DE102012207155B4 - Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Halbleiter-Schaltelements - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Halbleiter-Schaltelements Download PDF

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Abstract

Offenbart wird eine Schaltungsanordnung (1) zum Ansteuern eines ersten spannungsgesteuerten Halbleiter-Schaltelements (2, 2') mit einer ersten Elektrode (3), einer zweiten Elektrode (4) und einer Steuerelektrode (5). Die Schaltungsanordnung (1) weist einen Pulsgenerator auf, der zum Erzeugen von unipolaren Steuerspannungs-Eingangssignalen (7, 7') zum Ansteuern des ersten Halbleiter-Schaltelements (2, 2') ausgebildet ist. Zudem weist die Schaltungsanordnung (1) einen Vorspannungskondensator (8) auf, wobei der Vorspannungskondensator (8) mit dem Pulsgenerator derart elektrisch verbunden ist, dass mittels des Vorspannungskondensators (8) eine Amplitude eines an die Steuerelektrode (5) anlegbaren Ausschaltspannungssignals veränderbar ist. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung (1) einen ersten elektrischen Widerstand (9) auf. Der erste elektrische Widerstand (9) und der Vorspannungskondensator (8) sind in einem elektrischen Pfad zwischen einem ersten Anschluss (10) des Pulsgenerators und einem zweiten Anschluss (11) des Pulsgenerators elektrisch in Reihe geschaltet. Die Steuerelektrode (5) ist mit einem ersten Anschluss (12) des Vorspannungskondensators (8) und einem ersten Anschluss (13) des ersten elektrischen Widerstands (9) elektrisch verbunden. Ferner ist die erste Elektrode (3) mit einem zweiten Anschluss (14) des Vorspannungskondensators (8) und einem zweiten Anschluss (15) des ersten elektrischen Widerstands (9) elektrisch verbunden.

Description

  • Die Anmeldung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines ersten spannungsgesteuerten Halbleiter-Schaltelements sowie eine Brückenschaltung und einen DC/DC-Wandler mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
  • Aus der DE 697 20 176 T2 ist eine Stromversorgungsschaltung mit einer Stromquelle, einem Leistungstransformator, dessen Sekundärseite mit einer von der Stromversorgungsschaltung zu versorgenden Schaltungsanordnung verbunden ist, und einem spannungsgesteuerten Schaltelement mit einem Steueranschluss bekannt. Ferner beinhaltet die Stromversorgungsschaltung einen mit dem Schaltelement in Reihe geschalteten LC-Schwingkreis, dessen Induktivität die erste Wicklung des Leistungstransformators bildet, eine Rückkopplungswicklung zur Zuführung einer einem hochfrequenten Strom des LC-Schwingkreises entsprechenden Rückkopplungsspannung zum Steueranschluss des Schaltelements und eine der Reihenschaltung des LC-Schwingkreises und des Schaltelements parallel geschaltete Vorspannungsschaltung, die mit der Rückkopplungswicklung verbunden ist, um dem Steueranschluss über die Rückkopplungswicklung eine Vorspannung zuzuführen. Weiterhin weist die Stromversorgungsschaltung eine Vorspannungssteuerschaltung zur Steuerung der Vorspannung, die zwischen die Vorspannungsschaltung und die Reihenschaltung des LC-Schwingkreises mit dem Schaltelement geschaltet ist, und einen mit dem Steueranschluss des Schaltelements verbundenen Widerstand auf, wobei die Vorspannung und die Rückkopplungsspannung dem Steueranschluss des Schaltelements über den Widerstand zugeführt werden, und wobei der Widerstand zur Verzögerung der Rückkopplungsspannung um eine vorgegebene Zeitdauer ausgewählt ist.
  • Die Druckschrift DE 10 2005 029 353 A1 beschreibt eine Steuerschaltung für spannungsgesteuerte Halbleiterschalter mit einer Ansteuerschaltung, die pulsweitenmodulierte Steuersignale zum Ansteuern der Halbleiterschalter bereitstellt. Die Steuerschaltung umfasst ferner einen Kondensator, der zwischen der Ansteuerschaltung und dem Steueranschluss eines Halbleiterschalters seriell geschaltet ist. Außerdem ist ein elektrischer Widerstand zwischen zwei Anschlüssen der Ansteuerschaltung und parallel zu der Gate-Source-Strecke des Halbleiterschalters vorgesehen, über den der Kondensator in einem Einschaltvorgang des Halbleiterschalters aufgeladen bzw. in einem Ausschaltvorgang des Halbleiterschalters entladen wird. Dabei ist die Auflade- bzw. Entladedauer des Kondensators durch die Zeitkonstante des aus diesem Kondensator und dem elektrischen Widerstand bestehenden RC-Gliedes bestimmt.
  • Ist die Ein- und Ausschaltdauer der pulsweitenmodulierten Steuersignale kürzer als die Auflade- bzw. Entladedauer des Kondensators, so kann dieser nicht mehr bis auf eine gewünschte Ladespannung geladen werden, die erforderlich ist, um den unerwünschten Spannungseintrag an dem Steueranschluss also dem Gateanschluss des Halbleiterschalters aufgrund der Miller-Kapazität in der Drain-Gate- bzw. Gate-Source-Strecke zu kompensieren.
  • Die Druckschrift DE 44 41 492 A1 beschreibt eine Treiberschaltung zur Ansteuerung von zwei spannungesteuerten Halbleiterventilen, die jeweils einen Kondensator als Gleichspannungsquelle für die jeweiligen Halbleiterventile aufweist. Dabei sind die beiden Kondensatoren jeweils zwischen einem Ansteuerübertrager und dem Gateanschluss der jeweiligen Halbleiterventile angeordnet. Ferner weist die Treiberschaltung jeweils einen elektrischen Widerstand parallel zur Gate-Source-Strecke der jeweiligen Halbleiterventile auf. Außerdem sind zwei zusätzliche Kondensatoren zum Stabilisieren des Gateanschlusses der jeweiligen Halbleiterventile vorgesehen, die jeweils parallel zu dem jeweiligen elektrischen Widerstand geschaltet sind.
  • Aufgabe der Anmeldung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines ersten spannungsgesteuerten Halbleiter-Schaltelements sowie eine Brückenschaltung und einen DC/DC-Wandler mit einer derartigen Schaltungsanordnung anzugeben, welche eine Verringerung der Dauer für die Bereitstellung einer angepassten Ausschaltspannung ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines ersten spannungsgesteuerten Halbleiter-Schaltelements mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Steuerelektrode weist gemäß einem Aspekt der Anmeldung einen Pulsgenerator auf, der zum Erzeugen von unipolaren Steuerspannungs-Eingangssignalen zum Ansteuern des ersten Halbleiter-Schaltelements ausgebildet ist, wobei die Steuerspannungs-Eingangssignale ein Einschaltspannungssignal zum Einschalten des ersten Halbleiter-Schaltelements und ein Ausschaltspannungssignal zum Ausschalten des ersten Halbleiter-Schaltelements beinhalten. Zudem weist die Schaltungsanordnung einen Vorspannungskondensator auf, wobei der Vorspannungskondensator mit dem Pulsgenerator derart elektrisch verbunden bzw. gekoppelt ist, dass mittels des Vorspannungskondensators eine Amplitude eines an die Steuerelektrode anlegbaren Ausschaltspannungssignals veränderbar ist. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen ersten elektrischen Widerstand auf. Der erste elektrische Widerstand und der Vorspannungskondensator sind in einem elektrischen Pfad zwischen einem ersten Anschluss des Pulsgenerators und einem zweiten Anschluss des Pulsgenerators elektrisch in Reihe geschaltet. Die Steuerelektrode ist mit einem ersten Anschluss des Vorspannungskondensators und einem ersten Anschluss des ersten elektrischen Widerstands elektrisch verbunden. Ferner ist die erste Elektrode mit dem zweiten Anschluss des Pulsgenerators und einem zweiten Anschluss des ersten elektrischen Widerstands elektrisch verbunden. Die Schaltungsanordnung weist ferner einen Kondensator auf, der in dem Leitungspfad zwischen dem ersten Anschluss des Pulsgenerators und dem zweiten Anschluss des Pulsgenerators mit dem ersten elektrischen Widerstand und dem Vorspannungskondensator elektrisch in Reihe geschaltet ist.
  • In der genannten Ausführungsform sind der erste elektrische Widerstand und der Vorspannungskondensator damit in einem Leitungspfad zwischen der ersten Elektrode und der Steuerelektrode elektrisch parallel zueinander angeordnet und mit der ersten Elektrode und der Steuerelektrode elektrisch verbunden.
  • Dabei wird hier und im Folgenden unter einem ersten Anschluss des Pulsgenerators und einem zweiten Anschluss des Pulsgenerators verstanden, dass der erste Anschluss und der zweite Anschluss mit dem Pulsgenerator elektrisch verbunden bzw. gekoppelt sind und damit elektrisch in Wirkverbindung mit dem Pulsgenerator stehen, ohne dabei jedoch notwendigerweise mit dem Pulsgenerator über einen Leitungspfad verbunden zu sein. Ferner wird unter dem ersten elektrischen Widerstand hier und im Folgenden ein passives elektrisches Bauelement und nicht die physikalische Größe verstanden.
  • Die Schaltungsanordnung gemäß der genannten Ausführungsform ermöglicht eine Verringerung der Dauer für die Bereitstellung einer veränderten bzw. angepassten Ausschaltspannung. Dabei kann mittels einer Überlagerung der Steuerspannungs-Eingangssignale mit einer Ladespannung des Vorspannungskondensators die Amplitude des an die Steuerelektrode anlegbaren Ausschaltspannungssignals verändert werden. Die Aufladung des Vorspannungskondensators geschieht bei einem Einschalten der Schaltungsanordnung bzw. einem Einschalten des die Schaltungsanordnung enthaltenden Bauelements schrittweise durch die Energie, mit der die Steuerelektrode aufgeladen wird. Dieser Vorgang dauert typischerweise einigen Millisekunden, während derer das erste Halbleiter-Schaltelement im Vergleich zu einem folgenden Dauerbetrieb langsamer ausschaltbar ist. Mittels der gezeigten Ausführungsform wird in vorteilhafter Weise eine Beschleunigung der Bereitstellung der angepassten Ausschaltspannung ermöglicht. Dies erfolgt insbesondere durch die Bereitstellung des ersten elektrischen Widerstands. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, dass die Aufladung des Vorspannungskondensators von der Energie abhängt, die die Schaltungsanordnung bei jedem Einschaltvorgang an die Steuerelektrode des ersten Halbleiter-Schaltelements abgibt. Damit kann die Aufladung des Vorspannungskondensators dadurch beschleunigt werden, dass eine zusätzliche Last an den Ausgang der Schaltungsanordnung angeschlossen wird. Dies erfolgt in der gezeigten Ausführungsform durch den ersten elektrischen Widerstand, der zwischen der Steuerelektrode und der ersten Elektrode des ersten Halbleiter-Schaltelements angeordnet ist. Die Kosten für die gesamte Schaltungsanordnung werden dabei in vorteilhafter Weise nicht signifikant erhöht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die Amplitude des an die Steuerelektrode anlegbaren Ausschaltspannungssignals mittels des Vorspannungskondensators derart veränderbar, dass das Ausschaltspannungssignal eine zu einem Einschaltspannungssignal entgegengesetzte Polarität aufweist. Dadurch kann eine Störanfälligkeit des ersten Halbleiter-Schaltelements verringert werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine erste Diode auf, wobei die erste Diode in dem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschluss des Pulsgenerators und dem zweiten Anschluss des Pulsgenerators mit dem ersten elektrischen Widerstand und dem Vorspannungskondensator elektrisch in Reihe geschaltet ist. Die erste Diode ist dabei bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Schottky-Diode und einer Bipolardiode. Weiterhin können der erste elektrische Widerstand und die erste Diode in der Schaltungsanordnung monolithisch integriert sein.
  • Der Vorspannungskondensator weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine erste Kapazität C1 und der Kondensator eine dritte Kapazität C3 auf, wobei die erste Kapazität C1 im Wesentlichen der dritten Kapazität C3 entspricht. Bevorzugt gilt dabei C1 = C3.
  • Mittels der genannten Ausführungsformen wird das weitere Schaltverhalten der Schaltungsanordnung, das heißt das Schaltverhalten abgesehen von der beschleunigten Bereitstellung der angepassten Ausschaltspannung, in möglichst geringem Maße verändert. Insbesondere wird ermöglicht, dass nach einem Einschwingvorgang die Zusatzlast in Form des ersten elektrischen Widerstands die Schaltungsanordnung möglichst nicht belastet. Dies erfolgt mittels der Bereitstellung des Kondensators und der ersten Diode, die in Reihe zu dem ersten elektrischen Widerstand geschaltet sind. Der erste elektrische Widerstand belastet die Schaltungsanordnung dadurch nur solange der Kondensator noch nicht aufgeladen ist.
  • Das erste Halbleiter-Schaltelement kann insbesondere als MOSFET ausgebildet sein. In dieser Ausgestaltung bildet die erste Elektrode eine Source-Elektrode, die zweite Elektrode eine Drain-Elektrode und die Steuerelektrode eine Gate-Elektrode des MOSFET. Insbesondere kann das erste Halbleiter-Schaltelement als normal sperrender n-Kanal-MOSFET ausgebildet sein. Das veränderte Ausschaltspannungssignal besitzt in dieser Ausgestaltung eine negative Polarität und das Einschaltspannungssignal eine positive Polarität.
  • Weiterhin kann das erste Halbleiter-Schaltelement als IGBT ausgebildet sein. Dabei bildet die erste Elektrode eine Emitter-Elektrode, die zweite Elektrode eine Kollektor-Elektrode und die Steuerelektrode eine Gate-Elektrode des IGBT.
  • Die Schaltungsanordnung weist bevorzugt weiterhin eine Entladeschaltung auf, die zum Entladen der Steuerelektrode ausgebildet ist. Die Entladeschaltung ist dabei von dem Pulsgenerator aus gesehen elektrisch parallel zu dem Vorspannungskondensator geschaltet und weist einen zweiten elektrischen Widerstand und ein zweites Halbleiter-Schaltelement auf. Das zweite Halbleiter-Schaltelement kann insbesondere als MOSFET oder als Bipolartransistor ausgebildet sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine zweite Diode auf, wobei die zweite Diode elektrisch parallel zu dem Vorspannungskondensator geschaltet ist. In dieser Ausführungsform ist der erste elektrische Widerstand in dem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschluss des Pulsgenerators und dem zweiten Anschluss des Pulsgenerators elektrisch in Reihe zu der Parallelschaltung aus der zweiten Diode und dem Vorspannungskondensator geschaltet. Mittels der zweiten Diode kann eine maximale Ladespannung für den Vorspannungskondensator festgelegt werden. Die zweite Diode ist dazu bevorzugt als Zener-Diode ausgebildet.
  • Der erste elektrische Widerstand beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform 100 Ohm. Damit kann sichergestellt werden, dass der erste elektrische Widerstand auch während eines Einschwingvorgangs die Schaltungsanordnung nicht kurzschließt.
  • Die Anmeldung betrifft ferner eine Brückenschaltung, die eine Schaltungsanordnung gemäß einer der genannten Ausführungsformen aufweist. Insbesondere kann die Brückenschaltung als Halbbrückenschaltung ausgebildet sein.
  • Weiterhin betrifft die Anmeldung einen DC/DC-Wandler, der eine Schaltungsanordnung gemäß einer der genannten Ausführungsformen aufweist.
  • Die Brückenschaltung und der DC/DC-Wandler gemäß der Anmeldung weisen die bereits im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung gemäß der Anmeldung genannten Vorteile auf, welche an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals aufgeführt werden.
  • Ausführungsformen der Anmeldung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1A zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Anmeldung;
  • 1B zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Anmeldung;
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Anmeldung;
  • 3A zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung;
  • 3B zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der Anmeldung;
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der Anmeldung;
  • 5A zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zu Simulationszwecken;
  • 5B zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zu Simulationszwecken;
  • 6A und 6B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für einen ersten Parametersatz;
  • 7A und 7B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für einen zweiten Parametersatz;
  • 8A und 8B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für einen dritten Parametersatz;
  • 9A und 9B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für einen vierten Parametersatz;
  • 10A und 10B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für einen fünften Parametersatz;
  • 11A und 11B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für einen sechsten Parametersatz.
  • 1A zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 zum Ansteuern von spannungsgesteuerten Halbleiter-Schaltelementen 2 und 2'.
  • Die Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' sind in der gezeigten Ausführungsform als normal sperrende n-Kanal-MOSFETs ausgebildet und weisen jeweils eine erste Elektrode 3 in Form einer Source-Elektrode, eine zweite Elektrode 4 in Form einer Drain-Elektrode und eine Steuerelektrode 5 in Form einer Gate-Elektrode auf. Die Schaltungsanordnung 1 bildet damit in der gezeigten Ausführungsform eine Gatetreiber-Schaltung und die erste Elektrode 3 eine Bezugselektrode für die Steuerelektrode 5. Die Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' sind Bestandteil einer Halbbrückenschaltung, wobei das Halbleiter-Schaltelemente 2 einen so genannten High Side Switch und das Halbleiter-Schaltelemente 2' einen so genannten Low Side Switch der Halbbrückenschaltung bilden.
  • Die Schaltungsanordnung 1 weist einen ersten Pulsgenerator sowie einen zweiten Pulsgenerator auf, wobei in 1A jeweils lediglich ein Verstärker 6 bzw. 6' des entsprechenden Pulsgenerators dargestellt ist. Dabei ist der erste Pulsgenerator zum Erzeugen von unipolaren Steuerspannungs-Eingangssignalen 7 und der zweite Pulsgenerator zum Erzeugen von unipolaren Steuerspannungs-Eingangssignalen 7' ausgebildet. Die Steuerspannungs-Eingangssignale 7 und 7' weisen jeweils ein Einschaltspannungssignal zum Einschalten des Halbleiter-Schaltelements 2 bzw. 2' und ein Ausschaltspannungssignal zum Ausschalten des Halbleiter-Schaltelements 2 bzw. 2' auf, wobei die Steuerspannungs-Eingangssignale 7 und 7' zueinander um 180° phasenverschoben bezüglich des Puls/Pausen-Verhältnisses sind. Mittels des an die jeweilige Steuerelektrode 5 anlegbaren Ausschaltspannungssignals wird bewirkt, dass kein elektrisch leitender Kanal in dem Halbleiter-Schaltelement 2 bzw. 2' ausgebildet wird, wohingegen mittels des Einschaltspannungssignals eine Steuerspannung an die Steuerelektrode 5 angelegt wird, bei der ein elektrisch leitender Kanal ausgebildet wird.
  • Weitere Einzelheiten zur Ansteuerung der Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' werden im Folgenden näher erläutert.
  • Der erste Pulsgenerator und der zweite Pulsgenerator sind in der gezeigten Ausführungsform auf einer Primärseite 25 eines Transformators 24 der Schaltungsanordnung 1 angeordnet. Auf einer Sekundärseite 26 des Transformators 24 weist die Schaltungsanordnung 1 jeweils einen Vorspannungskondensator 8 für die Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' auf. Die Vorspannungskondensatoren 8 sind dabei mit den Pulsgeneratoren derart elektrisch verbunden, dass mittels des jeweiligen Vorspannungskondensators 8 eine Amplitude eines an die Steuerelektrode 5 des entsprechenden Halbleiter-Schaltelements 2 bzw. 2' anlegbaren Ausschaltspannungssignals veränderbar ist. Die Amplitude ist dabei derart veränderbar, dass ein negatives Ausschaltspannungssignal bereitstellbar ist, das damit zu einem positiven Einschaltspannungssignal eine entgegengesetzte Polarität aufweist.
  • Ferner weist die Schaltungsanordnung 1 auf der Sekundärseite 26 des Transformators 24 jeweils einen ersten elektrischen Widerstand 9 für die Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' auf. Zudem weist die Schaltungsanordnung 1 in der gezeigten Ausführungsform jeweils eine zweite Diode 21 für die Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' auf, wobei die zweite Diode 21 elektrisch parallel zu dem jeweiligen Vorspannungskondensator 8 geschaltet ist. Damit ist der erste elektrische Widerstand 9 in der gezeigten Ausführungsform in einem elektrischen Pfad zwischen einem ersten Anschluss 10 und einem zweiten Anschluss 11 des entsprechenden Pulsgenerators elektrisch in Reihe zu der Parallelschaltung aus der zweiten Diode 21 und dem Vorspannungskondensator 8 geschaltet. Die zweite Diode 21 ist beispielsweise als Zener-Diode ausgebildet. Mittels der zweiten Diode 21 kann damit die maximale Ladespannung des Vorspannungskondensators 8 festgelegt werden.
  • Die Steuerelektrode 5 des jeweiligen Halbleiter-Schaltelements 2 bzw. 2' ist mit einem ersten Anschluss 12 des entsprechenden Vorspannungskondensators 8 und einem ersten Anschluss 13 des entsprechenden ersten elektrischen Widerstands 9 elektrisch verbunden. Weiterhin ist die erste Elektrode 3 des jeweiligen Halbleiter-Schaltelements 2 bzw. 2' mit einem zweiten Anschluss 14 des entsprechenden Vorspannungskondensators 8 und einem zweiten Anschluss 15 des entsprechenden ersten elektrischen Widerstands 9 elektrisch verbunden. Damit sind der erste elektrische Widerstand 9 und die Parallelschaltung aus der zweiten Diode 21 und dem Vorspannungskondensator 8 in einem Leitungspfad zwischen der ersten Elektrode 3 und der Steuerelektrode 5 elektrisch parallel zueinander angeordnet und mit der ersten Elektrode 3 und der Steuerelektrode 5 elektrisch verbunden.
  • In der gezeigten Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung 1 weiterhin eine erste Diode 16 sowie einen Kondensator 17 auf, wobei die erste Diode 16 und der Kondensator 17 in dem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschluss 10 und dem zweiten Anschluss 11 des entsprechenden Pulsgenerators mit dem ersten elektrischen Widerstand 9 und der Parallelschaltung aus der zweiten Diode 21 und dem Vorspannungskondensator 8 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die erste Diode 16 ist beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Schottky-Diode und einer Bipolardiode und der Vorspannungskondensator 8 weist typischerweise eine erste Kapazität C1 auf, die im Wesentlichen einer dritten Kapazität C3 des Kondensators 17 entspricht. Insbesondere kann die Beziehung C1 = C3 gelten.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist der erste Anschluss 12 des Vorspannungskondensators 8 mit der ersten Diode 16 elektrisch verbunden und die erste Diode 16 weiterhin elektrisch mit dem ersten Anschluss 13 des ersten elektrischen Widerstands 9 verbunden. Der zweite Anschluss 15 des ersten elektrischen Widerstands 9 ist ferner mit dem Kondensator 17 elektrisch verbunden.
  • Mittels des Transformators 24 werden die Steuerspannungs-Eingangssignale 7 und 7' zum Ansteuern der Halbleiter-Schaltelemente 2 bzw. 2' galvanisch getrennt auf die Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' übertragen. Die Entladung der jeweiligen Gate-Elektrode erfolgt auf der Sekundärseite 26 des Transformators 24 mittels einer Entladeschaltung 18, wobei die Entladeschaltung 18 elektrisch parallel zu der Reihenschaltung aus dem jeweiligen Vorspannungskondensator 8 und der jeweiligen Steuerelektrode 5 geschaltet ist und einen zweiten elektrischen Widerstand 19 und ein zweites Halbleiter-Schaltelement 20 aufweist, wobei das zweite Halbleiter-Schaltelement 20 in der gezeigten Ausführungsform einen Ausschalt-MOSFET bildet.
  • Um die Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' mit einer negativen Gate-Spannung auszuschalten, wird dem jeweiligen Gate-Signal die Ladespannung des entsprechenden Vorspannungskondensators 8 überlagert. Die Aufladung des Vorspannungskondensators 8 beim Einschalten geschieht dabei schrittweise durch die Energie, mit der das jeweilige MOSFET-Gate aufgeladen wird. Mittels der gezeigten Ausführungsform kann dabei die Bereitstellung der negativen Ausschaltspannung beschleunigt werden, ohne das sonstige Schaltverhalten der Schaltungsanordnung 1 zu verändern. Da die Aufladung der Vorspannungskondensatoren 8 von der Energie abhängt, die der Gatetreiber bei jedem Einschaltvorgang an das jeweilige Gate der Halbleiter-Schaltelemente 2 bzw. 2' abgibt, kann diese dadurch beschleunigt werden, dass eine zusätzliche Last an den Ausgang des Gatetreibers angeschlossen wird. Dies erreicht die gezeigte Ausführungsform durch den relativ niederohmigen ersten elektrischen Widerstand 9 zwischen dem jeweiligen Gate- und Source-Anschluss der beiden MOSFETs. Der erste elektrische Widerstand 9 ist dabei so bemessen, dass dieser auch während des Einschwingens die Schaltungsanordnung 1 nicht kurzschließt und beträgt typischerweise 100 Ohm.
  • Da nach dem Einschwingen die Zusatzlast in Form des ersten elektrischen Widerstands 9 den Gatetreiber möglichst nicht belasten soll, wird der Kondensator 17 und die erste Diode 16 in Reihe zu dem ersten elektrischen Widerstand 9 geschaltet. Der erste elektrische Widerstand 9 belastet dadurch die Schaltungsanordnung 1 nur solange der Kondensator 17 noch nicht aufgeladen ist.
  • Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 1 in der gezeigten Ausführungsform einen zweiten elektrischen Widerstand 22 auf, der elektrisch parallel zu dem Kondensator 17 geschaltet ist und zum Entladen des Kondensators 17 dient. Ferner weist die Schaltungsanordnung 1 einen dritten elektrischen Widerstand 23 auf, der elektrisch in Reihe zu der Parallelschaltung aus der zweiten Diode 21 und dem Vorspannungskondensator 8 geschaltet ist und einen Aufladewiderstand für den Vorspannungskondensator 8 bildet.
  • 1B zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Anmeldung. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in 1A werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
  • Die in 1B gezeigte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1A gezeigten ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Reihenfolge der Anordnung des ersten elektrischen Widerstands 9 und der ersten Diode 16 in dem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschluss 10 und dem zweiten Anschluss 11 vertauscht ist, das heißt der erste Anschluss 12 des Vorspannungskondensators 8 ist mit dem ersten Anschluss 13 des ersten elektrischen Widerstands 9 elektrisch verbunden und der zweite Anschluss 15 des ersten elektrischen Widerstand 9 ist mit der ersten Diode 16 elektrisch verbunden. Die erste Diode 16 ist ferner mit dem Kondensator 17 verbunden.
  • Weiterhin kann die Reihenfolge der Anordnung des ersten elektrischen Widerstands 9, der ersten Diode 16 und des Kondensators 17 in der durch diese Komponenten gebildeten elektrischen Reihenschaltung in beliebiger Weise kommutiert werden, wobei der zweite elektrische Widerstand 22 stets elektrisch parallel zu dem Kondensator 17 geschaltet ist.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der Anmeldung. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
  • Die in 2 gezeigte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsformen dadurch, dass lediglich ein Pulsgenerator auf der Primärseite 25 des Transformators 24 angeordnet ist, wobei wiederum ein Verstärker 6 des Pulsgenerators dargestellt ist. Damit ist die Spannungsamplitude im Vergleich zu den vorherigen Ausführungsformen halbiert. Entsprechend werden lediglich Steuerspannungs-Eingangssignale 7 zum Ansteuern der Halbleiter-Schaltelemente 2 und 2' mittels des Pulsgenerators erzeugt.
  • 3A zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
  • Die in 3A gezeigte Schaltungsanordnung 1 unterscheidet sich von den vorhergehenden Schaltungsanordnungen dadurch, dass die Schaltungsanordnung 1 in 3A lediglich ein Halbleiter-Schaltelement 2 in Form eines normal sperrenden n-Kanal-MOSFET aufweist. Ferner weist die Schaltungsanordnung 1 keinen Transformator auf. Der Pulsgenerator ist somit nicht von den weiteren Komponenten galvanisch getrennt.
  • Weiterhin beinhaltet die in 3A gezeigte Schaltungsanordnung 1 neben dem Vorspannungskondensator 8 keinen weiteren Kondensator sowie keinen parallelen dazu angeordneten zweiten elektrischen Widerstand und keine Entladeschaltung gemäß den vorhergehenden Schaltungsanordnungen.
  • 3B zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der Anmeldung. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
  • Die in 3B gezeigte Schaltungsanordnung 1 unterscheidet sich von der in 3A gezeigten Schaltungsanordnung dahingehend, dass die Schaltungsanordnung 1 zusätzlich zu dem Vorspannungskondensator 8 einen Kondensator 17 aufweist, wobei der Kondensator 17 in dem Leitungspfad zwischen dem ersten Anschluss 10 des Pulsgenerators und dem zweiten Anschluss 11 des Pulsgenerators mit dem ersten elektrischen Widerstand 9 und der Parallelschaltung aus der zweiten Diode 21 und dem Vorspannungskondensator 8 elektrisch in Reihe geschaltet ist. Ferner weist die Schaltungsanordnung 1 einen zweiten elektrischen Widerstand 22 auf, der elektrisch parallel zu dem Kondensator 17 geschaltet ist.
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 gemäß einer fünften Ausführungsform der Anmeldung. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
  • Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Ausführungsform dahingehend, dass die Entladeschaltung 18 ein zweites Halbleiter-Schaltelement 20 in Form eines Bipolartransistors aufweist.
  • Die in den 1A, 1B, 2, 3B und 4 gezeigten Ausführungsformen der Schaltungsanordnung 1 stellen lediglich exemplarische Gatetreiber-Schaltungen dar. Die Beschleunigungsschaltung gemäß der Anmeldung kann dabei in jedem Gatetreiber verwendet werden, der einen Vorspannungskondensator 8 aufweist, der durch die Gate-Energie aufgeladen wird.
  • Derartige Gatetreiber werden beispielsweise in DC/DC-Wandlern der mittleren Leistungsklasse, das heißt von einigen Hundert Watt bis einigen Kilowatt, verwendet. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung 1 für DC/DC-Wandler eingesetzt werden, die in solartechnischen Anlagen Verwendung finden.
  • 5A zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung, welche die Grundlage für die in den 6A und 6B gezeigten Simulationen bildet und 5B zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung, welche die Grundlage für die in den 7A bis 11B gezeigten Simulationen bildet. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
  • 5A zeigt dabei ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung, welche keine Beschleunigungsschaltung gemäß der Anmeldung aufweist, wohingegen 5B eine Schaltungsanordnung gemäß der Anmeldung zeigt.
  • Der Pulsgenerator ist in den 5A und 5B lediglich schematisch als Spannungsquelle dargestellt. Weiterhin ist das anzusteuernde Halbleiter-Schaltelement in Form eines MOSFET in den 5A und 5B nicht näher dargestellt.
  • Der Pulsgenerator erzeugt unipolare rechteckförmige Steuerspannungs-Eingangssignale, welche zwischen Null Volt und 18 V liegen, wobei die ansteigende bzw. abfallende Flanke jeweils 100 ns Anstiegs- bzw. Abfallszeit aufweist. Die Pulsdauer beträgt 4,9 μs und die Periodendauer 10 μs, das heißt die Pause zwischen den Pulsen beträgt unter Berücksichtigung der Anstiegs- und Abfallszeiten 4,9 μs.
  • In Tabelle 1 sind die Größen für die in den 5A und 5B gezeigten Komponenten der Schaltungsanordnung für den jeweiligen, der Simulation zugrunde liegenden Parametersatz aufgeführt, wobei C2 die Eingangskapazität des als MOSFET ausgebildeten Halbleiter-Schaltelements ist und somit kein eigenes Bauelement darstellt.
    Parametersatz C1 (nF) C2 (nF) C3 (nF) R1 (Ω) R2 (Ω) R3 (Ω)
    1 330 50 - 10 10000 -
    2 330 50 330 10 10000 100
    3 330 50 330 10 10000 470
    4 330 50 330 10 10000 33
    5 330 50 1000 10 10000 100
    6 330 50 68 10 10000 100
    Tabelle 1
  • 6A und 6B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für den ersten Parametersatz. Dabei zeigt 6A eine Übersicht über den zeitlichen Verlauf der Spannung in einem Zeitintervall von 2 ms und 6B eine Detailansicht eines Zeitintervalls von 200 μs, wobei in dem jeweiligen oberen Spannungs-Zeit-Diagramm die von dem Pulsgenerator erzeugten Steuerspannungs-Eingangssignale und in dem jeweiligen unteren Spannungs-Zeit-Diagramm die an der Steuerelektrode in Form der Gate-Elektrode anliegende Spannung dargestellt sind.
  • 7A und 7B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für den zweiten Parametersatz, der dabei optimal gewählte Parameter beinhaltet. Dabei zeigt 7A eine Übersicht über den zeitlichen Verlauf der Spannung in einem Zeitintervall von 2 ms und 7B eine Detailansicht eines Zeitintervalls von 200 μs, wobei in dem jeweiligen oberen Spannungs-Zeit-Diagramm die Spannung des Kondensators, in dem jeweiligen mittleren Spannungs-Zeit-Diagramm die von dem Pulsgenerator erzeugten Steuerspannungs-Eingangssignale und in dem jeweiligen unteren Spannungs-Zeit-Diagramm die an der Steuerelektrode in Form der Gate-Elektrode anliegende Spannung dargestellt sind.
  • Wie mittels der in den 7A und 7B gezeigten Diagramme erkennbar ist, kann durch das Vorsehen des Vorspannungskondensators 8 die negative Amplitude eines an die Steuerelektrode anlegbaren Ausschaltspannungssignals von 0 V auf –2 V verändert und damit eine negative Ausschaltspannung bereitgestellt werden. Die Dauer der Bereitstellung der negativen Ausschaltspannung kann dabei durch das Vorsehen des ersten elektrischen Widerstands 9 im Vergleich zu der Dauer der in 5A gezeigten Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise verkürzt werden.
  • 8A bis 11B zeigen Spannungs-Zeit-Diagramme für die weiteren Parametersätze, wobei wiederum eine Übersicht über den zeitlichen Verlauf der Spannung in einem Zeitintervall von 2 ms sowie eine Detailansicht eines Zeitintervalls von 200 μs gezeigt werden.
  • Wie mit den 8A bis 11B gezeigt wird, kann die Dauer für die Bereitstellung der negativen Ausschaltspannung verringert werden, falls der Widerstand und/oder die Kapazität verringert werden. Dies führt jedoch zu einer erhöhten Belastung der Treiberschaltung. Daher ist eine Abwägung zwischen den genannten Parametern erforderlich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schaltungsanordnung
    2
    Halbleiter-Schaltelement
    2'
    Halbleiter-Schaltelement
    3
    Elektrode
    4
    Elektrode
    5
    Steuerelektrode
    6
    Verstärker
    6'
    Verstärker
    7
    Steuerspannungs-Eingangssignal
    7'
    Steuerspannungs-Eingangssignal
    8
    Vorspannungskondensator
    9
    Widerstand
    10
    Anschluss
    11
    Anschluss
    12
    Anschluss
    13
    Anschluss
    14
    Anschluss
    15
    Anschluss
    16
    Diode
    17
    Kondensator
    18
    Entladeschaltung
    19
    Widerstand
    20
    Halbleiter-Schaltelement
    21
    Diode
    22
    Widerstand
    23
    Widerstand
    24
    Transformator
    25
    Primärseite
    26
    Sekundärseite

Claims (12)

  1. Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines ersten spannungsgesteuerten Halbleiter-Schaltelements (2, 2') mit einer ersten Elektrode (3), einer zweiten Elektrode (4) und einer Steuerelektrode (5) aufweisend – einen Pulsgenerator ausgebildet zum Erzeugen von unipolaren Steuerspannungs-Eingangssignalen (7, 7') zum Ansteuern des ersten Halbleiter-Schaltelements (2, 2'), wobei die Steuerspannungs-Eingangssignale (7, 7') ein Einschaltspannungssignal zum Einschalten des ersten Halbleiter-Schaltelements und ein Ausschaltspannungssignal zum Ausschalten des ersten Halbleiter-Schaltelements (2, 2') beinhalten, – einen Vorspannungskondensator (8), wobei der Vorspannungskondensator (8) mit dem Pulsgenerator derart elektrisch verbunden ist, dass mittels des Vorspannungskondensators (8) eine Amplitude eines an die Steuerelektrode (5) anlegbaren Ausschaltspannungssignals veränderbar ist, – einen ersten elektrischen Widerstand (9), wobei der erste elektrische Widerstand (9) und der Vorspannungskondensator (8) in einem elektrischen Pfad zwischen einem ersten Anschluss (10) des Pulsgenerators und einem zweiten Anschluss (11) des Pulsgenerators elektrisch in Reihe geschaltet sind und wobei die Steuerelektrode (5) mit einem ersten Anschluss (12) des Vorspannungskondensators (8) und einem ersten Anschluss (13) des ersten elektrischen Widerstands (9) elektrisch verbunden ist und wobei die erste Elektrode (3) mit dem zweiten Anschluss (11) des Pulsgenerators und einem zweiten Anschluss (15) des ersten elektrischen Widerstands (9) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schaltungsanordnung ferner einen Kondensator (17) aufweist, wobei der Kondensator (17) in dem Leitungspfad zwischen dem ersten Anschluss (10) des Pulsgenerators und dem zweiten Anschluss (11) des Pulsgenerators mit dem ersten elektrischen Widerstand (9) und dem Vorspannungskondensator (8) elektrisch in Reihe geschaltet ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei mittels des Vorspannungskondensators (8) die Amplitude des an die Steuerelektrode (5) anlegbaren Ausschaltspannungssignals derart veränderbar ist, dass das Ausschaltspannungssignal eine zu einem Einschaltspannungssignal entgegengesetzte Polarität aufweist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiterhin aufweisend eine erste Diode (16), wobei die erste Diode (16) in dem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschluss (10) des Pulsgenerators und dem zweiten Anschluss (11) des Pulsgenerators mit dem ersten elektrischen Widerstand (9) und dem Vorspannungskondensator (8) elektrisch in Reihe geschaltet ist.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der erste elektrische Widerstand (9) und die erste Diode (16) in der Schaltungsanordnung (1) monolithisch integriert sind.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorspannungskondensator (8) einer erste Kapazität C1 aufweist und wobei der Kondensator (17) eine dritte Kapazität C3 aufweist, wobei die erste Kapazität C1 im Wesentlichen der dritten Kapazität C3 entspricht, wobei insbesondere gilt: C1 = C3.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Halbleiter-Schaltelement (2, 2') als MOSFET ausgebildet ist und wobei die erste Elektrode (3) eine Source-Elektrode, die zweite Elektrode (4) eine Drain-Elektrode und die Steuerelektrode (5) eine Gate-Elektrode des MOSFET bilden.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Halbleiter-Schaltelement (2, 2') als IGBT ausgebildet ist und wobei die erste Elektrode (3) eine Emitter-Elektrode, die zweite Elektrode (4) eine Kollektor-Elektrode und die Steuerelektrode (5) eine Gate-Elektrode des IGBT bilden.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Entladeschaltung (18) ausgebildet zum Entladen der Steuerelektrode (5), wobei die Entladeschaltung (18) elektrisch parallel zu dem Vorspannungskondensator (8) geschaltet ist und einen zweiten elektrischen Widerstand (19) und ein zweites Halbleiter-Schaltelement (20) aufweist.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine zweite Diode (21), wobei die zweite Diode (21) elektrisch parallel zu dem Vorspannungskondensator (8) geschaltet ist und wobei der erste elektrische Widerstand (9) in dem elektrischen Pfad zwischen dem ersten Anschluss (10) des Pulsgenerators und dem zweiten Anschluss (11) des Pulsgenerators elektrisch in Reihe zu der Parallelschaltung aus der zweiten Diode (21) und dem Vorspannungskondensator (8) geschaltet ist.
  10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, wobei die zweite Diode (21) als Zener-Diode ausgebildet ist.
  11. Brückenschaltung aufweisend eine Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. DC/DC-Wandler aufweisend eine Schaltungsanordnung (1) nach einem Ansprüche 1 bis 10.
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