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Die Erfindung betrifft eine Begrenzerschaltung für einen Halbleitertransistor und ein Verfahren zum Begrenzen der Spannung über einen Halbleitertransistor, insbesondere für Leistungshalbleiterschalter wie IGBTs, JFETs oder MOSFETs.
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Stand der Technik
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In Wechselrichtersystemen, beispielsweise in Hochvoltnetzen elektrischer Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen, werden Leistungstransistoren als Schaltelemente eingesetzt. Diese Leistungstransistoren müssen eine gewisse Spannungsfestigkeit gegenüber gelegentlich auftretenden Spannungsspitzen aufweisen, die beispielsweise durch Streuinduktivitäten im Antriebssystem verursacht werden können.
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Um diese Spannungsspitzen abzupuffern und die Leistungstransistoren vor Beschädigungen zu schützen, können Begrenzerschaltungen („Active Clamp“) eingesetzt werden, welche dem Leistungstransistor bei Auftreten von Überspannungen temporär aufsteuern und somit die meist energiearmen Spannungsspitzen über den teilweise kurzgeschlossenen Leistungspfad des Leistungstransistors in Wärme umzusetzen.
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Die Druckschrift
EP 1 110 035 A1 offenbart eine Begrenzerschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter, bei der ein Begrenzerpfad mit mehreren Z-Dioden ausgebildet wird, wobei die Referenzspannung durch selektives Überbrücken der Z-Dioden abgestuft werden kann. Die Druckschrift
EP 0 730 331 B1 schließlich offenbart eine Begrenzerschaltung für einen Leistungstransistor, bei welcher ein Spannungsteiler bei einem Auftreten einer Überspannung von seinem Mittelabgriff ein Steuersignal an das Gate des Leistungstransistors abgibt, welches den Leistungstransistor temporär aufsteuert.
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Es besteht ein Bedarf nach Möglichkeiten, die Spannung über Halbleitertransistoren effektiv, zuverlässig und möglichst genau zu begrenzen, um die Halbleitertransistoren vor auftretenden Spannungsspitzen zu schützen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Begrenzerschaltung für mindestens einen Halbleitertransistor, mit einem Begrenzerpfad, welcher zwischen einen ersten Leistungsanschluss und einen zweiten Leistungsanschluss des Halbleitertransistors gekoppelt ist, und welcher einen Begrenzertransistor aufweist, wobei ein Knoten des Begrenzerpfads zwischen dem Begrenzertransistor und dem zweiten Leistungsanschluss des Halbleitertransistors mit einem Steueranschluss des Halbleitertransistors gekoppelt ist, und einer Spannungsquelle, welche mit dem Steueranschluss des Begrenzertransistors gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, den Steueranschluss des Begrenzertransistors mit einer Steuerspannung zu beaufschlagen, welche einer Grenzspannung für die Spannung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und dem zweiten Leistungsanschluss des Halbleitertransistors entspricht, deren Überschreiten an einem Leistungsanschluss des Begrenzertransistors den Begrenzertransistor aufsteuert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Begrenzen einer Spannung über einen Halbleitertransistor, mit den Schritten des Anlegens einer Steuerspannung an den Steueranschluss eines Begrenzertransistors, welche einer Grenzspannung für die Spannung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und dem zweiten Leistungsanschluss des Halbleitertransistors entspricht, deren Überschreiten den Begrenzertransistor aufsteuert, und des Koppelns des Steueranschlusses des Halbleitertransistors über den aufgesteuerten Begrenzertransistor mit dem ersten Leistungsanschluss des Halbleitertransistor.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von Halbleitertransistoren, und einer erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung, deren Knoten des Begrenzerpfads mit jedem der Steueranschluss der Vielzahl von Halbleitertransistoren gekoppelt ist.
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Vorteile der Erfindung Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine Begrenzerschaltung („Active Clamp“) für einen Halbleitertransistor anzugeben, bei der die Grenzspannung, oberhalb derer eine Spannung über einen Halbleitertransistor nicht liegen darf, sehr präzise einstellbar ist. Dazu wird statt einer Z-Diode, deren Durchbruchsspannung nur relativ ungenau einstellbar ist, ein Begrenzertransistor im Begrenzerpfad eingesetzt, der über eine einstellbare Steuerspannung am Steueranschluss ansteuerbar ist, um den Steueranschluss des Halbleitertransistors bei einem Auftreten von Überspannungen oberhalb der Grenzspannung mit dem Kollektoranschluss temporär kurzzuschließen, um die Überspannungen über den Leistungspfad des Halbleitertransistors abzubauen.
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Die Steuerspannung entspricht dabei der Grenzspannung, so dass der Begrenzertransistor aufsteuert, wenn die Spannung an einem Leistungsanschluss des Begrenzertransistors die Steuerspannung bzw. die Grenzspannung überschreitet. Dadurch steuert der Begrenzertransistor auf und schließt den Steueranschluss des Halbleitertransistors temporär mit dem Kollektoranschluss kurz. Der Begrenzertransistor wirkt somit wie ein Sicherungselement mit einstellbarem Kurzschlussschwellwert. Gegenüber Z-Dioden kann dieser Schwellwert über die Steuerspannung sehr viel präziser eingestellt werden.
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Dies hat den Vorteil, dass die Grenzspannung über den Begrenzertransistor sehr genau eingestellt werden kann, so dass die Sicherheitsmarge für die Spannungsfestigkeit des Halbleitertransistors entsprechend geringer gewählt werden kann. Dadurch kann Halbleiterfläche auf den Transistorchips gespart werden, was die Fertigungskosten erheblich verringert, insbesondere in Anordnungen mit einer hohen Anzahl an Halbleitertransistoren, wie beispielsweise Wechselrichter- oder Batteriedirektumrichtersystemen in elektrischen Antriebssystemen von Kraftfahrzeugen.
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Überdies besteht der Vorteil, dass die Bauteile, welche für die Begrenzerschaltung eingesetzt werden, selbst sehr kostengünstig sind und dadurch die Fertigungskosten weiter senken können.
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Alternativ besteht auch der Vorteil, dass bei gleicher Spannungsfestigkeit der Halbleitertransistoren eine höhere Nennspannung zwischen den Leistungsanschlüssen zugelassen werden kann, ohne dass die Gefahr von Beschädigungen der Halbleitertransistoren besteht.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung kann der Halbleitertransistor ein IGBT, der erste Leistungsanschluss ein Kollektoranschluss und der zweite Leistungsanschluss ein Emitteranschluss des IGBTs sein.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung kann der Halbleitertransistor ein MOSFET, der erste Leistungsanschluss ein Drainanschluss und der zweite Leistungsanschluss ein Sourceanschluss des MOSFETs sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung kann die Spannungsquelle einen Hochsetzsteller umfassen, welcher dazu ausgelegt ist, eine Versorgungsspannung an einem Eingangsanschluss des Hochsetzstellers auf eine Steuerspannung für den Begrenzertransistor hochzusetzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung kann die Begrenzerschaltung weiterhin einen Rückflusspfad aufweisen, welcher zwischen den Steueranschluss des Begrenzertransistors und den zweiten Leistungsanschluss des Halbleitertransistors gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die Steuerspannung mit einem vorgebbaren Gradienten abzubauen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Begrenzerschaltung kann der Begrenzertransistor ein MOSFET, ein IGBT, ein JFET oder ein BJT sein.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Halbleitertransistor ein IGBT, der erste Leistungsanschluss ein Kollektoranschluss und der zweite Leistungsanschluss ein Emitteranschluss des IGBTs sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Begrenzertransistor ein MOSFET, ein IGBT, ein JFET oder ein BJT sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Begrenzerschaltung für einen Halbleitertransistor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Begrenzerschaltung für einen Halbleitertransistor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Begrenzen der Spannung über einen Halbleitertransistor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Begrenzerschaltung 1 für einen Halbleitertransistor 15. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst einen Halbleitertransistor 15, welcher mit seinen Leistungsanschlüssen zwischen zwei Potentialanschlüsse 11 und 12 gekoppelt ist. Der Potentialanschluss 11 kann beispielsweise hohes Potential führen, während der Potentialanschluss 12 beispielsweise ein Referenzpotential, zum Beispiel eines Phasenanschlusses führen kann. Zwischen den Potentialanschlüssen 11 und 12 besteht eine variable Potentialdifferenz, welche einen Spannungsabfall über dem Halbleitertransistor 15 bewirkt. Beispielsweise können die Potentialanschlüsse 11 und 12 mit einer (nicht explizit gezeigten) Spannungsversorgung gekoppelt werden, zum Beispiel mit einer Batterie oder einem Akkumulator oder eine elektrische Maschine.
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Parallel zu dem Leistungspfad des Halbleitertransistors 15 ist zwischen die Potentialanschlüsse 11 und 12 ein Begrenzerpfad 2 zwischen die Knoten 13 und 14 gekoppelt. Der Begrenzerpfad 2 umfasst eine Reihenschaltung aus einer Sperrdiode 4, einem Begrenzertransistor 5 und einer in Sperrrichtung der Sperrdiode 4 geschaltete Z-Diode 3. Ein Knoten 6 des Begrenzerpfads 2 zwischen dem Begrenzertransistor 5 und der Z-Diode 3 ist dabei mit einem Steueranschluss 27 des Halbleitertransistors 15 gekoppelt, beispielsweise dem Gateanschluss eines IGBTs, wenn der Halbleitertransistor 15 ein IGBT, der erste Leistungsanschluss 25 ein Kollektoranschluss und der zweite Leistungsanschluss 26 ein Emitteranschluss des IGBTs ist. Es kann jedoch auch möglich sein, für den Halbleitertransistor 15 einen Feldeffekttransistor, beispielsweise einen MOSFET einzusetzen. In diesem Fall kann der erste Leistungsanschluss 25 ein Drainanschluss und der zweite Leistungsanschluss 26 ein Sourceanschluss des MOSFETs sein.
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Der Steueranschluss des Begrenzertransistors 5 ist mit einer Spannungsquelle 7 gekoppelt und wird von dieser mit einer Steuerspannung gespeist. Die von der die Spannungsquelle 7 erzeugte Steuerspannung entspricht dabei einer Grenzspannung für die Spannung über die Leistungsanschlüsse 25 und 26 des Halbleitertransistors 15 entspricht, deren Überschreiten den Halbleitertransistor schnell, zuverlässig und präzise temporär aufsteuern soll. Dazu wird der Begrenzertransistor 5 eingesetzt, der die Spannung des ersten Leistungsanschlusses 25 an einem seiner Leistungsanschlüsse empfängt. Im Falle eines IGBTs als Begrenzertransistor 5 kann dies beispielsweise der Kollektoranschluss sein. Wenn nun an dem Kollektoranschluss eine Spannung anliegt, die die Steuerspannung an dem Steueranschluss des Begrenzertransistors überschreitet, dann wird der Begrenzertransistor aufgesteuert. Dadurch wird der Steueranschluss 27 des Halbleitertransistors 15 mit dem ersten Leistungsanschluss 25 verbunden, so dass der Halbleitertransistor 15 temporär kurzschließt und die Überspannung über den Leistungspfad des Halbleitertransistors 15 abgebaut werden kann.
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Der Begrenzertransistor 5 ersetzt in vorteilhafter Weise eine Z-Diode, deren Durchbruchspannung einen wesentlich höheren Toleranzbereich aufweist als der Toleranzbereich der Aufsteuerspannung des Begrenzertransistors 5. Die Spannungsquelle 7 kann dabei unter Verwendung kostengünstiger Bauteile relativ genau auf eine bestimmte Grenzspannung eingestellt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Begrenzerschaltung 1 in 1 für einen Halbleitertransistor 15 in größerem Detail. Neben zwei Strombegrenzerwiderständen 8 und 18, welche zwischen den Begrenzertransistor 5 und den Steueranschluss 27 des Halbleitertransistors 15 gekoppelt sind, zeigt 2 weiterhin eine beispielhafte Ausgestaltung einer Spannungsquelle 7 als Hochsetzsteller. Der Hochsetzsteller 7 weist einen Eingangsanschluss 19 auf, welcher über eine Speicherdrossel 71 und eine Freilaufdiode 72 mit einem Knoten 76 am Steueranschluss 9 des Begrenzertransistors 5 gekoppelt ist. Zwischen der Speicherdrossel 71 und der Freilaufdiode 72 ist ein Schalttransistor 73 mit einem Knoten 17 an dem zweiten Potentialanschluss 12 gekoppelt, um eine Spannung zwischen dem Eingangsanschluss 19 und dem zweiten Potentialanschluss 12 auf eine Steuerspannung für den Steueranschluss 9 des Begrenzertransistors 5 hochzusetzen. Es kann jedoch statt eines Hochsetzstellers auch eine andere Spannungsquelle 7 implementiert werden, vorzugsweise eine einfach aufgebaute, mit kostengünstige Bauelementen zu implementierende Spannungsquelle 7. Der Eingangsanschluss 19 kann dabei mit einer Potentialquelle bzw. Versorgungsspannung des Systems verbunden werden, in dem die Begrenzerschaltung 1 eingesetzt wird. Beispielsweise kann der Eingangsanschluss 19 mit einem Niedervoltbordnetz eines Fahrzeugs verbunden werden.
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Die Begrenzerschaltung 1 umfasst weiterhin einen Rückflusspfad zwischen den Knoten 74 und 76, welcher ein Rückflusselement 75 aufweist. Über das Rückflusselement 75, welches beispielsweise ein Ohm’scher Widerstand oder eine Parallelschaltung aus einem Ohm’schen Widerstand und einem Kondensator sein kann, wird die Steuerspannung mit einem vorgebbaren Gradienten abgebaut.
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Darüber hinaus ist mit dem Bezugszeichen 16 der Anschluss einer (nicht explizit dargestellten) Treiberschaltung für den Steueranschluss 27 des Halbleitertransistors 27 dargestellt, die dazu ausgelegt ist, den eigentlichen funktionalen Betrieb des Halbleitertransistors 27 zu steuern.
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In den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten ist der Halbleitertransistor 15 jeweils als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) gezeigt. Es ist jedoch ebenso möglich, als Halbleitertransistor 15 JFETs (Junction Field-Effect Transistors), MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) oder BJTs (Bipolar Junction Transistors) einzusetzen.
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Ebenso kann der Begrenzertransistor 5 als IGBT, JFET, MOSFET oder BJT implementiert werden. Beispielhaft ist der Begrenzertransistor 5 in 1 und 2 als Bipolartransistor dargestellt.
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In den 1 und 2 ist jeweils nur ein einzelner Halbleitertransistor 15 gezeigt, wobei die Begrenzerschaltung 1 prinzipiell auch für mehr als einen Halbleitertransistor geeignet ist. Insbesondere kann die Begrenzerschaltung 1 mit Steueranschlüssen einer Vielzahl von Halbleitertransistoren 15 gekoppelt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass prinzipiell nur eine einzige Spannungsquelle 7 notwendig ist, um die Ansteuerung der Steueranschlüsse mehrerer Halbleitertransistoren 15 vorzunehmen. Dadurch wird der erhöhte Implementierungsaufwand für die Spannungsquelle 7 mit der Ersparnis an Halbleiterfläche für die einzelnen Halbleitertransistoren 15 aufgewogen.
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Die Begrenzerschaltung 1 in den 1 und 2 kann beispielsweise in Wechselrichtern für elektrisch betriebene Land- oder Wasserfahrzeuge eingesetzt werden, beispielsweise für Hybridfahrzeuge. In Systemen mit einer großen Anzahl an Halbleitertransistoren als Schalteinrichtungen kann die Begrenzerschaltung 1 mit ihrer verbesserten Kontrolle über die Grenzspannung dazu beitragen, den notwendigen Sicherheitsaufschlag auf die Spannungsfestigkeit der Halbleitertransistoren bei gleichzeitiger Reduktion der Halbleiterfläche zu minimieren.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Begrenzen einer Spannung über einen Halbleitertransistor, beispielsweise den Halbleitertransistor 15 in 1 oder 2. Zur Umsetzung des Verfahrens kann beispielsweise die im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebene Begrenzerschaltung eingesetzt werden. Das Verfahren 20 eignet sich insbesondere für den Einsatz in Wechselrichtern für elektrisch betriebene Land- oder Wasserfahrzeuge, welche einen Elektromotor als elektrische Maschine aufweisen. In derartigen Fahrzeugen eingesetzte Wechselrichter weisen häufig eine große Anzahl an Halbleitertransistoren als Schalteinrichtungen auf, die aufgrund der hohen Spannungen im Hochvoltnetz der Fahrzeuge eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen müssen. Durch das Verfahren 20 können die Halbleitertransistoren durch die genauere Kontrolle der Grenzspannung mit geringerem Sicherheitsaufschlag auf die Spannungsfestigkeit ausgestaltet werden, was vorteilhafterweise eine Reduzierung der Chipfläche und damit der Chipkosten mit sich bringt.
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Das Verfahren 20 kann optional als ersten Schritt 21 ein Hochsetzen einer Versorgungsspannung auf eine Steuerspannung für einen Begrenzertransistor 5 aufweisen. Die Steuerspannung wird in einem zweiten Schritt 22 an den Steueranschluss 9 eines Begrenzertransistors 5 angelegt. Diese Steuerspannung, die dauerhaft an dem Steueranschluss 9 des Begrenzertransistors 5 anliegt, entspricht einer Grenzspannung, welche maximal zwischen dem ersten Leistungsanschluss 25 und dem zweiten Leistungsanschluss 26 des Halbleitertransistors 15 anliegen darf. Wenn das an einem Leistungsanschluss des Begrenzertransistors 5, beispielsweise einem Emitteranschluss, anliegende Potential, das dem an dem ersten Leistungsanschluss 25 des Halbleitertransistors 15 anliegenden Potential entspricht, die Grenzspannung überschreitet, steuert der Begrenzertransistor 5 auf. Dadurch kann in einem dritten Schritt 23 bei einem Koppeln des Steueranschlusses 27 des Halbleitertransistors 15 über den aufgesteuerten Begrenzertransistor 5 mit dem ersten Leistungsanschluss 25 des Halbleitertransistor 15 der Halbleitertransistor 15 temporär in leitenden Zustand gebracht werden, um die Spannungsspitzen bzw. die Überspannung graduell abzubauen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1110035 A1 [0004]
- EP 0730331 B1 [0004]
