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Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik-Baugruppe zur Verhinderung des parasitären Einschaltens von Leistungsschaltern und ein Verfahren zur Verhinderung des parasitären Einschaltens von Leistungsschaltern bei zu niedriger oder nicht vorhandener Treiberversorgungsspannung unter Anwendung einer solchen Leistungselektronik-Baugruppe. Anwendungsgebiet der Erfindung sind mit Halbleitern elektrische Leistung kommutierende Baugruppen, die über eine Treiberschaltung zur Ansteuerung der Leistungsschalter verfügen, insbesondere Wechselrichter, auch als Inverter bezeichnet, zum Antrieb elektrischer Motoren, im Besonderen für einen elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter.
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Logikschaltungen, zum Beispiel Microcontroller, können die zur Ansteuerung von Leistungsschaltern, zum Beispiel Bipolartransistoren mit isolierter Steueranschluss-Elektrode (IGBT), Transistoren, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), benötigten Ströme und Spannungen nicht direkt bereitstellen. Daher wird in Baugruppen der Leistungselektronik eine ein- oder mehrstufige Treiberschaltung zwischen Logik- und Leistungsschalter eingefügt. Diese Treiberschaltung stellt zum einen die zur Ansteuerung benötigten Ströme und Spannungen bereit, zum anderen ist es Stand der Technik, Schutz- und Sicherheitsfunktionalitäten mit in die Treiberschaltung zu integrieren. Die Treiberschaltungen werden heutzutage meist integriert auf Basis eines integrierten Schaltkreises (IC) umgesetzt.
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Eine häufig in Treiber-ICs anzutreffende Schutz- und Sicherheitsfunktionalität ist die „Miller-Clamp“-Funktion, einer Kurzschlussschaltung, das heißt eine Schaltung, die den Steuereingang (Gate, Basis) und das Bezugsbein (Emitter, Source) des Leistungsschalters kurzschließt. Hierbei wird der Eingang (Gate, Basis) des Leistungsschalters bei Nicht-Ansteuerung desselben vom Treiber aktiv auf ein Potential weit unter der Einschaltschwelle des Leistungsschalters gezogen. Hierdurch wird unter anderem verhindert, dass sich der Leistungsschalter durch ein Aufladen von parasitären Kapazitäten ungewollt einschaltet. Als parasitäre Kapazität ist dabei insbesondere die sogenannte Miller-Kapazität zu nennen, die bei Anwendung eines IGBTs als Leistungsschalter zwischen dem Eingang des Leistungsschalters (Gate) und dem Collector und bei Anwendung eines MOSFETs als Leistungsschalter zwischen dem Eingang des Leistungsschalters (Gate) und Abfluss (Drain) auftritt.
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Die Gefahr des Einschaltens über die parasitären Kapazitäten des Leistungsschalters ist besonders bei Baugruppen mit hohen Schaltfrequenzen und Leistungsschaltern für hohe Ströme und Spannungen gegeben. Stand der Technik ist es, die Miller-Clamp durch einen im Treiber-IC integrierten Schalter auszuführen. Dieser Schalter wird üblicherweise im IC als N-Kanal-Feldeffektransistor (FET) oder als NPN-Transistor ausgeführt.
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Das Durchschalten des Schalters, also die Aktivierung der Miller-Clamp, ist nur dann gegeben, wenn der Transistor im IC mit einer positiven Spannung versorgt wird, da ein n-Kanal-FET beziehungsweise ein npn-Transistor zum Durchschalten eine positive Versorgungsspannung benötigt. Steht dem Treiber-IC keine oder eine für den Betrieb zu geringe Versorgungsspannung zur Verfügung, ist auch die Schutzfunktionalität der Miller-Clamp nicht aktiv. Dieser Fall tritt zum Beispiel immer beim Aufstarten eines Inverters, dessen Treiber für einen oberen Leistungsschalter, den High-Side-Leistungsschalter, über eine „Bootstrapping“-Schaltung versorgt wird, auf. Beim Bootstrapping wird zunächst die Treiberversorgungsspannung für die High-Side-Treiber in einer Halbbrücke durch Schalten eines unteren Leistungsschalters, des Low-Side-Schalters, generiert, wodurch der Inverter zwar schon aktiv betrieben wird, die im Treiber IC integrierte Schutzfunktionalität aufgrund der Unterspannung jedoch noch nicht wirksam ist. Dies kann zur Zerstörung der Leistungsstufe führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leistungselektronik-Baugruppe, umfassend eine Logik, einen Leistungsschalter und eine Treiberstufe bereitzustellen, bei der ein ungewolltes Einschalten des Leistungsschalters auch dann verhindert wird, wenn die Treiberstufe selbst noch nicht oder mit einer für die Schutzfunktionalität unzureichenden Versorgungsspannung versorgt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Leistungselektronik-Baugruppe zur Verhinderung des parasitären Einschaltens von Leistungsschaltern mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Leistungselektronik-Baugruppe zur Verhinderung des parasitären Einschaltens von Leistungsschaltern umfasst eine Logik, einen Leistungsschalter, der einen Steueranschluss als Eingang des Leistungsschalters und ein Bezugsbein aufweist, sowie eine ein- oder mehrstufige Treiberschaltung zur Ansteuerung des Leistungsschalters, die zwischen die Logik und den Leistungsschalter eingefügt ist. Die Treiberschaltung weist eine Ansteuerungseinheit und vorzugsweise eine Sicherheitsfunktionalität in Form einer Kurzschlussschaltung, die bei Nichtansteuerung des Eingangs des Leistungsschalters diesen mit dem Bezugsbein des Leistungsschalters kurzschließt, womit das Potential am Eingang unter die Einschaltschwelle des Leistungsschalters gezogen wird, auf. Erfindungsgemäß ist eine zusätzliche Beschaltungseinrichtung zwischen der Treiberschaltung und dem Leistungsschalter angeordnet, die sicherstellt, dass der Eingang des Leistungsschalters bei nicht anliegender oder zu niedriger Versorgungsspannung für die Treiberschaltung und gegebenenfalls für die Kurzschlussschaltung der Treiberschaltung mit dem Bezugsbein des Leistungsschalters kurzgeschlossen oder mit einem die Entladung gewährleistenden, sicheren Potential verbunden wird, so dass auftretende parasitäre Ladeströme am Eingang des Leistungsschalters abgeleitet werden.
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Konzeptionsgemäß wird durch die zusätzliche Beschaltung zwischen Treiberstufe und Leistungsschalter sichergestellt, dass bei nicht anliegender oder zu niedriger Versorgungsspannung auftretende parasitäre Ladeströme am Eingang des Leistungsschalters abgeleitet werden. Dies kann realisiert werden, indem der Eingang des Leistungsschalters (Gate) mit dem Bezugsbein des Leistungsschalters (Emitter) kurzgeschlossen wird. Es gibt jedoch auch Treiberschaltungen in höheren Leistungsklassen, die auch noch einen negative Versorgungsspannung bereitstellen. Hierbei kann die Ableitung parasitärer Ladeströme realisiert werden, indem der Eingang des Leistungschalters zur Absicherung mit einer negativen Versorgungsspannung verbunden wird.
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Die zusätzliche Beschaltung kann vorteilhafterweise entweder durch einen zusätzlichen selbstleitenden Schalter, zum Beispiel einen PNP-Transistor oder einen p-Kanal-FET, der sich mit Anliegen einer für den Treiber ausreichenden Versorgungsspannung ausschaltet, realisiert werden, oder aber in Zusammenwirkung einer Bootstrapping-Schaltung mit einer Diode aufgebaut werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass die am Markt verfügbaren Treiberschaltungen mit Miller-Clamp-Funktionalität weiter genutzt werden können. Ein parasitäres Einschalten kann jedoch auch bei kritischen Treiberspannungslagen verhindert werden. Der Schaltungs- und Kostenaufwand ist dabei gering. Eine Ergänzung bereits bestehender Leistungsendstufen mit Zusatzbeschaltung ist ebenfalls einfach und kostengünstig zu realisieren.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Leistungselektronik-Baugruppe aus Logik, Treiberschaltung und Leistungsschalter,
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Stand der Technik,
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2: eine schematische Darstellung der Ansteuerung eines Leistungsschalters (IGBT) durch eine Treiberstufe mit eingeschalteter Miller-Clamp, Stand der Technik,
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3: einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) mit den auftretenden parasitären Kapazitäten, Stand der Technik,
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4: ein Leistungselektronik-Baugruppe mit Miller-Clamp-Funktion auf Basis eines n-Kanal-Feldeffektransistors (FET) in der Treiberschaltung, Stand der Technik,
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5: eine Leistungselektronik-Baugruppe mit einer zusätzlichen Beschaltung zwischen Treiberschaltung und Leistungsschalter und
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6: ein Beispiel für eine zusätzliche Beschaltung anhand einer High-Side-Treiberschaltung, versorgt über Bootstrapping, mit im Treiber integrierter Kurzschlussschaltung (Miller-Clamp) und zusätzlicher Diode zur Abbildung einer Miller-Clamp-Funktionalität bei niedriger Treiberversorgungsspannung.
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Die 1 zeigt die Prinzipskizze einer Leistungselektronik-Baugruppe 1, bei der durch eine Logik 2, zum Beispiel einen Microcontroller 2, eine FPGA 2 (Feld-programmierbare Logikgatter-Anordnung) oder einen DSP 2 (digitaler Signalprozessor), eine Ansteuerung einer Leistungsstufe 3 über eine Treiberstufe 4 erfolgt. Logikschaltungen, zum Beispiel Microcontroller, können die zur Ansteuerung von Leistungsschaltern 3, wie Bipolartransistoren mit isolierter Steueranschluss-Elektrode (IGBT) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), benötigten Ströme und Spannungen nicht direkt bereitstellen. Daher wird in Baugruppen der Leistungselektronik eine ein- oder mehrstufige Treiberschaltung 4 zwischen Logik 2 und Leistungsschalter 3 eingefügt, was allgemein aus dem Stand der Technik bekannt und in der 1 schematisch dargestellt ist. Die 2 zeigt eine detailliertere Darstellung der Treiberschaltung 4 der Leistungselektronik-Baugruppe 1. Die Treiberschaltung 4 stellt zum einen mittels einer Ansteuerungseinheit 5 die zur Ansteuerung der zum Schalten des Leistungsschalters 3 benötigten Ströme und Spannungen bereit, zum anderen ist es auch Stand der Technik, Schutz- und Sicherheitsfunktionalitäten mit in die Treiberschaltung zu integrieren. Die Treiberschaltungen 4 werden meist integriert auf Basis eines integrierten Schaltkreises (IC) umgesetzt. Die 2 zeigt entsprechend diesem Stand der Technik schematisch die Ansteuerung der Leistungsstufe 3 durch eine Treiberstufe 4 mit eingeschalteter Kurzschlussschaltung 6, einer sogenannten Miller-Clamp 6, als häufig in Treiber-ICs anzutreffende Schutz- und Sicherheitsfunktionalität. Hierbei wird der Eingang 7 des Leistungsschalters 3, auch als Steueranschluss 7 oder Gate 7 bezeichnet, bei Nicht-Ansteuerung des Leistungsschalters 3 vom Treiber 4 aktiv auf ein Potential weit unter der Einschaltschwelle des Leistungsschalters 3 gezogen. Dies geschieht, indem der Eingang 7 des Leistungsschalters 3 mit dem Bezugsbein 8 (Emitter 8 beim IGBT oder Soure 8 beim MOSFET) des Leistungsschalters 3 kurzschließt. Dadurch wird unter anderem verhindert, dass sich der Leistungsschalter 3 durch ein Aufladen der parasitären Kapazitäten, besonders der sogenannten Miller-Kapazität, ungewollt einschaltet. Die Miller-Kapazität ist die parasitäre Kapazität, die bei Anwendung eines Bipolartransistors mit isolierter Steueranschluss-Elektrode (IGBT) als Leistungsschalter 3 zwischen dem Eingang 7 des Leistungsschalters 3, auch Gate 7 bezeichnet, und dem Collector 9 des Leistungsschalters 3 entsteht. Bei Anwendung eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) als Leistungsschalter 3 ist die Miller-Kapazität die parasitäre Kapazität, die zwischen dem Eingang 7 (Gate 7) des Leistungsschalters und dem Abfluss 9 (Drain 9) des Leistungsschalters 3 entsteht.
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Die 3 zeigt einen Leistungsschalter 3 in Form eines Bipolartransistors mit isolierter Steueranschluss-Elektrode (IGBT) mit einem Steueranschluss 7 beziehungsweise Gate 7 als Eingang 7 des Leistungsschalters 3, mit einem Collector 9 und einem Bezugsbein 8 des Leistungsschalters 3, dem Emitter 8. Dabei sind die auftretenden parasitären Kapazitäten C_GC, C_GE und C_CE schematisch dargestellt. Die Miller-Kapazität C_GC ist, wie bereits erwähnt, die Kapazität, die zwischen dem Gate 7 und dem Collector 9 des Leistungsschalters 3 entsteht. Die weiteren parasitären Kapazitäten entstehen zwischen dem Gate 7 und dem Emitter 8 des Leistungsschalters 3, nämlich die Kapazität C_GE, sowie zwischen dem Collector 9 und dem Emitter 8 in Gestalt der Kapazität C_CE.
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Die 4 zeigt schematisch eine Baugruppe 1 gemäß dem Stand der Technik mit einer Treiberschaltung 4 zwischen einer Logik 2 und einem Leistungsschalter 3, worin eine Miller-Clamp 6 durch einen Schalter 6a ausgeführt ist, der im integrierten Schaltkreis (IC) des Treibers 4 integriert ist. Dieser Schalter 6a wird dabei üblicherweise im IC als N-Kanal-Feldeffekttransistor (FET) oder als NPN-Transistor ausgeführt, wie in 4 schematisch dargestellt. Das Durchschalten des Schalters 6a, also die Aktivierung der Miller-Clamp 6 ist nur dann gegeben, wenn der Schalter 6a beziehungsweise Transistor 6a im IC mit einer positiven Spannung 10 versorgt wird. Steht dem Treiber-IC keine oder eine für den Betrieb zu geringe Treiber-Versorgungsspannung 10 zur Verfügung, ist auch die Schutzfunktionalität der Miller-Clamp 6 nicht aktiv und der Eingang 7 und das Bezugsbein 8 des Leistungsschalters 3 können nicht kurzgeschlossen werden.
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Die 5 zeigt eine ansonsten der 4 entsprechende Leistungselektronik-Baugruppe 1 mit einer zusätzlichen Beschaltung 11 zwischen Treiberschaltung 4 und Leistungsschalter 3. Durch die zusätzliche Beschaltung zwischen Treiberstufe 4 und Leistungsschalter 3 wird sichergestellt, dass der Eingang 7 (Gate 7) des Leistungsschalters 3 bei nicht anliegender oder zu niedriger Versorgungsspannung 10 des Treibers 4 mit dem Bezugsbein 8 (Emitter 8) des Leistungsschalters 3 kurzgeschlossen wird.
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Die 6 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus einer Leistungselektronik-Baugruppe 1 mit einer High-Side-Treiberschaltung 4 mit einer Ansteuerungseinheit 5 mit einem Ausgang 5a für einen High-Side-Leistungsschalter 3, die über eine Bootstrapping-Schaltung 12 mit der Treiber-Versorgungsspannung 10 versorgt wird. Bootstrapping bezeichnet eine elektrische Schaltung, bei der eine Potentialänderung in einem Teil der Schaltung auch schlagartig in einem anderen wirksam wird. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass Kondensatoren bei geringen Strömen ihre Spannung nur wenig ändern. Sie ziehen eine Potentialänderung auf der einen Seite mit auf die andere. Die Bootstrapping-Schaltung 12 umfasst eine Diode 13 und einen Kondensator 14. Die Treiberschaltung 4 umfasst neben der Ansteuerungseinheit 5 für den Leistungsschalter 3 eine Miller-Clamp 6 als Kurzschlussschaltung 6 mit einem integrierten Schalter 6a, die bei Nichtansteuerung des Eingangs 7 des Leistungsschalters 3 den Eingang 7 mit dem Bezugsbein 8 (Emitter 8) des Leistungsschalters 3 kurzschließt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die zusätzliche Beschaltung 11 zwischen Treiberschaltung 4 und Leistungsschalter 3 eine zusätzlicher Diode 15 zur Abbildung einer Miller-Clamp-Funktionalität 6 bei niedriger Treiberversorgungsspannung 10.
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Beim Aufstarten der Baugruppe 1 beträgt die positive Treiberversorgungsspannung VCC = 0 V, ebenfalls anliegend am Kondensator 14, die Miller-Clamp-Funktionalität 6 des Treibers 4 ist nicht aktiv. Der Low-Side-Leistungsschalter, der zwar in der 6 selbst nicht dargestellt ist, aber die elektrische Verbindung 16 dorthin, wird geschaltet, wodurch sich das Treiberbezugspotential 17 gegenüber der Versorgungsspannung VCC ändert und der Kondensator 14 geladen wird. Ein parasitäres Einschalten, zum Beispiel über die Miller-Kapazität C_GC, wird durch Ableiten der Ladeströme am Gate 7 des Leistungsschalters 3 durch die zusätzliche Diode 15 verhindert. Ist der Kondensator 14 soweit geladen, dass der Treiber 4 seine minimale, das heißt minimal notwendige, Versorgungsspannung an VCC erreicht hat, ist die Miller-Clamp-Funktionalität 6 durch den Treiber 4 gegeben, die Diode 15 wird nun in Sperrichtung betrieben und wird inaktiv. Sollte die positive Spannung VCC über dem Kondensator 14 im laufenden Betrieb wieder unter die minimale Versorgungsspannung des Treibers 4 fallen, übernimmt die Diode 15 wiederum die Miller-Clamp-Funktionalität. Voraussetzung hierfür ist, dass die Spannung am Kondensator 14 plus der Vorwärtsspannung über der Diode 13 der Bootstrapping-Schaltung 12 unter der minimalen Einschaltschwelle des Leistungsschalters 3 liegen. Dies ist bei der Auslegung der Treiberschaltung 4 mit modernen Dioden 13 und Leistungsschaltern 3 leicht zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungselektronik-Baugruppe
- 2
- Logik, Microcontroller, FPGA, DSP
- 3
- Leistungsstufe, Leistungsschalter, High-Side-Leistungsschalter
- 4
- Treiberschaltung, Treiberstufe, Treiber
- 5
- Ansteuerungseinheit für die Ansteuerung des Leistungsschalters 3
- 5a
- Ausgang
- 6
- Transistorsteuerungskurzschlussschaltung, Miller-Clamp-Funktion, Miller-Clamp
- 6a
- integrierter Schalter
- 7
- Eingang des Leistungsschalters, Gate, Steueranschluss
- 8
- Bezugsbein, Emitter, Soure
- 9
- Collector, Abfluss, Drain
- 10
- Treiberversorgungsspannung, Versorgungsspannung (für den Treiber)
- 11
- zusätzliche Beschaltung, Beschaltungseinrichtung
- 12
- Bootstrapping-Schaltung
- 13
- Diode (der Bootstrapping-Schaltung 12)
- 14
- Kondensator (der Bootstrapping-Schaltung 12)
- 15
- Diode der Zusatzbeschaltung 11
- 16
- elektrische Verbindung zum Low-Side-Leistungsschalter
- 17
- Treiber-Bezugspotential
- C_GC
- parasitäre Kapazität, Miller-Kapazität
- C_GE
- parasitäre Kapazität
- C_CE
- parasitäre Kapazität
- VCC
- positive Versorgungsspannung (die gegenüber dem Treiber-Bezugspotential positive Versorgungsspannung des Treiber-ICs)
