Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters. The invention relates to a drive circuit for driving a power semiconductor switch.
Leistungshalbleiterschalter werden unter anderem z.B. zum Gleichrichten und Wechselrichten von elektrischen Spannungen und Strömen verwendet, wobei in der Regel mehrere Leistungshalbleiterschalter zur Realisierung eines Stromrichters elektrisch miteinander verbunden werden. Die Leistungshalbleiterschalter können dabei z.B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder von MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vorliegen. Power semiconductor switches are used inter alia, e.g. used for rectifying and inverting electrical voltages and currents, wherein usually several power semiconductor switches for realizing a power converter are electrically connected together. The power semiconductor switches may be e.g. in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
In 1 ist ein handelsüblicher Stromrichter 1 dargestellt, der beispielhaft in Form einer sogenannten 3-phasigen Brückenschaltung ausgebildet ist. Der Stromrichter weist sechs Leistungshalbleiterschalter 110 auf. Den Leistungshalbleiterschaltern 110 sind jeweilig eine Freilaufdiode 120 und eine Ansteuerschaltung 50 zur Ansteuerung des jeweilig zugehörigen Leistungshalbleiterschalters zugeordnet. Im Rahmen des dargestellten Beispiels erzeugt der Stromrichter 1 aus der linksseitig eingespeisten Gleichspannung eine 3-phasige Wechselspannung. Die jeweilige Ansteuerschaltung 50 erzeugt eine gegenüber dem Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 positive und eine gegenüber dem Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 negative Ausgangspannung. Wenn der Leistungshalbleiterschalters 110 eingeschaltet werden soll, dann wird von der zugehörigen Ansteuerschaltung 50 die positive Ausgangsspannung zum Gate G des Leistungshalbleiterschalters durchgeschalten. Wenn der Leistungshalbleiterschalter 110 ausgeschaltet werden soll, dann wird von der zugehörigen Ansteuerschaltung 50 die negative Ausgangsspannung zum Gate G des Leistungshalbleiterschalters durchgeschalten. In 1 is a commercial power converter 1 illustrated, which is exemplified in the form of a so-called 3-phase bridge circuit. The power converter has six power semiconductor switches 110 on. The power semiconductor switches 110 are each a freewheeling diode 120 and a drive circuit 50 assigned to control the respective associated power semiconductor switch. In the example shown, the power converter generates 1 From the left side fed DC voltage a 3-phase AC voltage. The respective drive circuit 50 generates one opposite the emitter E of the power semiconductor switch 110 positive and one opposite to the emitter E of the power semiconductor switch 110 negative output voltage. When the power semiconductor switch 110 is to be turned on, then by the associated drive circuit 50 the positive output voltage to the gate G of the power semiconductor switch turned on. When the power semiconductor switch 110 is to be turned off, then by the associated drive circuit 50 the negative output voltage to the gate G of the power semiconductor switch turned on.
In 2 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuerschaltung 50 zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters 110 schematisiert dargestellt, wobei in 2 nur die zum späteren Verständnis der in 3 dargestellten Erfindung wesentlichen Elemente der handelsüblichen Ansteuerschaltung 50 dargestellt sind. Die Ansteuerschaltung 50 wird primärseitig von einer Wechselspannungsquelle gespeist, die eine Wechselspannung Uac erzeugt. Die Wechselspannung Uac wird mittels eines Transformators 2 auf die Sekundärseite übertragen und mittels eines Gleichrichters 3 und einem dritten Kondensator 8 eine Eingangsgleichspannung Ue erzeugt. Eine Linearregeleinrichtung 4 erzeugt aus der Eingangsgleichspannung Ue eine in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 positive Ausgangspannung U1, welche über einem ersten Kondensator 10 und einer Schaltkreiseinheit 5 anliegt. Die Linearregeleinrichtung 4 weist dabei als wesentliche Elemente einen Transistor, der zwischen Ein- und Ausgang der Linearregeleinrichtung 4 angeordnet ist und einen Regler auf, der den Transistor derart angesteuert, dass sein Durchlasswiderstand einen derartigen geregelten Wert annimmt, dass die gegenüber dem Emitter E positive Ausgangsspannung U1 eine bestimmte gewünschte Höhe annimmt. Die Schaltkreiseinheit 5 dient zur Energieversorgung einer Schalteinheit 12, was in 1 durch einen gestrichelt gezeichneten Pfeil dargestellt ist. Eine Zenerdiode 9 erzeugt eine in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 negative Ausgangsspannung U2, welche über einem zweiten Kondensator 11 anliegt. Die Höhe der negativen Ausgangsspannung U2 entspricht der Durchbruchspannung der Zenerdiode 9. Die Schalteinheit 12 schaltet in Abhängigkeit von einem Steuersignal S die positive oder die negative Ausgangspannung auf das Gate des Leistungshalbleiterschalters 110 durch und schaltet somit den Leistungshalbleiterschalters 110 ein und aus. Zwischen der Schalteinheit 12 und dem Gate G ist dabei im Rahmen dieses Beispiels ein elektrischer Widerstand 15 zur Strombegrenzung geschaltet. In 2 is a drive circuit known from the prior art 50 for controlling a power semiconductor switch 110 schematized, where in 2 only for later understanding of in 3 illustrated invention essential elements of the commercial drive circuit 50 are shown. The drive circuit 50 is fed on the primary side by an AC voltage source which generates an AC voltage Uac. The AC voltage Uac is by means of a transformer 2 transmitted to the secondary side and by means of a rectifier 3 and a third capacitor 8th generates a DC input voltage Ue. A linear control device 4 generates from the input DC voltage Ue one with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 positive output voltage U1, which across a first capacitor 10 and a circuit unit 5 is applied. The linear control device 4 has as essential elements a transistor between the input and output of the linear control device 4 is arranged and a regulator which drives the transistor such that its on-resistance assumes such a controlled value that the positive with respect to the emitter E output voltage U1 assumes a certain desired level. The circuit unit 5 serves to supply energy to a switching unit 12 , what in 1 is shown by a dashed arrow. A zener diode 9 generates one with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 negative output voltage U2, which across a second capacitor 11 is applied. The height of the negative output voltage U2 corresponds to the breakdown voltage of the zener diode 9 , The switching unit 12 In response to a control signal S, the positive or negative output voltage switches to the gate of the power semiconductor switch 110 and thus switches the power semiconductor switch 110 in and out. Between the switching unit 12 and the gate G is in the context of this example, an electrical resistance 15 switched to current limit.
Nachteilig bei der aus der aus dem Stand der Technik bekannten oben beschriebenen Ansteuerschaltung 50 zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters ist, dass über der Linearregeleinrichtung 4, die Spannungsdifferenz Ud = Ue – (U1 + U2) abfällt und somit die Linearregeleinrichtung 4 und infolge die Ansteuerschaltung 50 hohe energetische Verluste aufweisen. A disadvantage of the above-described from the prior art drive circuit described above 50 for driving a power semiconductor switch is that above the linear control device 4 , the voltage difference Ud = Ue - (U1 + U2) drops and thus the linear control device 4 and due to the drive circuit 50 have high energy losses.
Es ist Ausgabe der Erfindung eine verlustarme Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters zu schaffen. It is an object of the invention to provide a low-loss drive circuit for driving a power semiconductor switch.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters umfassend,
- – eine Schaltregeleinrichtung zur Regelung einer ersten Ausgangsspannung, wobei die Schaltregeleinrichtung einen ersten Halbleiterschalter aufweist, wobei die Schaltregeleinrichtung eine Ansteuereinrichtung aufweist, die den ersten Halbleiterschalter derart ein- und ausschaltet, dass die erste Ausgangsspannung eine bestimmte Spannungshöhe annimmt,
- – eine Zenerdiode zur Erzeugung einer zweiten Ausgangsspannung,
- – eine Diode, wobei die Anode der Diode mit dem zweiten elektrischen Anschluss eines zweiten Kondensators elektrisch verbunden ist oder die Kathode der Diode mit dem ersten elektrischen Anschluss eines ersten Kondensators elektrisch verbunden ist,
- – eine Schaltkreiseinheit, die einen Stromfluss von dem leistungshalbleiterseitigen elektrischen Anschluss der Induktivität zur Zenerdiode oder von der Zenerdiode zum leistungshalbleiterseitigen elektrischen Anschluss der Induktivität bewirkt und
- – eine Schalteinheit, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Steuersignal, die erste Ausgangspannung oder die zweite Ausgangspannung zum Gate des Leistungshalbleiterschalters durchzuschalten.
This object is achieved by a drive circuit for driving a power semiconductor switch comprising - A switching control device for controlling a first output voltage, wherein the switching control device has a first semiconductor switch, wherein the switching control device has a drive device which switches the first semiconductor switch on and off in such a way that the first output voltage assumes a specific voltage level,
- A Zener diode for generating a second output voltage,
- A diode, wherein the anode of the diode is electrically connected to the second electrical terminal of a second capacitor or the cathode of the diode is electrically connected to the first electrical terminal of a first capacitor,
- A circuit unit which receives a current flow from the power semiconductor-side electrical connection of the inductance to the zener diode or effected by the zener diode to the power semiconductor-side electrical connection of the inductor and
- - A switching unit which is adapted to turn on in response to a control signal, the first output voltage or the second output voltage to the gate of the power semiconductor switch.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die erste Ausgangsspannung in Form einer in Bezug auf den Emitter des Leistungshalbleiterschalters positiven Ausgangsspannung vorliegt, wobei der leistungshalbleiterseitige elektrische Anschluss des ersten Halbleiterschalters über eine Induktivität mit dem ersten elektrischen Anschluss eines ersten Kondensators elektrisch verbunden ist, wobei der zweite elektrische Anschluss des ersten Kondensators mit dem Emitter des Leistungshalbleiterschalters elektrisch verbunden ist, wobei die Schaltregeleinrichtung eine Ansteuereinrichtung aufweist, die den ersten Halbleiterschalter derart ein- und ausschaltet, dass die positive Ausgangsspannung eine bestimmte Spannungshöhe annimmt, wobei
- – die zweite Ausgangsspannung in Form einer in Bezug auf den Emitter des Leistungshalbleiterschalters negativen Ausgangsspannung vorliegt, wobei die Kathode der Zenerdiode mit dem zweiten elektrischen Anschluss des ersten Kondensators und mit dem Emitter des Leistungshalbleiterschalters und mit dem ersten elektrischen Anschluss eines zweiten Kondensators elektrisch verbunden ist, wobei die Anode der Zenerdiode mit dem zweiten elektrischen Anschluss des zweiten Kondensators elektrisch verbunden ist, wobei
- – die Anode der Diode mit dem zweiten elektrischen Anschluss des zweiten Kondensators elektrisch verbunden ist und die Kathode der Diode mit dem leistungshalbleiterseitigen elektrischen Anschluss des ersten Halbleiterschalters elektrisch verbunden ist, wobei
- – die Schaltkreiseinheit einen Stromfluss von dem leistungshalbleiterseitigen elektrischen Anschluss der Induktivität zur Zenerdiode bewirkt und mit dem ersten elektrischen Anschluss des ersten Kondensators und mit der Kathode der Zenerdiode elektrisch verbunden ist, wobei
- – die Schalteinheit dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Steuersignal, die positive Ausgangspannung oder die negative Ausgangspannung zum Gate des Leistungshalbleiterschalters durchzuschalten. Hierdurch wird eine einfache Ausbildung der Ansteuerschaltung geschaffen.
It proves to be advantageous if the first output voltage is present in the form of a positive output voltage with respect to the emitter of the power semiconductor switch, wherein the power semiconductor-side electrical terminal of the first semiconductor switch is electrically connected via an inductance to the first electrical terminal of a first capacitor, wherein the second electrical connection of the first capacitor is electrically connected to the emitter of the power semiconductor switch, wherein the switching control device has a drive device which switches the first semiconductor switch on and off such that the positive output voltage assumes a certain voltage level, wherein - The second output voltage being in the form of a negative output voltage with respect to the emitter of the power semiconductor switch, the cathode of the zener diode being electrically connected to the second electrical terminal of the first capacitor and to the emitter of the power semiconductor switch and to the first electrical terminal of a second capacitor, wherein the anode of the zener diode is electrically connected to the second electrical terminal of the second capacitor, wherein
- - The anode of the diode is electrically connected to the second electrical terminal of the second capacitor and the cathode of the diode is electrically connected to the power semiconductor-side electrical terminal of the first semiconductor switch, wherein
- - The circuit unit causes a current flow from the power semiconductor-side electrical connection of the inductance to the Zener diode and is electrically connected to the first electrical terminal of the first capacitor and to the cathode of the zener diode, wherein
- - The switching unit is configured to turn on in response to a control signal, the positive output voltage or the negative output voltage to the gate of the power semiconductor switch. As a result, a simple design of the drive circuit is provided.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Ausgangsspannung in Form einer in Bezug auf den Emitter des Leistungshalbleiterschalters negativen Ausgangsspannung vorliegt, wobei die Schaltregeleinrichtung einen ersten Halbleiterschalter aufweist, wobei der leistungshalbleiterseitige elektrischen Anschluss des ersten Halbleiterschalters über eine Induktivität mit dem zweiten elektrischen Anschluss eines zweiten Kondensators elektrisch verbunden ist, wobei der zweite elektrische Anschluss des ersten Kondensators mit dem Emitter des Leistungshalbleiterschalters elektrisch verbunden ist, wobei die Schaltregeleinrichtung eine Ansteuereinrichtung aufweist, die den ersten Halbleiterschalter derart ein- und ausschaltet, dass die negative Ausgangsspannung eine bestimmte Spannungshöhe annimmt, wobei
- – die zweite Ausgangsspannung in Form einer in Bezug auf den Emitter des Leistungshalbleiterschalters positiven Ausgangsspannung vorliegt, wobei die Anode der Zenerdiode mit dem zweiten elektrischen Anschluss des ersten Kondensators und mit dem Emitter des Leistungshalbleiterschalters und mit dem ersten elektrischen Anschluss eines zweiten Kondensators elektrisch verbunden ist, wobei die Kathode der Zenerdiode mit dem ersten elektrischen Anschluss des ersten Kondensators elektrisch verbunden ist, wobei
- – die Kathode der Diode mit dem ersten elektrischen Anschluss des ersten Kondensators elektrisch verbunden ist und die Anode der Diode mit dem leistungshalbleiterseitigen elektrischen Anschluss des ersten Halbleiterschalters elektrisch verbunden ist, wobei
- – die Schaltkreiseinheit einen Stromfluss von der Zenerdiode zum leistungshalbleiterseitigen elektrischen Anschluss der Induktivität bewirkt und mit dem zweiten elektrischen Anschluss des zweiten Kondensators und mit der Anode der Zenerdiode elektrisch verbunden ist, wobei
- – die Schalteinheit dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Steuersignal, die positive Ausgangspannung oder die negative Ausgangspannung zum Gate des Leistungshalbleiterschalters durchzuschalten. Hierdurch wird eine einfache Ausbildung der Ansteuerschaltung geschaffen.
Furthermore, it proves to be advantageous if the first output voltage is in the form of a negative with respect to the emitter of the power semiconductor switch output voltage, wherein the switching control device comprises a first semiconductor switch, wherein the power semiconductor-side electrical connection of the first semiconductor switch via an inductance with the second electrical connection of a the second capacitor is electrically connected, wherein the second electrical terminal of the first capacitor is electrically connected to the emitter of the power semiconductor switch, wherein the switching control means comprises a drive means which switches the first semiconductor switch on and off such that the negative output voltage assumes a certain voltage level - The second output voltage being in the form of a positive output voltage with respect to the emitter of the power semiconductor switch, the anode of the zener diode being electrically connected to the second electrical terminal of the first capacitor and to the emitter of the power semiconductor switch and to the first electrical terminal of a second capacitor, wherein the cathode of the zener diode is electrically connected to the first electrical terminal of the first capacitor, wherein
- - The cathode of the diode is electrically connected to the first electrical terminal of the first capacitor and the anode of the diode is electrically connected to the power semiconductor-side electrical terminal of the first semiconductor switch, wherein
- - The circuit unit causes a current flow from the Zener diode to the power semiconductor side electrical connection of the inductor and is electrically connected to the second electrical terminal of the second capacitor and to the anode of the zener diode, wherein
- - The switching unit is configured to turn on in response to a control signal, the positive output voltage or the negative output voltage to the gate of the power semiconductor switch. As a result, a simple design of the drive circuit is provided.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Schaltkreiseinheit in Form eines elektrischen Widerstands ausgebildet ist, da ein elektrischer Widerstand eine besonders einfache Ausbildung der Schaltkreiseinheit darstellt. It proves to be advantageous if the circuit unit is designed in the form of an electrical resistance, since an electrical resistance represents a particularly simple design of the circuit unit.
Ferner erweist sich als vorteilhaft, wenn die Schaltkreiseinheit zur Energieversorgung der Schalteinheit ausgebildet ist, da eine Ausbildung der Schaltkreiseinheit zur Energieversorgung der Schalteinheit eine übliche Ausbildung der Schaltkreiseinheit darstellt. Furthermore, it proves to be advantageous if the circuit unit is designed to supply power to the switching unit, since a design of the circuit unit for supplying power to the switching unit represents a customary design of the circuit unit.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Leistungshalbleiterschalter als IGBT oder als MOSFET ausgebildet ist, da eine Ausbildung des Leistungshalbleiterschalters als IGBT oder als MOSFET eine übliche Ausbildung des Leistungshalbleiterschalters darstellt. Furthermore, it proves to be advantageous if the power semiconductor switch is designed as an IGBT or as a MOSFET, since a design of the power semiconductor switch as IGBT or as a MOSFET represents a conventional design of the power semiconductor switch.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in 3 und 4 dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen: Two embodiments of the invention are in 3 and 4 and are explained in more detail below. Showing:
1 ein Stromrichter gemäß dem Stand der Technik, 1 a power converter according to the prior art,
2 eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters gemäß dem Stand der Technik, 2 a drive circuit for driving a power semiconductor switch according to the prior art,
3 eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters und 3 a drive circuit according to the invention for driving a power semiconductor switch and
4 eine weitere erfindungsgemäße Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters 4 a further drive circuit according to the invention for controlling a power semiconductor switch
In 3 ist eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 50‘ zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters 110 schematisiert dargestellt, wobei in 3 nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt sind. Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 50‘ entspricht bezüglich der Grundfunktionalität der aus dem Stand der Technik bekannten Ansteuerschaltung 50 gemäß 2, so dass in 3 gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 2. Im Unterschied zur der aus dem Stand der Technik bekannten Ansteuerschaltung 50 weist die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 50‘ zur Erzeugung einer in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 12 positiven Ausgangsspannung U1 keine Linearregeleinrichtung 4 auf, sondern eine Schaltregeleinrichtung 17 und zusätzlich eine Induktivität 13 und eine Diode 16. In 3 is a drive circuit according to the invention 50 ' for controlling a power semiconductor switch 110 schematized, where in 3 only the essential elements for understanding the invention are shown. The drive circuit according to the invention 50 ' corresponds with respect to the basic functionality of the drive circuit known from the prior art 50 according to 2 , so in 3 the same elements are provided with the same reference numerals as in 2 , In contrast to the drive circuit known from the prior art 50 has the drive circuit according to the invention 50 ' for generating a with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 12 positive output voltage U1 no linear control device 4 on, but a switching control device 17 and in addition an inductance 13 and a diode 16 ,
Die Schaltregeleinrichtung 17 weist einen ersten Halbleiterschalter 14 auf, der z.B. in Form eines MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ausgebildet sein kann und dessen leistungshalbleiterseitiger Anschluss 18 über die Induktivität 13 mit dem ersten elektrischen Anschluss eines ersten Kondensators 10 elektrisch verbunden ist. Die Induktivität 13 liegt vorzugweise in Form einer Spule vor. Der zweite elektrische Anschluss des ersten Kondensators 10 ist mit dem Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 elektrisch verbunden. Weiterhin weist die Ansteuerschaltung 50‘ einen zweiten Kondensator 11 auf, dessen erster Anschluss mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators 10 elektrisch verbunden ist. The switching control device 17 has a first semiconductor switch 14 on, for example, in the form of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) may be formed and its power semiconductor side terminal 18 via the inductance 13 with the first electrical connection of a first capacitor 10 electrically connected. The inductance 13 is preferably in the form of a coil. The second electrical connection of the first capacitor 10 is with the emitter E of the power semiconductor switch 110 electrically connected. Furthermore, the drive circuit 50 ' a second capacitor 11 whose first terminal is connected to the second terminal of the first capacitor 10 electrically connected.
Weiterhin weist die Ansteuerschaltung 50‘ zur Erzeugung einer in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 negativen Ausgangsspannung U2 eine Zenerdiode 9 auf, wobei die Kathode der Zenerdiode 9 mit dem zweiten elektrischen Anschluss des ersten Kondensators 10, mit dem Emitter E des Leistungshalbleiterschalters E und mit dem ersten elektrischen Anschluss eines zweiten Kondensators 11 elektrisch verbunden ist, wobei die Anode der Zenerdiode 9 mit dem zweiten elektrischen Anschluss des zweiten Kondensators 11 elektrisch verbunden ist. Die Höhe der negativen Ausgangsspannung U2 entspricht der Durchbruchspannung der Zenerdiode 9. Furthermore, the drive circuit 50 ' for generating a with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 negative output voltage U2 a Zener diode 9 on, wherein the cathode of the Zener diode 9 with the second electrical connection of the first capacitor 10 with the emitter E of the power semiconductor switch E and with the first electrical connection of a second capacitor 11 is electrically connected, wherein the anode of the zener diode 9 with the second electrical connection of the second capacitor 11 electrically connected. The height of the negative output voltage U2 corresponds to the breakdown voltage of the zener diode 9 ,
Ferner weist die Ansteuerschaltung 50‘ eine Schaltkreiseinheit 5 auf, die mit dem ersten Anschluss des ersten Kondensators 10 und mit der Kathode der Zenerdiode 9 elektrisch verbunden ist und einen Stromfluss von dem leistungshalbleiterseitigen Anschluss 19 der Induktivität 13 zur Zenerdiode 9 bewirkt. Die Schaltkreiseinheit 5 erzeugt im Rahmen des Ausführungsbeispiels vollständig die zum Betrieb einer Schalteinheit 12 notwendige elektrische Energie oder zumindest ein Teil der zum Betrieb der Schalteinheit 12 notwendigen elektrischen Energie, was in 3 durch einen gestrichelt gezeichneten Pfeil angedeutet ist. Im einfachsten Fall kann die Schaltkreiseinheit 5 aber auch nur in Form eines elektrischen Widerstands ausgebildet sein und die zum Betrieb einer Schalteinheit 12 notwendige elektrische Energie mittels einer weiteren nicht dargestellten elektrischen Schaltung erzeugt werden. Die Schaltkreiseinheit 5 kann im Prinzip aus beliebigen zusammengeschalteten elektrischen Elementen bestehen, wichtig ist nur, dass die Schaltkreiseinheit 5 einen Stromfluss von dem leistungshalbleiterseitigen Anschluss 19 der Induktivität 13 zur Zenerdiode 9 bewirkt. Der Stromfluss, der von dem leistungshalbleiterseitigen Anschluss 19 der Induktivität 13 durch die Zenerdiode 9 hindurch fließt, liefert den wesentlichen Anteil, der zum Betrieb der Zenerdiode 9 benötigten elektrischen Energie und bildet den Grundlaststrom der Zenerdiode 9. Furthermore, the drive circuit 50 ' a circuit unit 5 on that with the first terminal of the first capacitor 10 and with the cathode of the zener diode 9 is electrically connected and a current flow from the power semiconductor side terminal 19 the inductance 13 to the zener diode 9 causes. The circuit unit 5 generated in the context of the embodiment completely to the operation of a switching unit 12 necessary electrical energy or at least part of the operation of the switching unit 12 necessary electrical energy, resulting in 3 is indicated by a dashed arrow. In the simplest case, the circuit unit 5 but also be designed only in the form of an electrical resistance and the operation of a switching unit 12 necessary electrical energy can be generated by means of another electrical circuit, not shown. The circuit unit 5 can in principle consist of any interconnected electrical elements, it is only important that the circuit unit 5 a current flow from the power semiconductor side terminal 19 the inductance 13 to the zener diode 9 causes. The current flow coming from the power semiconductor side connection 19 the inductance 13 through the zener diode 9 flows through it, provides the essential part of the operation of the zener diode 9 required electrical energy and forms the base load current of the Zener diode 9 ,
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 50‘ eine Diode 16 auf, wobei die Kathode der Diode 16 mit dem leistungshalbleiterseitigen Anschluss 18 des ersten Halbleiterschalters 14 elektrisch verbunden ist und die Anode der Diode 16, was eigentlich für den Fachmann naheliegend wäre, nicht elektrisch mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators 10 und der Kathode der Zenerdiode 9 elektrisch verbunden ist, sondern erfindungsgemäß mit dem zweiten Anschluss des zweiten Kondensators 11 elektrisch verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße elektrische Verbindung der Anode der Diode 16 mit dem zweiten Anschluss des zweiten Kondensators 11 wird vermieden, dass wenn der erste Halbleiterschalter 14 geöffnet ist, die Diode 16 den zum Betrieb der Zenerdiode 9 notwendige Grundlaststrom der Zenerdiode 9 entzieht und der Grundlaststrom durch die Diode 16 zurück zur Induktivität 13 fließt, was bei einer für den Fachmann naheliegenden elektrischen Verbindung der Anode der Diode 16 mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators 10, der Fall wäre. Furthermore, the drive circuit according to the invention 50 ' a diode 16 on, with the cathode of the diode 16 with the power semiconductor side connector 18 of the first semiconductor switch 14 is electrically connected and the anode of the diode 16 which would be obvious to those skilled in the art, not electrically connected to the second terminal of the first capacitor 10 and the cathode of the zener diode 9 is electrically connected, but according to the invention with the second terminal of the second capacitor 11 electrically connected. By the inventive electrical connection of the anode of the diode 16 to the second terminal of the second capacitor 11 it is avoided that when the first semiconductor switch 14 open, the diode 16 the for the operation of the zener diode 9 necessary base load current of the Zener diode 9 deprives and the base load current through the diode 16 back to inductance 13 flows, which is obvious in the electrical connection of the anode of the diode 16 to the second terminal of the first capacitor 10 that would be the case.
Erfindungsgemäß wird somit eine Ansteuerschaltung 50‘ zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters 110 mit einer Schaltregeleinrichtung 17 zur Regelung einer in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 positiven Ausgangsspannung U1, bei der die als Freilaufdiode wirkende Diode 16 gegen die in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 negative Ausgangsspannung U2 geschalten ist, geschaffen. According to the invention thus a drive circuit 50 ' for controlling a power semiconductor switch 110 with a switching control device 17 for controlling a with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 positive output voltage U1 at which acting as a freewheeling diode 16 against with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 negative output voltage U2 is created.
Zusätzlich zum ersten Halbleiterschalter 14 weist die Schaltregeleinrichtung 17 eine Ansteuereinrichtung 20 auf, die den ersten Halbleiterschalter 14 derart ein- und ausschaltet, dass die positive Ausgangsspannung U1 eine bestimmte Spannungshöhe annimmt. Die Ansteuereinrichtung 20 liest die positive Ausgangsspannung U1 ein und übermittelt ein entsprechendes Ansteuersignal AS an den ersten Halbleiterschalter 14. Der erste Halbleiterschalter 14 wird entsprechend dem Ansteuersignal AS in rascher Folge mit unterschiedlichen zeitlichen Intervallen ein- und ausgeschaltet. Wenn der erste Halbleiterschalter 14 eingeschaltet ist, fließt ein Strom durch ihn und die Induktivität 13 hindurch. Der Strom teilt sich anschließend in einen ersten Stromflusszweig, der durch den ersten und den zweiten Kondensator 10 und 11 zurück zum dritten Kondensator 8 fließt und einen zweiten Stromflusszweig der durch die Schaltkreiseinheit 5 und die Zenerdiode 9 zurück zum dritten Kondensator 8 fließt, auf. Der erste und der zweite Kondensator 10 und 11 werden dabei aufgeladen. In addition to the first semiconductor switch 14 has the switching control device 17 a drive device 20 on that the first semiconductor switch 14 so on and off, that the positive output voltage U1 assumes a certain voltage level. The drive device 20 reads the positive output voltage U1 and transmits a corresponding drive signal AS to the first semiconductor switch 14 , The first semiconductor switch 14 is switched on and off in accordance with the drive signal AS in rapid succession with different time intervals. When the first semiconductor switch 14 is turned on, a current flows through it and the inductance 13 therethrough. The stream then splits into a first branch of current flow through the first and second capacitors 10 and 11 back to the third capacitor 8th flows and a second current flow branch of the through the circuit unit 5 and the zener diode 9 back to the third capacitor 8th flows, up. The first and the second capacitor 10 and 11 will be charged.
Wenn der erste Halbleiterschalter 14 anschließend ausgeschaltet wird, fließt der Strom weiter durch die Induktivität 13 hindurch. Der Strom teilt sich anschließend in einen ersten Stromflusszweig, der durch den ersten und den zweiten Kondensator 10 und 11 über die Diode 16 zurück zur Induktivität 13 fließt und einen zweiten Stromflusszweig, der durch die Schaltkreiseinheit 5 und die Zenerdiode 9 über die Diode 16 zurück zur Induktivität 13 fließt, auf. Die Diode 16 hat die Funktion einer Freilaufdiode. Der Stromfluss durch die Induktivität 13 endet, wenn die im Magnetfeld der Induktivität 13 gespeicherte Energie aufgebraucht ist. Die im Magnetfeld der Induktivität 13 gespeicherte Energie wird solchermaßen ebenfalls zum Aufladen des ersten und zweiten Kondensators 10 und 11 verwendet. When the first semiconductor switch 14 then turned off, the current continues to flow through the inductor 13 therethrough. The stream then splits into a first branch of current flow through the first and second capacitors 10 and 11 over the diode 16 back to inductance 13 flows and a second current flow branch through the circuit unit 5 and the zener diode 9 over the diode 16 back to inductance 13 flows, up. The diode 16 has the function of a freewheeling diode. The current flow through the inductance 13 ends when in the magnetic field of inductance 13 stored energy is used up. The in the magnetic field of inductance 13 stored energy is thus also for charging the first and second capacitors 10 and 11 used.
Im Gegensatz zu der beim Stand der Technik verwendeten Linearregeleinrichtung 4 (siehe 2), fallen bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 50‘ zur Regelung der positiven Spannung U1 im Wesentlichen nur die sehr geringen Schaltverluste, die beim Ein- und Ausschalten des ersten Halbleiterschalters 14 am ersten Halbleiterschalter 14 entstehen, an. Diese sind wesentlich geringer als die Verluste, die am Transistor, der zwischen Ein- und Ausgang der Linearregeleinrichtung 4 angeordnet ist, auftreten. In contrast to the linear control device used in the prior art 4 (please refer 2 ), fall in the drive circuit according to the invention 50 ' To control the positive voltage U1 essentially only the very low switching losses, when switching on and off of the first semiconductor switch 14 at the first semiconductor switch 14 arise, on. These are much lower than the losses at the transistor between input and output of the linear regulator 4 is arranged to occur.
Weiterhin weist die Ansteuerschaltung 50‘ eine Schalteinheit 12 auf, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal S entweder die positive oder die negative Ausgangspannung zum Gate des Leistungshalbleiterschalters 110 durchschaltet und somit den Leistungshalbleiterschalter 110 ein- und ausschaltet. Zwischen der Schalteinheit 12 und dem Gate G ist dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels ein elektrischer Widerstand 15, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels einen Widerstand von einigen Ohm aufweist, zur Strombegrenzung geschaltet. Alternativ kann auch jeweils ein elektrischer Widerstand in den Strompfad zwischen dem ersten Anschluss des ersten Kondensators 10 und der Schalteinheit 12, und in den Strompfad zwischen dem zweiten Anschluss des zweiten Kondensators 11 und der Schalteinheit 12 geschaltet sein. Furthermore, the drive circuit 50 ' a switching unit 12 on, in response to a control signal S, either the positive or the negative output voltage to the gate of the power semiconductor switch 110 turns on and thus the power semiconductor switch 110 turns on and off. Between the switching unit 12 and the gate G is in the context of the embodiment, an electrical resistance 15 , which in the context of the embodiment has a resistance of a few ohms, connected for current limiting. Alternatively, in each case an electrical resistance in the current path between the first terminal of the first capacitor 10 and the switching unit 12 , and in the current path between the second terminal of the second capacitor 11 and the switching unit 12 be switched.
Die Schalteinheit 12 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels als Schaltelemente einen ersten und eine zweiten elektrisch in Serie geschalteten MOSFET auf, wobei die Source des ersten MOSFET mit dem Drain des zweiten MOSFET elektrisch verbunden ist und die Source des ersten MOSFET und der Drain des zweiten MOSFET über den Widerstand 15 mit dem Gate G des Leistungshalbleiterschalters 110 elektrisch verbunden ist. Der Drain des ersten MOSFET ist mit dem ersten Anschluss des ersten Kondensators 10 elektrisch verbunden und die Source des zweiten MOSFET ist mit dem zweiten Anschluss des zweiten Kondensators 11 elektrisch verbunden. Wenn das Steuersignal S einen logischen Pegel von „1“ aufweist, ist der erste MOSFET eingeschalten und der zweite MOSFET ausgeschalten, so dass die positive Ausgangsspannung U1 zum Gate G des Leistungshalbleiterschalters 110 durchgeschaltet wird. Wenn das Steuersignal S einen logischen Pegel von „0“ aufweist, ist der erste MOSFET ausgeschalten und der zweite MOSFET eingeschalten, so dass die negative Ausgangsspannung U2 zum Gate G des Leistungshalbleiterschalters 110 durchgeschaltet wird. The switching unit 12 has in the embodiment as switching elements on a first and a second electrically connected in series MOSFET, wherein the source of the first MOSFET is electrically connected to the drain of the second MOSFET and the source of the first MOSFET and the drain of the second MOSFET through the resistor 15 to the gate G of the power semiconductor switch 110 electrically connected. The drain of the first MOSFET is connected to the first terminal of the first capacitor 10 electrically connected and the source of the second MOSFET is connected to the second terminal of the second capacitor 11 electrically connected. When the control signal S has a logic level of "1", the first MOSFET is turned on and the second MOSFET is turned off, so that the positive output voltage U1 to the gate G of the power semiconductor switch 110 is switched through. When the control signal S has a logic level of "0", the first MOSFET is turned off and the second MOSFET is turned on, so that the negative output voltage U2 to the gate G of the power semiconductor switch 110 is switched through.
In 4 ist eine weitere erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 50‘‘ zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterschalters 110 schematisiert dargestellt. Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 50‘‘ entspricht bezüglich der Funktionalität der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 50‘ gemäß 3, so dass in 4 gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 3 und bezüglich der Beschreibung auf die Beschreibung zu 3 verwiesen wird. Die Ansteuerschaltung 50‘‘ ist bezüglich der Anordnung der Schaltregeleinrichtung 17, der Zehnerdiode 9, der Diode 16, der Induktivität 13 und der Schalteinheit 15 quasi spiegelbildlich zur Ansteuerschaltung 50‘ ausgebildet, wobei im Unterschied zur Ansteuerschaltung 50‘ bei der Ansteuerschaltung 50‘‘ die Schaltregeleinrichtung 17 zur Regelung der in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 negativen Ausgangsspannung U2 ausgebildet ist und die Zenerdiode 9 zur Erzeugung der in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 positiven Ausgangsspannung U1 ausgebildet ist. Bei der Ansteuerschaltung 50‘ liegt eine erste Ausgangsspannung in Form der in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 positiven Ausgangsspannung U1 und eine zweite Ausgangsspannung in Form der in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 negativen Ausgangsspannung U2 vor. Bei der Ansteuerschaltung 50‘‘ liegt die erste Ausgangsspannung in Form der in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 negativen Ausgangsspannung U2 und die zweite Ausgangsspannung in Form der in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 positiven Ausgangsspannung U1 vor. In 4 is a further drive circuit according to the invention 50 '' for controlling a power semiconductor switch 110 shown schematically. The drive circuit according to the invention 50 '' corresponds with respect to the functionality of the drive circuit according to the invention 50 ' according to 3 , so in 4 the same elements are provided with the same reference numerals as in 3 and regarding the description to the description 3 is referenced. The drive circuit 50 '' is with respect to the arrangement of the switching control device 17 , the threediode 9 , the diode 16 , the inductance 13 and the switching unit 15 almost mirror-image to the drive circuit 50 ' designed, in contrast to the drive circuit 50 ' at the drive circuit 50 '' the switching control device 17 for controlling with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 negative output voltage U2 is formed and the zener diode 9 for generating the with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 positive output voltage U1 is formed. At the drive circuit 50 ' is a first output voltage in the form of with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 positive output voltage U1 and a second output voltage in the form of with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 negative output voltage U2 before. At the drive circuit 50 '' the first output voltage is in the form of that with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 negative output voltage U2 and the second output voltage in the form of with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 positive output voltage U1.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Rahmen der Ausführungsbeispiele die Eingangsgleichspannung Ue 30V, die positive Ausgangsspannung U1 in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 15V und die negative Ausgangsspannung U2 in Bezug auf den Emitter E des Leistungshalbleiterschalters 110 – 8V beträgt. It should be noted at this point that, in the embodiments, the DC input voltage Ue 30V, the positive output voltage U1 with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 15V and the negative output voltage U2 with respect to the emitter E of the power semiconductor switch 110 - 8V is.
Im Rahmen der Ausführungsbeispiele ist der Leistungshalbleiterschalter 110 als IGBT ausgebildet. Selbstverständlich kann der Leistungshalbleiterschalter 110 aber auch in Form eines anderen Leistungshalbleiterschaltertyps, wie z.B. in Form eines MOSFET, vorliegen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung, schließt der Begriff Emitter auch den bei einem anderen Leistungshalbleitertyp zum Emitter analogen Anschluss und der Begriff Gate den bei einem anderen Leistungshalbleiterschaltertyp zum Gate analogen Anschluss mit ein. Bei einem MOSFET wird z.B. fachspezifisch der bei einem IGBT mit Emitter bezeichnete Anschluss als Source bezeichnet. Es sei deshalb an dieser Stelle angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung, der Begriff Emitter auch den Begriff Source mit einschließt. In the context of the embodiments, the power semiconductor switch 110 trained as an IGBT. Of course, the power semiconductor switch 110 but also in the form of another power semiconductor switch type, such as in the form of a MOSFET. For the purposes of the present invention, the term emitter also includes the connection analogous to the emitter in another type of power semiconductor and the term gate includes the connection analogous to the gate in the case of another type of power semiconductor switch. In the case of a MOSFET, for example, the connection referred to as the emitter in the case of an IGBT is referred to as the source in a specific manner. It should therefore be noted at this point that for the purposes of the present invention, the term emitter also includes the term source.
