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Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Feldeffekttransistor.
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Technikübliche Leistungshalbleiterschaltungen, wie z.B. aus der
DE 10 2011 087 087 A1 bekannt, weisen jeweilig einen insbesondere als MOSFET ausgebildeten Leistungshalbleiterschalter und eine Ansteuereinrichtung zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters aus. Im Allgemeinen werden dabei Halbbrückenschaltungsanordnungen ausgebildet, indem die Leistungshalbleiterschalter einer ersten und einer zweiten Leistungshalbleiterschaltung elektrisch in Reihe geschaltet werden. Halbbrückenschaltungsanordnungen werden häufig zum Gleich- und Wechselrichten von elektrischen Spannungen und Strömen verwendet. Dabei wird im Allgemeinen eine Gleichspannung an die Halbbrückenschaltungsanordnung angelegt und der elektrische Mittenknoten, an dem die Leistungshalbleiterschalter der ersten und einer zweiten Leistungshalbleiterschaltung elektrisch miteinander verbunden sind, über eine elektrische Leitung mit einer elektrischen Last wie z.B. einem Wechselstrommotor oder einen Wechselstromnetz verbunden.
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Wie z.B. aus der
US 8 553 430 B2 bekannt, werden die elektrisch in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschalter der Leistungshalbleiterschaltungen einer Halbbrückenschaltungsanordnung im Allgemeinen zueinander alternierend ein- und ausgeschaltet.
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Als Leistungshalbleiterschalter werden z.B. Feldeffekttransistoren, wie z.B. MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder JFETS (Junction Gate Field-Effect Transistor) eingesetzt. Zu den Leistungshalbleiterschaltern sind Freilaufdioden antiparallel geschaltet. Wenn z.B. unter Bezugnahme auf 1 der obere MOSFET T1 eingeschaltet ist und ein Strom I durch die elektrische Leitung zum Wechselspannungsanschluss AC fließt, anschließend der obere MOSFET T1 ausgeschaltet wird, dann fließt der Strom I infolge der parasitären Induktivität Lp der elektrischen Leitung bzw. der Induktivität der am Wechselspannungsanschluss AC angeschlossenen Last (nicht dargestellt) durch die untere Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘, die elektrisch antiparallel zum unteren Leistungshalbleiterschalter T2 geschaltet ist, weiter. Wegen der im Allgemeinen relativ hohen Schwellspannung der Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ entstehen hierdurch relativ hohe energetische Verluste an der Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘, so dass die untere Leistungshalbleiterschaltungen 4‘ bzw. die Halbbrückenschaltungsanordnung 1 hohe energetische Verluste aufweist.
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Feldeffekttransistoren weisen die Eigenschaft auf, dass sie, wenn sie eingeschaltet werden auch in Rückwärtsrichtung, d.h. bei n-Kanal Feldeffekttransistoren in Richtung von Source zum Drain des Feldeffekttransistors und bei p-Kanal Feldeffekttransistoren in Richtung von Drain zum Source des Feldeffekttransistors Strom leiten können ohne zerstört oder beschädigt zu werden. Diese Eigenschaft wird techniküblich dazu verwendet um die energetischen Verluste an der Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ zu reduzieren. Hierzu wird techniküblich nach einer bestimmten fest vergebenen Zeitdauer nachdem z.B. der obere MOSFET T1 ein Ausschaltsignal erhalten hat, der untere MOSFET T2 eingeschaltet und somit in 1 die untere Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ durch den MOSFET T2 überbrückt, was die energetischen Verluste der Leistungshalbleiterschaltungen reduziert. Um zu verhindern, das hohe Querströme bzw. Kurzschlussströme durch die Halbbrückenschaltungsanordnung entstehen, muss verhindert werden, dass der untere MOSFET T2 eingeschaltet wird während der obere MOSFET T1 noch am Anfang seines Ausschaltvorgangs ist und noch eine Restdurchlassleitfähigkeit aufweist. Deshalb wird die obengenannte fest vorgegebene Zeitdauer groß gewählt, so dass für eine relativ lange Zeit der gesamte Strom I durch die in 1 untere Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ fließt bevor diese durch das Einschalten des unteren MOSFETs T2 durch den MOSFET T2 überbrückt wird, so dass an der Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ immer noch relativ hohe energetische Verluste entstehen.
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Aus der
WO 2004/114509 A1 ist ein Schaltkreis bekannt, welcher einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor aufweist, welche in Reihe zwischen einem Eingangsanschluss und einem Massenanschluss verbunden sind, wobei eine Source des ersten Transistors mit dem Drain des zweiten Transistors verbunden ist und eine Source des zweiten Transistors mit dem Massenanschluss verbunden ist, wobei der Schaltkreis Steuermittel aufweist, die zum alternierenden Treiben des ersten und zweiten Transistors derart ausgebildet sind, dass es eine Totzeitspanne gibt, während welcher beide Transistoren aus sind und Mittel zum Anpassen der Länge der Totzeitspanne in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und der Source des ersten oder zweiten Transistors, aufweist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine energetisch verlustarme Leistungshalbleiterschaltung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Feldeffekttransistor, der als Anschlüsse ein Drain, eine Source und ein Gate aufweist, und mit einer Steuereinrichtung, die eine Ansteuereinrichtung und eine Unterspannungsdetektionsschaltung aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors ausgebildet ist und mit dem Gate des Feldeffekttransistors elektrisch verbunden ist, wobei die Unterspannungsdetektionsschaltung dazu ausgebildet ist ein Unterspannungsdetektionssignal zu erzeugen, wenn eine zwischen dem Drain und der Source des Feldeffekttransistors anliegende Leistungshalbleiterspannung einen bestimmten Spannungswert unterschreitet, wobei die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Vorhandensein eines Einschaltbefehls zum Einschalten des Feldeffekttransistors und des Unterspannungsdetektionssignals, den Feldeffekttransistor einzuschalten.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der bestimmte Spannungswert zwischen einem negativen Wert dessen Betrag 90% der Schwellenspannung einer antiparallel geschalteten internen Freilaufdiode des Feldeffekttransistors oder einer zum Feldeffekttransistor antiparallel geschalteten externen Freilaufdiode und +30%, der im ausgeschalteten Zustand des Feldeffekttransistors im Betrieb der Leistungshalbleiterschaltung stationär anliegenden Leistungshalbleiterspannung liegt, da dann allenfalls kurzeitig relativ geringe bis gar keine Querströme auftreten.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Wert des bestimmten Spannungswerts von der unmittelbar vor den Einschalten des Feldeffekttransistors auftretenden Änderungsgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterspannung abhängt und bei höherer Änderungsgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterspannung höher ist als bei niedriger Änderungsgeschwindigkeit. Hierdurch ist auch bei im Betrieb der Leistungshalbleiterschaltung auftretenden stark wechselnden Last- bzw. Betriebsverhältnissen ein möglichst energetisch verlustarmer Betrieb der Leistungshalbleiterschaltung sichergestellt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Feldeffekttransistor als MOSFET oder JFET ausgebildet ist, da es sich hierbei um übliche Ausbildungen von Feldeffekttransistoren handelt.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Feldeffekttransistor als n-Kanal Feldeffekttransistor ausgebildet ist, wobei die Unterspannungsdetektionsschaltung eine Grenzwertüberwachungseinheit, eine erste Diode, einen ersten Kondensator und einen elektrischen Widerstand aufweist, wobei ein erster Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit, ein erster Anschluss des ersten Kondensators, die Anode der ersten Diode und der erste Anschluss des Widerstands mit einem elektrischen Schaltungsknoten elektrisch verbunden sind, wobei die Kathode der ersten Diode mit dem Drain des Feldeffekttransistors elektrisch verbunden ist, wobei ein zweiter Anschluss des ersten Kondensators mit dem Source des Feldeffekttransistors elektrisch verbunden ist, wobei die Grenzwertüberwachungseinheit dazu ausgebildet ist ein Unterspannungsdetektionssignal zu erzeugen, wenn die zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors anliegende Leistungshalbleiterspannung den bestimmten Spannungswert unterschreitet, so dass infolge die elektrische Spannung, die zwischen dem ersten Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit und dem Source des Feldeffekttransistors anliegt, eine am zweiten Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit anliegende Referenzspannung unterschreitet. Die Unterspannungsdetektionsschaltung ist dann besonders einfach und zuverlässig ausgebildet.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Feldeffekttransistor als p-Kanal Feldeffekttransistor ausgebildet ist, wobei die Unterspannungsdetektionsschaltung eine Grenzwertüberwachungseinheit, einen ersten Kondensator, eine erste Diode und einen elektrischen Widerstand aufweist, wobei ein erster Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit, ein erster Anschluss des ersten Kondensators, die Kathode der ersten Diode und der erste Anschluss des Widerstands mit einem elektrischen Schaltungsknoten elektrisch verbunden sind, wobei die Anode der ersten Diode mit dem Drain des Feldeffekttransistors elektrisch verbunden ist, wobei ein zweiter Anschluss des ersten Kondensators mit dem Source des Feldeffekttransistors elektrisch verbunden ist, wobei die Grenzwertüberwachungseinheit dazu ausgebildet ist ein Unterspannungsdetektionssignal zu erzeugen, wenn die zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors anliegende Leistungshalbleiterspannung den bestimmten Spannungswert unterschreitet, so dass infolge die elektrische Spannung, die zwischen dem ersten Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit und dem Source des Feldeffekttransistors anliegt, eine am zweiten Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit anliegende Referenzspannung unterschreitet. Die Unterspannungsdetektionsschaltung ist dann besonders einfach und zuverlässig ausgebildet.
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Weiterhin es sich als vorteilhaft, wenn die Grenzwertüberwachungseinheit anstatt der ersten Diode oder zusätzlich zur ersten Diode einen zweiten Kondensator aufweist, wobei ein erster Anschluss des zweiten Kondensators mit dem elektrischen Schaltungsknoten elektrisch verbunden ist und ein zweiter Anschluss des zweiten Kondensators mit dem Drain des Feldeffekttransistors elektrisch verbunden ist. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise die oben beschriebene Abhängigkeit des bestimmten Spannungswerts von der unmittelbar vor den Einschalten des Feldeffekttransistors auftretenden Änderungsgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterspannung erreicht werden, so dass der Wert des bestimmten Spannungswerts bei höherer Änderungsgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterspannung höher ist als bei niedriger Änderungsgeschwindigkeit.
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Weiterhin erweist sich eine Halbleiterbrückenschaltungsanordnung mit einer ersten und einer zweiten erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung, wobei der Feldeffekttransistor der zweiten Leistungshalbleiterschaltung mit dem Feldeffekttransistor der ersten Leistungshalbleiterschaltung elektrisch in Reihe geschaltet ist, als vorteilhaft. Hierdurch wird eine energetisch verlustarme Halbleiterbrückenschaltungsanordnung geschaffen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Halbleiterbrückenschaltungsanordnung mit einer ersten und einer zweiten erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung,
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2 schematisierte Spannungsverläufe,
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3 eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung und
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4 eine weitere erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung.
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In 1 ist eine Halbleiterbrückenschaltungsanordnung 1 dargestellt, die eine erste und eine zweite erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung 4 und 4‘ aufweist, wobei die erste und zweite Leistungshalbleiterschaltung 4 und 4‘ identisch ausgebildet sind. Die erste Leistungshalbleiterschaltung 4 weist einen ersten Feldeffekttransistor T1 und die zweite Leistungshalbleiterschaltung 4‘ einen zweiten Feldeffekttransistor T2 auf, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels jeweilig als MOSFETs ausgebildet sind. Dem ersten Feldeffekttransistor T1 und dem zweiten Feldeffekttransistor T2 ist jeweilig eine Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ elektrisch antiparallel geschaltet. Wenn die Leistungshalbleiterschalter T1 in Form von MOSFETs vorliegen, dann ist die Freilaufdiode im Allgemeinen integraler Bestandteil des jeweiligen MOSFET und liegt nicht als diskretes Bauteil vor, so dass beim Ausführungsbeispiel die Freilaufdiode in Form der internen Freilaufdiode D‘ des jeweiligen Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 vorliegt. Wie in 1 gestrichelt gezeichnet dargestellt, kann dem ersten Feldeffekttransistor T1 und dem zweiten Feldeffekttransistor T2 auch zusätzlich jeweilig eine externe Freilaufdiode D‘‘ elektrisch antiparallel geschaltet sein.
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Der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 weisen jeweilig als Anschlüsse ein Drain, eine Source und ein Gate auf. Der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 weisen jeweilig zwischen Drain und Source eine parasitäre Kapazität Cp auf.
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Der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei über dieser Reihenschaltung im Rahmen des Ausführungsbeispiels eine Gleichspannung Uk anliegt. Die Gleichspannung Uk wird über die Gleichspannungsanschlüsse DC+ und DC– der Halbleiterbrückenschaltungsanordnung 1 eingespeist. Der elektrische Mittenknoten 20 an dem der erste und zweite Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 elektrisch miteinander verbunden sind, ist über eine elektrische Leitung der Halbleiterbrückenschaltungsanordnung 1, die eine parasitäre Leitungsinduktivität Lp aufweist, mit einem Wechselspannungsanschluss AC der Halbleiterbrückenschaltungsanordnung 1 elektrisch verbunden. Der Wechselspannungsanschluss AC ist mit einer elektrischen Last, wie z.B. einem Wechselstrommotor oder einem Wechselstromnetz elektrisch verbunden (in 1 nicht dargestellt).
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Im Betrieb der Halbleiterbrückenschaltungsanordnung 1 werden im Rahmen des Ausführungsbeispiels der erste und zweite Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 zueinander alternierend ein- und ausgeschaltet. Wenn der erste Leistungshalbleiterschalter T1 eingeschaltet ist, dann ist der zweite Leistungshalbleiterschalter T2 ausgeschaltet und umgekehrt.
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Zwischen dem Drain D und der Source S des ersten Feldeffekttransistors T1 liegt die Leistungshalbleiterspannung U1 und zwischen dem Drain D und der Source S des zweiten Feldeffekttransistors T2 liegt die Leistungshalbleiterspannung U2 an.
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Es sei dabei angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn der erste Feldeffekttransistor T1 als n-Kanal Feldeffekttransistor ausgebildet ist, die Leistungshalbleiterspannung U1 auf die Source des ersten Feldeffekttransistors T1 bezogen ist und wenn der erste Feldeffekttransistor T1 als p-Kanal Feldeffekttransistor ausgebildet ist, die Leistungshalbleiterspannung U1 auf den Drain des ersten Feldeffekttransistors T1 bezogen ist.
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Es sei weiterhin dabei angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn der zweite Feldeffekttransistor T2 als n-Kanal Feldeffekttransistor ausgebildet ist, die Leistungshalbleiterspannung U2 auf die Source des zweiten Feldeffekttransistors T2 bezogen ist und wenn der zweite Feldeffekttransistor T2 als p-Kanal Feldeffekttransistor ausgebildet ist, die Leistungshalbleiterspannung U2 auf den Drain des zweiten Feldeffekttransistors T2 bezogen ist.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 3 sind der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 als n-Kanal Feldeffekttransistoren, genauer ausgedrückt als n-Kanal MOSFETS, ausgebildet, während beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 als p-Kanal Feldeffekttransistoren, genauer ausgedrückt als p-Kanal MOSFETS, ausgebildet sind.
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Die erste und zweite Leistungshalbleiterschaltung 4 und 4‘ weisen jeweilig eine Steuereinrichtung 3 auf, die eine Ansteuereinrichtung 2 und eine Unterspannungsdetektionsschaltung 5 aufweist. Die jeweilige Ansteuereinrichtung 2 ist zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 ausgebildet ist und ist mit dem jeweiligen Gate G des Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 elektrisch verbunden. Weiterhin ist die jeweilige Ansteuereinrichtung 2 und die jeweilige Unterspannungsdetektionsschaltung 5 mit der jeweiligen Source S des Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 elektrisch verbunden. Die jeweilige Ansteuereinrichtung 2 erzeugt unter anderem in Abhängigkeit von einem jeweiligen Steuersignal A1 bzw. A2, welches jeweilig z.B. von einer den beiden Ansteuereinrichtungen 2 gemeinsam zugeordneten übergeordneten Steuerung (nicht dargestellt) erzeugt wird, eine jeweilige Ansteuerspannung Ua am jeweiligen Steueranschluss G des Feldeffekttransistors T1 bzw. T2. Der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 schalteten sich in Abhängigkeit von der Höhe der jeweiligen Ansteuerspannung Ua ein und aus. Das jeweilige Steuersignal A1 bzw. A2 kann in Form eines Einschaltbefehls (z.B. in Form einer am Eingang der jeweiligen Ansteuereinrichtung 2 anstehenden logischen ‘‘1‘‘) vorliegen, der der jeweiligen Ansteuereinrichtung 2 signalisiert, dass der ihr zugeordnete Feldeffekttransistor T1 bzw. T2 eingeschaltet werden soll, oder in Form eines Ausschaltbefehls (z.B. in Form einer am Eingang der jeweiligen Ansteuereinrichtung 2 anstehenden logischen ‘‘0‘‘) vorliegen, der der jeweiligen Ansteuereinrichtung 2 signalisiert, dass der ihr zugeordnete Feldeffekttransistor T1 bzw. T2 ausgeschaltet werden soll.
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Die jeweilige Unterspannungsdetektionsschaltung 5 ist dazu ausgebildet, ein Unterspannungsdetektionssignal F zu erzeugen, wenn die zwischen dem Drain und der Source des jeweiligen Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 anliegende Leistungshalbleiterspannung U1 bzw. U2 einen bestimmten Spannungswert Uw unterschreitet.
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Die jeweilige Ansteuereinrichtung 2 ist dazu ausgebildet, bei Vorhandensein eines ihr zugeordneten Einschaltbefehls zum Einschalten des jeweiligen Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 und des jeweiligen Unterspannungsdetektionssignals F den jeweiligen Feldeffekttransistor T1 bzw. T2 einzuschalten. D.h. die jeweilige Ansteuereinrichtung 2 schaltet den ihr zugeordneten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 erst ein, wenn sowohl ein Einschaltbefehl als auch ein Unterspannungsdetektionssignal vorliegen, d.h. eine Unterspannung von der Unterspannungsdetektionsschaltung 5, detektiert wird.
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Wenn die Ansteuereinrichtung 2 einen Ausschaltbefehl empfängt, schaltet die Ansteuereinrichtung 2 vorzugsweise den ihr zugeordneten Feldeffekttransistor T1 bzw. T2 unmittelbar aus.
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In 2 sind die schematisierten Spannungsverläufe und die Zeitpunkte dargestellt, die auftreten, wenn ausgehend vom Schaltzustand, dass der erste Feldeffekttransistors T1 eingeschaltet ist und der zweite Feldeffekttransistors T2 ausgeschaltet ist und ein Strom I durch den ersten Feldeffekttransistors T1 fließt, der erste Feldeffekttransistors T1 ausgeschaltet wird und der zweite Feldeffekttransistors T2 eingeschaltet wird.
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Zum Zeitpunkt t0 empfängt von der übergeordneten Steuerung die Ansteuereinrichtung 2 der ersten Leistungshalbleiterschaltung 4 einen Ausschaltbefehl und bewirkt ein Ausschalten des ersten Feldeffekttransistors T1, der zum Zeitpunkt t1 vollständig ausgeschaltet ist, d.h. zum Zeitpunkt t1 fließt kein Strom mehr vom Drain des ersten Feldeffekttransistors T1 durch den ersten Feldeffekttransistor T1 hindurch zum Source des ersten Feldeffekttransistors T1. Da das Umladen der Gatekapazität eines Feldeffekttransistors eine gewisse Zeit benötigt, tritt immer eine zeitliche Verzögerung (t1–t0) zwischen Empfang des Ausschaltbefehls und dem tatsächlichen vollständigen Ausschalten des Feldeffekttransistors auf. Vorzugsweise empfängt zum Zeitpunkt t0 oder kurz nach dem Zeitpunkt t0, beim Ausführungsbeispiel zum Zeitpunkt t2 die Ansteuereinrichtung 2 der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ von der übergeordneten Steuerung einen Einschaltbefehl, der jedoch, da zu diesem Zeitpunkt noch kein Unterspannungsdetektionssignal F von der Ansteuereinrichtung 2 der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ empfangen wird, von der Ansteuereinrichtung 2 der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ nicht ausgeführt wird.
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Nachdem der erste Feldeffekttransistors T1 zum Zeitpunkt t1 ausgeschaltet ist, erfolgt ein Umladevorgang bei dem die zwischen Source und Drain vorhandenen parasitären Kapazitäten Cp des ersten und zweiten Feldeffekttransistors T1 und T2 umgeladen werden. Die Leistungshalbleiterspannung U2 sinkt dabei solange ab bis zum Zeitpunkt T5 die Schwellspannung Us der internen Freilaufdiode D‘ des zweiten Feldeffekttransistors T2 oder falls vorhanden der externen Freilaufdiode D‘‘ der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ überschritten wird und die betreffende Freilaufdiode D‘, bzw. D‘‘ leitend wird und den Strom I führt. Die Schwellspannung Us ist die Spannung bei die Freilaufdiode D‘, bzw. D‘‘ in Durchflussrichtung leitend wird, das heißt ein Stromfluss durch die Freilaufdiode D‘, bzw. D‘‘ einzusetzen beginnt. Die Schwellspannung Us beträgt z.B. bei auf Silizium basierten Freilaufdioden in der Regel ca. 0,7 V, wobei z.B. beim Einsatz von Schottky Dioden als Freilaufdioden die Schwellspannung Us auch deutlich niedriger sein kann. Bei z.B. auf Siliziumkarbid basierten Freilaufdioden kann die Schwellspannung Us auch deutlich höher sein.
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In der Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ bzw. in der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ entstehen besonders wenig energetische Verluste, wenn der zweite Feldeffekttransistor T2 im Bereich des Nulldurchgangs der Leistungshalbleiterspannung U2 eingeschaltet wird und idealerweise im Nulldurchgang der Leistungshalbleiterspannung U2 eingeschaltet wird. Entsprechendes gilt energetisch in gleicher Weise für die Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ der ersten Leistungshalbleiterschaltung 4 bzw. für die der erste Leistungshalbleiterschaltung 4, wenn der erste Feldeffekttransistor T1 im Bereich des Nulldurchgangs der Leistungshalbleiterspannung U1 eingeschaltet wird und idealerweise im Nulldurchgang der Leistungshalbleiterspannung U1 eingeschaltet wird.
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Zum Zeitpunkt t3 unterschreitet die Leistungshalbleiterspannung U2 den bestimmten Spannungswert Uw, so dass die Unterspannungsdetektionsschaltung 5 der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ das Unterspannungsdetektionssignal F erzeugt. Die Ansteuereinrichtung 2 der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ empfängt das Unterspannungsdetektionssignal F und bewirkt, da sowohl das Unterspannungsdetektionssignal F wie auch ein Einschaltbefehl für den zweiten Feldeffekttransistors T2 vorliegen, ein Einschalten des zweiten Feldeffekttransistors T2, der zum Zeitpunkt t6 vollständig eingeschaltet ist. Da das Umladen der Gatekapazität eines Feldeffekttransistors eine gewisse Zeit benötigt, tritt immer einen zeitliche Verzögerung (t6–t3) zwischen Empfang des Unterspannungsdetektionssignal F von Ansteuereinrichtung 2 der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4 und dem tatsächlichen vollständigen Einschalten des zweiten Feldeffekttransistors T2 auf.
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Durch die Ansteuereinrichtung 2 wird in Verbindung mit der Unterspannungsdetektionsschaltung 5 erreicht, dass die Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ immer im Bereich des Nulldurchgangs der über ihr anliegenden Leistungshalbleiterspannung durch Einschalten des betreffenden zur ihr antiparallel geschalteten Feldeffekttransistors überbrückt wird und somit die Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ allenfalls nur für einen sehr kurzen Zeitraum den vollen Strom I tragen muss bevor der überwiegende Teil des Strom I von dem zu ihr antiparallel geschalteten Feldeffekttransistor übernommen wird. Dabei wird ausgenutzt das Feldeffekttransistoren die Eigenschaft aufweisen, dass sie, wenn sie eingeschaltet werden auch in Rückwärtsrichtung, d.h. bei n-Kanal Feldeffekttransistoren in Richtung von Source zum Drain des Feldeffekttransistors und bei p-Kanal Feldeffekttransistoren in Richtung von Drain zum Source des Feldeffekttransistors Strom leiten können ohne zerstört oder beschädigt zu werden.
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Bei einer techniküblichen Leistungshalbleiterschaltung wird im Gegensatz hierzu, erst nach einer relativ langen fest vorgegebenen Zeitdauer der zweite Feldeffekttransistor T2, nachdem der erste Feldeffekttransistor T1 das Ausschaltsignal erhalten hat, der zweite Feldeffekttransistor T2 eingeschaltet, so dass der zweite Feldeffekttransistor T2 in 2 bei einer techniküblichen Leistungshalbleiterschaltung erst relativ lange nach dem Zeitpunkt t6 eingeschaltet ist und somit an der Freilaufdiode D‘ bzw. D‘‘ relativ hohe energetische Verluste entstehen
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Um die zeitliche Verzögerung (t6–t3) zwischen Empfang des Unterspannungsdetektionssignal F von Ansteuereinrichtung 2 der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4 und dem tatsächlichen vollständigen Einschalten des zweiten Feldeffekttransistors T2 zu kompensieren und ein vollständiges Einschalten möglichst nahe im Nulldurchgang der über ihm anliegenden Leistungshalbleiterspannung U2 zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn der bestimmte Spannungswert Uw zwischen 0 Volt und +30%, der im ausgeschalteten Zustand des zweiten Feldeffekttransistors T2 im Betrieb der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ stationär anliegenden Leistungshalbleiterspannung U2 liegt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels stimmt die im ausgeschalteten Zustand des zweiten Feldeffekttransistors T2 im Betrieb der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ stationär anliegende Leistungshalbleiterspannung U2 mit der über der Reihenschaltung aus ersten und zweiten Feldeffekttransistor T1 und T2 anliegenden Gleichspannung Uk überein, da im Betrieb der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ auch die erste Leistungshalbleiterschaltung 4 in Betrieb ist, und der erste Feldeffekttransistor T1 eingeschaltet ist, wenn der zweite Feldeffekttransistor T1 ausgeschaltet ist, so dass die Gleichspannung Uk im ausgeschalteten Zustand des zweiten Feldeffekttransistors T2 zwischen dem Drain D und der Source S des zweiten Feldeffekttransistors T2 anliegt. Mit dem Begriff „stationär“ ist dabei die Leistungshalbleiterspannung U2 im eingeschwungen Zustand gemeint, so dass z.B. eventuell vorhandene unmittelbar bei Schalthandlungen auftretende kurzzeitige Spannungsüberschwinger der Leistungshalbleiterspannung U2 außer Acht bleiben.
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Falls sicher gestellt werden soll, dass beim Kommutieren des Stroms I vom ersten Feldeffekttransistor T1 auf den zweiten Feldeffekttransistor T2 kein Querstrom, d.h. kein Strom vom positiv Gleichspannungsanschluss DC+ durch den ersten Feldeffekttransistor T1 und zweiten Feldeffekttransistor T2 hindurch zum negativ Gleichspannungsanschluss DC– auftreten kann, falls sich z.B. der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 in Ihrem Schaltverhalten z.B. aufgrund von großen Bauteiltoleranzen stark unterscheiden, ist es vorteilhaft, wenn der bestimmte Spannungswert Uw einen Wert von einem negativen Wert dessen Betrag 90% der Schwellenspannung Us einer antiparallel geschalteten internen Freilaufdiode D‘ des zweiten Feldeffekttransistors T2 oder einer zum zweiten Feldeffekttransistor T2 antiparallel geschalteten externen Freilaufdiode D‘‘ beträgt bis 0 Volt beträgt.
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Es ist somit vorteilhaft, wenn der bestimmte Spannungswert Uw zwischen einem negativen Wert dessen Betrag 90% der Schwellenspannung Us einer antiparallel geschalteten internen Freilaufdiode D‘ des zweiten Feldeffekttransistors T2 oder einer zum zweiten Feldeffekttransistor T2 antiparallel geschalteten externen Freilaufdiode D‘‘ und +30%, der im ausgeschalteten Zustand des zweiten Feldeffekttransistors T2 im Betrieb der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ stationär anliegenden Leistungshalbleiterspannung U2 liegt. In 2 sind die vorteilhaften Grenzen des bestimmten Spannungswerts Uw dargestellt.
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Vorzugsweise hängt der Wert des bestimmten Spannungswerts Uw von der unmittelbar vor den Einschalten des zweiten Feldeffekttransistors T2 auftretenden Änderungsgeschwindigkeit Vu der Leistungshalbleiterspannung U2 ab und ist bei höherer Änderungsgeschwindigkeit Vu der Leistungshalbleiterspannung U2 höher als bei niedriger Änderungsgeschwindigkeit Vu. Die Änderungsgeschwindigkeit Vu der Leistungshalbleiterspannung U2 ist dabei definiert als Betrag des Quotienten aus der Änderung ∆U der Leistungshalbleiterspannung U2 über einen bestimmten Zeitraum ∆t dividiert durch den bestimmten Zeitraum ∆t (Vu = Ι∆U/∆tΙ). Hierdurch kann erreicht werden, dass wenn die Leistungshalbleiterspannung U2 schnell abfällt, der zweite Feldeffekttransistors T2 schneller eingeschaltet wird, als bei langsam abfallender Leistungshalbleiterspannung U2. Hierdurch ist auch bei im Betrieb der zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4‘ auftretenden stark wechselnden Last- bzw. Betriebsverhältnissen ein möglichst energetisch verlustarmes Schalten des zweiten Feldeffekttransistors T2 sichergestellt.
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Gegebenenfalls kann die Ansteuereinrichtung 2 derart ausgebildet sein, dass sie bei Empfang eines Einschaltbefehls nach Ablauf einer bestimmten Wartezeit den ihr zugeordneten Feldeffekttransistor T1 bzw. T2 unabhängig vom Vorhandensein eines Unterspannungsdetektionssignals F einschaltet. Die Wartezeit beträgt vorzugsweise 3ns bis 8µs. Falls aus irgend einem Grund, z.B. im Falle einer extremen Betriebssituation der Leistungshalbleiterschaltung 4‘, die Leistungshalbleiterspannung U2 den bestimmten Spannungswert Uw für eine längere Zeit nicht unterschreitet, wird nach Ablauf einer Wartezeit nach Empfang eines Einschaltbefehls von der Ansteuereinrichtung 2, der zweite Feldeffekttransistors T2 auf jeden Fall von der Ansteuereinrichtung 2 eingeschaltet.
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Der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 sind vorzugsweise jeweilig als MOSFET oder JFET ausgebildet.
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In 3 ist die zweite Leistungshalbleiterschaltung 4‘ und insbesondere eine vorteilhafte Ausbildung der Unterspannungsdetektionsschaltung 5 im Detail dargestellt, wobei die erste und zweite Leistungshalbleiterschaltung 4 und 4‘ identisch ausgebildet sind. Der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 sind dabei als p-Kanal Feldeffekttransistoren ausgebildet.
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Die jeweilige Unterspannungsdetektionsschaltung 5 der ersten und zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4 und 4‘ weist eine Grenzwertüberwachungseinheit 6, eine erste Diode D1, einen ersten Kondensator C1 und einen elektrischen Widerstand R1 auf, wobei ein erster Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit 6, ein erster Anschluss des ersten Kondensators C1, die Anode der ersten Diode D1 und der erste Anschluss des Widerstands R1 mit einem elektrischen Schaltungsknoten 7 elektrisch verbunden sind, wobei die Kathode der ersten Diode D1 mit dem Drain D des der jeweiligen Unterspannungsdetektionsschaltung 5 zugeordneten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 elektrisch verbunden ist, wobei ein zweiter Anschluss des ersten Kondensators C1 mit dem Source S des jeweiligen Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 elektrisch verbunden ist, wobei die Grenzwertüberwachungseinheit 6 dazu ausgebildet ist ein Unterspannungsdetektionssignal F zu erzeugen, wenn die zwischen Drain D und Source S des der jeweiligen Unterspannungsdetektionsschaltung 5 zugeordneten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 anliegende Leistungshalbleiterspannung U1 bzw. U2 den bestimmten Spannungswert Uw unterschreitet, so dass infolge die elektrische Spannung U3, die zwischen dem ersten Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit 6 und dem Drain D des der jeweiligen Unterspannungsdetektionsschaltung 5 zugeordneten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 anliegt, eine am zweiten Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit 6 anliegende Referenzspannung Ur unterschreitet.
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An einem zweiten Anschluss des elektrischen Widerstands R1 liegt vorzugsweise eine Ladespannung Uv an. Mit Wahl der Höhe der Referenzspannung Ur wird die Höhe des bestimmten Spannungswerts Uw festgelegt. Die Ladespannung Uv und die Referenzspannung Ur werden im Rahmen des Ausführungsbeispiels von einer internen Schaltung der Unterspannungsdetektionsschaltung 5 erzeugt, die der Übersichtlichkeit halber und da zum Verständnis der Erfindung unwesentlich in 3 nicht dargestellt ist. Alternativ kann der zweite Anschluss des elektrischen Widerstands R1 auch mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators C1 elektrisch verbunden sein (in 3 nicht dargestellt). Hierdurch wird eine besonders einfacher Aufbau der Unterspannungsdetektionsschaltung 5 ermöglicht.
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Die jeweilige Grenzwertüberwachungseinheit 6 kann anstatt der ersten Diode D1 oder zusätzlich zur ersten Diode D1 einen zweiten Kondensator C2 aufweisen, wobei ein erster Anschluss des zweiten Kondensators C2 mit dem elektrischen Schaltungsknoten 7 elektrisch verbunden ist und ein zweiter Anschluss des zweiten Kondensators C2 mit dem Drain D des der jeweiligen Unterspannungsdetektionsschaltung 5 zugeordneten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 elektrisch verbunden ist. Der zweite Kondensator C2 ermöglicht ein kapazitives Überkoppeln der Leistungshalbleiterspannung U1 bzw. U2 auf den jeweiligen Schaltungsknoten 7. Je höher die Kapazität des zweiten Kondensator C2 ist und je höherer die Änderungsgeschwindigkeit Vu der Leistungshalbleiterspannung U1 bzw. U2 ist, desto mehr koppelt die Leistungshalbleiterspannung U1 bzw. U2 auf den jeweiligen Schaltungsknoten 7 über, so dass sich die elektrische Spannung U3, die zwischen dem ersten Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit 6 und dem Drain D des der jeweiligen Unterspannungsdetektionsschaltung 5 zugeordneten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 anliegt, bei höherer Änderungsgeschwindigkeit Vu mehr ändert als bei niedriger Änderungsgeschwindigkeit Vu. Hierdurch kann die oben beschriebene Abhängigkeit des bestimmten Spannungswerts Uw von der unmittelbar vor den Einschalten des zweiten Feldeffekttransistors T2 auftretenden Änderungsgeschwindigkeit Vu der Leistungshalbleiterspannung U2 erreicht werden, so dass der Wert des bestimmten Spannungswerts Uw bei höherer Änderungsgeschwindigkeit Vu der Leistungshalbleiterspannung U2 höher ist als bei niedriger Änderungsgeschwindigkeit Vu.
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In 4 ist die zweite Leistungshalbleiterschaltung 4‘ und insbesondere eine vorteilhafte Ausbildung der Unterspannungsdetektionsschaltung 5 dargestellt, wobei die erste und zweite Leistungshalbleiterschaltung 4 und 4‘ identisch ausgebildet sind. Der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2 sind dabei im Gegensatz zu 3 als p-Kanal Feldeffekttransistoren ausgebildet. Die Source und Drain Anschlüsse des ersten und zweiten Feldeffekttransistors T1 und T2 sind infolge in 4 gegenüber 3 bzw. 1 vertauscht. Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 entspricht ansonsten inklusive möglicher vorteilhafter Ausführungsformen und alternativen Ausbildungen von Merkmalen und in ihrer Funktionsweise dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 bis auf die Merkmale, dass beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 die Kathode der ersten Diode D1 mit dem elektrischen Schaltungsknoten 7 elektrisch verbunden ist und die Anode der ersten Diode D1 mit dem Drain D des der jeweiligen Unterspannungsdetektionsschaltung 5 zugeordneten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 elektrisch verbunden ist.
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Die elektrische Spannung U3, die zwischen dem ersten Eingang der jeweiligen Grenzwertüberwachungseinheit 6 und der Source des ersten bzw. zweiten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 anliegt, ist bei der Erfindung bei einer Ausbildung des ersten bzw. zweiten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 als n-Kanal Feldeffekttransistor auf die Source des ersten bzw. zweiten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 der jeweiligen Leistungshalbleiterschaltung 4 bzw. 4‘ bezogen (siehe 3) und bei einer Ausbildung des ersten bzw. zweiten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 als p-Kanal Feldeffekttransistor auf den ersten Eingang der Grenzwertüberwachungseinheit 6 der jeweiligen Leistungshalbleiterschaltung 4 bzw. 4‘ bezogen (siehe 4).
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In 2 sind die schematisierten Spannungsverläufe und die Zeitpunkte dargestellt, die auftreten, wenn ausgehend vom Schaltzustand, dass der erste Feldeffekttransistor T1 eingeschaltet ist und der zweite Feldeffekttransistor T2 ausgeschaltet ist und ein Strom I durch den erste Feldeffekttransistor T1 fließt, der erste Feldeffekttransistor T1 ausgeschaltet wird und der zweite Feldeffekttransistor T2 eingeschaltet wird. Wenn umgekehrt, ausgehend vom Schaltzustand, dass der zweite Feldeffekttransistor T2 eingeschaltet ist und der erste Feldeffekttransistor T1 ausgeschaltet ist und ein Strom I durch den zweiten Feldeffekttransistor T2 fließt, der zweite Feldeffekttransistor T2 ausgeschaltet wird und der erste Feldeffekttransistor T1 eingeschaltet wird, läuft der Schaltvorgang in korrespondierender Weise ab, wobei in 2 die Bezeichnungen der Leistungshalbleiterspannung U1 und U2 zu vertauschen sind und in der zugehörigen Beschreibung zu 2 gedanklich der erste und zweite Feldeffekttransistor T1 und T2, bzw. gedanklich die erste und zweite Leistungshalbleiterschaltung 4 und 4‘ zu vertauschen sind.
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Es sei angemerkt, dass zum ersten Feldeffekttransistor T1 noch weitere erste Feldeffekttransistoren elektrisch parallel geschaltet sein können und dass zum zweiten Feldeffekttransistor T2 noch weitere zweite Feldeffekttransistoren elektrisch parallel geschaltet sein können. Hierdurch kann die Stromtragefähigkeit der ersten und zweiten Leistungshalbleiterschaltung 4 und 4‘ erhöht werden.
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Weiterhin sei angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können.
