DE102014108576A1

DE102014108576A1 - Treiberschaltung mit Miller-Clamping-Funktionalität für Leistungshalbleiterschalter, Leistungshalbleiterschalter und Wechselrichterbrücke

Info

Publication number: DE102014108576A1
Application number: DE102014108576.0A
Authority: DE
Inventors: Burkard Müller; Uwe Stickelmann; Oliver Prior
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: DE102014108576B4

Abstract

Eine Treiberschaltung (2) für einen Leistungshalbleiterschalter (1) mit einem Steueranschluss (3) weist einen mit dem Steueranschluss (3) zu verbindenden Steuerausgang (13), einen ersten Steuerpotentialeingang (14) für ein erstes Steuerpotential, einen zweiten Steuerpotentialeingang (15) für ein zweites Steuerpotential, einen Treiberbaustein (11), der einen mit dem Steuerausgang (13) verbundenen Treiberausgang (21) aufweist und der den Treiberausgang (21) wechselweise zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) mit dem ersten Steuerpotentialeingang (14) und zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) mit dem zweiten Steuerpotentialeingang (15) verbindet, mindestens einen zwischen dem Treiberausgang (21) und dem Steuerausgang (13) wirksamen Verzögerungswiderstand für das an dem Treiberausgang (21) anliegende erste und/oder zweite Steuerpotential und einen Klemmschalter auf, der einen zwischen den Steuerausgang (13) und einen Klemmpotentialeingang geschalteten Hilfshalbleiterschalter (6) und einen Signaleingang (25) aufweist. Der Hilfshalbleiterschalter (6) wird durch Anlegen des ersten Steuerpotentials an den Signaleingang (25) eingeschaltet und durch Anlegen des zweiten Steuerpotentials an den Signaleingang (25) ausgeschaltet. Der Signaleingang (25) des Klemmschalters ist so an den Treiberausgang (21) angeschlossen, dass sich das beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) an dem Treiberausgang (21) anliegende zweite Steuerpotential unter Umgehung des mindestens einen Verzögerungswiderstands (22, 23) auf den Signaleingang (25) auswirkt. Demgegenüber ist der Signaleingang (25) des Klemmschalters so an den Treiberausgang (21) angeschlossen, dass sich das beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) an dem Treiberausgang (21) anliegende erste Steuerpotential über den mindestens einen Verzögerungswiderstand (22, 23) auf den Signaleingang (25) auswirkt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung mit Miller-Clamping-Funktionalität für einen selbstsperrenden Leistungshalbleiterschalter, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen selbstsperrenden Leistungshalbleiterschalter mit einer solchen Treiberschaltung und eine Wechselrichterbrücke mit selbstsperrenden Halbleiterschaltern, von denen zumindest einige eine solche Treiberschaltung aufweisen.
Soweit hier von einem Steueranschluss eines Leistungshalbleiterschalters die Rede ist, ist damit die Basis, das Gate oder ein funktional entsprechender Anschluss des Halbleiterschalters gemeint. Wenn von einem Bezugspotentialanschluss desselben Leistungshalbleiterschalters die Rede ist, ist damit der Emitter, die Source bzw. ein funktional entsprechender Anschluss des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters gemeint. Der verbleibende dritte Anschluss, d. h. üblicherweise der Kollektor bzw. Drain, wird hier auch als der gesteuerte Anschluss des Leistungshalbleiterschalters bezeichnet.
Unter "Miller-Clamping" versteht man das Kurzschließen des Steueranschlusses eines selbstsperrenden Leistungshalbleiterschalters mit seinem Bezugspotentialanschluss, wenn sich der Leistungshalbleiterschalter in seinem ausgeschalteten, d. h. offenen Zustand befindet. Auf diese Weise werden Ströme abgeleitet, die in Folge von Spannungsschwankungen an dem gesteuerten Anschluss wegen einer Kapazität, die zwischen dem gesteuerten Anschluss und dem Steueranschluss wirksam ist und als Miller-Kapazität bezeichnet wird, zu dem Steueranschluss fließen. Damit wird verhindert, dass diese Ströme Spannungen an dem Steueranschluss hervorrufen, die ein ungewolltes Einschalten, d. h. Schließen des Leistungshalbleiterschalters zur Folge haben. Die Miller-Kapazität ist eine inhärente Eigenschaft von Leistungshalbleiterschaltern.
STAND DER TECHNIK
Das Miller-Clamping ist eine Funktion bekannter integrierter Treiberbausteine für die Ausbildung von Treiberschaltungen für selbstsperrende Leistungshalbleiterschalter. Ausweislich des Datasheets, Version 2.3, May 2011 der Firma Infineon Technologies AG weist das Produkt EiceDRIVER^TM 1ED020I12-F Single IGBT Driver IC einen zusätzlichen Clamping-Anschluss auf, der in dem Treiberbaustein mit einem Bezugspotentialeingang verbunden wird, wenn die an ihm anliegende Spannung unter 2 Volt fällt. Der Clamping-Anschluss des bekannten Treiberbausteins ist direkt mit dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters zu verbinden. Der Treiberausgang zum eigentlichen Ansteuern des Steueranschlusses ist hingegen über einen Verzögerungswiderstand mit dem Steueranschluss zu verbinden. In Verbindung mit der elektrischen Kapazität an dem Steueranschlusses des Leistungshalbleiterschalters sorgt dieser Verzögerungswiderstand dafür, dass sich eine Spannungsänderung an dem Treiberausgang mit einer definierten Verzögerung an dem Steueranschluss auswirkt. Der Verzögerungswiderstand dient dazu, den Verlauf der Änderung der Spannung an dem Steueranschluss beim Umschalten des Treiberausgangs zwischen dem Bezugspotentialeingang und einem Steuerspannungseingang unter den Gesichtspunkten eines zwar schnellen Schaltens aber einer maximalen elektromagnetischen Verträglichkeit zu optimieren.
Der bekannte Treiberbaustein 1ED020I12-F weist neben dem oben beschriebenen Miller-Clamping noch andere Funktionen zum Schutz des angeschlossenen Leistungshalbleiterschalters auf. Diese Funktionen werden bei verschiedenen Verwendungen, z. B. beim Ansteuern von Leistungshalbleiterschaltern in einer Wechselrichterbrücke, nicht immer benötigt. Selbst das Miller-Clamping ist bei den Leistungshalbleiterschaltern, die ohne oder nur über niederohmige Verzögerungswiderstände angesteuert werden, in der Regel überflüssig. Dabei handelt es sich oftmals um die Leistungshalbleiterschalter, die mit einer um ein Vielfaches höheren Frequenz getaktet werden als der Frequenz, auf die die Wechselrichterbrücke umrichtet. Die Verwendung des bekannten Treiberbausteins insbesondere für alle Leistungshalbleiterschalter einer Wechselrichterbrücke stellt somit u. U. einen unnötigen Aufwand dar, der unnötige Kosten verursacht.
Das oben zu dem bekannten Treiberbaustein 1ED020I12-F gesagte gilt genauso für andere Treiberbausteine mit integriertem Miller-Clamping, wie beispielsweise den Treiberbaustein ACPL-331J und ACPL-332J der Avago Technologies, siehe Avago Technologies, Application Note 5314, Active Miller Clamp.
Neben Treiberbausteinen mit integriertem Miller-Clamping sind auch Treiberschaltungen bekannt, die versuchen, ein Miller-Clamping mit einer Zusatzschaltung außerhalb des verwendeten Treiberbausteins zu realisieren. Im Whitepaper „Mitigation Methods for Parasitic Turn-On Effect Due to Miller Capacitor“ der Avago Technologies ist in 5 eine Treiberschaltung für einen selbstsperrenden n-Kanal-IGBT gezeigt, die einen zwischen den Steueranschluss und den Bezugspotentialanschluss des Leistungshalbleiterschalters geschalteten selbstsperrenden pnp-Hilfshalbleiterschalter aufweist. Mit seinem Bezugspotentialanschluss ist der Hilfshalbleiterschalter an den Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters angeschlossen. Der Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters ist über einen Widerstand mit dem Treiberausgang des verwendeten Treiberbausteins verbunden. Mit dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters ist der Treiberausgang über einen Verzögerungswiderstand verbunden. Der an den Bezugspotentialanschluss des Leistungshalbleiterschalters angeschlossene gesteuerte Anschluss des Hilfshalbleiterschalters ist ebenfalls über einen Widerstand mit dem Treiberausgang verbunden. Diese Zusatzschaltung der Treiberschaltung soll zur Folge haben, dass beim Erreichen einer bestimmten Spannung an dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters der Hilfshalbleiterschalter geschlossen wird. Die Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters weist aber keine klare Beziehung zu der Spannung an dem Steueranschluss und damit zu dem Schaltzustand des Leistungshalbleiterschalters auf, sondern ist von einer Spannung zwischen Treiberausgang und dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters abhängig. Damit wird kein echtes Miller-Clamping sichergestellt, bei dem der Steueranschluss erst dann mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden wird, wenn der Leistungshalbleiterschalter bereits ausgeschaltet ist. Außerdem ist der eingeschaltete Zustand des Hilfshalbleiterschalters hier nicht selbststabilisiert, da keine diesen Zustand stabilisierende Steuerspannung zwischen dem Steueranschluss und dem Bezugspotentialanschluss des Hilfshalbleiterschalters anliegt, wenn sich die Spannung an dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters an das Bezugspotential angenähert hat. Zudem wirkt sich der zwischen den Treiberausgang und den Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters geschaltete Widerstand in unerwünschter Weise beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters aus. Konkret kann die Steuerspannung an dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters erst dann aufgebaut werden, wenn der Hilfshalbleiterschalter über den Widerstand ausgeschaltet wurde.
Auch aus AN-5073 „Active Miller Clamp Technology“ der Fairchild Semi Conductor Corporation ist ein Versuch eines Miller-Clamping durch eine Zusatzschaltung außerhalb eines Treiberbausteins bekannt. Dabei wird wie bei dem in dem letzten Absatz beschriebenen Stand der Technik für einen npn-Leistungshalbleiterschalter ein pnp-Hilfshalbleiterschalter zwischen den Steueranschluss und den Bezugspotentialanschluss des Leistungshalbleiterschalters geschaltet. Hier ist der Bezugspotentialanschluss des Hilfshalbleiterschalters über einen Widerstand mit dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters verbunden, und der Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters ist direkt an den Treiberausgang des verwendeten Treiberbausteins angeschlossen. Zwischen dem Treiberausgang und dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters ist ein Verzögerungswiderstand vorgesehen. Durch den mit dem Hilfshalbleiterschalter in Reihe geschalteten Widerstand wird nur ein gedämpftes Klemmen des Steueranschlusses auf das Bezugspotential erreicht. Durch die direkte Verbindung des Steueranschlusses des Hilfshalbleiterschalters mit dem Treiberausgang setzt dieses Klemmen beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters aber ohne Verzögerung ein und beeinflusst so das Timing des Abschaltvorgangs. Umgekehrt ist der eingeschaltete Zustand des Hilfshalbleiterschalters auch hier nicht selbststabilisiert.
Eine Wechselrichterbrücke mit Leistungshalbleiterschaltern, die zur Hälfte Steuerschaltungen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweisen, ist aus der KR 10-2009-0044935 bekannt. Hier ist der Signaleingang des Klemmschalters direkt an den Treiberausgang angeschlossen, d. h. von dem Treiberbaustein aus gesehen vor dem Verzögerungswiderstand, der zwischen dem Treiberausgang und dem Steueranschluss des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters geschaltet ist. Zwischen dem Signaleingang des Klemmschalters und einem Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters ist ein Signalinverter vorgesehen. Aufgrund des Signalinverters wird der Hilfshalbleiterschalter, der gegenüber dem Leistungshalbleiterschalter die gleiche Polarität aufweist, grundsätzlich komplementär zu dem Leistungshalbleiterschalter geschaltet. Durch den direkten Anschluss der Signalleitung an den Treiberausgang wird dabei das Klemmen des Steueranschlusses mit dem Hilfshalbleiterschalter an den an den Bezugspotentialanschluss des Leistungshalbleiterschalters angeschlossenen ersten Steuerpotentialeingang ohne Verzögerung gegenüber dem Treiberausgang deaktiviert und aktiviert. Aus dem unverzögerten Aktivieren des Klemmens kann ein unerwünscht schnelles Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters resultieren, weil der Hilfshalbleiterschalter den Verzögerungswiderstand praktisch kurzschließt. D. h. auch hier wird kein echtes Miller-Clamping erreicht, bei dem der Steueranschluss erst mit dem Bezugspotentialanschluss des bereits ausgeschalteten Leistungshalbleiterschalters verbunden wird.
Aus der US 7,660,094 B2 ist eine Wechselrichterschaltung mit Leistungshalbleiterschaltern bekannt, denen jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist und die jeweils über eine Treiberschaltung angesteuert werden. Die Treiberschaltung verbindet einen Treiberausgang eines Treiberbausteins über eine Parallelschaltung eines Verzögerungswiderstands und einer Diode mit einem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters, so dass der Verzögerungswiderstand nur beim Ausschalten des Schalters wirksam ist. Zwischen dem Steueranschluss und einem Bezugspotential des Leistungshalbleiterschalters ist ein Hilfshalbleiterschalter vorgesehen, um den Steueranschluss auf das an dem Bezugspotentialanschluss anliegende Bezugspotential zu klemmen. Angesteuert wird der Hilfshalbleiterschalter über einen Kondensator, der an den gesteuerten Anschluss des Leistungshalbleiterschalters und einen Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters angeschlossen ist, wobei zwischen den Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters und den Bezugspotentialanschluss des Leistungshalbleiterschalters ein Widerstand geschaltet ist. Der Kondensator bildet die Miller-Kapazität nach, so dass der Hilfshalbleiterschalter den Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters immer dann auf sein Bezugspotential klemmt, wenn die Gefahr besteht, dass über die Miller-Kapazität zu dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters fließende Ströme den Leistungshalbleiterschalter ungewollt einschalten. In einer Ausführungsform der bekannten Treiberschaltung ist diesem Widerstand ein weiterer Halbleiterschalter parallel geschaltet. Der weitere Halbleiterschalter wird über einen weiteren Widerstand angesteuert, der an den Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters und einen Steueranschluss des weiteren Halbleiterschalters angeschlossen ist, wobei zwischen den Steueranschluss des weiteren Halbleiterschalters und den Bezugspotentialanschluss des Leistungshalbleiterschalters ein weiterer Kondensator geschaltet ist. Beim Abschalten eines durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stroms mit dem Leistungshalbleiterschalter wird der weitere Halbleiterschalter eingeschaltet, so dass er den Widerstand zwischen dem Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters und dem Bezugspotentialanschluss des Leistungshalbleiterschalters kurzschließt und damit ein Einschalten des Hilfshalbleiterschalters, d. h. ein Klemmen des Steueranschlusses des Leistungshalbleiterschalters auf sein Bezugspotential, verhindert. Beim Abschalten eines durch die Freilaufdiode fließenden Stroms wird der weitere Halbleiterschalter hingegen eingeschaltet, damit im Falle von Spannungsfluktuationen an seinem gesteuerten Anschluss der Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters mit dem Hilfshalbleiterschalter auf sein Bezugspotential geklemmt wird.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschaltung, einen damit ausgestatteten selbstsperrenden Leistungshalbleiterschalter und eine mindestens einen solchen selbstsperrenden Halbleiterschalter aufweisende Wechselrichterbrücke bereitzustellen, bei denen ein echtes Miller-Clamping so außerhalb eines verwendeten Treiberbausteins realisiert wird, dass es weder das Einschalten noch das Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters beeinträchtigt.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Treiberschaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 16 sind auf bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Treiberschaltung gerichtet. Patentanspruch 17 betrifft einen selbstsperrenden Leistungshalbleiterschalter mit der erfindungsgemäßen Treiberschaltung; und Patentanspruch 18 ist auf eine Wechselrichterbrücke gerichtet, bei der selektiv die über höherohmige Verzögerungswiderstände angesteuerten Leistungshalbleiterschalter eine erfindungsgemäße Treiberschaltung aufweisen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Treiberschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter mit einem Steueranschluss weist einen mit dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters zu verbindenden Steuerausgang, einen ersten Steuerpotentialeingang für ein erstes Steuerpotential, einen zweiten Steuerpotentialeingang für ein zweites Steuerpotential und einen Treiberbaustein auf. Der Treiberbaustein umfasst einen mit dem Steuerausgang verbundenen Treiberausgang und verbindet diesen Treiberausgang wechselweise zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters mit dem ersten Steuerpotentialeingang und zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters mit dem zweiten Steuerpotentialeingang. Weiter weist die Treiberschaltung mindestens einen zwischen dem Treiberausgang und dem Steuerausgang wirksamen Verzögerungswiderstand für das an dem Treiberausgang anliegende erste und/oder zweite Steuersignal auf.
Für ein Miller-Clamping ist ein Klemmschalter vorgesehen, der einen zwischen den Steuerausgang und einen Klemmpotentialeingang geschalteten Hilfshalbleiterschalter und einen Signaleingang aufweist. Der Hilfshalbleiterschalter wird durch Anlegen des ersten Steuerpotentials an den Signaleingang eingeschaltet und durch Anlegen des zweiten Steuerpotentials an den Signaleingang ausgeschaltet.
Zur Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters für das Miller-Clamping ist der Signaleingang des Klemmschalters so an den Treiberausgang angeschlossen, dass sich das zweite Steuerpotential, das zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters an den Treiberausgang angelegt wird, unter Umgehung des mindestens einen Verzögerungswiderstands auf den Signaleingang auswirkt, während sich das erste Steuerpotential, das zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters an den Treiberausgang angelegt wird, über den mindestens einen Verzögerungswiderstand auf den Signaleingang auswirkt.
Der Signaleingang des Klemmschalters ist also derart an den Treiberausgang angeschlossen, dass je nachdem, ob der Leistungshalbleiterschalter ein- oder ausgeschaltet wird, an verschiedenen Punkten der Treiberschaltung anliegende Spannungen an dem Signaleingang anliegen. Beim Einschalten wird das an dem Treiberausgang anliegende zweite Steuerpotential direkt auch an den Signaleingang des Klemmschalters angelegt. Der Hilfsschalter wird daher gleich zu Beginn des Einschaltens des Leistungshalbleiterschalters ausgeschaltet. So wird die mit dem Hilfsschalter bewirkte Klemmung sofort beendet und kann das Einschalten des Leistungshalbleiterschalters nicht beeinträchtigen. Beim Ausschalten hingegen wird das dann an dem Treiberausgang anliegende erste Steuerpotential nicht direkt, sondern über den mindestens einen Verzögerungswiderstand an den Signaleingang des Klemmschalters angelegt. So verzögert sich das Angleichen des elektrischen Potentials des Signaleingangs an das erste Steuerpotential und damit auch das Einschalten des Hilfsschalters. Damit wird einem durch den mindestens einen Verzögerungswiderstand oder durch einen weiteren Verzögerungswiderstand verzögerten Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters Rechnung getragen. So setzt die mit dem Hilfsschalter herbeigeführte Klemmung bei passender Auslegung des mindestens einen Verzögerungswiderstands erst bei bereits ausgeschaltetem Leistungshalbleiterschalter ein. Auf diese Weise wird mit der erfindungsgemäßen Treiberschaltung ein echtes Miller-Clamping realisiert, das den Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters nicht beeinflusst, sich aber direkt daran anschließt und dann den gewünschten ausgeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterschalters bis zu seinem nächsten Einschalten absichert.
Die erfindungsgemäße Treiberschaltung realisiert damit außerhalb ihres Treiberbausteins ein echtes Miller-Clamping, das mit geringem Aufwand und entsprechend geringen Kosten für solche Leistungshalbleiterschalter realisiert werden kann, deren ausgeschalteter Zustand sinnvoller Weise durch Miller-Clamping abgesichert wird.
Wenn der Signaleingang des Klemmschalters so an den Treiberausgang angeschlossen ist, dass sich das beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters an dem Treiberausgang anliegende erste Steuerpotential über den Steuerausgang auf den Signaleingang auswirkt, wird der Hilfshalbleiterschalter auch ohne besondere Abstimmung des mindestens einen Verzögerungswiderstands erst dann eingeschaltet, wenn sich das elektrische Potential des Steuerausgangs bereits an das zweite Steuerpotential angenähert hat und der Leistungshalbleiterschalter entsprechend mit dem gewünschten Timing bereits ausgeschaltet ist.
Wenn hier bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Treiberschaltung und in den anhängenden Patentansprüchen davon die Rede ist, dass zwei ihrer Bestandteile verbunden sind oder von ihrem Treiberbaustein verbunden werden oder mit dem Leistungshalbleiter zu verbinden sind, ist damit, soweit keine weiteren Angaben gemacht werden, grundsätzlich ein niederohmiges oder direktes elektrisch leitendes Verbinden gemeint. Eine dies im Einzelfall einschränkende weitere Angabe ist beispielsweise, dass zwischen dem mit dem Steuerausgang verbundenen Treiberausgang und dem Steuerausgang der mindestens eine Verzögerungswiderstand für das an dem Treiberausgang anliegende erste und/oder zweite Steuersignal wirksam ist.
Der Klemmschalter der erfindungsgemäßen Treiberschaltung kann eine Schwellwertschaltung aufweisen, die den Hilfshalbleiterschalter erst dann einschaltet, wenn eine an dem Signaleingang des Klemmschalters gegenüber einem Referenzpotential, bei dem es sich um ein Bezugspotential des Leistungshalbleiterschalters bzw. einer die erfindungsgemäße Treiberschaltung umfassenden übergeordneten Schaltung handeln kann, anliegende Spannung einen Schwellwert erreicht. Durch Abstimmung dieses Schwellwerts auf den Leistungshalbleiterschalter und dessen Schaltverhalten kann das genaue Timing des Miller-Clamping nach dem Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters festgelegt werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung weist der Klemmschalter einen weiteren Halbleiterschalter zur Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters auf. Wenn dieser weitere Halbleiterschalter eine selbe Polarität wie der Leistungshalbleiterschalter aufweist, kann sein Steueranschluss direkt mit dem Signaleingang des Klemmschalters verbunden sein. Als Halbleiterschalter gleicher Polarität werden dabei zum Beispiel solche Halbleiterschalter angesehen, die dieselbe Dotierungsabfolge, d. h. also entweder npn oder pnp, aufweisen. MOSFET weisen keine Dotierungsfolge auf, sondern einen Kanal mit einer Dotierung n oder p. n-Kanal-FET, npn-Transistoren und IGBT (per se immer n) werden als Transistoren gleicher Polarität angesehen, da bei ihnen die Blockierspannung positiv vom Kollektor/Drain gegenüber Emitter/Source ist und die technische Stromrichtung im steuerbaren Fall immer in den Kollektor/Drain hinein gerichtet ist. Umgekehrt werden auch p-Kanal-FET und pnp-Transistor als Transistoren gleicher Polarität angesehen, bei denen die Blockierspannung negativ ist und die technische Stromrichtung im steuerbaren Fall aus dem Kollektor/Drain heraus führt.
Vorzugsweise ist der weitere Halbleiterschalter des Klemmschalters selbstsperrend. Auch der Leistungshalbleiterschalter, für den die erfindungsgemäße Treiberschaltung vorgesehen ist, ist vorzugsweise selbstsperrend. Dasselbe gilt für den Hilfshalbleiterschalter. Der Hilfshalbleiterschalter kann zudem ebenfalls eine gleiche Polarität wie der Leistungshalbleiterschalter aufweisen.
Für das Ausschalten selbstsperrender Halbleiterschalter und auch das Miller-Clamping eines selbstsperrenden Leistungshalbleiterschalters reicht das Anlegen des Bezugspotentials des jeweiligen Halbleiterschalters an dessen Steueranschluss bzw. das Klemmen seines Steueranschlusses auf dieses Bezugspotential aus. Daher muss an dem Klemmpotentialeingang kein zusätzliches Klemmpotential anliegen, das zusätzlich zu dem Bezugspotential definiert werden muss. Grundsätzlich kann aber eine Spannungsquelle zwischen dem Bezugspotential und dem Klemmpotentialeingang vorgesehen werden, um ein von dem Bezugspotential abweichendes Klemmpotential bereitzustellen oder umgekehrt.
Jeder selbstsperrende Halbleiterschalter, der bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung zum Einsatz kommt, kann durch eine sogenannte Kaskode mit einem selbstleitenden Halbleiterschalter realisiert sein. Eine solche Kaskode verhält sich wie ein selbstsperrender Halbleiterschalter. Selbstsperrende Halbleiterschalter werden auch als "normally off" bezeichnet, selbstleitende Halbleiterschalter entsprechend als "normally on".
Auch die Ausbildung des weiteren Halbleiterschalters und/oder des Hilfshalbleiterschalters des Klemmschalters mit derselben Polarität wie der Leistungshalbleiterschalter vereinfacht die Bereitstellung der notwendigen Steuerpotentiale in der erfindungsgemäßen Treiberschaltung, da alle Halbleiterschalter mit der gleichen Polarität mit Hilfe derselben Steuerpotentiale einbzw. ausgeschaltet werden können. Bei selbstsperrenden Halbleiterschaltern reicht dann für alle Halbleiterschalter ein Steuerpotential zum Einschalten aus, das je nach Polarität der Halbleiterschalter positiv oder negativ gegenüber dem Bezugspotential ist, und ein zweites Steuerpotential zum Ausschalten, das gleich dem Bezugspotential ist. Gegenüber dem Bezugspotential muss daher nur ein einziges zusätzliches Steuerpotential bereitgestellt werden.
In einer besonders wenig aufwändigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung ist der Klemmpotentialeingang, den der eingeschaltete Hilfshalbleiterschalter mit dem Steuerausgang verbindet, der erste Steuerpotentialeingang, an dem das erste Steuerpotential anliegt. Die Treiberschaltung weist dann nur zwei Potentialeingänge auf. Ferner kann das erste Steuerpotential, insbesondere bei einem selbstsperrenden Leistungshalbleiterschalter, zugleich das Bezugspotential des Leistungshalbleiterschalters bzw. einer die erfindungsgemäße Treiberschaltung umfassenden übergeordneten Schaltung sein. Grundsätzlich kann der Klemmpotentialeingang innerhalb der erfindungsgemäßen Treiberschaltung auch über eine Spannungsquelle mit dem ersten Steuerpotentialeingang verbunden sein. Auch dann weist die erfindungsgemäße Treiberschaltung nur zwei Potentialeingänge auf.
Um das gegensinnige Aus- und Einschalten des Hilfshalbleiterschalters des Klemmschalters gegenüber dem Leistungshalbleiterschalter zu realisieren, kann der Klemmschalter einen Signalinverter für eine an seinem Signaleingang gegenüber einem Bezugspotential anliegende Spannung aufweisen.
Um den Signaleingang des Klemmschalters selektiv mit dem beim Einschalten an dem Treiberausgang anliegenden zweiten Steuerpotential direkt, d. h. ohne jedweden zwischengeschalteten Verzögerungswiderstand, zu beaufschlagen, kann der Signaleingang des Klemmschalters über eine zwischen den Treiberausgang und den Steuerausgang geschaltete Diode an den Treiberausgang angeschlossen sein, die mit dem Anliegen des zweiten Steuerpotentials an dem Treiberausgang leitend wird. Die leitende Diode ist für ein Aufbauen des zweiten Steuerpotentials an dem Signaleingang des Klemmschalters kein Hindernis. Sie sperrt jedoch einen Strom, der für eine Änderung des zweiten Steuerpotentials an dem Signaleingang des Klemmschalters auf das erste Steuerpotential fließen muss, wenn dieses beim Ausschalten an dem Treiberausgang anliegt. Das Bezugspotential kann sich so nur über den Steuerausgang auf den Signaleingang des Klemmschalters auswirken.
Konkret kann zwischen dem Treiberausgang und dem Steuerausgang eine Reihenschaltung aus der Diode und einem weiteren Verzögerungswiderstand vorgesehen sein, wobei der Signaleingang des Klemmschalters von dem Treiberausgang aus gesehen hinter der Diode und vor dem weiteren Verzögerungswiderstand angeschlossen ist. Dabei ist der mindestens eine Verzögerungswiderstand der Reihenschaltung aus der Diode und dem weiteren Verzögerungswiderstand zwischen dem Treiberausgang und dem Steuerausgang parallel geschaltet. Beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters ist dann nur der mindestens eine Verzögerungswiderstand wirksam. Wenn der mindestens eine Verzögerungswiderstand zwischen dem Treiberausgang und dem Steuerausgang mit einer weiteren Diode in Reihe geschaltet ist, die beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters durch das an dem Treiberausgang anliegende erste Steuerpotential leitend wird, ist beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters ausschließlich der weitere Verzögerungswiderstand wirksam. Ansonsten hat auch der mindestens eine Verzögerungswiderstand durch seine Parallelschaltung zu dem weiteren Verzögerungswiderstand beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters eine Auswirkung auf die Änderung der Spannung an dem Steuerausgang. Wenn eine solche Dioden-/Verzögerungswiderstandskombination bereits zur Einstellung einer bestimmten Schaltcharakteristik zwischen Treiberausgang und Steuerausgang vorhanden ist, kann diese für die erfindungsgemäße Treiberschaltung genutzt werden.
Wenn der Treiberausgang getrennte Teilausgänge aufweist, von denen der Treiberbaustein den einen zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters mit dem ersten Steuerpotentialeingang und den anderen zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters mit dem zweiten Steuerpotentialeingang verbindet, ist keine Diode erforderlich, um den Signaleingang des Klemmschalters selektiv für das zweite Steuerpotential direkt an den Treiberausgang und für das erste Steuerpotential an den Steuerausgang anzuschließen. Vielmehr kann der Signaleingang des Klemmschalters dann direkt an den anderen Teilausgang angeschlossen sein und ist auch dann durch mindestens einen Verzögerungswiderstand von dem an dem einen Teilausgang anliegenden Bezugspotential entkoppelt.
Wenn der mindestens eine Verzögerungswiderstand zwischen den einen Teilausgang und den Steuerausgang und ein weiterer Verzögerungswiderstand zwischen den anderen Teilausgang und den Steuerausgang geschaltet ist, ist der Signaleingang des Klemmschalters nicht nur durch den mindestens einen Verzögerungswiderstand sondern auch durch den beim Einschalten für das erste Steuerpotential zwischen dem Treiberausgang und dem Steuerausgang wirksamen weiteren Verzögerungswiderstand von dem Treiberausgang entkoppelt. Dies gilt auch sonst, wenn zwei Verzögerungswiderstände für das Einschalten und Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters vorgesehen sind. Bei nur geringer elektrischer Kapazität an dem Signaleingang des Klemmschalters fließt aber beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters kein nennenswerter Strom über den für das Einschalten vorgesehenen Verzögerungswiderstand, sodass sich diese zusätzliche Entkopplung nicht signifikant auswirkt. Zudem kann die zusätzliche Entkopplung über den für das Einschalten vorgesehenen Verzögerungswiderstand bei der Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters über den Signalinverter berücksichtigt werden. In jedem Fall wirkt sich bei der Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters über das erste Steuerpotential zumindest jede Verzögerung aus, die sich zwischen dem Anliegen des ersten Steuerpotentials an dem Treiberausgang und der resultierenden Veränderung des elektrischen Potentials an dem Steuerausgang ergibt. Zusätzliche Verzögerungen können hinzukommen.
Der Signalinverter des Klemmschalters kann seinen Ausgang mit dem ersten Steuerpotentialeingang verbinden, wenn an seinem Eingang das zweite Steuerpotential anliegt, während er seinen Ausgang mit dem zweiten Steuerpotentialeingang verbindet, wenn an seinem Eingang das erste Steuerpotential anliegt. Dabei schaltet der Signalinverter bei einem elektrischen Potential an dem Signaleingang um, das durch den Aufbau des Signalinverters festgelegt ist und insoweit vorgebbar ist. Insbesondere wird es so vorgegeben, dass der Signalinverter seinen Ausgang erst bei elektrischem Potential an dem Signaleingang mit dem zweiten Steuerpotentialeingang verbindet, bei dem der Leistungshalbleiterschalter, wenn es an seinem Steueranschluss anliegt, bereits abgeschaltet, d. h. geöffnet ist.
Der Signalinverter kann zwischen dem ersten Steuerpotentialeingang und einem Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters einen weiteren Halbleiterschalter, konkret einen MOSFET gleicher Polarität wie diejenige des Leistungshalbleiterschalters sowie einen Widerstand zwischen dem Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters und dem zweiten Steuerpotentialeingang aufweisen, wobei der Signaleingang des Klemmschalters an das Gate des MOSFETs angeschlossen ist. Um einen dauernden Stromfluss durch diesen Widerstand zu vermeiden, kann er zwischen dem Steueranschluss des Hilfshalbleiterschalters und dem zweiten Steuerpotentialeingang mit einem zusätzlichen Halbleiterschalter, konkret einem MOSFET entgegengesetzter Polarität zu derjenigen des Leistungshalbleiterschalters in Reihe geschaltet sein, wobei der Signaleingang des Klemmschalters auch an das Gate dieses MOSFETs angeschlossen ist.
Ein erfindungsgemäßer Leistungshalbleiterschalter mit einem Steueranschluss weist eine an seinen Steueranschluss angeschlossene erfindungsgemäße Treiberschaltung auf.
Bei einer Wechselrichterbrücke mit mehreren Leistungshalbleiterschaltern kann grundsätzlich jeder Leistungshalbleiterschalter über eine erfindungsgemäße Treiberschaltung angesteuert werden. Wenn bei einer Wechselrichterbrücke mit mehreren Leistungshalbleiterschaltern nur einige der Leistungshalbleiterschalter über größere Verzögerungswiderstände angesteuert werden, andere hingegen nicht oder nur über vergleichsweise kleine Verzögerungswiderstände, kann die erfindungsgemäße Treiberschaltung selektiv für diejenigen der Leistungshalbleiterschalter vorgesehen sein, die über die (größeren) Verzögerungswiderstände angesteuert werden, während die Treiberschaltungen der anderen der Leistungshalbleiterschalter keine Klemmschalter aufweisen, mit denen ein Miller-Clamping realisiert werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere der relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen die jeweilige Treiberschaltung oder Wechselrichterbrücke oder der jeweilige selbstsperrende Leistungshalbleiterschalter besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters mit erfindungsgemäßer Treiberschaltung.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters mit erfindungsgemäßer Treiberschaltung.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters mit einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters mit einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung; und
5 zeigt eine erfindungsgemäße Wechselrichterbrücke mit erfindungsgemäßen und nicht erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltern.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt einen Leistungshalbleiterschalter 1 und eine zugehörige Treiberschaltung 2. Der Leistungshalbleiterschalter 1 ist selbstsperrend. Er weist einen Steueranschluss 3, einen Bezugspotentialanschluss 4 und einen gesteuerten Anschluss 5 auf. Bei dem hier als Beispiel für den Leistungshalbleiterschalter 1 wiedergegebenen IGBT ist der Steueranschluss 3 das Gate oder die Basis, der Bezugspotentialanschluss 4 der Emitter und der gesteuerte Anschluss 5 der Kollektor des Transistors. Durch eine an dem Steueranschluss 3 anliegende Spannung gegenüber dem Bezugspotentialanschluss 4 wird der Leistungshalbleiterschalter 1 zwischen dem gesteuerten Anschluss 5 und dem Bezugspotentialanschluss 4 geöffnet und geschlossen, d. h. ausgeschaltet und eingeschaltet. Solange dabei die Spannung an dem Steueranschluss 3 gleich einem Bezugspotential an dem Bezugspotentialanschluss 4 ist, ist der Leistungshalbleiterschalter 1 nicht leitend. Dies bedeutet, dass er selbstsperrend ist. Bei dem in 1 dargestellten npn-Transistor ist die Spannung, die zum Einschalten oder Schließen des Leistungshalbleiterschalters 1 an dessen Steueranschluss 3 anzulegen ist, sodass der Leistungshalbleiterschalter 1 leitend wird, gegenüber dem Bezugspotential an dem Bezugspotentialanschluss 4 positiv. Bei einem pnp-Transistor wäre sie negativ. Eine gegenüber dem Bezugspotential negative Spannung könnte bei dem in 1 dargestellten npn-Transistor an den Steueranschluss 3 angelegt werden, um ihn in seinem ausgeschalteten oder offenen Zustand abzusichern. Die Bereitstellung einer zusätzlichen negativen Spannung zusätzlich zu der zum Einschalten benötigten positiven Spannung gegenüber dem Bezugspotential wäre jedoch mit erheblichem Zusatzaufwand verbunden. Dennoch kann ein Absichern des Leistungshalbleiterschalters 1 in seinem ausgeschalteten oder offenen Zustand erforderlich sein, weil durch eine inhärente Kapazität des Leistungshalbleiterschalters 1, die zwischen seinem gesteuerten Anschluss 5 und seinem Steueranschluss 3 wirksam ist und die auch als Miller-Kapazität bezeichnet wird, Spannungsschwankungen an dem gesteuerten Anschluss 5 auch zu Spannungsschwankungen an dem Steueranschluss 3 führen. Ohne Gegenmaßnahmen können die Spannungsschwankungen an dem Steueranschluss 3 so groß werden, dass sie den Leistungshalbleiterschalter 1 ungewollt einschalten, d. h. schließen.
Die von der Treiberschaltung 2 zur Absicherung des ausgeschalteten Leistungshalbleiterschalters 1 geleistete Maßnahme ist ein sogenanntes Miller-Clamping, bei dem ein Hilfshalbleiterschalter 6 den Steueranschluss 3 bei geöffnetem oder ausgeschaltetem Leistungshalbleiterschalter 1 mit dem Bezugspotentialanschluss 4 verbindet. Der Hilfshalbleiterschalter 6 hat hier verglichen mit dem Leistungshalbleiterschalter 1 eine gleiche Polarität, d. h. eine gleiche Dotierungsfolge, und ist wie dieser selbstsperrend. Er ist mit seinem gesteuerten Anschluss 7 an den Steueranschluss 3 des Leistungshalbleiterschalters 1 angeschlossen, während er mit seinem Bezugspotentialanschluss 8 an den Bezugspotentialanschluss 4 des Leistungshalbleiterschalters 1 angeschlossen ist. Ein Steueranschluss 9 des Hilfshalbleiterschalters 6 wird über einen Signalinverter 10 angesteuert. Der Hilfshalbleiterschalter 6 ist hier ein n-Kanal-MOSFET, bei dem der Steueranschluss 9 das Gate, der Bezugspotentialanschluss 8 die Source und der gesteuerte Anschluss 7 der Drain ist.
Wie die Treiberschaltung 2 den Hilfshalbleiterschalter 6 über den Signalinverter 10 schaltet, ergibt sich aus dem Aufbau der Treiberschaltung 2. Die Treiberschaltung 2 umfasst einen Treiberbaustein 11 und eine außerhalb des Treiberbausteins 11 ausgebildete Zusatzschaltung 12. Der Hilfshalbleiterschalter 6 ist Teil dieser Zusatzschaltung 12. Die Treiberschaltung 2 ist als ganzes über einen Steuerausgang 13 an den Steueranschluss 3 des Leistungshalbleiterschalters 1 und über einen ersten Steuerpotentialeingang 14 an den Bezugspotentialanschluss 4 des Leistungshalbleiterschalters 1 angeschlossen. Weiterhin weist die Treiberschaltung 2 einen zweiten Steuerpotentialeingang 15 zum Anschluss an eine Steuerspannungsquelle 16 auf. Der Treiberbaustein 11 weist Eingänge 17 bis 20 auf, an denen in üblicher Weise eine Versorgungsspannung und ein Eingangssignal anliegen. Abhängig von dem Eingangssignal verbindet der Treiberbaustein 11 einen Treiberausgang 21 entweder zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters 1 mit dem zweiten Steuerpotentialeingang 15 oder zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters 1 mit dem ersten Steuerpotentialeingang 14. Zwischen dem Treiberausgang 21 und dem an den Steueranschluss 3 des Leistungshalbleiterschalters 1 angeschlossenen Steuerausgang 13 der Treiberschaltung 2 sind zwei Verzögerungswiderstände 22 und 23 parallel geschaltet. Dabei ist der Verzögerungswiderstand 22 innerhalb der Parallelschaltung mit einer Diode 24 in Reihe geschaltet. Die Diode 24 wird dann leitend, wenn eine gegenüber dem Bezugspotential an dem ersten Steuerpotentialeingang 14 positive Steuerspannung von der Steuerspannungsquelle 16 als zweites Steuerpotential durch Verbinden des Treiberausgangs 21 mit dem Steuerpotentialeingang 15 an den Treiberausgang 21 angelegt wird. Wenn umgekehrt das Bezugspotential an dem ersten Steuerpotentialeingang 14 als erstes Steuerpotential an den Treiberausgang 21 angelegt wird, sperrt die Diode 24. Der Verzögerungswiderstand 22 ist entsprechend nur beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters 1 wirksam. Der ohne Diode parallel geschaltete Verzögerungswiderstand 23 wirkt sich hingegen sowohl beim Ausschalten als auch beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters 1 aus. Mit den Verzögerungswiderständen 22 und 23 werden die Geschwindigkeiten bestimmt, mit denen sich die elektrischen Potentiale an dem Steueranschluss 3 und dem gesteuerten Anschluss 5 des Leistungshalbleiterschalters 1 infolge des Umschaltens des Treiberausgangs 21 zwischen dem ersten Steuerpotentialeingang 14 und dem zweiten Steuerpotentialeingang 15 ändern. Diese Geschwindigkeiten bestimmen die Dauer und die elektromagnetische Verträglichkeit des Schaltvorgangs des Leistungshalbleiterschalters 1.
Ein Signaleingang 25 eines Klemmschalters, der von dem Hilfshalbleiterschalter 6 zusammen mit dem Signalinverter 10 gebildet wird, ist an die Verbindung zwischen dem Treiberausgang 21 und dem Steuerausgang 13 von dem Treiberbaustein 11 aus gesehen hinter der Diode 24 und vor dem Verzögerungswiderstand 22 angeschlossen. Das zweite Steuerpotential von der Steuerspannungsquelle 16 liegt daher über die leitende Diode 24 unmittelbar an dem Signalinverter 10 an. Das Bezugspotential des ersten Steuerpotentialeingangs 14 wird hingegen von der Diode 24 nicht zu dem Signaleingang 25 durchgelassen. Vielmehr ändert sich das an dem Signaleingang 25 anliegende elektrische Potential erst mit dem elektrischen Potential des Steueranschlusses 3 des Leistungshalbleiterschalters 1, weil der Signaleingang 25 beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters 1 effektiv nicht an den Treiberausgang 21, sondern an den Steuerausgang 13 angeschlossen ist. Der seinerseits an den ersten Steuerpotentialeingang 14 und den zweiten Steuerpotentialeingang 15 angeschlossene Signalinverter 10 steuert den Hilfshalbleiterschalter 6 umgekehrt zu dem an dem Signaleingang 25 anliegenden elektrischen Potential an. Das heißt, wenn das zweite Steuerpotential von der Steuerspannungsquelle 16 über die Diode 24 an dem Signaleingang 25 anliegt, wird der Hilfshalbleiterschalter 6 geöffnet. Dieses Öffnen erfolgt sofort, sodass der Hilfshalbleiterschalter 6 einem Aufbau des zweiten Steuerpotentials an dem Steueranschluss 3 des Leistungshalbleiterschalters 1 über die Verzögerungswiderstände 22 und 23, um den Leistungshalbleiterschalter 1 einzuschalten bzw. zu schließen, nicht entgegen steht. Das Einschalten, d. h. Schließen des Hilfshalbleiterschalters 6 zum Miller-Clamping erfolgt hingegen erst dann, wenn sich an dem Steueranschluss 3 das Bezugspotential von dem ersten Steuerpotentialeingang 14 über den Verzögerungswiderstand 23 bereits im Wesentlichen eingestellt hat und entsprechend der Leistungshalbleiterschalter 1 bereits selbst ausgeschaltet d. h. geöffnet ist, weil sich das Bezugspotential an dem Treiberausgang 21 nicht direkt über die Diode 24, sondern nur indirekt über den Steueranschluss 3 auf den Signaleingang 25 auswirkt.
Auf diese Weise wird mit der Zusatzschaltung 12 der Treiberschaltung 2 ein echtes Miller-Clamping durchgeführt, d. h. der Steueranschluss 3 wird genau dann auf das Bezugspotential geklemmt, wenn es zur Absicherung des ausgeschalteten oder offenen Leistungshalbleiterschalters 1 sinnvoll ist, und ohne den Einschalt- oder Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters 1 zu beeinflussen.
2 zeigt ebenfalls einen erfindungsgemäßen selbstsperrenden Leistungshalbleiterschalter 1 mit der zugehörigen erfindungsgemäßen Treiberschaltung 2. Dabei sind folgende Unterschiede gegenüber 1 vorhanden: Gemäß 2 ist auch der Verzögerungswiderstand 23 innerhalb der Parallelschaltung zu dem Verzögerungswiderstand 22 mit einer Diode 26 in Reihe geschaltet. Die Durchlassrichtung der Diode 26 ist dabei antiparallel zu der Durchlassrichtung der Diode 24 ausgerichtet. Im Ergebnis wirkt der Verzögerungswiderstand 23 nur beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters 1 durch Anlegen des Bezugspotentials von dem ersten Steuerpotentialeingang 14 an den Treiberausgang 21. Darüber hinaus ist in 2 ein möglicher Aufbau des Signalinverters 10 dargestellt. Der Signalinverter 10 umfasst hier einen weiteren Halbleiterschalter 27 in Form eines n-Kanal-MOSFET, an dessen Steueranschluss 28 der Signaleingang 25 angeschlossen ist, dessen Bezugspotentialanschluss 29 an den Bezugspotentialeingang 14 angeschlossen ist und dessen gesteuerter Anschluss 30 an den Steueranschluss 9 des Hilfshalbleiterschalters 6 angeschlossen ist. Weiterhin umfasst der Signalinverter 10 einen Widerstand 31, der zwischen den Steueranschluss 9 des Hilfshalbleiterschalters 6 und den Steuerspannungseingang 15 geschaltet ist. Um einen dauerhaften Strom durch den als Pull-up-Widerstand dienenden Widerstand 31 zu vermeiden, ist der Widerstand 31 mit einem grundsätzlich optionalen zusätzlichen Halbleiterschalter 32, hier einem p-Kanal-MOSFET, in Reihe geschaltet, dessen Steueranschluss 33 mit dem Signaleingang 25 verbunden ist, dessen Bezugspotentialanschluss 34 mit dem Steuerspannungseingang 15 verbunden ist und dessen gesteuerter Anschluss 35 über den Widerstand 31 mit dem Steueranschluss 9 des Hilfshalbleiterschalters 6 verbunden ist.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters 1 und der zugehörigen Treiberschaltung 2 ist folgende Variation gegenüber der Ausführungsform gemäß 1 dargestellt: Der Treiberausgang 21 weist zwei Teilausgänge 36 und 37 auf. Der Teilausgang 36 wird dabei dann mit dem zweiten Steuerpotentialeingang 15 verbunden, wenn der Teilausgang 37 nicht mit dem ersten Steuerpotentialeingang 14 verbunden ist, und umgekehrt. Der Teilausgang 36 ist über den Verzögerungswiderstand 22 und der Teilausgang 37 ist über den Verzögerungswiderstand 23 mit dem Steuerausgang 13 verbunden. So wirkt sich der Verzögerungswiderstand 22 nur beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters 1 und der Verzögerungswiderstand 23 nur beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters 1 aus, was gemäß 2 durch die beiden Dioden 24 und 26 erreicht wird. Der Signaleingang 25 ist unmittelbar, d. h. vor dem Verzögerungswiderstand 22, an den Teilausgang 36 angeschlossen und wird so unmittelbar mit der daran angelegten Steuerspannung beaufschlagt. Das an den Teilausgang 37 angelegte Bezugspotential wirkt sich aber nur über die davon bewirkte Änderung der Spannung an dem Steueranschluss 3 des Leistungshalbleiterschalters 1 auf den Signaleingang 25 aus. Auch insoweit wird dieselbe Funktion wie in 2 erreicht. Ein näherer Aufbau des Signalinverters 10 ist in 3 nicht dargestellt. Er kann demjenigen in 2 entsprechen.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform der Treiberschaltung 2 ist für einen selbstleitenden Leistungshalbleiterschalter 1, hier in Form eines selbstleitenden n-Kanal-JFET, vorgesehen. Der Klemmschalter mit dem Signaleingang 25, dem Signalinverter 10 und dem Hilfshalbleiterschalter 6 ist hier nur schematisch dargestellt. Anders als bei den Ausführungsformen der Treiberschaltung 2 gemäß den bisherigen 1 bis 3 ist der Steuerpotentialeingang 14 hier nicht mit dem Bezugspotentialanschluss 4 des Leistungshalbleiterschalters 1 direkt verbunden, sondern über eine weitere Steuerspannungsquelle 46, die das erste Steuerpotential mit gegenüber dem Bezugspotential an dem Bezugspotentialanschluss 4 negativer Spannung bereitstellt. Der selbstleitende Leistungshalbleiterschalter 1 wird dadurch geöffnet oder ausgeschaltet, dass das negative erste Steuerpotential, das an dem Steuerpotentialeingang 14 anliegt, von dem Treiberbaustein 11 an den Treiberausgang 21 angelegt wird. Von dem Treiberausgang 21 wirkt es sich über den Verzögerungswiderstand 23 und den Steuerausgang 13 auf den Steueranschluss 3 des Leistungshalbleiterschalters 1 aus. Auch das Miller-Clamping mit dem Hilfshalbleiterschalter 6, der über den Inverter 10 angesteuert wird, erfolgt auf das an dem Steuerpotentialeingang 14 anliegende negative Steuerpotential.
5 illustriert eine erfindungsgemäße Wechselrichterbrücke 38, hier konkret vom Typ NPC (Neutral Point Clamped), die aus einem Gleichspannungszwischenkreis 39 gespeist wird und einen Wechselstrom in ein Wechselstromnetz 40 einspeist. Dabei weist der Gleichspannungszwischenkreis hier zwei Zwischenkreiskondensatoren 41 auf, und zwischen einem Ausgang 42 der Wechselrichterbrücke und dem Wechselstromnetz 40 ist eine Netzdrossel 42 vorgesehen. Die Wechselrichterbrüche 38 weist zwei innere Leistungshalbleiterschalter 1 mit hochohmigen Gate- oder Verzögerungswiderständen 22 und 23 und äußere Leistungshalbleiterschalter 47 mit vergleichsweise kleinen Gate- oder Verzögerungswiderständen 45 auf. Mittelpunkte zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern 1 und 47 auf beiden Seiten des Ausgangs 42 sind über Dioden 44 mit dem Mittelpunkt des Gleichspannungszwischenkreises 39 verbunden. Die erfindungsgemäßen Treiberschaltungen 2 sind nur zur Ansteuerung der gegenüber einem parasitären Einschalten über ihre Miller-Kapazitäten empfindlicheren inneren Leistungshalbleiterschalter 1 vorgesehen, wobei sie bis auf den hier nicht vorhandenen zusätzlichen Halbleiterschalter 32 jeweils 2 entsprechen. Für die in 5 außen liegenden Leistungshalbleiterschalter 47, deren Verzögerungswiderstände 45 auf ein schnelleres oder häufigeres Schalten abgestimmt, und somit kleiner sind, umfassen die Treiberschaltungen 2 hingegen keine Hilfshalbleiterschalter 6 zum Miller-Clamping. Die zur Ansteuerung aller Leistungshalbleiterschalter 1 und 47 der Wechselrichterbrücke 38 gemäß 5 verwendeten Treiberbausteine 11 sind identisch. Es handelt sich um einfache Treiberbausteine 11 ohne weitere, nicht benötigte Zusatzfunktionen. Die Zusatzfunktion des Miller-Clamping wird durch die erfindungsgemäße Zusatzschaltung 12 nur bei denjenigen Leistungshalbleiterschaltern 1 realisiert, bei denen sie benötigt wird.
Bezugszeichenliste

1: Leistungshalbleiterschalter
2: Treiberschaltung
3: Steueranschluss
4: Bezugspotentialanschluss
5: gesteuerter Anschluss
6: Hilfshalbleiterschalter
7: gesteuerter Anschluss
8: Bezugspotentialanschluss
9: Steueranschluss
10: Signalinverter
11: Treiberbaustein
12: Zusatzschaltung
13: Steuerausgang
14: erster Steuerpotentialeingang
15: zweiter Steuerpotentialeingang
16: Steuerspannungsquelle
17: Eingang
18: Eingang
19: Eingang
20: Eingang
21: Treiberausgang
22: Verzögerungswiderstand
23: Verzögerungswiderstand
24: Diode
25: Signaleingang
26: Diode
27: Halbleiterschalter
28: Steueranschluss
29: Bezugspotentialanschluss
30: gesteuerter Anschluss
31: Widerstand
32: Halbleiterschalter
33: Steueranschluss
34: Bezugspotentialanschluss
35: gesteuerter Anschluss
36: Teilausgang
37: Teilausgang
38: Wechselrichterbrücke
39: Gleichspannungszwischenkreis
40: Wechselstromnetz
41: Zwischenkreiskondensator
42: Ausgang
43: Netzdrossel
44: Diode
45: Verzögerungswiderstand
46: Steuerspannungsquelle
47: Leistungshalbleiterschalter

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

KR 10-2009-0044935 [0009]
US 7660094 B2 [0010]

Claims

Treiberschaltung (2) für einen Leistungshalbleiterschalter (1) mit einem Steueranschluss (3), wobei die Treiberschaltung (2) aufweist: – einen mit dem Steueranschluss (3) zu verbindenden Steuerausgang (13), – einen ersten Steuerpotentialeingang (14) für ein erstes Steuerpotential, – einen zweiten Steuerpotentialeingang (15) für ein zweites Steuerpotential, – einen Treiberbaustein (11), der einen mit dem Steuerausgang (13) verbundenen Treiberausgang (21) aufweist und der den Treiberausgang (21) wechselweise zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) mit dem ersten Steuerpotentialeingang (14) und zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) mit dem zweiten Steuerpotentialeingang (15) verbindet, – mindestens einen zwischen dem Treiberausgang (21) und dem Steuerausgang (13) wirksamen Verzögerungswiderstand (22, 23) für das an dem Treiberausgang (21) anliegende erste und/oder zweite Steuerpotential und – einen Klemmschalter, der einen zwischen den Steuerausgang (13) und einen Klemmpotentialeingang geschalteten Hilfshalbleiterschalter (6) und einen Signaleingang (25) aufweist, wobei der Hilfshalbleiterschalter (6) durch Anlegen des ersten Steuerpotentials an den Signaleingang (25) eingeschaltet und durch Anlegen des zweiten Steuerpotentials an den Signaleingang (25) ausgeschaltet wird, und – wobei der Signaleingang (25) des Klemmschalters so an den Treiberausgang (21) angeschlossen ist, dass sich das beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) an dem Treiberausgang (21) anliegende zweite Steuerpotential unter Umgehung des mindestens einen Verzögerungswiderstands (22, 23) auf den Signaleingang (25) auswirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Signaleingang (25) des Klemmschalters so an den Treiberausgang (21) angeschlossen ist, dass sich das beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) an dem Treiberausgang (21) anliegende erste Steuerpotential über den mindestens einen Verzögerungswiderstand (22, 23) auf den Signaleingang (25) auswirkt.
Treiberschaltung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signaleingang (25) des Klemmschalters so an den Treiberausgang (21) angeschlossen ist, dass sich das beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) an dem Treiberausgang (21) anliegende erste Steuerpotential über den Steuerausgang (13) auf den Signaleingang (25) auswirkt.
Treiberschaltung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmschalter eine Schwellwertschaltung aufweist, die den Hilfshalbleiterschalter (6) einschaltet, wenn eine an dem Signaleingang (25) gegenüber einem Referenzpotential anliegende Spannung einen Schwellwert erreicht.
Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmschalter einen weiteren Halbleiterschalter (27) zur Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters (6) aufweist, wobei der weitere Halbleiterschalter (27) eine selbe Polarität wie der Leistungshalbleiterschalter (1) und einen Steueranschluss (28) aufweist, der direkt mit dem Signaleingang (25) des Klemmschalters verbunden ist.
Treiberschaltung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Halbleiterschalter (27) selbstsperrend ist.
Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiterschalter (1) selbstsperrend ist.
Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfshalbleiterschalter (6) selbstsperrend ist und/oder dass der Hilfshalbleiterschalter (6) eine gleiche Polarität wie der Leistungshalbleiterschalter (1) aufweist.
Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmpotentialeingang der erste Steuerpotentialeingang (14) ist oder der Klemmpotentialeingang über eine Spannungsquelle an den ersten Steuerpotentialeingang (14) angeschlossen ist.
Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmschalter einen Signalinverter (10) für eine an dem Signaleingang (25) gegenüber einem Bezugspotential anliegende Spannung aufweist.
Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signaleingang (25) des Klemmschalters über eine zwischen den Treiberausgang (21) und den Steuerausgang (13) geschaltete und beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) durch das an dem Treiberausgang (21) anliegende zweite Steuerpotential leitend werdende Diode (24) an den Treiberausgang (21) angeschlossen ist.
Treiberschaltung (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Treiberausgang (21) und dem Steuerausgang (13) eine Reihenschaltung aus der Diode (24) und einem weiteren Verzögerungswiderstand (22) vorgesehen ist, wobei der Signaleingang (25) des Klemmschalters von dem Treiberausgang (21) aus gesehen hinter der Diode (24) und vor dem weiteren Verzögerungswiderstand (22) angeschlossen ist, und wobei der Reihenschaltung aus der Diode (24) und dem weiteren Verzögerungswiderstand (22) der mindestens eine Verzögerungswiderstand (23) zwischen dem Treiberausgang (21) und dem Steuerausgang (13) parallel geschaltet ist.
Treiberschaltung (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verzögerungswiderstand (23) zwischen dem Treiberausgang (21) und dem Steuerausgang (13) mit einer weiteren, beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) durch das an dem Treiberausgang (21) anliegende erste Steuerpotential leitend werdenden Diode (26) in Reihe geschaltet ist.
Treiberschaltung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiberausgang (21) zwei Teilausgänge (36, 37) aufweist, von denen der Treiberbaustein (11) den einen (37) zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) mit dem ersten Steuerpotentialeingang (14) und den anderen (36) zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters (1) mit dem zweiten Steuerpotentialeingang (15) verbindet, und dass der Signaleingang (25) des Klemmschalters direkt an den anderen Teilausgang (36) angeschlossen ist.
Treiberschaltung (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verzögerungswiderstand (23) zwischen den einen Teilausgang (37) und den Steuerausgang (13) und ein weiterer Verzögerungswiderstand (22) zwischen den anderen Teilausgang (36) und den Steuerausgang (13) geschaltet ist.
Treiberschaltung (2) nach Anspruch 4 und Anspruch 9 oder einem der darauf rückbezogenen Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalinverter (10) den weiteren Halbleiterschalter (27) zwischen dem ersten Steuerpotentialeingang (14) und einem Steueranschluss (9) des Hilfshalbleiterschalters (6) sowie einen Widerstand (31) zwischen dem Steueranschluss (9) des Hilfshalbleiterschalters (6) und dem zweiten Steuerpotentialeingang (15) aufweist.
Treiberschaltung (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (31) zwischen dem Steueranschluss (9) des Hilfshalbleiterschalters (6) und dem zweiten Steuerpotentialeingang (15) mit einem zusätzlichen Halbleiterschalter (32) mit entgegengesetzter Polarität zu derjenigen des weiteren Halbleiterschalters (27) in Reihe geschaltet ist, wobei der Steueranschluss (33) des zusätzlichen Halbleiterschalters (32) an den Signaleingang (25) des Klemmschalters angeschlossen ist.
Leistungshalbleiterschalter (1) mit einem Steueranschluss (3) und einer Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Wechselrichterbrücke (38) mit mehreren Leistungshalbleiterschaltern (1, 47), dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen der Leistungshalbleiterschalter (1), die über größere Verzögerungswiderstände (22, 23) angesteuert werden, jeweils eine Treiberschaltung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweisen, während Treiberschaltungen der Leistungshalbleiterschalter (47), die ohne oder über kleinere Verzögerungswiderstände (45) angesteuert werden, keine Klemmschalter aufweisen.