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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung für MOSFET- oder MOS-gesteuerte Bauelemente, bei welchem das Bauelement mittels einer an einem Steuereingang angelegten Steuerspannung durchgesteuert wird.
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Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung für MOSFET- oder MOS-gesteuerte Bauelemente, bei welchem das Bauelement mittels einem an einem Steuereingang angelegten Steuerstrom durchgesteuert wird.
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens, welche eine Steuerspannungserzeugungsanordnung aufweist, welche eine Steuerspannung zur Ansteuerung von MOSFET- oder MOS-gesteuerten Bauelementen erzeugt.
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Die Schaltgeschwindigkeit von MOSFET- oder MOS-gesteuerten Bauelementen, im Besonderen die von IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode – insulated-gate bipolar transistor) ist für sogenannte "Pulsed-Power-Anwendungen“ zu gering, wenn die aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren der Ansteuerung dieser Bauelemente zum Einsatz kommen. Um diese Bauelemente auch für derartige Anwendungen zu qualifizieren, muss die Schaltgeschwindigkeit signifikant erhöht werden. Darüber hinaus ist es im Sinne der Last notwendig, die Leitphase des IGBTs aktiv zu beeinflussen. Aus dem Stand der Technik ist zum Erreichen der notwendigen Stromanstiegsgeschwindigkeiten bekannt, meist Thyratrons und Schaltfunkenstrecken zu verwenden.
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In ersten Ausführungen mit eingeschränktem Leistungsumfang kommen Halbleiterbauelemente, speziell sogenannte MCT (MOS-Controlled Thyristor) zum Einsatz. Dieses ist als Spezialbauelement jedoch nur schwer verfügbar und nur sehr grob klassifiziert, sodass mit großen Fertigungstoleranzen zu rechnen ist, was dazu führen kann, dass einzelne Bauelemente überhaupt nicht eingesetzt werden können oder erhebliche Zusatzkosten durch eine Vorselektion entstehen.
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Weiterhin gibt es Versuche, durch andere sehr spezielle Halbleiterbauelemente wie DSRD (Drift Step Recovery Diode), FID (Fast Ionizating Dynistor), MAGT (Mos Assisted Gate Thyristor) oder auch MTO (MOS Turn) das Schaltproblem zu lösen.
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Weitere Möglichkeiten sind durch die massive Parallelschaltung von kommerziell gut verfügbarer Bauelemente mit kleiner Schaltleistung und kleinen Schaltströmen oder auch durch die Verwendung von Puls versteilenden Netzwerken, beispielsweise über sättigbare Induktivitäten, gegeben.
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Zu den Nachteilen des Stands der Technik zählt, dass diese oben beschriebenen Spezialbauelemente nur bedingt und nicht mit ausreichender Qualität verfügbar sind. Ein second source ist hierfür nicht gegeben.
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Thyratrons bzw. Schaltfunkenstrecken besitzen außerdem eine geringe Lebensdauer und im Falle des Thyratrons wird eine Vorheizung benötigt, womit die Leistungsverluste in diesem Fall hoch sind.
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Bei Systemen mit sättigbaren Induktivitäten besteht der Nachteil darin, dass diese zu einem hohen Jitter des Pulses an der Last führen, da es zu Speichereffekten kommt (Remanenz).
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung für MOSFET- oder MOS-gesteuerte Bauelemente sowie eine Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens anzugeben, mit welchem eine hohe Strom- und Spannungssteilheit auf der Lastseite des MOS-gesteuerten Bauelements erreicht wird. Weiterhin sollen die Durchlasseigenschaften (Leitverluste) derart beeinflussen werden, dass vorzugsweise die Leitverluste sinken.
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Bei Verfahren zur Ansteuerung für MOSFET- oder MOS-gesteuerte Bauelemente wird daher vorgeschlagen, dass die Steuerspannung aus einem Spannungsimpuls oder einem zusammengesetzten Schwingungsabbild besteht, wobei dieses mindestens einen Spannungswert aufweist, welcher über der im Datenblatt des Bauelements angegebenen typischen Steuerspannung liegt.
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Die Ansteuerung der MOSFET- oder MOS-gesteuerten Bauelemente erfolgt mit einem Impuls beliebiger Form bzw. einem zusammengesetzten Schwingungsabbild verschiedener Spannungswerte beispielsweise als eine Gatespannung eines IGBTs. Hierbei weist der Spannungswert des Schwingungsabbildes zumindest zeitweise einen absoluten Wert auf, der oberhalb der typischen Datenblattwerte liegt. Außerdem erfolgt eine Anpassung an den Gatewiderstand des Bauelements. Diese Anpassung erfolgt beispielsweise dadurch, dass zu dem Gateinnenwiderstand RG,int ein Widerstand RG,ext in Reihe geschaltet wird.
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Somit ermöglicht es die Erfindung, die zum Einschalten des Bauelements notwendige Gateladung schneller als im Stand der Technik üblich zur Verfügung zu stellen, wodurch die Einschaltgeschwindigkeit steigt. Die erfindungsgemäße Spannungserzeugung kann zur Ansteuerung eines oder auch mehrerer MOSFET bzw. MOS-gesteuerter Bauelemente in Reihen-, Parallel, oder Reihenparallelschaltung genutzt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Spannungswerte des zusammengesetzten Schwingungsabbilds im zeitlichen Verlauf kleiner werden.
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Bei der Ausgestaltung mit einem zusammengesetzten Schwingungsabbild wird eine bestimmte Anzahl n verschiedener Zustände mit unterschiedlichen Pegelsollwerten verwendet, um die notwendige Gateladung zur Verfügung zu stellen.
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So könnte beispielsweise der erste Spannungspegel einen Wert von UBOOST haben, welcher deutlich über der Datenblatt-Nominalspannung UNORM liegt. Die nachfolgenden Pegelsollwerte haben dann jeweils einen kleineren Wert als der vorhergehende Zustand, wobei die Sollpegel solange abnehmen, bis die Datenblatt-Nominalspannung erreicht ist.
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Eine weitere Ausgestaltung erlaubt die Beibehaltung einer höheren Gatespannung als der Datenblatt-Nominalspannung über den Schaltvorgang hinaus in die Leitphase des MOSFET- bzw. MOS-gesteuerten Bauelements.
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Eine andere Ausgestaltung erlaubt die exakte Dosierung der für den Schaltvorgang notwendigen Gateladung mit nur einem Puls, der einen höheren Spannungswert als der Datenblatt-Nominalwert aufweist.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels einer gesteuerten Entladung einer vorgeschalteten Kapazität in den Steuereingang des MOSFET- oder MOS-gesteuerten Bauelementes ein Durchsteuern erfolgt.
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In einer nebengeordneten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Steuerstrom so gewählt wird, dass das entstehende Schwingungsabbild einer Steuerspannung, welche zwischen dem Gate- und Emitteranschluss des Bauelements anliegt, mindestens einen Wert aufweist, welcher über der im Datenblatt des Bauelements angegebenen typischen Steuerspannung liegt.
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Zur Erzeugung der sich zwischen dem Gate- und dem Emitteranschluss eines gesteuerten Bauelementes anliegenden Steuerspannung kann eine Stromquelle zur Erzeugung eines Steuerstroms verwendet werden.
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Bei einer Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens zur Ansteuerung für MOSFET- oder MOS-gesteuerte Bauelemente wird daher vorgeschlagen, dass die Steuerspannungserzeugungsanordnung zwei parallel geschaltete Spannungsquellen aufweist, die mit ihrem jeweils ersten Anschluss miteinander und mit einem Bezugspotenzial verbunden sind, dass ein zweiter Anschluss der ersten Spannungsquelle über einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter mit einem zweiten Anschluss der zweiten Spannungsquelle verbunden ist, dass ein Knoten zwischen den zweiten Anschlüssen beider Schalter über einen Widerstand mit einem Ausgang der Steuerspannungserzeugungsanordnung zur Ausgabe der Steuerspannung und über eine dritte Spannungsquelle mit dem Bezugspotenzial verbunden ist.
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Eine Variante einer Steuerspannungserzeugungsanordnung besteht aus der bereits bekannten dritten Spannungsquelle, welche das Gate entlädt und den MOSFET oder das MOSgesteuerte Bauelement mit einer negativen Gatespannung sicher sperrt. Zur Ansteuerung oder zum Durchsteuern des Bauelements sind die erste und die zweite Spannungsquelle vorgesehen. Diese Spannungsquellen stellen verschiedene Spannungen bereit, wobei eine von beiden eine Spannung erzeugt, welche oberhalb der im Datenblatt des Bauelements angegebenen typischen Steuerspannung liegt. Durch geeignete Schaltabläufe für die erste und zweite Spannungsquelle wird eine Steuerspannung erzeugt, deren Wert zumindest zeitweise oberhalb der Datenblatt-Nominalspannung UNORM liegt.
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Bei einer anderen Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens zur Ansteuerung für MOSFET- oder MOS-gesteuerte Bauelemente wird daher vorgeschlagen, dass die Steuerspannungserzeugungsanordnung zwei Spannungsquellen aufweist, die mit ihrem jeweils zweiten Anschlüssen miteinander und mit einem Bezugspotenzial verbunden sind, dass ein erster Anschluss der ersten Spannungsquelle über eine Induktivität mit einem ersten Anschluss der dritten Spannungsquelle verbunden ist, dass der erste Anschluss der dritten Spannungsquelle über einen Widerstand mit dem Ausgang der Steuerspannungserzeugungsanordnung zur Ausgabe der Steuerspannung verbunden ist.
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Diese Anordnung ist ebenfalls geeignet eine Steuerspannung zu erzeugt, deren Amplitude zumindest zeitweise oberhalb der Datenblatt-Nominalspannung UNORM liegt.
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Hierfür wird durch ein überlappendes Zuschalten der ersten und der dritten Spannungsquelle eine Induktivität aufmagnetisiert. Durch das Ausschalten des Schalters S2 kommutiert der Strom schlagartig auf das Gate des nachgeschalteten MOSFET- oder MOS-gesteuerten Bauelements, wodurch die Gatespannung UGE* ansteigt.
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Die Schaltgeschwindigkeit der MOS-gesteuerten Bauelemente steigt erfindungsgemäß deutlich, wodurch sich ihr Einsatzfeld erweitert.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 eine Spannungserzeugungsanordnung aus dem Stand der Technik mit zwei Spannungsquellen,
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2 eine alternative Spannungserzeugungsanordnung aus dem Stand der Technik mit einem HV-Charger und einer Entladungsröhre,
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3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm mit verschiedenen Steuerspannungen,
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4 eine erste erfindungsgemäße Spannungserzeugungsanordnung,
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5 eine zweite erfindungsgemäße Spannungserzeugungsanordnung,
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6 ein Spannungs-Zeit-Diagramm mit einer impulsförmigen Steuerspannung und
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7 eine weitere Realisierung der Erfindung.
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In der 1 ist eine klassische Ansteuerung für ein MOSFET- oder MOS-gesteuertes Bauelement mit beispielhaftem IGBT dargestellt. So können außer diesem IGBT auch andere MOS-gesteuerte Bauelemente angesteuert werden.
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Das Gate des IGBT wird zunächst über den Schalter S- mit der negativen Spannungsquelle UG- verbunden und somit sicher ausgeschaltet. Anschließend wird der Schalter S-ausgeschaltet und der Schalter S+ wird eingeschaltet, wodurch das Gate des IGBT über den Widerstand RG.ext mit der Spannungsquelle UG+, welche üblicherweise 15 V beträgt, verbunden wird.
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Erreicht die Spannung U*GE die Schwellspannung des IGBT, beginnt der IGBT auf der Kollektorseite zu leiten. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit am Kollektor wird maßgeblich durch den Spannungsanstieg am Gate U*GE beeinflusst.
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In der 2 ist eine Kondensatorumladung als typisches Beispiel für eine Anwendung der gepulsten Systeme dargestellt. Zunächst lädt der HV-Charger die Kapazität CS auf die gewünschte Spannung auf. Währenddessen wird die Röhre und die Kapazität CP von dem Widerstand RSym statisch kurzgeschlossen. Anschließend schließt der Halbleiterschalter (HLS) wodurch die Kapazität CS teilweise in die Kapazität CP umgeladen wird und die Spannung über der Entladungsröhre ansteigt. Ist die Zündspannung der Entladungsröhre erreicht, zündet sie durch und die verbliebene Energie von CS und die Energie in CP entlädt sich in die Röhre. Die vom Schalter vorgegebene Strom- und Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ist entscheidend für die Qualität der Ausgangsparameter der Entladeröhre verantwortlich.
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In der 3 sind Spannungs-Zeit-Verläufe der Spannung U*GE in Abhängigkeit der verwendeten Steuerspannung für die Gateansteuerung dargestellt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuerung mit einer Steuerspannung, bei welcher die Spannung von Null Volt in einem Spannungssprung auf die Spannung UNORM, welche der im Datenblatt des Bauelements angegebenen typischen Steuerspannung entspricht, springt und auf diesem Wert verbleibt ist als Spannung UG,norm dargestellt. Der zugehörige Spannungsverlauf der Gate-Emitter-Spannung des MOSgesteuerten Bauelements ist als Spannung U*GE,GB,norm dargestellt.
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Gemäß der Erfindung wird zumindest ein Schwingungsabbild zur Ansteuerung erzeugt, von dem mindestens ein Wert oberhalb der im Datenblatt angegebenen typischen Gatespannung UNORM liegt.
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Im Beispiel ist ein Schwingungsabbild eines positiven Impulses für die Steuerspannung dargestellt, welcher von Null Volt in einem Spannungssprung auf die Spannung UBOOST springt und diesen Spannungswert für die Zeitdauer t1 beibehält. Nach Ablauf der Zeitdauer t1 reduziert sich die Steuerspannung beispielsweise auf den Wert der Spannung UNORM. Durch die Verwendung einer höheren Spannung UBoost zu Beginn des Schaltvorgangs steigt die Gate-Emitterspannung schneller an als mit normaler Ansteuerung. Dieser steilere Spannungsverlauf ist als Spannung U*GE,GB in der 3 dargestellt.
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Alternativen bei der Erzeugung der Steuerspannung bestehen darin, mehrere aufeinanderfolgende Spannungsimpulse mit gleichen oder verschiedenen Zeitdauern und mit verschiedenen Amplituden des Schwingungsabbilds zur Ansteuerung zu nutzen oder der aus dem Stand der Technik bekannten Steuerspannung einen Spannungsimpuls mit der Impulsamplitude von UBoost für die Zeitdauer t1 zu überlagern.
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Die 4 zeigt eine erste Realisierungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Steuerspannungserzeugungsanordnung 1 zur Erzeugung der Steuerspannung 8.
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Die Zu- und Abschaltung einer ersten und einer zweiten Spannungsquelle 2 und 3 erlaubt den Eintrag einer zusätzlichen Spannung zur Gateladung während des Schaltvorgangs und somit einen schnelleren Anstieg der Gate-Emitterspannung. Nach dem Schaltvorgang bleibt das Bauelement eingeschaltet. Mittels der zwei Schalter 5 und 6 werden die Spannungsquellen 2 und 3 derart zu- und abgeschaltet, dass die in der 3 beschriebene Ansteuerspannung erzeugt wird. Hierfür haben die Spannungsquellen unterschiedliche Spannungswerte wie beispielsweise UNORM für die erste und UBOOST für die zweite Spannungsquelle. Die über den Schalter S- zuschaltbare dritte Spannungsquelle 4 hat wie aus dem Stand der Technik bekannt, die Funktion das Gate zu entladen und den IGBT zu sperren.
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Eine zweite Realisierungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Steuerspannungserzeugungsanordnung 1 zur Erzeugung der Steuerspannung 8 ist in der 5 dargestellt.
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Durch überlappendes Schalten der Schalter S1 2 und S2 3 wird eine Induktivität 10 aufmagnetisiert. Durch Ausschalten von S2 wird der Strom durch die Induktivität 10 schlagartig auf das Gate des IGBT kommutiert, wodurch die Gatespannung UGE* sehr schnell ansteigen kann.
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In der 6 ist eine Ansteuervariante mit einem Spannungsimpuls in Verbindung mit einer klassischen Ansteuertopologie wie in der 1 dargestellt für gepulste Anwendungen gezeigt, beispielsweise für den Fall, dass eine kapazitive Last ent- oder umgeladen wird.
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Wenn eine kapazitive Last ent- bzw. umgeladen wird. Durch Ansteuerung mit einem Spannungsimpuls, dessen Impulsamplitude deutlich oberhalb der normal verwendeten Gatespannung liegt, wird ebenfalls ein steiler Gatespannungsanstieg erreicht. In diesem hochdynamischen Falle verliert das MOSFET- oder MOS-gesteuerte Bauelement seine ausgangsseitige Stromquellencharakteristik. Daher ist ein dauerhaftes Einschalten nicht notwendig.
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Dargestellt ist die Ansteuerung des Gates des IGBT mittels eines Spannungsimpulses der Impulsamplitude UBOOST und mit einer Zeitdauer von TPULS in 6.
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In der 7 ist eine weitere Realisierungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Steuerspannungserzeugungsanordnung zur Erzeugung der Steuerspannung gezeigt.
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Durch ein Ausschalten des Schalters S2 6 und nachfolgendes Einschalten des Schalters S1 5 wird der vorher auf einen Spannungswert oberhalb der im Datenblatt angegebenen typischen Gatespannung aufgeladene Kondensator CS 11 über den optional vorhandenen externen Gatewiderstand RG,ext 7 an den Gatekontakt des MOSFET bzw. MOS-gesteuerten Bauelements angelegt. Dadurch kommt es zum schnellen Ladungsausgleich zwischen der inneren Gate-Emitterkapazität des MOSFET- bzw. MOS-gesteuerten Bauelements, wodurch ebenfalls der Einschaltvorgang beschleunigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerspannungserzeugungsanordnung
- 2
- erste Spannungsquelle
- 3
- zweite Spannungsquelle
- 4
- dritte Spannungsquelle
- 5
- erster Schalter
- 6
- zweiter Schalter
- 7
- Widerstand
- 8
- Steuerspannung (UGE)
- 9
- Bezugspotenzial (Ground)
- 10
- Induktivität
- 11
- Kapazität
