-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltungsaufbauten einer Schaltvorrichtung und eines Schaltmoduls. Eine herkömmliche Schaltvorrichtung wie die in
JP 10-229671 A (1998) gezeigte enthält einen Emitteranschluss für die Schaltsteuerung.
-
So wurde di/dt (dv/dt) während des Übergangs des Schaltens zwischen EIN und AUS gesteuert als Reaktion auf die Größe einer Gate-Emitter-Spannung VGE oder auf die Größe eines Gatewiderstands RG zwischen einem externen Gate und einem externen Emitter.
-
Bei einer herkömmlichen Schaltvorrichtung, die in einer Stromrichterschaltung eingebaut ist, wird abhängig von einem di/dt eines Stroms, der während des Übergangs zum Ausschalten unterbrochen wird, und der Induktivität einer Hauptverdrahtung eine hohe Stoßspannung erzeugt. Ein Durchbruch eines Schaltelements kann bewirkt werden, wenn die erzeugte Stoßspannung die Bemessungsspannung des Elements übersteigt.
-
Ein Durchbruch eines Schaltelements kann auch während des Übergangs zum Einschalten bewirkt werden, wenn eine Erholungsstoßspannung die Bemessungsspannung des Elements überschreitet.
-
Außerdem führt ein Ansteigen von di/dt (dv/dt) während des Übergangs zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand zu einem Anstieg erzeugter Störungen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltvorrichtung und ein Schaltmodul bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Stoßspannung und erzeugte Störungen zu verringern.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltvorrichtung gemäß Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die Schaltvorrichtung enthält ein Schaltelement mit einem Steueranschluss und einer Stromelektrode, einen Stromanschluss für eine Hauptverdrahtung zum Anschließen der Stromelektrode an eine externe Hauptverdrahtung, eine Mehrzahl von Steuerstromanschlüssen, die in einem Hauptstrompfad zwischen der Stromelektrode und dem Stromanschluss für die Hauptverdrahtung eingefügt sind, und eine Induktivität, die in den Hauptstrompfad eingefügt und zwischen benachbarten Steuerstromanschlüssen angeordnet ist.
-
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Schaltmodul gemäß Anspruch 7.
-
Das Schaltmodul enthält eine Mehrzahl der Schaltvorrichtungen.
-
Schalten zu einem Steueremitteranschluss mit geeigneten Eigenschaften wird durchgeführt, um di/dt (dv/dt) während des Übergangs des Schaltens veränderlich zu machen, wodurch eine Verringerung einer Stoßspannung und eine Verringerung erzeugter Störungen ermöglicht wird.
-
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
-
1 ist ein Schaltbild einer Schaltvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
2 ist ein Schaltbild, das eine Verbindung zwischen der Schaltvorrichtung und einer Treiberschaltung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
-
3 bis 5 sind jeweils Schaltbilder einer Schaltvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
-
1 ist ein Schaltbild einer Schaltvorrichtung einer ersten Ausführungsform. Ein in 1 gezeigtes Schaltelement 1 ist beispielsweise ein IGBT. Die Schaltvorrichtung enthält das Schaltelement 1 und eine Mehrzahl von Steueremitteranschlüssen 5, 6 und 7.
-
Die in 1 gezeigten Steueremitteranschlüsse 5, 6 und 7 sind mit einer internen Verdrahtung der Schaltvorrichtung so verbunden, dass die Steueremitteranschlüsse 5, 6 und 7 verschiedene Induktivitäten zwischen den Steueremitteranschlüssen 5, 6 und 7 sowie einer Emitterelektrode 100 des Schaltelements 1 aufweisen. Verschiedene Induktivitäten 8 und 9 sind innerhalb der Schaltvorrichtung angeschlossen.
-
Genauer gesagt, enthält das Schaltelement 1 einen Kollektoranschluss 2, einen Gateanschluss 3 als Steueranschluss, und die Emitterelektrode 100 als Stromelektrode. Das Schaltelement 1 enthält ferner einen Emitteranschluss 4 für die Hauptverdrahtung als Stromanschluss für die Hauptverdrahtung, der über die Induktivitäten 8 und 9 mit der Emitterelektrode 100 verbunden ist.
-
Die Emitterelektrode 100 und der Emitteranschluss 4 für die Hauptverdrahtung zum Anschließen der Emitterelektrode 100 an eine Hauptverdrahtung sind über einen Pfad verbunden, der als Hauptstrompfad wirkt. Die Steueremitteranschlüsse 5, 6 und 7 sind als eine Mehrzahl von Steuerstromanschlüssen in dem Hauptstrompfad eingefügt.
-
Der Hauptstrompfad enthält auch die Induktivität 8, die zwischen den Steueremitteranschlüssen 5 und 6 angeordnet ist, und die Induktivität 9, die zwischen den Steueremitteranschlüssen 6 und 7 angeordnet ist.
-
2 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel für eine Verbindung zwischen der Schaltvorrichtung und einer Treiberschaltung zeigt.
-
Wie in 2 gezeigt, ist der Gateanschluss 3 der Schaltvorrichtung 1 mit einer Treiberschaltung 10 verbunden. Die Steueremitteranschlüsse 5 und 6 sind jeweils über einen Umschalter 11 bzw. 12 mit der Treiberschaltung 10 verbunden. Die Umschalter können an beliebigen Stellen in dem Pfad angeordnet sein, in dem die Steueremitteranschlüsse bereitgestellt sind.
-
Die Treiberschaltung 10 steuert eine auf das Schaltelement 1 bezogene Spannung über den Gateanschluss 3 zu dem Schaltelement 1. Die Umschalter 11 und 12 können unter Verwendung von Halbleiterschaltern verwirklicht sein. Eine Steuerfunktion der Umschalter 11 und 12 kann durch die Treiberschaltung 10 verwirklicht sein oder durch eine nicht gezeigte Steuerschaltung. In 2 die Steuersignalleitungen, die sich auf die Umschalter beziehen, nicht dargestellt. Der Steueremitteranschluss 7 ist ebenfalls mit der Treiberschaltung 10 verbunden.
-
In den Induktivitäten 8 und 9 zwischen dem Emitteranschluss 4 für die Hauptverdrahtung und den Steueremitteranschlüssen werden Spannungen erzeugt, wenn ein Strom, der in dem Hauptstrompfad fließt, sich mit der Zeit ändert. Es ist allgemein bekannt, dass die erzeugten Spannungen die Wirkung einer negativen Rückkopplung erzielen.
-
Die vorliegende Erfindung verwendet die Mehrzahl von Steueremitteranschlüssen 5, 6 und 7, die verschiedene Induktivitäten aufweisen, in geeigneter Weise, um die Wirkung der negativen Rückkopplung während des Übergangs des Schaltens veränderlich zu machen. Das wird auch erzielt in einer Schaltvorrichtung mit dem obigen Schaltelement, in einem Schaltmodul mit einer Mehrzahl von Schaltelementen usw.
-
Die Umschalter 11 und 12 auf 2 führen eine Auswahl durch, welcher der Steueremitteranschlüsse 5, 6 und 7 verwendet wird für eine allgemeine Stromunterbrechung oder für die Unterbrechung eines übermäßigen Stroms zum Schutz vor einem Überstrom oder einem Kurzschluss, wodurch eine Verringerung einer Stoßspannung und eine Verringerung erzeugter Störungen ermöglicht wird.
-
Die Schaltvorrichtung der ersten Ausführungsform enthält: Das Schaltelement 1 mit einem Steueranschluss 3 und einer Stromelektrode, wobei die Emitterelektrode 100 als Stromelektrode dient, den Emitteranschluss 4 für die Hauptverdrahtung, der als Stromanschluss für die Hauptverdrahtung dient zum Verbinden der Emitterelektrode 100 mit einer externen Hauptverdrahtung, die Steueremitteranschlüsse 5, 6 und 7 als eine Mehrzahl von Steuerstromanschlüssen, die in den Hauptstrompfad zwischen der Emitterelektrode 100 und dem Emitteranschluss 4 für die Hauptverdrahtung eingefügt sind, und die Induktivitäten 8 und 9, die jeweils in den Hauptstrompfad eingefügt sind und zwischen benachbarten Steueremitteranschlüssen 5, 6 und 7 angeordnet sind. Das ermöglicht ein Schalten zu einem Steueremitteranschluss mit geeigneter Eigenschaft, um di/dt (dv/dt) während des Übergangs des Schaltens veränderlich zu machen, wodurch eine Verringerung einer Stoßspannung und eine Verringerung erzeugter Störungen ermöglicht wird.
-
Die Schaltvorrichtung der ersten Ausführungsform enthält weiter die Treiberschaltung 10 zum Ansteuern des Schaltelements 1, die mit dem Gateanschluss 3 als Steueranschluss des Schaltelements 1 und mit den Steueremitteranschlüssen 5, 6 und 7 als der Mehrzahl von Steuerstromanschlüssen verbunden ist, und die Umschalter 11 und 12, die zwischen die Treiberschaltung 10 und zumindest einen der Steueremitteranschlüsse 5, 6 und 7 eingefügt sind. Das ermöglicht ein Schalten zu einem Steueremitteranschluss mit geeigneten Eigenschaften, um di/dt (dv/dt) während des Übergangs des Schaltens veränderlich zu machen.
-
In der Schaltvorrichtung der ersten Ausführungsform ändert ein Schalten der Umschalter 11 und 12 die Induktivität des Hauptstrompfads. Das ermöglicht eine geeignete Änderung der Induktivität, um di/dt (dv/dt) während des Übergangs des Schaltens veränderlich zu machen.
-
Das Schaltmodul der ersten Ausführungsform enthält eine Mehrzahl der oben genannten Schaltvorrichtungen. Das ermöglicht eine Verringerung einer Stoßspannung und eine Verringerung der erzeugten Störungen.
-
In einer zweiten Ausführungsform sind wie in 3 gezeigt, Begrenzungswiderstände 13 und 14 zwischen dem Steueremitteranschluss 6 und dem Hauptstrompfad sowie zwischen dem Steueremitteranschluss 7 und dem Hauptstrompfad angeordnet. Diese Begrenzungswiderstände wirken zum Begrenzen eines Gatestroms, der in den Gateanschluss 3 hinein oder aus dem Gateanschluss 3 heraus fließt, und können zwischen einem beliebigen der Steueremitteranschlüsse und dem Hauptstrompfad angeordnet sein. Die Begrenzungswiderstände sind auch auf den in 2 gezeigten Aufbau anwendbar.
-
Das Bereitstellen der Begrenzungswiderstände 13 und 14 erzielt nicht nur die Wirkung, di/dt (dv/dt) durch eine negative Rückkopplung veränderlich zu machen, sondern auch die Wirkung der Begrenzungswiderstände selbst. Insbesondere wird der Gateanschluss 3 mit einer Geschwindigkeit geladen oder entladen, die durch Einstellen des Werts eines Stroms (Gatestrom) gesteuert wird, der in den Gateanschluss 3 hinein oder aus ihm heraus fließt. Der Gatestrom ist erhöht, wenn ein Widerstandswert klein ist, was den Gateanschluss 3 mit einer höheren Geschwindigkeit lädt oder entlädt. In diesem Fall ist di/dt (dv/dt) während des Übergangs des Schaltens zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand des Elements erhöht. Dagegen wird der Gatestrom verringert, wenn ein Widerstandswert groß ist, was den Gateanschluss 3 mit einer geringeren Geschwindigkeit lädt oder entlädt. In diesem Fall ist di/dt (dv/dt) während des Übergangs zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand des Elements verringert.
-
Es können auch wie in 4 gezeigt Dioden 15 und 16 zum Durchführen eines Schaltens zwischen den Steueremitteranschlüssen zwischen dem Steueremitteranschluss 5 und dem Hauptstrompfad und zwischen dem Steueremitteranschluss 6 und dem Hauptstrompfad angeordnet sein. Die Dioden können zwischen einem beliebigen der Steueremitteranschlüsse und dem Hauptstrompfad angeschlossen sein.
-
Das Bereitstellen der Dioden 15 und 16 ermöglicht ein Schalten zwischen den Steueremitteranschlüssen sowohl für das Einschalten als auch das Ausschalten ohne Beteiligung der externen Umschalter 11 und 12, wenn eine Treiberschaltung wie die in 2 gezeigte angeschlossen ist.
-
Der Begrenzungswiderstand 14 und die Dioden 15 und 16 können auch wie in 5 gezeigt in Verbindung miteinander verwendet werden.
-
Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform werden zwei oder drei Steueremitteranschlüsse verwendet. Die Anzahl von Steueremitteranschlüssen können geändert werden, wo es angebracht ist. Auch die Anzahl der Begrenzungswiderstände und Dioden und die Orte der Begrenzungswiderstände und der Dioden kann geändert werden, wo es angebracht ist.
-
Bei der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform wurde das IGBT-Element als Beispiel verwendet. Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch auch auf Elemente wie z. B. einen FET anwendbar, die durch eine Gatespannung gesteuert werden. Wenn ein FET-Element verwendet wird, sind die Emitterelektrode, der Emitteranschluss für die Hauptverdrahtung und die Steueremitteranschlüsse jeweils durch eine Sourceelektrode, einen Sourceanschluss für die Hauptverdrahtung und Steuersourceanschlüsse ersetzt.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die Verwendung eines Si-Elements eingeschränkt, sondern auch auf die Verwendung eines SiC-Elements anwendbar. Ein Schaltelement aus SiC arbeitet im allgemeinen mit einer höheren Geschwindigkeit als ein Si-Element, so dass es dazu neigt, eine Stoßspannung und Störungen, die während des Übergangs des Schaltens erzeugt werden, zu erhöhen. Daher sind eine Verringerung einer Stoßspannung und eine Verringerung von erzeugten Störungen, die durch die vorliegende Erfindung erzielt werden, besonders wirkungsvoll bei der Verwendung eines Schaltelements aus SiC.
-
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Modul anwendbar wie z. B. ein IPM (Intelligent Power Module, intelligentes Leistungsmodul), auf dem eine Mehrzahl von Elementen angeordnet ist.
-
Die Schaltvorrichtung der zweiten Ausführungsform enthält weiter die Dioden 15 und 16 zwischen zumindest einem der Steueremitteranschlüsse 5, 6 und 7 als Mehrzahl von Steuerstromanschlüssen und dem Hauptstrompfad. Somit kann di/dt (dv/dt) durch eine negative Rückkopplung während des Übergangs des Schaltens in den eingeschalteten oder ausgeschalteten Zustand veränderlich gemacht werden, wodurch eine Verringerung einer Stoßspannung und eine Verringerung erzeugter Störungen ermöglicht wird.
-
Die Schaltvorrichtung der zweiten Ausführungsform enthält weiter die Begrenzungswiderstände 13 und 14 zwischen zumindest einem der Steueremitteranschlüsse 5, 6 und 7 als einer Mehrzahl von Steuerstromanschlüssen und dem Hauptstrompfad. Somit kann di/dt (dv/dt) durch diese Widerstände veränderlich gemacht werden, wodurch eine Verringerung einer Stoßspannung und eine Verringerung erzeugter Störungen ermöglicht wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
