DE102011077387A1

DE102011077387A1 - Circuit arrangement for switching current in dependence of predeterminable switching signal, has semiconductor circuit breaker for controlling current intensity and driver circuit for receiving switching signal

Info

Publication number: DE102011077387A1
Application number: DE102011077387A
Authority: DE
Inventors: Markus Frühauf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-07-12

Abstract

The circuit arrangement has a semiconductor circuit breaker for controlling the current intensity and a driver circuit for receiving the switching signal and for generating the control voltage (38) at a control input (34) of the semiconductor circuit breaker in dependence of the switching signal. The driver circuit comprises a transistor switch for adjusting the control voltage. An independent claim is also included for a method for controlling a semiconductor circuit breaker.

Description

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.The invention relates to a circuit arrangement for switching a current in response to a predetermined switching signal. The circuit arrangement comprises a semiconductor power switch for controlling a current intensity of the current to be switched, and a driver circuit for receiving the switching signal and generating a control voltage at a control input of the semiconductor power switch in dependence on the switching signal. In this case, a change of a switching state of the semiconductor power switch is predetermined by a switching edge of the switching signal. The driver circuit can be operated with a reduced switching speed, which means that on a switching edge of the switching signal to the control input of the semiconductor power switch, a control voltage is generated, the timing of the semiconductor power switch causes a switching operation whose duration is greater than one Duration of the switching edge.

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.A circuit arrangement of this kind is known from WO 2008/032113 A1 known. Such a circuit may, for. B. be provided in a controllable inverter, as used to operate a three-phase machine.

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.The operation of a controllable inverter is described below with reference to 1 explained in more detail. By means of an inverter 10 can with the help of a DC voltage Uzk in phase conductors 12 . 14 . 16 Alternating currents I1, I2, I3 are generated, which together form a three-phase current, with which an electric machine 18 can be operated. The DC voltage Uzk can be provided, for example, between two busbars ZK +, ZK- of an intermediate circuit of a frequency converter. For generating the alternating currents I1, I2, I3 are the phase conductors 12 . 14 . 16 each over a half bridge 20 . 22 . 24 with the busbars ZK +, ZK- in the in 1 connected way shown. How the alternating currents I1, I2, I3 are generated is described below in connection with the half-bridge 20 explained. The same applies to the alternating currents I2 and I3 in connection with the half-bridges 22 and 24 ,

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.The half bridge 20 includes two semiconductor power switches Tr1, Tr2 across which the phase conductor 12 once with the positive busbar ZK + and once with the minus busbar ZK- is connected. In the semiconductor circuit breakers Tr1, Tr2 may be, for. B. be IGBT (insulated gate bipolar transistor) or MOSFET (Metal Oxide semiconductor field effect transistor) act. The circuit breakers Tr1, Tr2 are each via a control line 26 . 28 with a microcontroller 30 connected. The microcontroller 30 generates a clock signal 32 , which via the control line 26 is transmitted to the circuit breaker Tr1. By the clock signal 32 the power switch Tr1 is alternately switched to a conducting and a blocking state. Over the other control line 28 transmits the microcontroller 30 a push-pull signal to the semiconductor power switch Tr2, so that the power switch Tr2 is switched in push-pull to the power switch Tr1. The alternate switching of the power switches Tr1 and Tr2 generates in the phase conductor 12 the alternating current I1. To generate the three-phase current through the microcontroller 30 corresponding phase-shifted clock signals via control lines to circuit breakers of the remaining half-bridges 22 and 24 transfer.

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.The one from the microcontroller 30 generated clock signals, such as the clock signal 32 , are usually not present in a form so as to be able to switch a semiconductor power switch. Therefore, a control input 34 of the circuit breaker Tr1 a drive circuit 36 upstream, which by means of a (not shown) driver circuit in response to the clock signal 32 a control voltage 38 at the control input 36 generated. The control input 34 is in the case of a transistor whose gate or base. In the same way, the semiconductor power switch Tr2 is a drive circuit 40 and are also the circuit breakers of the bridges 22 and 24 preceded by corresponding drive circuits.

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.The clock signal 32 can (as in 1 shown) may be formed of individual rectangular pulses. This results in very steep switching edges. In other words, a transition from "on" to "off" (and vice versa) is relatively abrupt. Would based on the clock signal 32 at the control entrance 34 generates a control voltage with the same course, the blocking of the circuit breaker Tr1 would lead to an abrupt interruption of a current flow in the busbar ZK + and in the phase conductor 12 to lead. By (in 1 not shown) inductors can thereby be generated an induction voltage through which the half-bridge 20 can be damaged. In addition, this process causes interference, which is the EMC (electromagnetic compatibility) of the inverter 10 may increase inadmissible.

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.Therefore, it can be provided that by the driver circuit of the drive circuit 36 at least at switching edges of the switching signal 32 , by which a locking of the semiconductor power switch Tr1 is to be effected, a control voltage 38 is produced, whose time course causes a switching operation, in relation to a time duration of the switching edge of the switching signal 32 lasts longer. In other words, a length of time is extended during which the power switch Tr1 transitions from a permanently conductive to a permanently blocking state. Instead of a period of the switching operation is also spoken by a switching speed of the drive circuit. With a lower switching speed results in a longer shift. By reducing the switching speed, the amount of induced voltage is reduced, thus damaging the half-bridge 20 prevented.

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.To reduce the switching speed, the above document teaches WO 2008/032113 A1 to measure a time variation of a current flowing through a circuit breaker and to set a control voltage of the circuit breaker in response to these measurements. It is therefore influenced in dependence on a course of the measured variable in real time on the switching operation.

Nachteilig bei einer solchen Lösung ist, dass genaue und schnelle Messeinrichtungen benötigt werden. Solche Messvorrichtungen sind verhältnismäßig teuer.The disadvantage of such a solution is that accurate and fast measuring devices are needed. Such measuring devices are relatively expensive.

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.It is an object of the present invention to provide for a semiconductor circuit breaker a cost-effective protection against such overvoltages and from an impairment of the EMC, as they may arise when switching the semiconductor power switch.

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.The object is achieved by a circuit arrangement according to claim 1 and by a method according to claim 10. Advantageous developments of the circuit arrangement according to the invention and of the method according to the invention are given by the subclaims.

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.The circuit arrangement according to the invention has a semiconductor power switch which can be controlled by means of a driver circuit. The driver circuit receives to a switching signal and generates in response to this, a control voltage to a control input of the semiconductor power switch. The driver circuit can be operated with a reduced switching speed, so that therefore on a switching edge of the switching signal to the control input of the semiconductor power switch, a control voltage is generated whose timing of the semiconductor power switch causes a switching operation whose duration is greater than a period of time the switching edge.

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.In the circuit arrangement according to the invention, the driver circuit has at least one transistor switch for setting the control voltage. It is also designed to generate, upon receiving the switching edge, a transistor control signal for the (or the) transistor switch, which has a predetermined time profile. This results in the advantage that no fast and accurate measuring devices are needed to determine the course in real time and in dependence on current voltage or current values can. The transition from one switching state to the other, ie from permanently conductive to permanently blocking or vice versa, is effected by a transistor control signal having a predetermined course, which need not be tracked during the switching process. By a suitable choice of the course, the desired protection against an overvoltage and an impairment of the EMC can nevertheless be provided here.

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.In an advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention, the switching speed is adjustable. For this purpose, a control signal is set at a control input of the driver circuit and thereby determines the course of the transistor switching signal at a time before receiving the switching edge. This results in the advantage that the switching speed can be adjusted in dependence on a current operating state of the semiconductor power switch. A specific operating state results in this case, for example, by the current intensity of the current flowing through the semiconductor power switch or a voltage applied in the DC link voltage Uzk.

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.Accordingly, in one embodiment of the circuit arrangement according to the invention, a current transformer is provided for measuring a current intensity of a current carried at least in part by the semiconductor power switch. An adjusting device generates in response to the measured current strength, the control signal at the control input of the driver circuit, through which then the switching speed is set. This has the advantage that it is possible to reduce switching losses in the circuit arrangement by switching at a low switching current with a low switching current and setting a low switching speed only for a high current intensity.

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.In a further embodiment of the circuit arrangement according to the invention, a voltage measuring device for measuring a voltage value of a voltage is provided instead of or in addition to the current transformer. The voltage may be one that drops across the semiconductor power switch or in which the voltage value is proportional to that of a voltage drop across the semiconductor power switch. An adjusting device then generates the actuating signal at the control input of the driver circuit as a function of the measured voltage value, ie the switching speed is selected in dependence on the voltage value.

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.If both a current transformer and a voltage measuring device are provided, a single adjusting device may be provided for processing both measuring signals. By taking into account the voltage, there is the advantage that an actually induced voltage is determined and this value can be taken into account in future switching operations by a corresponding adjustment of the switching speed. By directly measuring the induced voltage, no complex measurement of the inductances present in the circuit is necessary.

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.It may also be provided a temperature measuring device which is adapted to measure a temperature of the driver circuit or the semiconductor power switch. Then, an actuating device can also generate the actuating signal at the control input of the driver circuit as a function of the measured temperature. This has the advantage that, when setting the switching speed, a temperature-dependent behavior of the semiconductor power switch can be taken into account. As a result, switching losses can be further reduced.

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.A further advantage results if a measuring output is provided, at which at least one measuring signal detected by the circuit arrangement can be tapped from outside the circuit arrangement. Then, the circuit arrangement can be used as part of a control loop. The advantage here is that in case of a change in the switching speed of the semiconductor power switch, the (predetermined from outside) switching signal via the control loop is automatically adjusted.

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.The adjusting device for generating the actuating signal as a function of at least one measuring signal detected by the circuit arrangement preferably has a characteristic data memory for storing characteristic data of the semiconductor power switch. Such characteristics can z. B. be one or more characteristics or maps. The adjusting device is then designed to generate the actuating signal on the basis of the characteristic data as a function of the at least one measuring signal. This has the advantage that in the circuit arrangement different types of semiconductor power switches can be used, to which the circuit arrangement can then be easily adapted by storing an associated characteristic data.

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.A particularly easy way to realize the switching speed to be realized in an advantageous manner, results when the driver circuit has a timer, which is designed to set a time course of the transistor control signal beginning with the switching edge. The timer can then be selectively activated by the control signal.

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.A particularly gentle operation of the semiconductor power switch during the switching operation results when the driver circuit, an integrated circuit is designed to generate a modulated signal after detection of the switching edge as a transistor control signal. A desired average curve of the current intensity of the current to be switched can then be achieved by a specific modulated signal, which can be stored in the integrated circuit. By means of the control signal, the required transistor control signal can be selected. Here, a modulated signal means a periodic signal, wherein a characteristic value of the periodic signal is gradually changed with time. An example of a modulated signal is a pulse width modulated signal, i. H. a square wave signal in which a pulse-pause ratio is changed over time.

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.The method according to the invention makes it possible to control a semiconductor power switch. For this purpose, in addition to the semiconductor power switch itself, a signaling device for generating a switching signal and a driver circuit are provided. By means of the driver circuit, a control voltage can be provided, the timing of which is controllable by the transistor switch of the driver circuit. An operating state of the semiconductor power switch is detected, and a switching speed of the drive circuit is set depending on the detected state. Subsequently, the switching signal is generated by means of the signaling device and transmitted to the driver circuit. This receives the switching signal and provides the control voltage by generating a transistor control voltage at a set according to the set switching speed time course. By means of the control voltage thus generated, the semiconductor power switch is then controlled.

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.The switching signal can also be generated periodically by the signaling device as a clock signal, so that the semiconductor power switch is switched repeatedly (alternately conducting and blocking). In this case, a switching clock of the switching signal is then generated by means of a control loop as a function of the operating state of the semiconductor power switch. By using a control loop in which the operating state of the semiconductor power switch to the clock Returned signaling device, there is the advantage that the driver circuit in addition to the settings for the switching speed does not have to provide its own control mechanism to compensate for an effect of a reduced switching speed on the average current of the controlled current. The control loop compensates for a deviation of the current from a setpoint by itself when setting the clock. It can also be provided to transmit information about a currently set or a switching speed to be set soon to the signaling device. Then, the clock signal can be directly formed depending on the switching speed of the drive circuit.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments. This shows:

1 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters im Überblick, 1 a schematic representation of an inverter at a glance,

2 eine schematische Darstellung einer Halbbrücke eines Wechselrichters, wobei die Halbbrücke eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung darstellt, 2 a schematic representation of a half-bridge of an inverter, wherein the half-bridge represents an embodiment of the circuit arrangement according to the invention,

3 einen Schaltplan einer Treiberschaltung, wie sie in einer Ansteuerschaltung der in 2 gezeigten Halbbrücke eingebaut sein kann. 3 a circuit diagram of a driver circuit, as in a drive circuit of in 2 shown half-bridge can be installed.

Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.The examples illustrate preferred embodiments of the invention.

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.In 2 are elements which in their functioning elements in 1 correspond, provided with the same reference numerals as in 1 , Shown is in 2 a half bridge 40 , which is connected between two busbars ZK +, ZK- an intermediate circuit of a (not shown) frequency converter. The half bridge 40 represents a circuit arrangement according to the invention.

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.By means of the half bridge 40 is in a phase conductor 12 generates an alternating current I1. A frequency of the alternating current I1 is from a microcontroller 30 determines which via control lines 26 . 28 in each case a periodic switching signal 32 . 32 ' to a drive circuit 42 sends. The microcontroller 30 represents a signaling device. By the drive circuit 42 become two IGBTs 44 . 46 in time with the switching signals 32 . 32 ' connected. The IGBT 44 . 46 represent semiconductor power switch, by which an instantaneous current of the current I1 is controlled. Instead of the IBGT 44 . 46 can z. B. also be provided MOSFET.

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.Within the drive circuit 42 become the two switching signals 32 . 32 ' each from a driver circuit 48 respectively. 50 receive. The driver circuits 48 . 50 generate control voltages at gates 52 . 54 the IGBT 44 . 46 so the IGBT 44 . 46 according to the by the switching signals 32 . 32 ' predetermined switching transitions are disabled or turned on. The gates 52 . 54 form control inputs of the IGBT 44 . 46 ,

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.In the driver circuits 48 . 50 is their switching speed adjustable. The lower the switching speed is set, the slower follows a course of the control voltage a switching transition, as in a course of the switching signal 32 respectively. 32 ' may be predetermined for example in the form of a falling edge of a square wave signal. So if a level of the switching signal 32 or 32 ' from an initial value to a final value within a certain, relatively short period of time, the result is also the control voltage at the gate 52 respectively. 54 a history with a corresponding start and end value. However, a period of transition between these two values is greater in proportion to the duration of the transition in the switching signal.

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.The switching speed is at the two driver circuits 48 . 50 each set via a control signal that they are via control inputs 56 . 58 from an actuator 60 receive. At the job entrances 56 . 58 these are the inputs for receiving the control signal 32 respectively. 32 ' different inputs. The two control signals can from the actuator 60 depending on the operating conditions of the two IGBTs 44 . 46 be determined. To the operating conditions of the two IGBT 44 . 46 to be determined by means of a current transformer 62 the drive circuit, an amount and a direction of the current I1 measured. Furthermore, in the example shown, via differential amplifier circuits 64 . 66 Voltages U1, U2 detected across the collector-emitter paths of the two IGBTs 44 . 46 fall off. About a temperature sensor 68 , which is here an NTC resistor (NTC - negative temperature coefficient), a temperature T of a bottom plate is detected, on which the IGBT 44 . 46 are attached. The measuring signals of the current transformer 62 , the differential amplifier 64 . 66 and the temperature sensor 68 be from the actuator 60 receive. They describe the operating status of the two IGBTs 44 . 46 ,

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.By the adjusting device 60 Then, the switching speed for the IGBT depending on the current device current I1, the intermediate circuit voltage and the IGBT temperature T in the driver stages 48 . 50 is set to minimize EMC degradation and overvoltage to the IGBT in a manner possible under current operating conditions. For this purpose, a characteristic curve memory can be provided in the adjusting device. If one uses IGBT different Manufacturers, so you have to save the appropriate data for these circuit breakers in the actuator only when mounting the circuit boards. Then the optimum switching speed for each type can be determined on the basis of these characteristics. The current transformer signal, the switch voltages and the module temperature can be read in via analog-digital converters and these values then compared with the specifications of the characteristic curve. Depending on a result of the comparison, the actuating signal is then generated.

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.In a simplified version of the half bridge 40 the control signal for the switching speed can be generated by means of a comparator circuit. Through this, for example, signals such as those of the current transformer 62 , the differential amplifier 64 . 66 and the temperature sensor 68 be evaluated. A comparator circuit has the advantage that in a simple and cost-effective manner, the possibility is created to very often determine a current operating state of an IGBT reflected value for the control signal.

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.The measuring signals of the current transformer 62 , the differential amplifier 64 . 66 and the temperature sensor 68 be in addition to a measuring output 70 directed. From there they are via test leads 72 to the microcontroller 30 transfer. This generates the control signals according to a control algorithm 32 and 32 ' for the half bridge 40 and other control signals for in 2 not shown half-bridges depending on the operating state of the IGBT 44 . 46 and that of the IGBTs of the remaining half-bridges. The over the test leads 72 received measurement signals and the other measurement signals from the remaining half-bridges form the signals of the feedback of a control loop of the control algorithm.

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.The microcontroller 30 represents a current regulator for controlling the current I1 and other currents in other phase conductors. It controls the half-bridges in response to the signal of the current transformer 62 , the signals of the differential amplifier 64 . 66 , also referred to as "voltage feedback", and by means of the temperature sensor 68 Measured temperature T. The measurement of the voltage U1 can even be dispensed with, since the intermediate circuit voltage dropping between the busbars ZK +, ZK- changes only relatively slowly and its voltage value can also be determined from the measurement of the voltage U2. In other words, the voltage feedback signal is mainly the measurement signal for the voltage U2 of importance.

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.Because the IGBT 44 . 46 always be switched in time with the current controller and change a setpoint for the current I1, the intermediate circuit voltage and the temperature T in relation to this clock only slowly, it is sufficient to set the switching speed in the current controller cycle. A deviation of the switching times of one from the microcontroller 30 The desired target value, which can result from setting a new switching speed, is determined by the control algorithm of the microcontroller 30 balanced again in the next switching cycle with the aid of the voltage feedback signal.

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.The setting of the switching speed is independent of the setting of the current controller cycle via the control input 56 , If a manipulated variable for the switching speed should be changed, shortly before a switching command via the corresponding control lines 26 respectively. 28 arrives, so that the driver circuits 48 respectively. 50 could not switch to the new switching speed, so simply the previous switching speed is maintained. This has no effect on the operating state of the devices operated with the inverter, because the error can be detected by the voltage feedback signal and compensated again with a corresponding adaptation of future switching times. Therefore, the actuator need not be able to affect the shift in real time during the shift. It is sufficient to specify a value for the switching speed before the actual switching operation. Preferably, the control signal is updated four to six times in each current regulator cycle based on the measured values. In the case of a current controller cycle with a duration of 250 μs, the setting device thus remains 50 μs, in the event that it is updated five times per current controller cycle, in order, for example, to compare the measurement signals with the characteristic curves. This requirement is met with a simple, low-cost single-chip microcontroller.

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.Even when switching off a sudden overcurrent must not be expected with an inadmissible overvoltage, if it is interrupted by blocking the IGBT, without thereby switching speed could be adjusted in time. If the intermediate circuit voltage was very high even before switching, the switching speed will already be correspondingly low. With smaller intermediate circuit voltages, overcurrents are usually no problem and it can be switched with normal switching speed.

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.In 3 It is shown how a driver circuit can be provided in a simple manner in which a switching speed can be set. For the following explanation, it is assumed that the in 3 shown driver circuit to the driver circuit 48 the drive circuit 42 is.

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. In the driver circuit 48 Both are the switching signal 32 the control line 26 as well as the actuating signal at the control input 56 each coupled via an optocoupler, so that potentials of the control line 26 and the actuator 60 on the one hand and the driver circuit 48 on the other hand are separated. This is in the drive circuit 42 formed two separate potential areas whose common potential limit P in 2 is shown. Also the microcontroller 30 is at DC link level, ie for transmission of the control signals 32 . 32 ' over the control lines 26 . 28 and also the measurement signals via the test leads 72 only a single potential transformation is necessary.

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.The IGBT 44 is through the driver circuit 48 switched to a conductive state when the switching signal 32 the control line 26 assumes an on-level. Accordingly, the IGBT 44 switched to a blocking state when the switching signal 32 assumes an off-level. By adjusting the on-level or off-level of the switching signal 26 are doing in the driver circuit 48 via switching transistors 74 Potentials of the gate 52 and an emitter 76 of the IGBT 44 adjusted accordingly. The potential difference between gate 52 and emitter 76 forms the control voltage for controlling the IGBT 44 , Switching states of the switching transistors 74 are controlled by a signal that is transmitted via a line, here as H-bridge 26 ' is designated, and its course the course of the switching signal 32 the control line 26 equivalent.

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.At a transition of the switching signal 32 From the on level to the off level, the corresponding change in the potential of the gate occurs 52 in two stages. This is caused by a delay circuit, here as a timer 78 is designated. An output signal of the timer 78 becomes the signal of the H-bridge 26 ' superimposed. Overall, this will be the switching transistors 74 controlled by a control signal, by which the control voltage of the IGBT 44 +15 V is switched from 0 V to -15 V via an intermediate stage. This two-stage history is determined by the timer 78 only effected if a reduced switching speed by a high level of the control signal at the control input 56 this pretends. At a low level of the control signal, the control voltage of the IGBT 44 without reduced switching speed to a level change of the control signal 32 customized.

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.In the driver circuit 48 can also, as in 3 shown a protection circuit 80 be provided for overvoltage protection. By means of the protection circuit 80 and associated control channels 82 . 84 In the case of an inadmissibly high switch-off overvoltage, the driver circuit can change the switching state of the IGBT 44 independently adapt, ie independent of a current level of the output signal of the timer 78 ,

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.Instead of the timer 78 can also be an integrated circuit, eg. As an ASIC (application-specific integrated circuit) may be provided which a modulated signal in the H-bridge 26 ' generated. Such a signal can be generated for example by means of a pulse width modulation, a pulse frequency modulation or pulse amplitude modulation. As a result, the switching transistors are alternately turned on and off in accordance with the pulse sequence, resulting in a corresponding change in the control voltage at the gate 52 results. This allows the average current through the IGBT 44 flow gradually reduced or increased. The switching speed specification would then z. B. by means of a serial data stream via the control input 56 transmitted to the integrated circuit. A reduced switching speed results, for example, when a stage in the course of the switching signal 32 , ie, a switching edge, by a corresponding modulation signal leads to an average current, whose time course corresponds to the course of a ramp or an exponential or even several small steps.

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.The examples illustrate how low-cost components can be used to provide a semiconductor power switch drive circuit that can provide protection of the semiconductor power switch from overvoltages and EMC degradation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2008/032113 A1 [0002, 0008]

Claims

Circuit arrangement ( 40 ) for switching a current (I1) as a function of a predeterminable switching signal ( 32 . 32 ' ), comprising a semiconductor power switch ( 44 . 46 ) for controlling a current of the current (I1), and a driver circuit ( 48 . 50 ) for receiving the switching signal ( 32 . 32 ' ) and for generating a control voltage at a control input ( 52 . 54 ) of the semiconductor circuit breaker ( 44 . 46 ) in dependence on the switching signal ( 32 . 32 ' ), wherein the driver circuit ( 48 . 50 ) is operated at a reduced switching speed at which the driver circuit ( 48 . 50 ) on a switching edge of the switching signal ( 32 . 32 ' ), through which a change of a switching state of the semiconductor power switch is predetermined, generates at the control input, a control voltage whose timing in the semiconductor power switch causes a switching operation whose duration is greater than a period of the switching edge, characterized in that Driver circuit ( 48 . 50 ) has at least one transistor switch for adjusting the control voltage and is adapted to generate upon receiving the switching edge, a transistor control signal for the at least one transistor switch having a predetermined time course.

Circuit arrangement ( 40 ) according to claim 1, characterized in that the switching speed is adjustable and for this purpose the time profile of the transistor control signal by specifying a control signal at a control input ( 56 . 58 ) the driver circuit ( 48 . 50 ) is fixable at a time before receiving the switching edge.

Circuit arrangement ( 40 ) according to claim 1 or 2, characterized by a current transformer ( 62 ) for measuring a current strength of at least in part by the semiconductor circuit breaker ( 44 . 46 ) guided current (I1) and an adjusting device ( 60 ), which is designed, depending on the measured current strength, the actuating signal at the control input ( 56 . 58 ) the driver circuit ( 48 . 50 ) to create.

Circuit arrangement ( 40 ) according to one of the preceding claims, characterized by a tension measuring device ( 64 . 66 ) for measuring a voltage value of a voltage (U1, U2) which is across the semiconductor power switch ( 44 . 46 ) or in which the voltage value is proportional to that of a voltage drop across the semiconductor power switch (U2, U1), and by an adjusting device ( 60 ), which is adapted to the control signal at the control input ( 56 . 58 ) the driver circuit ( 48 . 50 ) in response to the measured voltage value.

Circuit arrangement ( 40 ) according to one of the preceding claims, characterized by a temperature measuring device ( 68 ), which is adapted to a temperature (T) of the driver circuit ( 48 . 50 ) or the semiconductor circuit breaker ( 44 . 46 ) and by an actuator ( 60 ), which is adapted to the control signal at the control input ( 56 . 58 ) the driver circuit ( 48 . 50 ) depending on the measured temperature (T).

Circuit arrangement ( 40 ) according to one of the preceding claims, characterized by a measuring output ( 70 ), on which at least one by the circuit arrangement ( 40 ) detected measuring signal from outside the circuit arrangement can be tapped at this.

Circuit arrangement ( 40 ) according to one of the preceding claims, characterized by an adjusting device ( 60 ) for generating the actuating signal as a function of at least one by the circuit arrangement ( 40 ) detected measuring signal, wherein the actuating device ( 60 ) a characteristic data memory for storing characteristics of the semiconductor power switch ( 44 . 46 ) and wherein the adjusting device is adapted to generate the actuating signal on the basis of the characteristic data as a function of the at least one measuring signal.

Circuit arrangement ( 40 ) according to one of the preceding claims, characterized by a timer ( 78 ) the driver circuit ( 48 ), which is designed to set a starting with the switching edge timing of the transistor control signal, wherein the timer is preferably switched by means of the control signal.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the driver circuit, an integrated circuit is adapted to generate a detected signal after detection of the switching edge as a transistor control signal.

Method for controlling a semiconductor power switch ( 44 . 46 ), comprising the steps of: - providing a signaling device ( 30 ) for generating a switching signal ( 32 . 32 ' ), one Driver circuit ( 48 . 50 ) for providing a control voltage whose timing can be controlled by transistor switches, and a semiconductor power switch ( 44 . 46 ), - detecting an operating state (I1, T, U1, U2) of the semiconductor power switch ( 44 . 46 ) and setting a switching speed of the driver circuit ( 48 . 50 ) in dependence on the detected state (I1, T, U1, U2), - generating the switching signal ( 32 . 32 ' ) by means of the signaling device ( 30 ) and transmitting the switching signal ( 32 . 32 ' ) to the driver circuit ( 48 . 50 ), - receiving the switching signal ( 32 . 32 ' ) by the driver circuit ( 48 . 50 ) and providing the control voltage by generating a transistor control voltage at a time course determined according to the set switching speed, - controlling the semiconductor power switch ( 44 . 46 ) by means of the provided control voltage.

Method according to Claim 10, in which the signaling device ( 30 ) as a switching signal a clock signal ( 32 . 32 ' ) is generated, by which a switching state of the semiconductor power switch ( 44 . 46 ) is changed repeatedly, and in this case a switching clock of the switching signal ( 32 . 32 ' ) by means of a control loop in dependence on the operating state (I1, T, U1, U2) of the semiconductor power switch ( 44 . 46 ) is produced.