter zu erzeugen, welches einen vorbestimmten zeitlichen Verlauf aufweist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass keine schnellen und präzisen Messeinrichtungen benötigt werden, um den Verlauf in Echtzeit und in Abhängigkeit von momentanen Spannungs- oder Stromwerten bestimmen zu können. Der Übergang von einem Schaltzustand in den anderen, also von dauerhaft leitend zu dauerhaft sperrend oder umgekehrt, wird durch ein Transistor-Steuersignal mit vorbestimmtem Verlauf bewirkt, das eben nicht während des Schaltvorgangs nachgeführt werden muss. Durch eine geeignete Wahl des Verlaufs kann hierbei dennoch der gewünschte Schutz vor einer Überspannung und einer Beeinträchtigung der EMV bereitgestellt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Schaltgeschwindigkeit einstellbar. Dazu wird ein Stellsignal an einem Stelleingang der Treiberschaltung vorgegeben und hierdurch der Verlauf des Transistor-Schaltsignals zu einem Zeitpunkt vor Empfangen der Schaltflanke festgelegt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Schaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebszustand des Halbleiter-Leistungsschalters eingestellt werden kann. Ein bestimmter Betriebszustand ergibt sich hierbei beispielsweise durch die Stromstärke des durch den Halbleiter-Leistungsschalter fließenden Stromes oder eine im Zwischenkreis anliegende Spannung Uzk.
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Entsprechend ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein Stromwandler zum Messen einer Stromstärke eines zumindest zum Teil durch den Halbleiter-Leistungsschalter geführten Stromes vorgesehen. Eine Stelleinrichtung erzeugt hierbei in Abhängigkeit von der gemessenen Stromstärke das Stellsignal am Stelleingang der Treiberschaltung, durch welches dann die Schaltgeschwindigkeit eingestellt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass sich bei der Schaltungsanordnung Schaltverluste verringern lassen, indem bei einem schwachen Strom mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit geschaltet wird und nur für eine große Stromstärke eine geringe Schaltgeschwindigkeit eingestellt wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist anstelle des Stromwandlers oder zusätzlich zu diesem eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen eines Spannungswertes einer Spannung vorgesehen. Bei der Spannung kann es sich um eine solche handeln, die über dem Halbleiter-Leistungsschalter abfällt oder bei welcher der Spannungswert zu demjenigen einer über dem Halbleiter-Leistungsschalter abfallenden Spannung proportional ist. Eine Stelleinrichtung erzeugt dann das Stellsignal am Stelleingang der Treiberschaltung in Abhängigkeit von dem gemessenen Spannungswert, d. h. die Schaltgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit von dem Spannungswert ausgewählt.
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Falls sowohl ein Stromwandler als auch eine Spannungsmesseinrichtung vorgesehen sind, kann eine einzige Stelleinrichtung zum Verarbeiten beider Messsignale vorgesehen sein. Durch Berücksichtigen der Spannung ergibt sich der Vorteil, dass eine tatsächlich induzierte Spannung ermittelt und dieser Wert bei zukünftigen Schaltvorgängen durch eine entsprechende Anpassung der Schaltgeschwindigkeit berücksichtigt werden kann. Durch direktes Messen der induzierten Spannung ist keine aufwändige Messung der im Schaltkreis vorhandenen Induktivitäten nötig.
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Es kann auch eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen sein, welche dazu ausgelegt ist, eine Temperatur der Treiberschaltung oder des Halbleiter-Leistungsschalters zu messen. Dann kann eine Stelleinrichtung das Stellsignal am Stelleingang der Treiberschaltung auch in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur erzeugen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass beim Einstellen der Schaltgeschwindigkeit ein von einer Temperatur abhängiges Verhalten des Halbleiter-Leistungsschalters berücksichtigt werden kann. Hierdurch können Schaltverluste weiter verringert werden.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn ein Messausgang bereitgestellt ist, an welchem mindestens ein durch die Schaltungsanordnung erfasstes Messsignal von außerhalb der Schaltungsanordnung an dieser abgreifbar ist. Dann kann die Schaltungsanordnung als Bestandteil eines Regelkreises verwendet werden. Als Vorteil ergibt sich hierbei, dass bei einer Veränderung der Schaltgeschwindigkeit des Halbleiter-Leistungsschalters das (von außen vorgegebene) Schaltsignal über den Regelkreis automatisch daran angepasst wird.
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Die Stelleinrichtung zum Erzeugen des Stellsignals in Abhängigkeit von zumindest einem durch die Schaltungsanordnung erfassten Messsignal weist bevorzugt einen Kenndatenspeicher zum Speichern von Kenndaten des Halbleiter-Leistungsschalters auf. Solche Kenndaten können z. B. eine oder mehrere Kennlinien oder Kennfelder sein. Die Stelleinrichtung ist dann dazu ausgelegt, das Stellsignal auf der Grundlage der Kenndaten in Abhängigkeit von dem zumindest einen Messsignal zu erzeugen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei der Schaltungsanordnung unterschiedliche Typen von Halbleiter-Leistungsschaltern verwendet werden können, an welche sich die Schaltungsanordnung durch Speichern einer zugehörigen Kenndaten dann einfach anpassen lässt.
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Eine in vorteilhafter Weise besonders einfach zu realisierende Möglichkeit, die Schaltgeschwindigkeit zu verringern, ergibt sich, wenn die Treiberschaltung ein Zeitglied aufweist, welches dazu ausgelegt ist, einen mit der Schaltflanke beginnenden zeitlichen Verlauf des Transistor-Steuersignals festzulegen. Das Zeitglied kann dann wahlweise durch das Stellsignal aktivierbar sein.
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Eine besonders schonende Betriebsweise des Halbleiter-Leistungsschalters während des Schaltvorgangs ergibt sich, wenn bei der Treiberschaltung eine integrierte Schaltung dazu ausgelegt ist, nach Erkennen der Schaltflanke als Transistor-Steuersignal ein moduliertes Signal zu erzeugen. Ein gewünschter mittlerer Verlauf der Stromstärke des zu schaltenden Stromes kann dann durch ein bestimmtes moduliertes Signal erreicht werden, welches in der integrierten Schaltung gespeichert sein kann. Mittels des Stellsignals kann das benötigte Transistor-Steuersignal ausgewählt werden. Unter einem modulierten Signal ist hier ein periodisches Signal zu verstehen, wobei ein Kennwert des periodischen Signals graduell mit der Zeit verändert wird. Ein Beispiel für ein moduliertes Signal ist ein pulsweitenmoduliertes Signal, d. h. ein Rechtecksignal, bei welchem ein Puls-Pause-Verhältnis mit der Zeit verändert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, einen Halbleiter-Leistungsschalter zu steuern. Hierzu werden zusätzlich zu dem Halbleiter-Leistungsschalter selbst noch eine Signalgebereinrichtung zum Erzeugen eines Schaltsignals und eine Treiberschaltung bereitgestellt. Mittels der Treiberschaltung kann eine Steuerspannung bereitgestellt werden, deren zeitlicher Verlauf durch Transistorschalter der Treiberschaltung steuerbar ist. Es wird ein Betriebszustand des Halbleiter-Leistungsschalters erfasst und in Abhängigkeit von dem erfassten Zustand eine Schaltgeschwindigkeit der Treiberschaltung eingestellt. Anschließend wird das Schaltsignal mittels der Signalgebereinrichtung erzeugt und an die Treiberschaltung übertragen. Diese empfängt das Schaltsignal und stellt die Steuerspannung durch Erzeugen einer Transistor-Steuerspannung mit einem entsprechend der eingestellten Schaltgeschwindigkeit festgelegten zeitlichen Verlauf bereit. Mittels der so erzeugten Steuerspannung wird dann der Halbleiter-Leistungsschalter gesteuert.
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Das Schaltsignal kann durch die Signalgebereinrichtung auch periodisch als Taktsignal erzeugt werden, so dass der Halbleiter-Leistungsschalter wiederholt (abwechselnd leitend und sperrend) geschaltet wird. Hierbei wird dann ein Schalttakt des Schaltsignals mittels einer Regelschleife in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Halbleiter-Leistungsschalters erzeugt. Durch Verwenden einer Regelschleife, bei welcher der Betriebszustand des Halbleiter-Leistungsschalters zu der taktgebenden Signalgebereinrichtung rückgeführt ist, ergibt sich der Vorteil, dass die Treiberschaltung neben den Einstellmöglichkeiten für die Schaltgeschwindigkeit keinen eigenen Regelmechanismus bereitstellen muss, um eine Auswirkung einer verringerten Schaltgeschwindigkeit auf die mittlere Stromstärke des gesteuerten Stromes auszugleichen. Über die Regelschleife wird eine Abweichung der Stromstärke von einem Sollwert von selbst beim Festlegen des Taktes ausgeglichen. Es kann auch vorgesehen sein, eine Information über eine momentan eingestellte oder eine demnächst einzustellende Schaltgeschwindigkeit zur Signalgebereinrichtung zu übertragen. Dann kann das Taktsignal unmittelbar in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit der Treiberschaltung gebildet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters im Überblick,
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2 eine schematische Darstellung einer Halbbrücke eines Wechselrichters, wobei die Halbbrücke eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung darstellt,
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3 einen Schaltplan einer Treiberschaltung, wie sie in einer Ansteuerschaltung der in 2 gezeigten Halbbrücke eingebaut sein kann.
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Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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In 2 sind Elemente, welche in ihrer Funktionsweise Elementen in 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen wie in 1. Gezeigt ist in 2 eine Halbbrücke 40, die zwischen zwei Stromschienen ZK+, ZK– eines Zwischenkreises eines (nicht weiter dargestellten) Frequenzumrichters geschaltet ist. Die Halbbrücke 40 stellt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dar.
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Mittels der Halbbrücke 40 wird in einem Phasenleiter 12 ein Wechselstrom I1 erzeugt. Eine Frequenz des Wechselstromes I1 wird von einem Mikrocontroller 30 bestimmt, welcher über Steuerleitungen 26, 28 jeweils ein periodisches Schaltsignal 32, 32' an eine Ansteuerschaltung 42 sendet. Der Mikrocontroller 30 stellt eine Signalgebereinrichtung dar. Durch die Ansteuerschaltung 42 werden zwei IGBT 44, 46 im Takt der Schaltsignale 32, 32' geschaltet. Die IGBT 44, 46 stellen Halbleiter-Leistungsschalter dar, durch welche eine momentane Stromstärke des Stromes I1 gesteuert wird. Anstelle der IBGT 44, 46 können z. B. auch MOSFET bereitgestellt sein.
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Innerhalb der Ansteuerschaltung 42 werden die beiden Schaltsignale 32, 32' jeweils von einer Treiberschaltung 48 bzw. 50 empfangen. Die Treiberschaltungen 48, 50 erzeugen Steuerspannungen an Gates 52, 54 der IGBT 44, 46, so dass die IGBT 44, 46 entsprechend den durch die Schaltsignale 32, 32' vorgegebenen Schaltübergängen gesperrt bzw. leitend geschaltet werden. Die Gates 52, 54 bilden Steuereingänge der IGBT 44, 46.
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Bei den Treiberschaltungen 48, 50 ist deren Schaltgeschwindigkeit einstellbar. Je niedriger die Schaltgeschwindigkeit eingestellt ist, desto langsamer folgt ein Verlauf der Steuerspannung einem Schaltübergang, wie er in einem Verlauf des Schaltsignals 32 bzw. 32' beispielsweise in Form einer fallenden Flanke eines Rechtecksignals vorgegeben sein kann. Wenn also ein Pegel des Schaltsignals 32 oder 32' von einem Anfangswert zu einem Endwert innerhalb einer bestimmten, verhältnismäßig kurzen Zeitdauer übergeht, so ergibt sich zwar auch bei der Steuerspannung am Gate 52 bzw. 54 ein Verlauf mit einem korrespondierenden Anfangs- und Endwert. Eine Zeitdauer des Übergangs zwischen diesen beiden Werten ist aber im Verhältnis zur Zeitdauer des Übergangs im Schaltsignal größer.
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Die Schaltgeschwindigkeit wird bei den beiden Treiberschaltungen 48, 50 jeweils über ein Stellsignal eingestellt, dass sie über Stelleingänge 56, 58 von einer Stelleinrichtung 60 empfangen. Bei den Stelleingängen 56, 58 handelt es sich um von den Eingängen zum Empfangen des Steuersignals 32 bzw. 32' verschiedene Eingänge. Die beiden Stellsignale können von der Stelleinrichtung 60 in Abhängigkeit von Betriebszuständen der beiden IGBT 44, 46 festgelegt werden. Um die Betriebszustände der beiden IGBT 44, 46 zu ermitteln, werden mittels eines Stromwandlers 62 der Ansteuerschaltung ein Betrag und eine Richtung des Stromes I1 gemessen. Des Weiteren werden in dem gezeigten Beispiel über Differenzverstärkerschaltungen 64, 66 Spannungen U1, U2 erfasst, die über den Kollektor-Emitter-Strecken der beiden IGBT 44, 46 abfallen. Über einen Temperatursensor 68, der hier ein NTC-Widerstand (NTC – negative temperature coefficient) ist, wird eine Temperatur T einer Bodenplatte erfasst, auf welcher die IGBT 44, 46 befestigt sind. Die Messsignale des Stromwandlers 62, der Differenzverstärker 64, 66 und des Temperatursensors 68 werden von der Stelleinrichtung 60 empfangen. Sie beschreiben den Betriebszustand der beiden IGBT 44, 46.
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Durch die Stelleinrichtung 60 wird dann die Schaltgeschwindigkeit für die IGBT in Abhängigkeit von dem aktuellen Gerätestrom I1, der Zwischenkreisspannung und der IGBT-Temperatur T in den Treiberstufen 48, 50 so eingestellt, dass eine Beeinträchtigung der EMV und eine Überspannung an den IGBT in einer nach dem aktuellen Betriebszustand möglichen Weise minimiert wird. Dazu kann bei der Stelleinrichtung ein Kennlinienspeicher vorgesehen sein. Verwendet man IGBT verschiedener Hersteller, so muss man dabei nur bei der Montage der Leiterplatten die entsprechenden Daten für diese Leistungsschalter in der Stelleinrichtung speichern. Dann lässt sich für den jeweiligen Typ die optimale Schaltgeschwindigkeit anhand dieser Kennlinien ermitteln. Das Stromwandlersignal, die Schalterspannungen und die Modultemperatur können über Analog-Digital-Wandler eingelesen und diese Werte dann mit den Vorgaben der Kennlinie verglichen werden. In Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs wird dann das Stellsignal erzeugt.
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In einer vereinfachten Variante der Halbbrücke 40 lässt sich das Stellsignal für die Schaltgeschwindigkeit mittels einer Komparatorschaltung erzeugen. Durch diese können dann beispielsweise Signale wie diejenigen des Stromwandlers 62, der Differenzverstärker 64, 66 und des Temperatursensors 68 ausgewertet werden. Eine Komparatorschaltung bietet den Vorteil, dass auf einfache und kostengünstige Weise die Möglichkeit geschaffen wird, sehr oft einen den aktuellen Betriebszustand eines IGBT wiederspiegelnden Werts für das Stellsignal zu ermitteln.
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Die Messsignale des Stromwandlers 62, der Differenzverstärker 64, 66 und des Temperatursensors 68 werden zusätzlich zu einem Messausgang 70 geleitet. Von dort werden sie über Messleitungen 72 zum Mikrocontroller 30 übertragen. Dieser erzeugt gemäß einem Regel-Algorithmus die Steuersignale 32 und 32' für die Halbbrücke 40 und weitere Steuersignale für in 2 nicht dargestellte Halbbrücken in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der IGBT 44, 46 und demjenigen von den IGBT der übrigen Halbbrücken. Die über die Messleitungen 72 empfangenen Messsignale und die weiteren Messsignale von den übrigen Halbbrücken bilden dabei die Signale der Rückführung einer Regelschleife des Regel-Algorithmus.
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Der Mikrocontroller 30 stellt einen Stromregler zum Regeln des Stromes I1 und weiterer Ströme in weiteren Phasenleitern dar. Er steuert die Halbbrücken dabei in Abhängigkeit von dem Signal des Stromwandlers 62, der Signale der Differenzverstärker 64, 66, die auch als „Voltage Feedback” bezeichnet werden, und der mittels des Temperatursensors 68 gemessene Temperatur T. Auf die Messung der Spannung U1 kann sogar verzichtet werden, da sich die zwischen den Stromschienen ZK+, ZK– abfallende Zwischenkreisspannung nur verhältnismäßig langsam ändert und ihr Spannungswert auch aus der Messung der Spannung U2 ermittelt werden kann. Als Voltage-Feedback-Signal ist mit anderen Worten hauptsächlich das Messsignal für die Spannung U2 von Bedeutung.
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Da die IGBT 44, 46 immer im Takt des Stromreglers geschaltet werden und sich ein Sollwert für den Strom I1, die Zwischenkreisspannung und die Temperatur T im Verhältnis zu diesem Takt nur langsam verändern, reicht es aus, die Schaltgeschwindigkeit im Stromreglertakt einzustellen. Eine Abweichung der Schaltzeiten von einem vom Mikrocontroller 30 angestrebten Sollwert, wie sie sich durch das Einstellen einer neuen Schaltgeschwindigkeit ergeben kann, wird durch den Regel-Algorithmus des Mikrocontrollers 30 im nächsten Schalttakt mit Hilfe des Voltage-Feedback-Signals wieder ausgeglichen.
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Das Einstellen der Schaltgeschwindigkeit erfolgt unabhängig vom Einstellen des Stromreglertaktes über den Stelleingang 56. Sollte dabei ein Stellwert für die Schaltgeschwindigkeit geändert werden, kurz bevor ein Schaltbefehl über die entsprechende Steuerleitungen 26 bzw. 28 eintrifft, so dass sich die Treiberschaltungen 48 bzw. 50 noch nicht auf die neue Schaltgeschwindigkeit umstellen konnte, so wird einfach die bisherige Schaltgeschwindigkeit beibehalten. Dies hat keine Rückwirkung auf den Betriebszustand der mit dem Wechselrichter betriebenen Geräte, denn der Fehler kann durch das Voltage-Feedback-Signal erkannt und mit einer entsprechenden Anpassung zukünftiger Schaltzeiten wieder ausgeglichen werden. Deshalb muss die Stelleinrichtung nicht in der Lage sein, den Schaltvorgang in Echtzeit während des Schaltens zu beeinflussen. Es reicht die Vorgabe eines Wertes für die Schaltgeschwindigkeit vor dem eigentlichen Schaltvorgang. Bevorzugt wird das Stellsignal vier- bis sechsmal in jedem Stromreglerzyklus auf der Grundlage der gemessenen Werte aktualisiert. Bei einem Stromreglerzyklus mit einer Dauer von 250 μs bleiben der Stelleinrichtung somit für den Fall, dass fünfmal pro Stromreglerzyklus aktualisiert wird, damit 50 μs, um beispielsweise einen Vergleich der Messsignale mit den Kennlinien durchzuführen. Diese Anforderung ist mit einem einfachen, kostengünstigen Single-Chip-Mikrocontroller zu erfüllen.
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Auch beim Abschalten eines plötzlich auftretenden Überstroms muss nicht mit einer unzulässigen Überspannung gerechnet werden, wenn dieser durch Sperren der IGBT unterbrochen wird, ohne dass dabei Schaltgeschwindigkeit rechtzeitig angepasst werden konnte. Wenn die Zwischenkreisspannung bereits vor dem Schalten sehr hoch war, wird die Schaltgeschwindigkeit auch bereits entsprechend niedrig sein. Bei kleineren Zwischenkreisspannungen sind Überströme meist kein Problem und es kann mit normaler Schaltgeschwindigkeit geschaltet werden.
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In 3 ist gezeigt, wie auf einfache Weise eine Treiberschaltung bereitgestellt werden kann, bei welcher sich eine Schaltgeschwindigkeit einstellen lässt. Für die folgende Erläuterung sei angenommen, dass es sich bei der in 3 gezeigten Treiberschaltung um die Treiberschaltung 48 der Ansteuerschaltung 42 handelt.
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Bei der Treiberschaltung 48 werden sowohl das Schaltsignal 32 der Steuerleitung 26 als auch das Stellsignal am Stelleingang 56 jeweils über einen Optokoppler eingekoppelt, so dass Potentiale der Steuerleitung 26 und der Stelleinrichtung 60 einerseits und der Treiberschaltung 48 andererseits getrennt sind. Hierdurch sind in der Ansteuerschaltung 42 zwei getrennte Potentialbereiche gebildet, deren gemeinsame Potentialgrenze P in 2 gezeigt ist. Auch der Mikrocontroller 30 befindet sich auf Zwischenkreis-Niveau, d. h. zur Übertragung der Steuersignale 32, 32' über die Steuerleitungen 26, 28 und auch der Messsignale über die Messleitungen 72 ist nur eine einzige Potentialwandlung nötig.
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Der IGBT 44 wird durch die Treiberschaltung 48 in einen leitenden Zustand geschaltet, wenn das Schaltsignal 32 der Steuerleitung 26 einen On-Pegel annimmt. Entsprechend wird der IGBT 44 in einen sperrenden Zustand geschaltet, wenn das Schaltsignal 32 einen Off-Pegel annimmt. Durch Einstellen des On-Pegels bzw. des Off-Pegels des Schaltsignals 26 werden dabei in der Treiberschaltung 48 über Schalt-Transistoren 74 Potentiale des Gates 52 und eines Emitters 76 des IGBT 44 entsprechend eingestellt. Die Potentialdifferenz zwischen Gate 52 und Emitter 76 bildet die Steuerspannung zum Steuern des IGBT 44. Schaltzustände der Schalt-Transistoren 74 sind dabei über ein Signal steuerbar, das über eine Leitung übertragen wird, die hier als H-Brücke 26' bezeichnet ist, und dessen Verlauf dem Verlauf des Schaltsignals 32 der Steuerleitung 26 entspricht.
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Bei einem Übergang des Schaltsignals 32 vom On-Pegel zum Off-Pegel erfolgt die entsprechende Veränderung des Potentials des Gates 52 in zwei Stufen. Dies wird durch eine Verzögerungsschaltung bewirkt, die hier als Zeitglied 78 bezeichnet ist. Ein Ausgangssignal des Zeitglieds 78 wird dem Signal der H-Brücke 26' überlagert. Insgesamt werden dadurch die Schalt-Transistoren 74 mit einem Steuersignal angesteuert, durch welches die Steuerspannung des IGBT 44 von +15 V über eine Zwischenstufe von 0 V auf –15 V umgeschaltet wird. Dieser zweistufige Verlauf wird durch das Zeitglied 78 nur bewirkt, wenn eine verringerte Schaltgeschwindigkeit durch einen High-Pegel des Stellsignals am Stelleingang 56 dies vorgibt. Bei einem Low-Pegel des Stellsignals wird die Steuerspannung des IGBT 44 ohne verminderte Schaltgeschwindigkeit an eine Pegeländerung des Steuersignals 32 angepasst.
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Bei der Treiberschaltung 48 kann auch, wie in 3 gezeigt, eine Schutzschaltung 80 für einen Überspannungsschutz bereitgestellt sein. Mittels der Schutzschaltung 80 und zugehöriger Steuerkanäle 82, 84 kann die Treiberschaltung bei einer unzulässig hohen Abschaltüberspannung den Schaltzustand des IGBT 44 eigenständig anpassen, also unabhängig von einem momentanen Pegel des Ausgangssignals des Zeitglieds 78.
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Anstelle des Zeitglieds 78 kann auch eine integrierte Schaltung, z. B. ein ASIC (application-specific integrated circuit) vorgesehen sein, welcher ein moduliertes Signal in der H-Brücke 26' erzeugt. Ein solches Signal kann beispielsweise mittels einer Pulsweitenmodulation, eine Pulsfrequenzmodulation oder Pulsamplitudenmodulation erzeugt werden. Hierdurch werden die Schalt-Transistoren gemäß der Pulsfolge abwechselnd leitend bzw. sperrend geschaltet, wodurch sich ein entsprechender Wechsel der Steuerspannung am Gate 52 ergibt. Hierdurch kann die mittlere Stromstärke des durch den IGBT 44 fließenden Stromes graduell verringert oder erhöht werden. Die Schaltgeschwindigkeitsvorgabe würde dann z. B. mittels eines seriellen Datenstroms über den Stelleingang 56 an die integrierte Schaltung übermittelt. Ein verringerte Schaltgeschwindigkeit ergibt sich beispielsweise, wenn eine Stufe in dem Verlauf des Schaltsignals 32, d. h. eine Schaltflanke, durch ein entsprechendes Modulationssignal zu einer mittleren Stromstärke führt, deren zeitlicher Verlauf dem Verlauf einer Rampe oder einer Exponentialkurve oder auch mehreren kleinen Stufen entspricht.
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Durch die Beispiele ist gezeigt, wie aus preisgünstigen Komponenten eine Ansteuerschaltung für einen Halbleiter-Leistungsschalter bereitgestellt werden kann, durch welchen ein Schutz des Halbleiter-Leistungsschalters vor Überspannungen und vor einer Beeinträchtigung der EMV bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/032113 A1 [0002, 0008]
