-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ansteuerung eines Halbleiter-Schalters, insbesondere eines IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode).
-
Leistungselektronische Halbleiter-Schalter (z.B. IGBTs oder MOSFETs) in Motorumrichtern werden mit Gate-Treibern mit einer positiven Spannung am Gate (d.h. einer positiven Gate-Emitter Spannung bzw. einer positiven Gate-Source Spannung) ein- und mit einer 0V oder negativen Spannung am Gate ausgeschaltet. Zur Begrenzung der Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit werden zwischen Treiber und Gate sog. Gate-Widerstände eingesetzt. Dabei kann die Ausschaltgeschwindigkeit so begrenzt werden, dass unter bestimmten vordefinierten Bedingungen eine maximale Sperrspannung des Schalters nicht überschritten wird. Bei der Ermittlung der Ausschaltgeschwindigkeit ist die durch parasitäre Induktivitäten und durch die Veränderung des Schalter-Stroms di/dt verursachte Schaltüberspannung am Kollektor bzw. an der Source des Schalter zu beachten.
-
Durch die Voreinstellung der Ausschaltgeschwindigkeit durch einen vordefinierten Gate-Widerstand kann die Ausschaltgeschwindigkeit eines Schalters relativ klein gewählt werden, um auch bei kritischen Bedingungen weiterhin gewährleisten zu können, dass die maximale Sperrspannung des Schalters nicht überschritten wird. Die Verwendung von geringen Ausschaltgeschwindigkeiten führt jedoch zu erhöhten Schaltverlusten, wodurch die Effizienz eines Umrichters reduziert wird.
-
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die Schaltverluste eines Halbleiter-Schalters zu reduzieren. Insbesondere befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, die Ausschaltgeschwindigkeit eines Schalters in effizienter Weise anzupassen, um Schaltverluste zu reduzieren und um dennoch einen sicheren Betrieb des Schalters zu gewährleisten. Desweiteren befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, eine kostengünstige Schaltung bereitzustellen, durch welche die Ausschaltgeschwindigkeit eines Schalters entsprechend angepasst werden kann.
-
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Gemäß einem Aspekt wird eine Treiber-Einheit zur Steuerung eines Halbleiter-Schalters beschrieben. Der Schalter weist einen ersten Port und einen zweiten Port auf, die durch den Schalter in Abhängigkeit von einem Steuersignal an einem Steuer-Port des Schalters periodisch und/oder abwechselnd verbunden bzw. getrennt werden können. Dabei kann der Schalter insbesondere einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) umfassen, der erste Port kann einen Kollektor des IGBT umfassen, der zweite Port kann einen Emitter des IGBT umfassen, und der Steuer-Port kann ein Gate des IGBT umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Schalter einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) umfassen, der erste Port kann ein Drain des MOSFET umfassen, der zweite Port kann eine Source des MOSFET umfassen, und der Steuer-Port kann ein Gate des MOSFET umfassen.
-
Der Halbleiter-Schalter kann insbesondere in einer Halbbrücke (als High-Side Schalter oder als Low-Side Schalter) verwendet werden. Mittels des Steuersignals kann der Halbleiter-Schalter abwechselnd geschlossen werden, um den ersten und zweiten Port zu verbinden, bzw. geöffnet werden, um den ersten und zweiten Port zu trennen. Das Steuersignal kann zu diesem Zweck ein PWM (Pulsweitenmoduliertes) Signal umfassen. Der Halbleiter-Schalter kann sich somit abwechselnd in einer geöffneten Periode (wenn der Schalter offen ist) und in einer geschlossenen Periode (wenn der Schalter geschlossen ist) befinden. Durch die zeitliche Länge der geöffneten Periode und der geschlossenen Periode kann eine mittlere Spannung am Mittelpunkt der Halbbrücke eingestellt werden. Durch Änderung der Pulsweite kann so durch die Halbbrücke ein Wechselstrom mit einer bestimmten Frequenz erzeugt werden (z.B. anhand von 10 bis 1000 von geöffneten / geschlossenen Perioden des Schalters).
-
Die Treiber-Einheit ist eingerichtet, ein Strom-Messsignal bzgl. eines Stroms zwischen dem ersten und dem zweiten Port des Schalters zu ermitteln (insbesondere während der geschlossenen Periode bzw. bei einem Übergang von der geschlossenen Periode zu der geöffneten Periode). Das Strom-Messsignal kann z.B. mittels eines Widerstands (z.B. am zweiten Port des Schalters) erfasst werden. Das Strom-Messsignal kann ein analoges Messsignal sein. Alternativ oder ergänzend kann das Strom-Messsignal mittels eines (z.B. im Schalter integrierten) Stromspiegels erfasst werden. Der Schalter kann eine Vielzahl von parallelen Schalter-Zellen umfassen. Beispielsweise kann ein IGBT mehrere 100 parallel-geschaltete IGBT-Zellen umfassen. Ein oder mehrere der Schalter-Zellen können für Messzwecke verwendet werden. Insbesondere kann der Emitter von ein oder mehreren IGBT-Zellen auf einen Mess-Pin aus dem IGBT herausgeführt werden. Die ein oder mehreren IGBT-Zellen bilden so einen Stromspiegel, der sich zum Messen durch den Treiber verwenden lässt. Der Strom am Mess-Pin entspricht dabei typischerweise exakt einem bestimmten Verhältnis zum Kollektorstrom , z.B. einem Verhältnis 1:10000. IGBTs mit einer solchen Struktur werden auch als „intelligente“ IGBTs bezeichnet.
-
Die Treiber-Einheit ist weiter eingerichtet, ein (z.B. analoges) Temperatur-Messsignal bzgl. einer Temperatur des Schalters (insbesondere bzgl. einer Temperatur eines Sperrkanals des Schalters) zu ermitteln, und in Abhängigkeit von dem Temperatur-Messsignal, eine maximale Sperrspannung des Schalters zu ermitteln. Dazu kann z.B. ein vordefiniertes Kennfeld verwendet werden, welches einen Zusammenhang zwischen der Temperatur des Schalters und der maximalen Sperrspannung wiedergibt. Dabei kann es sich bei der Sperrspannung um die Sperrspannung einer isolierenden Diode handeln. Die isolierende Diode kann Teil des Schalters sein. Insbesondere kann die isolierende Diode auf eine Struktur des Schalters (insbesondere auf eine IGBT-Struktur) eingebracht worden sein. Die Treiber-Einheit kann eingerichtet sein, ein analoges Signal bzgl. der maximalen Sperrspannung zu erzeugen (ggf. direkt aus einem analogen Temperatur-Messsignal, d.h. ohne Konvertierung des analogen Temperatur-Messsignals in ein digitales Signal).
-
Die Treiber-Einheit ist weiter eingerichtet, auf Basis der maximalen Sperrspannung, auf Basis des Strom-Messsignals und auf Basis einer Schaltgeschwindigkeit des Schalters einen Regelfehler zu ermitteln. Bei der Schaltgeschwindigkeit kann es sich insbesondere um eine Abschaltgeschwindigkeit für den Übergang von der geschlossenen Periode zu der geöffneten Periode handeln. Die Treiber-Einheit kann z.B. einen Reglerkern umfassen, der eingerichtet ist, auf Basis eines analogen Signals bzgl. der maximalen Sperrspannung, auf Basis eines analogen Strom-Messsignals und auf Basis eines analogen Signals bzgl. der aktuellen Schaltgeschwindigkeit des Schalters direkt (d.h. ohne Konvertierung in digitale Signale) einen analogen Regelfehler zu ermitteln.
-
Desweiteren ist die Treiber-Einheit eingerichtet, die Schaltgeschwindigkeit des Schalters mittels eines Reglers in Abhängigkeit von dem Regelfehler anzupassen. Die Treiber-Einheit kann somit eine Regelschleife umfassen, bei der die Schaltgeschwindigkeit zurückgeführt wird, um einen Regelfehler zu ermitteln. Desweiteren kann die Treiber-Einheit einen Regler (z.B. einen PI-Regler mit einem proportionalen und einen integralen Anteil) umfassen, der eingerichtet ist, die Schaltgeschwindigkeit des Halbleiter-Schalters in Abhängigkeit von dem Regelfehler anzupassen. Die Ermittlung des Regelfehlers und/oder die Anpassung der Schaltgeschwindigkeit können dabei direkt anhand von analogen Signalen erfolgen. So kann eine kosteneffiziente Treiber-Einheit für die Anpassung der Schaltgeschwindigkeit bereitgestellt werden. Insbesondere können so in kosteneffizienter Weise Schaltverluste des Halbleiter-Schalters reduziert werden, und es kann gleichzeitig gewährleistet werden, dass eine Sperrspannung des Halbleiter-Schalters nicht überschritten wird.
-
Die Treiber-Einheit kann weiter eingerichtet sein, ein Spannungs-Messsignal bzgl. einer Spannung an dem ersten Port des Schalters zu ermitteln. Insbesondere kann die Treiber-Einheit einen Spannungsteiler umfassen, der mit dem ersten Port des Schalters gekoppelt ist, um das Spannungs-Messsignal zu ermitteln. Der Regelfehler kann dann auch auf Basis des (ggf. analogen) Spannungs-Messsignals ermittelt werden.
-
Zur Ermittlung des Regelfehlers kann insbesondere aus dem Strom-Messsignal ein geschätztes Überspannungssignal ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann das (ggf. analoge) Strom-Messsignal mit einem Faktor verstärkt bzw. gedämpft werden, um ein ggf. analoges geschätztes Überspannungssignal zu ermitteln. Der Verstärkungs-/Dämpfungs-Faktor hängt typischerweise von einer Induktivität einer Schaltung ab, in der sich der Halbleiter-Schalter befindet. Das geschätzte Überspannungssignal kann von der maximalen Sperrspannung (insbesondere von dem analogen Signal bzgl. der maximalen Sperrspannung) abgezogen werden, um den Regelfehler zu ermitteln. Desweiteren kann das (ggf. analoge) Spannungs-Messsignal von der maximalen Sperrspannung (insbesondere von dem analogen Signal bzgl. der maximalen Sperrspannung) abgezogen werden, um den Regelfehler zu ermitteln.
-
Die Treiber-Einheit kann weiter eingerichtet sein, ein (ggf. analoges) Peak-Messsignal bzgl. eines Peaks einer Spannung an dem ersten Port des Schalters zu ermitteln. Das Peak-Messsignal kann einen Maximalwert der Spannung an dem ersten Port des Schalters anzeigen. Die Treiber-Einheit kann einen RC-Kreis umfassen, der eingerichtet ist, das Peak-Messsignal auf Basis des Spannungs-Messsignals bzgl. der Spannung an dem ersten Port des Schalters zu ermitteln und (zumindest vorübergehend zu speichern). Dabei kann eine Zeitkonstante des RC-Kreises von der zeitlichen Länge einer geschlossenen Periode des Halbleiter-Schalters abhängen. Insbesondere kann die Zeitkonstante des RC-Kreises derart gewählt werden, dass das Peak-Messsignal auch nach Ablauf einer geschlossenen Periode des Halbleiter-Schalters einen verlässlichen Indikator für die Überspannung an dem ersten Port zum Zeitpunkt der Einleitung der geschlossenen Periode bereitstellt.
-
Die Treiber-Einheit kann weiter eingerichtet sein, auf Basis der maximalen Sperrspannung des Schalters und auf Basis des Peak-Messsignals, ein Abstandssignal zu ermitteln. Das ggf. analoge Abstandssignal kann dabei insbesondere direkt auf Basis einer Differenz des ggf. analogen Signals bzgl. der maximalen Sperrspannung und des ggf. analogen Peak-Messsignals ermittelt werden. Die Schaltgeschwindigkeit des Schalters kann dann auch in Abhängigkeit von dem Abstandssignal angepasst werden. So können in effizienter Weise Überschwinger des Reglers (und damit verbundene Überschreitungen der Sperrspannung) vermieden werden.
-
Die Treiber-Einheit kann einen Begrenzer umfassen, der eingerichtet ist, eine, mittels des Reglers angepasste, vorläufige Schaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Abstandssignal zu begrenzen, um die Schaltgeschwindigkeit zu ermitteln. Mit anderen Worten, die Schaltgeschwindigkeit des Halbleiter-Schalters kann in Abhängigkeit von dem Abstandssignal begrenzt werden.
-
Der Begrenzer kann eingerichtet sein, ein Feedback-Signal zu erzeugen, wobei das Feedback-Signal anzeigt, wie und/oder ob die Schaltgeschwindigkeit durch den Begrenzer begrenzt wurde. Der Regler kann dann eingerichtet sein, die Schaltgeschwindigkeit und/oder eine Funktionsweise des Reglers in Abhängigkeit von dem Feedback-Signal anzupassen. Beispielsweise kann ein I-Anteil des Reglers begrenzt werden, wenn das Feedback-Signal anzeigt, dass die von dem Regler ermittelte vorläufige Schaltgeschwindigkeit begrenzt wird.
-
Die Treiber-Einheit kann eingerichtet sein, das Steuersignal in Abhängigkeit von der angepassten Schaltgeschwindigkeit anzupassen. Beispielsweise kann eine Flankensteilheit von Pulsen des Steuersignals angepasst werden. Alternativ oder ergänzend kann eine Amplitude von Pulsen des Steuersignals angepasst werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Widerstand am Steuer-Port des Schalters in Abhängigkeit von der angepassten Schaltgeschwindigkeit angepasst werden. Die Treiber-Einheit kann somit eingerichtet sein, den Halbleiter-Schalter gemäß der ermittelten Schaltgeschwindigkeit zu schalten.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Umrichter beschrieben (z.B. ein Umrichter für den Betrieb eines Elektromotors). Der Umrichter kann ein oder mehrere der in diesem Dokument beschriebenen Treiber-Einheiten umfassen, um ein oder mehrere Halbleiter-Schalter zu steuern.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das einen Elektromotor und einen in diesem Dokument beschriebenen Umrichter umfasst.
-
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
-
1 einen beispielhaften Treiber für einen Halbleiter-Schalter;
-
2 einen weiteren beispielhaften Treiber für einen Halbleiter-Schalter; und
-
3 einen beispielhaften Schaltkreis zur Einstellung der Schaltgeschwindigkeit eines Halbleiter-Schalters.
-
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument damit, einen kosteneffizienten Treiber für einen Halbleiter-Schalter bereitzustellen, der eingerichtet ist, Schaltverluste des Schalters zu reduzieren (ggf. zu minimieren) und sicherzustellen, dass bei dem Abschaltvorgang eine maximale Sperrspannung des Schalters nicht überschritten wird.
-
Halbleiter-Schalter werden z.B. als Low-Side oder High-Side Schalter in einer Halbbrücke verwendet. Durch komplementäres Schalten der Schalter kann ein Umrichten von einem Gleichstrom in einen Wechselstrom erfolgen. Beispielsweise kann durch einen solchen Umrichter ein Wechselstrom zum Antrieb eines Elektromotors bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch die Verwendung von drei zueinander phasenverschobenen Halbbrücken ein Drehstrom erzeugt werden.
-
1 zeigt einen beispielhaften Halbleiter-Schalter 100 (insbesondere einen IGBT). Der Halbleiter-Schalter 100 kann durch eine Treiber-Einheit 120 angesteuert werden. Die Treiber-Einheit 120, insbesondere ein in der Treiber-Einheit 120 enthaltener Treiber 121 kann eingerichtet sein, eine Gate-Spannung 115 für ein Gate (bzw. für einen Kontroll-Pin) des Schalter 100 zu generieren, durch die der Schalter ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. Die Schaltgeschwindigkeit des Schalters 100 kann dabei durch einen Gate-Widerstand 103 beeinflusst werden. Durch eine Erhöhung des Gate-Widerstands kann eine Zeitkonstante (welche sich aus dem Wert einer Gate-Kapazität und dem Gate-Widerstand ergibt) erhöht und damit die Einschalt- bzw. Ausschaltgeschwindigkeit reduziert werden. Die Gate-Spannung kann auf Basis einer positiven Versorgungsspannung VCC und/oder auf Basis einer (ggf. negativen) Versorgungsspannung VEE generiert werden.
-
In 1 ist auch die Inversdiode (bzw. Body-Diode) 102 des Schalters 100 (im Falle eines IGBTs oder einer MOSFETS) eingezeichnet. Desweiteren ist in dem dargestellten Beispiel parallel zu dem Schalter 100 eine Freilaufdiode 101 vorgesehen, um ein Leitung von Emitter zu Kollektor zu ermöglichen.
-
Bei einem Abschaltvorgang des Schalters 100 kann es aufgrund von einer parasitären Induktivität in der Schaltung, in der sich der Schalter 100 befindet, und aufgrund der Veränderung des Stroms 111 durch den Schalter 100 (in 1 als Strom CS bezeichnet) zu einer Überspannung d.h. zu einer Erhöhung der Kollektor- bzw. Drain-Spannung 114 kommen. Dies kann dazu führen, dass der Spannungsabfall an dem Schalter 100 (d.h. die Potentialdifferenz zwischen Spannung 114 und Masse 112) eine maximale Sperrspannung des Schalters 100 überschreitet und so den Schalter 100 schädigt.
-
Um eine derartige Situation zu vermeiden, kann die Ausschaltgeschwindigkeit des Schalters 100 derart begrenzt werden, dass bei einer angenommenen minimalen Schaltertemperatur 113 (bei der die Sperrspannung typischerweise am niedrigsten ist) und bei einer angenommenen maximalen Zwischenkreisspannung 114 (vor Auftreten der Überspannung) die vordefinierte maximale Sperrspannung des Schalters 100 nicht überschritten wird. Aufgrund dieser „Worst Case“ Betrachtungen ist die verwendete Ausschaltgeschwindigkeit typischerweise geringer als die eigentlich mögliche Ausschaltgeschwindigkeit. Dadurch werden die Schaltverluste des Schalters 100 unnötig erhöht.
-
2 zeigt eine Treiber-Einheit 220, die eingerichtet ist, eine Vielzahl von Messsignalen 211, 212, 113, 111, 112 bzgl. eines Zustands des Schalters 100 zu ermitteln bzw. zu erfassen. Die Messsignale umfassen bzw. zeigen an z.B.
- • eine aktuelle Temperatur TS 113 (insbesondere eine Temperatur der Sperrschicht) des Schalter 100;
- • einen aktuellen Strom CS 111 durch den Schalter 100;
- • das Potential 112 an einem Emitter bzw. an einer Source des Schalters 100 (z.B. das Massepotential GND);
- • eine Spannung Udc 211, 114 an dem Kollektor bzw. dem Drain des Schalters 100; die Spannung Udc 211 kann z.B. mittels eines Spannungsteilers mit den Widerständen 201, 221 ermittelt werden;
- • eine Peak-Spannung Up 212 an dem Kollektor bzw. an dem Drain des Schalters 100; die Peak-Spannung Up 212 kann z.B. aus der Spannung Udc 211 mittels eines RC-Glieds 222 mit einer relativ niedrigen Zeitkonstante erfasst werden.
-
Die Treiber-Einheit 220 kann eingerichtet sein, auf Basis der ein oder mehreren Messsignale 211, 212, 113, 111, 112 eine Ausschaltgeschwindigkeit 213 für den Schalter 100 zu ermitteln. Dies kann z.B. in der Ermittlungs-Einheit 223 (z.B. in einem analogen Schaltkreis wie in 3 dargestellt) erfolgen. Desweiteren kann die Treiber-Einheit 220 ein oder mehrere Maßnahmen ausführen, um den Schalter 100 gemäß der ermittelten Ausschaltgeschwindigkeit 213 abzuschalten. Die ein oder mehreren Maßnahmen können umfassen,
- • eine Anpassung der Gate-Spannung 115 in Abhängigkeit von der ermittelten Ausschaltgeschwindigkeit 213 (z.B. die Flankensteilheit der Gate-Spannung 115 und/oder die Höhe der Gate-Spannung 115); und/oder
- • eine Anpassung des Gate-Widerstands 103 in Abhängigkeit von der ermittelten Ausschaltgeschwindigkeit 213.
-
Die Treiber-Einheit 220 kann die Ausschaltgeschwindigkeit 213 insbesondere in Abhängigkeit von der gemessenen aktuellen Temperatur 113 und/oder in Abhängigkeit von der gemessenen aktuellen Spannung 211 an Kollektor / Drain des Schalters 100 ermitteln. 3 zeigt eine beispielhafte Struktur (d.h. insbesondere ein beispielhafter Schaltkreis) zur Ermittlung der Ausschaltgeschwindigkeit 213. Die in 3 dargestellte Struktur kann z.B. durch die Ermittlungs-Einheit 223 implementiert werden.
-
Aus Basis der gemessenen Temperatur 113 kann mittels einer vordefinierten Temperatur-Kennlinie 301 des Schalters 100 eine (temperaturabhängige) maximale Sperrspannung 311 des Schalters 100 ermittelt werden. Mittels der Einheit 306 kann auf Basis des gemessenen Stroms 111 durch den Schalter 100 eine geschätzte Überspannung (bzw. ein geschätztes Überspannungssignal) 314 ermittelt werden. Die geschätzte Überspannung 314 hängt außerdem von der zu ermittelnden Ausschaltgeschwindigkeit 213 ab. Desweiteren kann die gemessene Spannung 211 an dem Kollektor/Drain des Schalters 100 berücksichtigt werden. Die Ausschaltgeschwindigkeit 213 sollte derart gewählt werden, dass die Summe aus der gemessenen Spannung 211 an dem Kollektor/Drain und der geschätzten Überspannung 314 (für die jeweilige Ausschaltgeschwindigkeit 213) die maximale Sperrspannung 311 (für die gemessene Temperatur 113) nicht überschreitet. Anhand dieser Bedingung kann die maximal mögliche Ausschaltgeschwindigkeit 213, z.B. analytisch, ermittelt werden.
-
In 3 wird ein Regelkreis verwendet, um die Ausschaltgeschwindigkeit 213 automatisch zu ermitteln und an die aktuellen Bedingungen anzupassen. Dazu wird die aktuell verwendete Ausschaltgeschwindigkeit 213 rückgeführt und dazu verwendet, in der Berechnungseinheit 306 die geschätzte Überspannung 314 zu ermitteln. Dabei kann ein vordefinierter Wert der parasitären Induktivität der Schaltung berücksichtigt werden, in welche der Schalter 100 betrieben wird. Mittels des Reglerkerns 303 wird ein Regelfehler 312 ermittelt, der sich aus der maximalen Sperrspannung 301 minus der Summe aus gemessener Spannung 211 an dem Kollektor/Drain und der geschätzten Überspannung 314 ergibt.
-
Der Regelfehler 312 kann in einem Regler 304 (z.B. einen PI-Regler) dazu verwendet werden, die Ausschaltgeschwindigkeit 315, 213 zu ermitteln. Dabei kann ein Begrenzer 305 verwendet werden, um die von dem Regler 304 ermittelte Ausschaltgeschwindigkeit 315 zu begrenzen, und um so die von der Treiber-Einheit 220 zu verwendende Ausschaltgeschwindigkeit 213 zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann die gemessene Peak-Spannung 212 mit der maximalen Sperrspannung 311 verglichen werden (in der Vergleichseinheit 302), um ein Puffersignal bzw. ein Abstandssignal 313 zu generieren, das anzeigt, welcher Puffer bzw. welche Marge/Abstand noch zwischen der maximalen Sperrspannung und der aktuell erreichten Peak-Spannung 212 besteht. Die Ausschaltgeschwindigkeit 213 kann in Abhängigkeit von dem Puffersignal 313 begrenzt werden, um zuverlässig eine Schädigung des Schalters 100 zu verhindern.
-
In Kombination mit dem Begrenzer 305 können ein oder mehrere Anti-Wind-Up Maßnahmen vorgesehen werden, um einer fortschreitenden Integration eines I-Anteils des Reglers 304 entgegenzuwirken. Dazu kann ein Feedback-Signal 316 vom Begrenzer 305 an den Regler 304 übermittelt werden, um anzuzeigen, ob die Ausschaltgeschwindigkeit 213 durch den Begrenzer 305 begrenzt wird. Der Regler 304 kann eingerichtet sein, eine Anti-Wind-Up Maßnahme durchzuführen, wenn das Feedback-Signal 316 anzeigt, dass der Begrenzer 305 die Ausschaltgeschwindigkeit 213 begrenzt. Insbesondere kann der Regler 304 eingerichtet sein, in einem solchen Fall den I-Anteil auf einen bestimmten Wert einzufrieren.
-
Somit kann durch die in 3 dargestellte Reglerstruktur in automatischer und effizienter Weise eine für den aktuellen Zustand eines Schalters 100 optimale Abschaltgeschwindigkeit 213 ermittelt werden, durch die bei weiterhin sicherem Betrieb des Schalters 100 die Schaltverluste des Schalters 100 reduziert werden können.
-
Es kann somit die optimale Abschaltgeschwindigkeit 213 des Schalters 100 aufgrund der Umgebungsbedingungen 211, 212, 111, 113 des Schalters 100 direkt durch die Gate-Treiber-Einheit 220 ermittelt und vorgeben werden. Desweiteren kann die Schaltüberspannung (bzw. ein Überspannungssignal) 314 in einer geschlossenen Regelschleife überprüft werden. Zur Anpassung der Abschaltgeschwindigkeit 213 kommen verschiedene Maßnahmen, wie z.B. die Variation der Abschaltspannung 115, die Variation der Flankensteilheit der Gate-Spannung 115, und/oder die Benutzung unterschiedlicher Gate-Widerstände 103 (z.B. Parallelschaltung) etc., verwendet werden.
-
Die in diesem Dokument beschriebene Treiber-Einheit 220 ist eingerichtet, alle erforderlichen Größen 111, 211, 113, 213 zur Bestimmung und Regelung der Schaltgeschwindigkeit 213 des Schalters 100 zu ermitteln. Die Schaltgeschwindigkeit 213 und eine entsprechende Gate-Spannung 115 können direkt von der Treiber-Einheit 220 mittels eines geeigneten Schaltkreises (siehe 3) ermittelt werden, so dass z.B. keine zusätzlichen Bauteile für eine galvanischen Trennung erforderlich sind, um beispielsweise die erforderlichen Messgrößen und/oder berechneten Größen von einem Mikrokontroller auf einen Treiber zu übertragen. Die optimal angepasste Schaltgeschwindigkeit 213 ermöglicht in jeder Situation eine maximale Schalteffizienz bei gleichzeitiger Vermeidung unzulässiger Schaltüberspannungen. Dies hat z.B. bei Verwendung des in diesem Dokument beschriebenen Schaltkreises in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb eine Erhöhung der Reichweite des Fahrzeugs zur Folge.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
