DE102011080270A1 - Circuit breaker arrangement e.g. system-in-package has power switches, control logic for controlling activation of switches and insulating elements for control of switches and for isolation between control logic and switches - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Leistungselektronik sowie der Schaltungstechnik und elektronischen Schaltungen. Im Speziellen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine rekonfigurierbar ausgestaltete Anordnung von Leistungsschaltern. The present invention relates generally to the field of power electronics as well as circuit engineering and electronic circuits. In particular, the present invention relates to a reconfigurable arrangement of circuit breakers.
Stand der Technik State of the art
Als Leistungselektronik wird üblicherweise jenes Gebiet der Elektrotechnik bezeichnet, welches sich mit einer Umformung von elektrischer Energie – vor allem mit Hilfe elektronischer Bauelemente – befasst. Durch die Leistungselektronik wird damit insbesondere eine Umformung elektrischer Energie in Bezug auf Spannungsform (z.B. Gleichspannung, Wechselspannung), die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz ermöglicht. As power electronics usually that area of electrical engineering is referred to, which deals with a transformation of electrical energy - especially with the help of electronic components. The power electronics thus make it possible, in particular, to transform electrical energy with regard to the form of voltage (for example, DC voltage, AC voltage), the level of voltage and current, and the frequency.
Es gibt leistungselektronische Bauelemente bzw. Anordnungen, welche lediglich zum Zu- und/oder Abschalten von elektrischen Verbrauchern eingesetzt werden. Diese umfassen meist neben einer Schaltfunktion auch noch Schutz- und Überwachungsfunktionen. Derartige Bauelemente bzw. Anordnungen können auch als elektronische Leistungsschalter bezeichnet werden, wobei Leistungsschalter spezielle Schalter sind, welche für hohe Ströme bzw. so genannte Kurzschlussbeanspruchung ausgelegt sind. Leistungselektronische Bauelemente oder Anordnungen, mit welchen Spannung, Strom und/oder Frequenz umgeformt werden kann, werden beispielsweise als Leistungsstellglied oder je nach Funktion als Gleichrichter, Wechselrichter und Umrichter bezeichnet. Ein elektronisches Leistungsstellglied umfasst dabei meist die erforderliche Leistungselektronik sowie eine zugehörige Signalverarbeitung. There are power electronic components or arrangements which are used only for connecting and / or switching off electrical consumers. These usually also include protection and monitoring functions in addition to a switching function. Such components or arrangements may also be referred to as electronic power switches, wherein power switches are special switches, which are designed for high currents or so-called short-circuit stress. Power electronic components or arrangements with which voltage, current and / or frequency can be converted are referred to, for example, as a power actuator or, depending on the function, as a rectifier, inverter and converter. An electronic power actuator usually includes the required power electronics and associated signal processing.
Derartige leistungselektronische Schaltungen bzw. Module wie z.B. Leistungsstellglieder werden häufig z.B. für geregelte Antriebe oder drehzahlveränderliche Antriebe verwendet. Such power electronic circuits or modules such as e.g. Power actuators are often used e.g. used for controlled drives or variable speed drives.
Als Bauelement für leistungselektronische Anordnungen, Module und/oder Schaltungen, insbesondere in unteren Leistungs- und Spannungsbereichen, werden häufig so genannte Leistungshalbleiter eingesetzt, welche für ein Steuern und Schalten von hohen elektrischen Strömen und Spannungen ausgelegt sind. Verwendet werden dabei vornehmlich Halbleiterbauelemente wie z.B.:
- – Leistungsdioden, von welchen ein Strom prinzipiell nur in einer Richtung oder nur oberhalb eines bestimmten Spannungswerts durchgelassen wird, und welche häufig in Gleichrichter-Schaltungen eingesetzt werden,
- – Thyristoren, bei welchen ein Schaltpunkt durch eine steuerbare Spannung an einer Steuerelektrode beliebig und flexibel eingestellt werden kann, und welche sehr vielfältige Anwendungen zum Schalten, Steuern und Regeln in der Leistungselektronik finden,
- – Triacs, welche zwei Thyristorelemente in einem Bauteil aufweisen, die gegenläufig parallel geschaltet sind und gemeinsam gesteuert werden, und mit welchen vor allem Wechselströme gesteuert und geschaltet werden,
- – Leistungs-MOSFETs sowie IGBT-Bauteile, welche aufgrund ihrer atomaren Halbleiterstruktur Transistoren mit besonderen Schalt- und Leistungseigenschaften darstellen. Leistungs-MOSFETs werden z.B. bei hohe Schaltfrequenzen (bis zu 1 Mhz) und Spannungen (bis etwa 1000 V) und z.B. als stromlos steuerbare Schalter (z.B. bei Verstärkern) und/oder als schnelle Schalter (z.B in Wechselrichtern, Schaltnetzteilen, DC/DC-Wandlern oder Motorsteuerungen) verwendet. IGBT-Bauteile (Insulated Gate Bipolar Transistors) werden bei hohen Spannungen (bis ca. 2 kV) und hohen Strömen verwendet.
- - Power diodes, of which a current is transmitted in principle only in one direction or only above a certain voltage value, and which are often used in rectifier circuits,
- Thyristors, in which a switching point can be arbitrarily and flexibly adjusted by a controllable voltage on a control electrode, and which find very diverse applications for switching, controlling and regulating power electronics,
- Triacs, which have two thyristor elements in one component, which are connected in parallel in opposite directions and are controlled together, and with which, above all, alternating currents are controlled and switched,
- - Power MOSFETs and IGBT components, which represent transistors with special switching and power characteristics due to their atomic semiconductor structure. Power MOSFETs are eg at high switching frequencies (up to 1 Mhz) and voltages (up to about 1000 V) and eg as a current-controllable switch (eg amplifiers) and / or as a fast switch (eg in inverters, switching power supplies, DC / DC Converters or motor controls). IGBT components (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used at high voltages (up to approx. 2 kV) and high currents.
Leistungselektronische Schaltungen, Anordnungen und/oder Module bzw. Leistungshalbleiter werden heute insbesondere im Kontext der Energieeffizienz weit verbreitet und in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Praxisbezogene Anwendungsgebiete – insbesondere von Leistungshalbleitern – sind beispielsweise Steuerungen von elektrischen Antrieben in der Verkehrstechnik und/oder im Maschinenbau sowie die Umformung bzw. Anpassung von Spannung, Strom und Frequenz eines Systems an ein anderes bzw. an andere Größenwerte. Dabei gibt es beispielsweise Standardschaltungen wie z.B. die so genannte H-Brückenschaltung, welche z.B. in Gleichrichtern, Frequenzumrichtern, Schaltnetzteilen, Motorsteuerungen, etc. verwendet werden. Bei vielen Anwendungsbereichen sind die Schaltungen bzw. Anordnungen der leistungselektronischen Bauelemente allerdings oft speziell auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten. Power electronic circuits, arrangements and / or modules or power semiconductors are widely used today in the context of energy efficiency and used in various fields. Practice-related fields of application-in particular of power semiconductors-are, for example, control systems of electrical drives in traffic engineering and / or mechanical engineering as well as the transformation or adaptation of voltage, current and frequency of one system to another or to other magnitude values. There are, for example, standard circuits such as e.g. the so-called H-bridge circuit, which is e.g. used in rectifiers, frequency converters, switching power supplies, motor controls, etc. In many applications, however, the circuits or arrangements of the power electronic components are often tailored specifically to the particular application.
Eine weitere Entwicklung bei den Leistungshalbleiter stellen so genannte „Smart MOS-FET“-Anwendungen dar, bei welchen auch Signalverarbeitung integriert ist. In der Elektrotechnik wird diese Entwicklung auch als so genannte „Digital Power“ bezeichnet. Unter dieser Bezeichnung werden insbesondere digital geregelte, gesteuerte und überwachte Netzteile bzw. Netzgeräte verstanden, wobei die Regelung und Überwachung einer Ausgangsspannung z.B. von einem Mikrokontroller übernommen wird und der Regelungsprozess als Software im Mikrokontroller geladen ist. Another development in power semiconductors is so-called "smart MOS-FET" applications, in which signal processing is also integrated. In electrical engineering, this development is also referred to as so-called "digital power". This term refers in particular to digitally regulated, controlled and monitored power supplies or network devices, the regulation and monitoring of an output voltage e.g. is taken over by a microcontroller and the control process is loaded as software in the microcontroller.
Die leistungselektronischen Schaltungen und/oder Module werden üblicherweise aus einzelnen, diskreten Bauelementen und/oder Bauelementegruppen (z.B. IC-Chips, Einzelbauelement, etc.) aufgebaut. Die Aufbau- und Verbindungstechnik der Schaltungen und Module müssen eine erforderliche elektrische Isolation sowie eine kompakte Bauform und gute thermische Eigenschaften gewährleisten. Denkbar ist ein Schaltungsaufbau auf einem Substrat und/oder in einem Gehäuse. Allerdings kann es dabei vor allem bei komplexen Schaltungen zu Platzproblemen kommen, wenn z.B. die fertige Schaltung noch in ein Gerät, in einen Motor, etc. eingebaut werden soll. Zusätzlich müssen Leistungshalbleiter – insbesondere bei hohen Leistungen gekühlt werden – d. h. es müssen bei der Schaltung oder im jeweiligen Gehäuse so genannte Kühlkörper eingeplant werden, von welchen zusätzlichen Platz benötigt wird. Daher kann es vor allem bei komplexen Schaltungen nicht nur zu Platzproblemen z.B. bei einem Einbau, etc. kommen, sondern auch die Montagekosten können sich dadurch signifikant erhöhen. The power electronic circuits and / or modules are usually made individual, discrete components and / or component groups (eg IC chips, single component, etc.) constructed. The assembly and connection technology of the circuits and modules must ensure a required electrical insulation as well as a compact design and good thermal properties. Conceivable is a circuit structure on a substrate and / or in a housing. However, this can lead to space problems, especially in complex circuits, if, for example, the finished circuit is still to be installed in a device, in a motor, etc. In addition, power semiconductors - especially at high power must be cooled - ie it must be planned in the circuit or in the respective housing so-called heat sink, which requires additional space. Therefore, especially in complex circuits, not only can there be space problems such as installation, etc., but also the assembly costs can significantly increase.
Daher werden in Bereichen (z.B. Automotiv-Bereich, etc.), in welchen eine Platzoptimierung wichtig ist bzw. in welchen die Schaltung eine möglichst geringen Platzbedarf aufweisen soll, leistungselektronische Schaltungen als so genannte ASICs – d. h. als anwendungsspezifische integrierte Schaltungen bzw. Application-Specific Integrated Circuits – realisiert. Ein ASIC ist eine elektronische Schaltung, welche als integrierte Schaltung (IC) hergestellt worden ist. Eine integrierte Schaltung ist dabei eine auf einem einzelnen meist Halbleitersubstrat untergebrachte elektronische Schaltung. Die Schaltung bzw. der ASIC ist damit nicht mehr manipulierbar. Die großen Nachteile von ASICs sind vor allem bei kleinen und mittleren Stückzahlen hohen Investitionskosten und in jedem Falle eine längere Entwicklungszeit gegenüber einer Lösung derselben Aufgabenstellung mit diskreten Bauteilen und Standard-ICs. Therefore, in areas (e.g., automotive area, etc.) in which space optimization is important, or in which the circuit is intended to be as small as possible, power electronic circuits other than so-called ASICs - d. H. implemented as application-specific integrated circuits or application-specific integrated circuits. An ASIC is an electronic circuit that has been manufactured as an integrated circuit (IC). An integrated circuit is an electronic circuit accommodated on a single usually semiconductor substrate. The circuit or the ASIC is thus no longer manipulatable. The major drawbacks of ASICs, especially in small and medium quantities, are high investment costs and, in any case, a longer development time compared to a solution of the same problem with discrete components and standard ICs.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für Leistungsschalter anzugeben, welche einen relativ geringen Platzbedarf aufweist und durch welche auf einfache und kostengünstige Weise rekonfigurierbar bzw. flexibel verschiedene Schaltungen für Leistungsschalter implementierbar sind. The invention is therefore based on the object to provide an arrangement for circuit breaker, which has a relatively small footprint and by which in a simple and cost-effective manner reconfigurable or flexible different circuits for circuit breakers can be implemented.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Leistungsschalteranordnung der eingangs erwähnten Art, bei der zumindest ein Leistungsschalter, zumindest ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Isolierelement sowie eine konfigurierbare Steuerlogik als bauliche Einheit zusammengefasst sind. Dabei ist das zumindest ein Isolierelement für eine Spannungsversorgung und Ansteuerung des jeweils zugehörigen Leistungsschalters sowie für eine Potentialtrennung zwischen der konfigurierbaren Steuerlogik und dem jeweils zugehörigen Leistungsschalter vorgesehen. Die konfigurierbare Steuerlogik ist zum Vorgeben und Kontrollieren einer Ansteuerung des zumindest einen Leistungsschalter einsetzbar. According to the invention, the object is achieved by a circuit breaker arrangement of the type mentioned, in which at least one circuit breaker, at least one circuit breaker associated insulating element and a configurable control logic are combined as a structural unit. In this case, the at least one insulating element is provided for a voltage supply and control of the respectively associated circuit breaker and for a potential separation between the configurable control logic and the respective associated circuit breaker. The configurable control logic is used to specify and control a control of the at least one circuit breaker.
Der Hauptaspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass ein Aufbau und insbesondere ein Einsatz einer konfigurierbaren Steuerlogik auf einfache und kostengünstige Weise flexible bzw. rekonfigurierbare Verschaltungsmöglichkeiten der einzelnen Komponenten, insbesondere der Leistungsschalter, ermöglichen, wobei diese Verschaltungsmöglichkeiten aufgrund des Einsatzes der Isolierelemente von einem elektrischen Potential der Komponenten – vor allem Leistungsschalter und konfigurierbaren Steuerlogik – unabhängig ist. The main aspect of the proposed solution according to the invention is that a structure and in particular a use of a configurable control logic in a simple and cost-effective manner allow flexible or reconfigurable Verschaltungsmöglichkeiten the individual components, in particular the circuit breaker, said Verschaltungsmöglichkeiten due to the use of the insulating elements of an electric Potential of components - especially circuit breakers and configurable control logic - is independent.
Zusätzlich bietet die erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung eine flexible Implementierung von Schaltlogik und Signalverarbeitung. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können durch entsprechende Programmierung der konfigurierbaren Steuerlogik verschiedenste leistungselektronischen Schaltungen bzw. Anwendungen realisiert werden wie z.B. H-Brückenschaltungen für Motorsteuerungen oder für Wechselspannung, Steuerungen für DC/DC-Konverter, Spannungs-Frequenz-Wandler, Anschnittsteuerung für einen 3-Phasen-Gleichrichter, Synchrongleichrichter, etc. Damit können sowohl Produkt-Diversität als auch Kosten gesenkt werden, da mit einer Schaltungsanordnung verschiedene leistungselektronische Schaltungen erstellt werden können. Auch eine rasche Inbetriebnahme der leistungselektronischen Schaltung wird ermöglicht, ohne dass beispielsweise zusätzliche Komponenten eingefügt bzw. eingebaut werden müssen. In addition, the circuit breaker arrangement according to the invention offers a flexible implementation of switching logic and signal processing. With the arrangement according to the invention can be realized by appropriate programming of the configurable control logic various power electronic circuits or applications such. H-bridge circuits for motor control or for AC voltage, controls for DC / DC converter, voltage-frequency converter, gate control for a 3-phase rectifier, synchronous rectifier, etc. Thus, both product diversity and costs can be reduced because with a circuit arrangement various power electronic circuits can be created. Even a rapid startup of the power electronic circuit is made possible without, for example, additional components must be inserted or installed.
Durch den Aufbau und die Flexibilität der erfindungsgemäßen Anordnung wird auch der Platzbedarf für die jeweilige Anwendung reduziert, da der notwendige Platz durch eine Fläche bzw. ein Volumen der erfindungsgemäßen Anordnung definiert ist. Dabei kann die erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung – vor allem durch den Einsatz der konfigurierbaren Steuerlogik – platzsparend gestaltet werden und damit einen Flächen- bzw. Volumenbedarf von Leistungselektronikkomponenten verkleinern. Due to the structure and the flexibility of the arrangement according to the invention, the space requirement for the respective application is reduced, since the necessary space is defined by an area or a volume of the arrangement according to the invention. In this case, the circuit breaker assembly according to the invention - especially by the use of configurable control logic - be designed to save space and thus reduce an area or volume requirement of power electronics components.
Es ist vorteilhaft, wenn zusätzlich zumindest eine Messeinheit für Steuer- und Regelfunktionen je Leistungsschalter vorgesehen ist, wobei die zumindest eine Messeinheit für Steuer- und Regelfunktionen durch ein zugehöriges Isolierelement potentialmäßig von der konfigurierbaren Steuerlogik getrennt ist. Diese Messeinheit, welche beispielweise als Analog-Digital-Wandler ausgestaltet sein kann, ist einerseits für einen Selbstschutz der Leistungsschalteranordnung selbst geeignet. Andererseits kann die Messeinheit auf einfache Weise für anwendungs-spezifische Steuer- und Regelfunktionen, welche für die jeweilige mit der Leistungsschalteranordnung realisierten leistungselektronischen Schaltung notwendig sein können, eingesetzt werden. Im einfachsten Fall können mit der Messeinheit für Steuer- und Regelfunktionen sehr einfach isolierte Digital-Eingänge und/oder -Ausgänge realisiert oder auch auf platzsparende Weise Messkanäle integriert werden. It is advantageous if in addition at least one measuring unit is provided for control and regulating functions per circuit breaker, the at least one measuring unit for control functions being separated in terms of potential from the configurable control logic by an associated insulating element. This measuring unit, which may be configured, for example, as an analog-to-digital converter, on the one hand suitable for self-protection of the circuit breaker assembly itself. On the other hand, the measuring unit can easily be used for specific control and regulating functions, which may be necessary for the respective realized with the circuit breaker assembly power electronic circuit can be used. In the simplest case, the measuring unit for open-loop and closed-loop control functions can be used to implement very isolated digital inputs and / or outputs or to integrate measuring channels in a space-saving manner.
Weiterhin ist es günstig, wenn zusätzlich ein Programmspeicher vorgesehen ist, welcher mit der konfigurierbaren Steuerlogik verbunden ist. Im Programmspeicher können damit auf einfache Weise verschiedene Programmierungen bzw. Konfigurationen für die konfigurierbare Steuerlogik abgelegt oder gespeichert werden. Damit kann z.B. sehr rasch und ohne großen Aufwand (z.B. zusätzliche Bauelemente, etc.) eine gewünschte Schaltung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung implementiert und in Betrieb genommen werden. Furthermore, it is favorable if in addition a program memory is provided, which is connected to the configurable control logic. In the program memory so that different programmings or configurations for the configurable control logic can be stored or stored in a simple manner. Thus, e.g. a desired circuit can be implemented and put into operation very quickly and without much effort (for example additional components, etc.) with the aid of the circuit breaker arrangement according to the invention.
Bei einer bevorzugten Fortbildung der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung ist als konfigurierbare Steuerlogik eine parametrierbare und programmierbare logische Schaltung vorzugsweise mit einfacher Signalverarbeitung, insbesondere ein so genanntes Field Programmable Gate Array oder FPGA, eingesetzt. Ein FPGA ist eine integrierte Schaltung bzw. ein integriertes Schaltelement der Digitaltechnik, in welchem eine logische Schaltung programmiert werden kann. Durch eine spezifische Konfiguration der internen Strukturen des FPGA können auf einfache Weise verschiedene Schaltungen implementiert werden. In a preferred embodiment of the circuit breaker arrangement according to the invention is as a configurable control logic a programmable and programmable logic circuit preferably with simple signal processing, in particular a so-called Field Programmable Gate Array or FPGA used. An FPGA is an integrated circuit or integrated circuit element of digital technology in which a logic circuit can be programmed. By a specific configuration of the internal structures of the FPGA different circuits can be implemented easily.
Zusätzlich ermöglicht ein FPGA eine schnelle Signalverarbeitung sowie eine flexible Änderung der Anordnung bzw. Schaltung, in welcher ein FPGA eingesetzt wird. Auf diese Weise können mit der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung rasch und flexibel zahlreiche leistungselektronische Schaltungen wie z.B. H-Brückenschaltungen für Motorsteuerungen oder für Wechselspannung, Steuerungen für DC/DC-Konverter, Spannungs-Frequenz-Wandler, Anschnittsteuerung für einen 3-Phasen-Gleichrichter, Synchrongleichrichter, etc. realisiert werden. In addition, an FPGA enables fast signal processing as well as a flexible change in the arrangement or circuit in which an FPGA is used. In this way, with the circuit breaker assembly according to the invention, numerous power electronic circuits such as e.g. H-bridge circuits for motor control or for AC voltage, controls for DC / DC converter, voltage-frequency converter, gate control for a 3-phase rectifier, synchronous rectifier, etc. can be realized.
Alternativ kann als konfigurierbare Steuerlogik auch ein so genannter Complex-Programmable-Logic-Devices-Baustein bzw. CPLD-Baustein verwendet werden. Dieser besitzt eine einfache konfigurierbare Schaltmatrix, von welcher verschiedene Eingangssignale zu verschiedenen Ausgangssignalen verbunden werden können. Diese Signale können dabei durch logische Operationen (z.B. AND, OR, etc.) verknüpft werden, wodurch CPLDs eine vom jeweiligen Design unabhängige, konstante Signaldurchlaufzeit aufweisen. Sie sind allerdings für eine Umsetzung von komplexen Schaltungen, welche eine größere bzw. große Anzahl an Speichern (z.B. Flip-Flops, etc.) benötigen, nur begrenzt einsetzbar. Alternatively, a so-called complex programmable logic device block or CPLD block can be used as a configurable control logic. This has a simple configurable switching matrix, from which different input signals can be connected to different output signals. These signals can be linked by logical operations (e.g., AND, OR, etc.), whereby CPLDs have a design-independent, constant signal transit time. However, they are of limited use for implementation of complex circuits requiring a larger number of memories (e.g., flip-flops, etc.).
Des weiteren empfiehlt sich, wenn als der zumindest eine Leistungsschalter bzw. als Leistungsschalter so genannte Feldeffekt-Transistoren, insbesondere so genannte MOS-FETs, vorgesehen sind. So genannte MOS-FETs (= Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) und insbesondere die spezialisierte Form des Leistungs-MOS-FETs weisen aufgrund ihres Aufbaus üblicherweise ein höhere Schaltgeschwindigkeit als z.B. bipolare Transistoren auf. Daher können mit ihnen schnelle Schalter auch für größere Ströme und/oder Spannungen (z.B. bis mehrere hundert Ampere und bis etwa 1000 V) hergestellt werden. Außerdem ist der Herstellungsprozess für MOS-FETs bzw. Leistungs-MOS-FETs relativ einfach und daher kostengünstig und sie sind wegen ihrer lateralen Struktur auch besonders für integrierte Schaltungen geeignet. MOS-FETs und vor allem Leistungs-MOS-FETs sind insbesondere für das Leiten und Sperren von größeren elektrischen Strömen und/oder Spannungen optimiert und werden daher z.B bei hohe Schaltfrequenzen (bis zu 1 Mhz) und Spannungen (bis etwa 1000 V) als stromlos steuerbare und/oder schnelle Schalter beispielsweise in Verstärkerschaltungen, Wechselrichtern, Schaltnetzteilen, DC/DC-Wandlern, Motorsteuerungen, etc. eingesetzt. Furthermore, it is recommended if so-called field-effect transistors, in particular so-called MOS-FETs, are provided as the at least one power switch or as a power switch. So-called MOS FETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) and in particular the specialized form of the power MOS FET usually have a higher switching speed than e.g. bipolar transistors on. Therefore, they can also be used to make fast switches for larger currents and / or voltages (e.g., up to several hundred amperes and up to about 1000V). In addition, the manufacturing process for MOS FETs or power MOS FETs is relatively simple and therefore inexpensive, and because of their lateral structure they are also particularly suitable for integrated circuits. MOS FETs and especially power MOS FETs are optimized in particular for the conduction and blocking of larger electrical currents and / or voltages and are therefore for example at high switching frequencies (up to 1 Mhz) and voltages (up to about 1000 V) as de-energized controllable and / or fast switches, for example, in amplifier circuits, inverters, switching power supplies, DC / DC converters, motor controls, etc. used.
Alternativ ist auch denkbar, so genannte IGBT (= Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) oder Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode als Leistungsschalter zu verwenden. IGBT werden in vorteilhafter Weise in Schaltungen bei höheren Spannungen ab einigen 100 V und hohen Leistungen (z.B. ab 100 W bis zu 1 kW), aber bei relativ geringer Arbeitsfrequenz (z.B. 1 bis 20 kHz bzw. max. 200 kHz) eingesetzt. Alternatively, it is also conceivable to use the so-called IGBT (= insulated gate bipolar transistor) or bipolar transistor with insulated gate electrode as the circuit breaker. IGBTs are advantageously used in circuits at higher voltages from a few 100 V and high powers (e.g., from 100 W to 1 kW) but at a relatively low operating frequency (e.g., 1 to 20 kHz and 200 kHz, respectively).
Idealerweise ist die erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung als so genanntes System-in-Package ausgestaltet, welche sich technisch zwischen einer monolithischen Integration auf z.B. einem Halbleiter-Chip und der On-Board-Integration von diskreten Bauelementen auf einem Substrat bzw. einer Leiterplatte befindet. Bei einer System-in-Package-Implementierung werden beispielsweise passive und aktive Bauelemente sowie weitere Komponenten mittels Mikrosystemtechnologien auf mehreren Halbleiter-Chips bzw. gegebenenfalls als diskrete Bauelemente hergestellt und dann in einem Gehäuse vereint. Damit lassen sich auf einfache Weise platzsparende und kompakte Anordnungen bzw. Schaltungen realisieren. Außerdem weist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung als so genanntes System-in-Package die Vorteile auf, dass beispielsweise höhere Isolationsspannungen erreicht werden können, und dass auch heterogene Technologie (z.B. diskrete Bauelement mit Gehäuse, IC-Chips, etc.) kombiniert werden können. Beispielsweise können auch Leistungsbauelement wie z.B. MOS-FETs auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) eingesetzt werden. Ideally, the circuit breaker arrangement according to the invention is designed as a so-called system-in-package, which is technically between a monolithic integration on eg a semiconductor chip and the on-board integration of discrete components on a substrate or a printed circuit board. In a system-in-package implementation, for example, passive and active components as well as other components are manufactured by means of microsystem technologies on a plurality of semiconductor chips or possibly as discrete components and then combined in one housing. This can be implemented in a simple way space-saving and compact arrangements or circuits. In addition, an embodiment of the arrangement according to the invention as a so-called system-in-package has the advantages that, for example, higher insulation voltages achieved and that also heterogeneous technology (eg discrete component with housing, IC chips, etc.) can be combined. For example, power devices such as MOS-FETs based on silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) can be used.
Bei einer System-in-Package-Implementierung der erfindungsgemäßen Anordnung wird als Isolierelement vorzugsweise ein so genannter Mikrotransformator eingesetzt. Diese Mikrotransformatoren sind beispielsweise auf einem Halbleiterchip integrierbare, induktive Überträgerstrukturen, welche die Möglichkeit zur galvanischen bzw. potentialmäßigen Trennung von gekoppelten Schaltkreisen bzw. Bauelementen bieten. Dabei wird eine Potentialtrennung zwischen Transformator-Wicklungen von einer dünnen Polyamidschicht auf dem Chip übernommen, von welcher primäre und sekundäre Stromkreis mit Potentialunterschieden von mehreren kV galvanisch getrennt werden können. Dabei wird von einem Mikrotransformator beispielsweise im Vergleich zu Optokopplern nur relativ wenig elektrische Energie verbraucht und eine höhere Datenübertragungsrate bei geringen Störungen erzielt. Ein z.B. sehr häufig eingesetzter Mikrotransformator ist der so genannte iCoupler der Firma Analog Devices, welcher beispielsweise den Vorteil aufweist, Leistung und Signale getrennt zu übertragen. In a system-in-package implementation of the arrangement according to the invention, a so-called microtransformer is preferably used as insulating element. These microtransformers are, for example, integratable on a semiconductor chip, inductive transformer structures, which offer the possibility for galvanic or potential separation of coupled circuits or components. In this case, a potential separation between transformer windings is taken over by a thin polyamide layer on the chip, from which primary and secondary circuits with potential differences of several kV can be galvanically isolated. In this case, a relatively small amount of electrical energy is consumed by a micro-transformer, for example compared to optocouplers, and a higher data transmission rate is achieved with little disturbance. An e.g. The most frequently used micro-transformer is the so-called iCoupler from Analog Devices, which, for example, has the advantage of transmitting power and signals separately.
Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, für die erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung eine so genannte monolithische Implementierung vorzusehen. Dabei werden die Komponenten der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung auf einem einzigen Stück eines einkristallinen Halbleitermaterials (z.B. Silizium, etc.) als sogenannter Chip hergestellt. Eine Fertigung erfolgt dabei z.B. meist durch so genannte Dotierung an der Oberfläche des Halbleitermaterials oder durch Schichtauftrag. Diese Ausgestaltung ist vor allem fertigungsfreundlich und kostengünstig. Allerdings können bei einer monolithischen Implementierung nicht mehr alle Bauelement-Technologie, insbesondere in Kombination, verwendet werden – so sind beispielsweise Leistungsbauelemente auf Basis von SiC und/oder GaN bei dieser Implementierungsart nicht kombinierbar. Alternatively, however, it is also possible to provide a so-called monolithic implementation for the circuit breaker arrangement according to the invention. In this case, the components of the circuit breaker assembly according to the invention are produced on a single piece of monocrystalline semiconductor material (e.g., silicon, etc.) as a so-called chip. A production takes place e.g. usually by so-called doping on the surface of the semiconductor material or by layer application. This embodiment is above all easy to manufacture and inexpensive. However, in a monolithic implementation, not all component technology, in particular in combination, can be used - for example, power components based on SiC and / or GaN can not be combined in this type of implementation.
Bei einer monolithischen Implementierung empfiehlt ein so genannter integrierter High-Voltage-Gate-Driver-ICs oder HVIC für einen Einsatz als Isolierelement. HVICs sind monolithische Hochspannungs-ICs für Spannungen von ca. 500 V und höher und können so genannte Treiberströme von einigen Ampere schalten. HVICs sind so ausgestaltet, dass sie in höheren Spannungsbereichen (z.B. bis zu 600 V und auch teilweise höher) Leistungsschalter – vor allem Leistungshalbleiter wie z.B. MOS-FETs oder IGBTs – schnell ansteuern können. Sie werden daher z.B. in Motorsteuerungen, in Schaltnetzteilen, in Schutzschaltungen, in der Überspannungstechnik, sowie in der Audio und Ultraschalltechnik in industriellen Anwendungen und in der Medizin eingesetzt. In a monolithic implementation, a so-called integrated high-voltage gate driver IC or HVIC is recommended for use as an insulating element. HVICs are monolithic high-voltage ICs for voltages of about 500 V and higher and can switch so-called driver currents of a few amperes. HVICs are designed to operate in higher voltage ranges (e.g., up to 600V and sometimes higher) power switches - especially power semiconductors such as power supplies. MOS FETs or IGBTs - can drive quickly. They are therefore used e.g. used in motor control, in switching power supplies, in protective circuits, in overvoltage technology, as well as in audio and ultrasonic technology in industrial applications and in medicine.
Kurzbeschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand der beigefügten
Ausführung der Erfindung Embodiment of the invention
Die erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung S umfasst dabei zumindest einen oder mehrere Leistungsschalter LS1, LS2, ..., LSn, welche vorzugsweise gegeneinander isoliert sind, und über welche beispielsweise ein in
Jedem Leistungsschalter LS1, LS2, ..., LSn ist ein Isolierelement IE21, IE22, ..., IE2n zugeordnet. Das jeweilige Isolierelement IE21, IE22, ..., IE2n dient einerseits als so genannte Treiberschaltung für den jeweiligen Leistungsschalter LS1, LS2, ..., LSn. Anderseits wird durch das jeweilige Isolierelement IE21, IE22, ..., IE2n der jeweilige Leistungsschalter LS1, LS2, ..., LSn potentialmäßig von einer konfigurierbaren Steuerlogik SL getrennt. Diese Trennung durch die Isolierelement IE21, IE22, ..., IE2n ist notwendig, da beispielsweise die konfigurierbare Steuerlogik SL in einem wesentlich niedrigeren Spannungsbereich (z.B. bei ca. 1 V) arbeitet als die Leistungsschalter LS1, LS2, ..., LSn (z.B. bei bis zu ca. 1000 V). Als Isolierelemente IE21, IE22, ..., IE2n können beispielsweise bei System-in-Package-Implementierung Mikrotransformatoren wie z.B. iCoupler der Firma Analog Devices oder bei monolithischer Implementierung so genannte High-Voltage-Gate-Driver-ICs oder HVICs verwendet werden. Each circuit breaker LS1, LS2, ..., LSn is assigned an insulating element IE21, IE22,..., IE2n. The respective insulating element IE21, IE22, ..., IE2n serves on the one hand as a so-called driver circuit for the respective circuit breaker LS1, LS2, ..., LSn. On the other hand, each respective power-isolation element IE21, IE22,..., IE2n disconnects the respective power switch LS1, LS2,..., LSn in terms of potential from a configurable control logic SL. This isolation by the insulating element IE21, IE22,..., IE2n is necessary because, for example, the configurable control logic SL operates in a much lower voltage range (eg at approximately 1 V) than the power switches LS1, LS2,..., LSn (FIG. eg up to about 1000 V). As isolation elements IE21, IE22,..., IE2n, for example, in system-in-package implementation, microtransformers, e.g. iCoupler from the company Analog Devices or monolithic implementation so-called high-voltage gate driver ICs or HVICs are used.
Als konfigurierbare Steuerlogik SL, durch welche über entsprechende Programmierung verschiedenste leistungselektronische Schaltungen bzw. Anwendungen wie z.B. H-Brückenschaltungen für Motorsteuerungen oder für Wechselspannung, Steuerungen für DC/DC-Konverter, Spannungs-Frequenz-Wandler, Anschnittsteuerung für einen 3-Phasen-Gleichrichter, Synchrongleichrichter, etc. realisiert werden können, können z.B. eine programmierbare Logik mit einfacher Signalverarbeitung wie beispielsweise FPGA oder CPLD eingesetzt werden. Zusätzlich ist die konfigurierbare Steuerlogik SL mit einem Programmspeicher SP verbunden. Im Programmspeicher SP können beispielsweise anwendungsspezifische Programmierungen bzw. Konfigurationen für die konfigurierbare Steuerlogik SL abgespeichert sein. Weiters weist die konfigurierbare Steuerlogik SL eine direkten Ein-/Ausgang N auf, über welchen z.B. Signale, etc. direkt an die konfigurierbare Steuerlogik SL übertragbar sind. As a configurable control logic SL, through which appropriate programming various electronic circuits or applications such. H-bridge circuits for motor control or for AC voltage, controls for DC / DC converter, voltage-to-frequency converter, gate control for a 3-phase rectifier, synchronous rectifier, etc. can be implemented, e.g. a programmable logic with simple signal processing such as FPGA or CPLD can be used. In addition, the configurable control logic SL is connected to a program memory SP. In the program memory SP, for example, application-specific programming or configurations for the configurable control logic SL can be stored. Furthermore, the configurable control logic SL has a direct input / output N, via which e.g. Signals, etc. are directly transferable to the configurable control logic SL.
Der konfigurierbaren Steuerlogik SL können Messeinheiten AD1, AD2, ..., ADn für Steuer- und Regelfunktionen vorgeschaltet sein. Diese Messeinheiten AD1, AD2, ..., ADn sind ebenfalls durch zu jeweiligen Messeinheit AD1, AD2, ..., ADn zugeordnete Isolierelemente IE11, IE12, ..., IE1n von der konfigurierbaren Steuerlogik SL potentialmäßig getrennt. Üblicherweise sind gleich viele Messeinheiten AD1, AD2, ..., ADn mit Isolierelementen IE11, IE12, ..., IE1n vorgesehen wie Leistungsschalter LS1, LS2, ..., LSn mit zugehörigen Isolierelementen IE21, IE22, ..., IE2n in der Anordnung S verwendet werden. Die jeweils verwendeten Messeinheiten AD1, AD2, ..., ADn werden einerseits zum Selbstschutz der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung S (z.B. zu hohe Spannungen, Ströme, etc.) verwendet und andererseits können von den Messeinheiten AD1, AD2, ..., ADn auch anwendungsspezifische Mess- und Regelfunktionen (z.B. bei einer Motorsteuerung, etc.) übernommen werden. Die Messeinheiten AD1, AD2, ..., ADn können beispielsweise als Analog-Digital-Konverter ausgeführt sein. Als zu den Messeinheiten AD1, AD2, ..., ADn zugehörige Isolierelemente IE11, IE12, ..., IE1n können wieder – je nach Implementierung der erfindungsgemäßen Anordnung S – Mikrotransformatoren, insbesondere iCoupler der Firma Analog Devices bei System-in-Package oder High-Voltage-Gate-Driver-ICs (HVICs) bei monolithischer Realisierung verwendet werden. The configurable control logic SL may be preceded by measurement units AD1, AD2,..., ADn for control and regulation functions. These measuring units AD1, AD2,..., ADn are also potentially isolated from the configurable control logic SL by insulating elements IE11, IE12,..., IEn allocated to the respective measuring unit AD1, AD2,. Usually, the same number of measuring units AD1, AD2,..., ADn with insulating elements IE11, IE12,..., IE1n are provided, such as power switches LS1, LS2,..., LSn with associated insulating elements IE21, IE22,..., IE2n in the arrangement S are used. The respectively used measuring units AD1, AD2,..., ADn are used on the one hand for self-protection of the circuit breaker arrangement S according to the invention (eg too high voltages, currents, etc.) and on the other hand also application-specific ones of the measuring units AD1, AD2, Measuring and control functions (eg in a motor control, etc.) are taken over. The measuring units AD1, AD2,..., ADn can be designed, for example, as analog-to-digital converters. As to the measuring units AD1, AD2, ..., ADn associated insulation elements IE11, IE12, ..., IE1n again - depending on the implementation of the inventive arrangement S - micro-transformers, especially iCoupler the company Analog Devices in system-in-package or High-voltage gate driver ICs (HVICs) can be used in monolithic implementation.
Die erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung S kann beispielsweise bei einem Einsatz von acht Leistungsschaltern LS1, LS2, ... LS8 eine Funktionsumfang von z.B. vier isolierten Analog-Eingängen über die Messeinheiten AD1, AD2, ..., AD8, zwei isolierte Digital-Eingänge wie zwei isolierte Digital-Ausgänge und 16 generische, nicht isolierte I/O-Pins mit der verbundenen, konfigurierbaren Steuerlogik SL (z.B. FPGA-Logik) aufweisen. Mit einer derartigen Anordnung S lassen sich beispielsweise sehr einfach und rasch folgende (Leistungs-)Schaltungen durch entsprechende Programmierung der konfigurierbaren Steuerlogik SL realisieren:
- – Acht Kanäle mit einem Standard-Strom bis zu einem Kanal mit 8-fachem Strom (d. h. variable Stromtragfähigkeit durch Parallelschaltung)
- – Acht Kanäle mit einer Standard-Spannung bis zu einem Kanal mit 8-facher Spannung (d. h. variable Spannungsbereich durch Serienschaltung)
- – Vier bidirektionale Schalterwechsel
- – H-Brückenschaltungen z.B. für eine Motorsteuerung auch mit erhöhtem Strom oder erhöhter Spannung oder für Wechselspannung
- – Pulswechselmodulation-Steuerung auf Basis einer analogen Eingangsspannung (oder eines Eingangsstroms mit Shunt-Messung
- – Steuerung für einen DC/DC-Konverter
- – Anschnittsteuerungen für z.B. 3-Phasen-Gleichrichter
- – Synchrongleichrichter
- – Spannungs-Frequenzwandler, Spannungs-Pulsdichtwandler, etc.
- - Eight channels with a standard current up to a channel with 8-fold current (ie variable current carrying capacity through parallel connection)
- - Eight channels with a standard voltage up to a channel with 8-fold voltage (ie variable voltage range through series connection)
- - Four bidirectional switch changes
- - H-bridge circuits eg for a motor control with increased current or increased voltage or for AC voltage
- - Pulse-change modulation control based on an analog input voltage (or an input current with shunt measurement
- - Control for a DC / DC converter
- - Gate controllers for eg 3-phase rectifiers
- - Synchronous rectifier
- Voltage frequency converters, voltage pulse density transducers, etc.
Claims (9)
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