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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Antriebseinheit, die mit einer Überspannungsschutzfunktion ausgestattet ist, und einen Stromrichter, der eine solche Halbleiter-Antriebseinheit verwendet.
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Beschreibung einschlägiger Technik
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Wechselrichter und andere Stromrichter erzielen Leistungswandlung anhand des Schaltbetriebs eines Halbleiter-Schaltelements. Ein spannungsgesteuertes Halbleiterelement, wie ein MOS-FET oder ein IGBT wird weithin als typisches Beispiel für ein solches Halbleiter-Schaltelement verwendet. Insbesondere wird ein IGBT, das Hochgeschwindigkeitsschalten ermöglicht und eine große Strommenge steuern kann, in einem weiten technischen Bereich verwendet, von Wechselrichtern mit kleiner Kapazität für elektrische Haushaltsgeräte bis zu großen Wechselrichtern für Eisenbahnfahrzeuge und dergleichen.
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Zum Steuern eines solches Halbleiter-Schaltelements ist eine Halbleiter-Antriebseinheit erforderlich. Im Allgemeinen weist eine Antriebseinheit eines spannungsgesteuerten Halbleiters eine Funktion auf, um den Leitzustand des Elements zu steuern, indem Spannung an ein Gate des Halbleiter-Schaltelements angelegt wird. Ferner hat die Halbleiter-Antriebseinheit die Funktion, eine Überspannung des operierenden Halbleiter-Schaltelements zu verhindern.
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10 zeigt ein Beispiel für eine Antriebseinheit des Stands der Technik für ein IGBT-Modul, das aus sich aus einem IGBT und einer Diode zusammensetzt. Aufgrund eines Gate-Signals legt das Modul eine geeignete Spannung an ein Gate G eines IGBT 1 an und steuert einen Kollektorstrom Ic, der zwischen einem Kollektor P und einem Emitter N des IGBT 1 geleitet wird.
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Hier dienen die Widerstände 6 und 7 dazu, eine Änderungsgeschwindigkeit der Spannung Vge zwischen dem Gate G und einem Emitter E einzustellen, indem ein Strom Irg, der zum Gate G fließt, eingeschränkt wird. Dabei kann eine Schaltgeschwindigkeit des IGBT 1, das heißt, die Änderungsgeschwindigkeit des Kollektorstroms Ic und die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung Vce zwischen einem Kollektor C und einem Emitter E angemessen bestimmt werden.
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Ein System, in dem ein Spannungsklemmelement 3 wie eine konstante Spannungsdiode zwischen dem Kollektor C und dem Gate G des IGBT 1 angeschlossen ist, wird weithin als Überspannungsschutzfunktion übernommen. In einem solchen System gibt die konstante Spannungsdiode nach, wenn die Kollektorspannung zu hoch wird, wie bei abgeschaltetem IGBT 1, und Strom fließt zum Gate, wodurch der IGBT vorübergehen eingeschaltet und die Kollektorspannung konstant geklemmt wird. Im Allgemeinen ist die Überspannungsschutzdiode 9 zwischen Gate und Emitter vorgesehen, um Überspannung des Gate des IGBT 1 zu verhindern.
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11 zeigt ein Wellenformdiagramm eines Kollektorstroms Ic, einer Kollektor-Emitter-Spannung Vce, eines Gate-Stroms Irg und eine Gate-Emitter-Spannung Vge, wenn der IGBT in der Konfiguration von 10 ausgeschaltet ist. Während der Zeitspanne, in der die Kollektor-Emitter-Spannung Vce und der Kollektorstrom Ic des IGBT durchquert werden, findet im IGBT ein Abschaltverlust statt. Ferner ist bekannt, dass während dieser Übergangsperiode ein Plateau, bekannt als Spiegelzeitspanne, in der Wellenform der Gate-Spannung auftritt.
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12 ist ein Wellenformdiagramm der entsprechenden Ströme und Spannungen in einem Fall, in dem eine Kollektorstoßspannung des IGBT zu hoch wird und das Spannungsklemmelement 3 den Klemmbetrieb ausführt. Während der Zeitspanne, in der die Überspannung zwischen Kollektor und Emitter auftritt, bricht das Spannungsklemmelement 3 durch, das zwischen dem Kollektor und dem Gate angeschlossen ist, wodurch Strom Icl zur Klemmschaltung fließt, und das IGBT wird dadurch, dass die Gate-Spannung auf oder über eine Schwellenspannung Vth erhöht wird, eingeschaltet, und die Überspannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter kann verhindert werden. Andererseits tritt ein Nebeneffekt auf, bei dem der Abschaltverlust erhöht wird, da die Zeitspanne der Abschaltaktion durch die Spannungsklemme verlängert wird.
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Hier muss, wenn die Gate-Abschaltspannung der Halbleiter-Antriebseinheit durch Vm dargestellt wird und der Gate-Abschaltwiderstand durch Rg1 dargestellt wird, der Klemmschaltungsstrom Icl das folgende Verhältnis aufweisen. Icl ≥ (Vth – Vm)/Rg1 (Ausdruck 1)
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Entsprechend trägt die Zunahme des Gate-Abschaltwiderstands Rg1 zum Reduzieren des Klemmstroms Icl bei und trägt somit zum Erhöhen der Klemmwirkung bei. Andererseits verursacht sie eine weitere Zunahme des Abschaltverlusts.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Als anderes Verfahren zum Erhöhen der Klemmwirkung zeigt die
japanische Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 2005-328668 (Patentdokumentation 1) ein Verfahren zum Aufrechterhalten einer Ausgangsspannung einer Gate-Ansteuerschaltung während einer vorgegebenen Zeitspanne innerhalb der Schaltbetriebspanne auf einer positiven Spannung, die kleiner als eine Schwellenspannung Vth ist. Gemäß dem offenbarten Verfahren zum Aufrechterhalten der Gate-Spannung auf einer positiven Spannung, sind die positive und die negative Stromversorgung einer Ansteuerschaltung über einen Widerstand verbunden, so dass es nicht notwendig ist, die Spannung bei hoher Impedanz zu halten, um ein übermäßiges Erwärmen des Widerstands zu verhindern. Daher wird die Potentialfluktuation bei in das Gate gemischtem Rauschen signifikant und es besteht ein Risiko, dass das Gate irrtümlicherweise eingeschaltet wird und übermäßiger Verlust erzeugt wird. Ferner ist dieses Verfahren eine Vorsteuerung, bei der die Zeitspanne zum Aufrechterhalten der oben erwähnten positiven Spannung im Voraus bestimmt wird, da sich jedoch die notwendige Klemmzeitspanne Tcl (siehe
12) gemäß dem Zustand des erzeugten Stromstoßes ändert, muss ein ausreichender Spielraum gewährleistet werden, wenn die Klemmzeitspanne Tcl eingestellt wird. Daher hat ein solches Verfahren den Nachteil, dass eine zu große Abschaltverzögerung und erhöhter Verlust auftritt.
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Andererseits offenbart die
japanische Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 2013-126278 (Patentdokumentation 2) ein Verfahren des Verzögerns des Schaltbetriebs und Unterdrücken der Stoßspannung, indem der Aus-Widerstand einer nächsten Ausgangsstufenschaltung erhöht wird, wenn eine Klemmschaltung betrieben wird. Gemäß einem solchen Verfahren wird erwartet, dass eine Rückregelung, die den Betrieb der Klemmschaltung feststellt, das Optimieren der Zeitspanne zum Erhöhen des Aus-Widerstands ermöglicht und den übermäßigen Anstieg des Abschaltverlustes unterdrückt. Gemäß diesem Verfahren muss jedoch eine Rückregelungsverdrahtung von der Klemmschaltung zur Ausgangsstufenschaltung gelegt werden. Daher ist nicht nur die Anzahl der zum Anschließen der Halbleiter-Antriebseinheit und des IGBT erforderlichen Verdrahtungen höher, sondern es wird in den gelegten Verdrahtungen auch Rauschen überlagert, so dass Besorgnis besteht, dass die Ausgangsstufenschaltung irrtümlicherweise operieren kann und möglicherweise Probleme wie einen erhöhten Abschaltverlust und Kurzschluss der Arme verursacht.
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Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Halbleiter-Antriebseinheit zum Steuern eines Ein-Aus-Zustands eines Halbleiter-Schaltelements, wobei die Halbleiter-Antriebseinheit eine Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung zum Übertragen eines Steuersignals an einen Gate-Steueranschluss des Schaltelements umfasst, eine Spannungsklemmschaltung, die zwischen einem Eingangsanschluss und dem Gate-Steueranschluss des Schaltelement angeschlossen ist, und/oder eine Detektionsschaltung zum Feststellen einer Spannung zwischen einem Ausgangsanschluss und dem Gate-Steueranschluss des Schaltelements oder eines Gate-Steueranschlussstroms bereit, wobei die Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung eine Impedanz einer Ausgangsstufe der Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung aufgrund eines Ergebnisses der Feststellung der Detektionsschaltung während einer Abschaltdauer des Halbleiter-Schaltelements senkt.
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Das Halbleiter-Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf Elemente wie IGBTs und MOSFETs angewendet werden, wobei der Eingangsanschluss einem Kollektoranschluss des IGBT und einem Drainanschluss des MOSFET entspricht und der Ausgangsanschluss einem Emitteranschluss des IGBT und einem Sourceanschluss des MOSFET entspricht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Zeitpunkt zum Schalten der Impedanz der Steuerschaltung festgestellt, indem die Spannung oder der Strom des Steueranschlusses verwendet wird, so dass eine Steuerung entsprechend der Klemmbetriebszeitspanne Tcl erzielt werden kann, die Zunahme des Abschaltverlusts auf ein Minimum unterdrückt werden kann, und die Länge der Signalleitung vom Detektionspunkt der Spannung oder des Stroms zum Impedanzschaltabschnitt verkürzt werden kann, um das Überlappen von Rauschen in den Signalleitungen zu unterdrücken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm, dass eine Grundkonfiguration einer Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2 ein Wellenformdiagramm eines ersten Betriebs einer Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
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3 ein Wellenformdiagramm eines zweiten Betriebs der Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
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4 ein Blockdiagramm, das ein konkretes Beispiel einer Ausgangsstufenschaltung der Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
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5 ein Blockdiagramm gemäß einem ersten konkreten Beispiel einer Spannungsklemmschaltung der Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
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6 ein Blockdiagramm, das ein zweites konkretes Beispiel einer Spannungsklemmschaltung der Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
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7 ein Blockdiagramm, das ein drittes konkretes Beispiel einer Spannungsklemmschaltung der Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
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8 ein Blockdiagramm, das eine Grundkonfiguration einer Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
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9 ein Blockdiagramm, das eine Grundkonfiguration eines Stromrichters gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung darstellt.
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10 ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Halbleiter-Ansteuerschaltung, die eine aktive Klemmfunktion aufweist, nach dem Stand der Technik zeigt.
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11 ein Abschaltwellenformdiagramm eines Halbleiter-Schaltelements gemäß einer Konfiguration nach dem Stand der Technik.
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12 ein Abschaltwellenformdiagramm eines Halbleiter-Schaltelements gemäß einer Konfiguration nach dem Stand der Technik, das konkret einen Fall zeigt, in dem eine aktive Klemmfunktion einer Halbleiter-Antriebseinheit aufgrund hoher Stoßspannung aktiviert wurde.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Nun werden die bevorzugten Ausführungsformen 1 bis 3 zu Ausführen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird ein IGBT als Beispiel für einen Halbleiter verwendet, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Beispiel beschränkt und kann auf Antriebseinheiten anderer allgemeiner Halbleiter angewendet werden.
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Ausführungsform 1
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<Konfiguration der Halbleiter-Antriebseinheit>
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1 ist ein Blockdiagramm, das eine Grundkonfiguration einer Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall angenommen, in dem sowohl ein Gate-Steueranschluss G eines IGBT und ein Gate-Steueranschluss Gd der Halbleiter-Antriebseinheit als auch ein Emitter-Steueranschluss Ea des IGBT und ein Emittersteueranschluss Ed der Halbleiter-Antriebseinheit jeweils über eine verdrillte Leitung und dergleichen verbunden sind. Eine Spannungsklemmschaltung ist zwischen einem Kollektor-Sense-Anschluss und einem Gate-Anschluss G auf einer IGBT-Modulseite verbunden, um Überspannung einer IGBT-Elektrode zu verhindern. Ferner sind der Gate-Steueranschluss G und der Emitter-Steueranschluss Ea des IGBT über Avalanche-Dioden Dz1 und Dz2 angeschlossen, die konstante Spannungsdioden sind. Die Avalanche-Dioden Dz1 und Dz2 leiten Strom vom Gate-Steueranschluss zum Emitter-Steueranschluss, wenn die Gate-Spannung eine vorgegebene Spannung überschreitet, um zu verhindern, dass die Spannungsausgabe von der Halbleiter-Antriebseinheit und die Spannungsausgabe von der Spannungsklemmschaltung eine Aushaltespannung eines Gates eines Halbleiter-Schaltelements überschreitet. Die Halbleiter-Antriebseinheit bewirkt, dass eine Ausgangsstufenschaltung, die zu variierender Impedanz in der Lage ist, als Reaktion auf einen Antriebsbefehl SIN, der von einem Befehlsabschnitt empfangen wird, eine Spannung an ein IGBT-Gate anlegt. Gemäß einem Verfahren zum Variieren der Impedanz der Ausgangsstufenschaltung, das in der vorliegenden Ausführungsform übernommen wird, wird die Impedanz aufgrund eines Detektionsergebnisses der Spannungsdetektionsschaltung gesteuert, die die Gate-Emitter-Spannung überwacht.
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<Betrieb der Halbleiter-Antriebseinheit>
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2 ist ein Wellenformdiagramm des Betriebs einer Halbleiter-Antriebseinheit gemäß einem ersten Betriebsbeispiel von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Wenn eine Gate-Emitter-Spannung Vge durch das Empfangen eines Gate-Aus-Antriebsbefehls SIN gesenkt wird, beginnt eine Kollektorspannung Vce zuzunehmen (t1). Danach fließt während der Unterbrechung eines Hochstroms und dergleichen Strom über die Spannungsklemmschaltung von der Kollektorseite zur Gateseite, wenn die Kollektorspannung weiter gesteigert wird und die Kollektor-Gate-Spannung ein Betriebsspannungsniveau der Spannungsklemmschaltung (t2) erreicht. Dadurch wird die Gate-Spannung auf eine Gate-Schwellenspannung Vth oder darüber angehoben, der IGBT wird eingeschaltet und die Kollektorspannung wird auf eine gleichmäßige Spannung Vcl geklemmt. Hier kann der Klemmstrom, der zum Einhalten von Ausdruck 1 erforderlich ist, auf einen kleinen Wert unterdrückt werden, da die Impedanz der Ausgangsstufenschaltung im Voraus auf einen hohen Wert Z1 eingestellt wurde.
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Danach wird, wenn der Stromstoß abgeschwächt ist (t3), die Gate-Spannung durch das Reduzieren des Klemmstroms gesenkt. Wenn die Spannungs-Detektionsschaltung feststellt, dass eine Spiegelzeitspanne zu Ende gegangen ist und die Gate-Emitter-Spannung auf einen festgelegten Spannungswert oder darunter (t4 von 4) gesenkt wurde, erzeugt die Spannungsdetektionsschaltung ein Gate-Ermittlungssignal SF und überträgt das Signal an eine Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung. Aufgrund dieses Gate-Ermittlungssignals SF senkt die Ausgangsstufenschaltung eine Gate-Ausgabeimpedanz zu Z2 und beschleunigt die Abschaltaktion. Hier muss der festgelegte Spannungswert auf die Gate-Emitter-Spannung der Zeit eingestellt werden, zu der die Spiegelzeitspanne beendet ist.
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3 ist ein Wellenformdiagramm des Betriebs einer Halbleiter-Antriebseinheit gemäß einem zweiten Betriebsbeispiel von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Das vorliegende Beispiel unterscheidet sich von 2 dadurch, dass eine Impedanz Z3 der Gate-Ausgangsstufe vor t1 kleiner als die Impedanz Z1 während der Klemmzeitspanne ist, wenn die Gate-Spannung Vge abzunehmen beginnt. Mit anderen Worten wird im vorliegenden Beispiel die Impedanz von Z3 von Z4 zu einem oben beschriebenen Zeitpunkt t1 erhöht, und die Impedanz wird von Z4 auf Z5 zu einem oben beschriebenen Zeitpunkt t4 gesenkt. Der Zeitpunkt zum Senken der Impedanz kann ähnlich erzielt werden, indem die oben genannte Spannungsdetektionsschaltung verwendet wird, so dass auf eine ausführliche Beschreibung davon verzichtet wird. Im vorliegenden Beispiel ist Z3 auf einen Wert eingestellt, der größer als Z5 und kleiner als Z4 ist.
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3 stellt ein Beispiel dar, in dem drei Impedanzen Z3 bis Z5 linear geschaltet werden, es ist jedoch offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf mehrstufige Steuerung, nicht-lineare Steuerung, Niederstrom-Steuerung usw. angewendet werden kann. Gemäß einem konkreten Beispiel des Durchführens mehrstufiger Steuerung, weist die Spannungsdetektionsschaltung mehrere festgelegte Spannungswerte auf, und jedes Mal, wenn der Spannungsdetektionswert Vge zwischen dem Emitteranschluss und dem Gate-Steueranschluss gleich oder kleiner als jeder vorgegebene Spannungswert wird, werden Gate-Ermittlungssignale für mehrere Male an die Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung ausgegeben, und die Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung schaltet die Impedanz der Ausgangsstufe der Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung für mehrere Male aufgrund der Gate-Ermittlungssignale ausgegeben, die für mehrere Male von der Detektionsschaltung empfangen werden, um somit die Impedanz nach und nach zu senken.
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<Wirkung von Ausführungsform 1>
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Die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Halbleiter-Antriebseinheit ermöglicht das Einstellen einer hohen Ausgangsstufenimpedanz währen des Klemmbetriebs, so dass die Gate-Spannung sofort während des Klemmbetriebs begonnen werden kann. Daher kann der Strom Icl der Spannungsklemmschaltung, die für den Überspannungsschutz der Halbleiter-Antriebseinheit verantwortlich ist, reduziert werden, und die Schaltung kann aufgrund der Verwendung eines Klemmelements von geringer Größe verkleinert werden. Darüber hinaus kann der Anstieg der Kollektorspannung während der Klemmzeitspanne durch das Erhöhen der Klemmfunktion unterdrückt werden, die Klemmspannung kann sogar noch höher eingestellt werden, so dass die Häufigkeit des Auftretens eines aktiven Klemmbetriebs herabgesetzt werden kann und die Selbsterwärmung des Schaltelements herabgesetzt werden kann.
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Ferner kann auch der Zeitpunkt zum Senken der Ausgangsstufenimpedanz der Halbleiter-Antriebseinheit aufgrund des Ergebnisses der Detektion der Gate-Spannung auf eine Klemmbetriebzeitspanne Tcl angepasst werden, so dass die Zunahme des Abschaltverlustes auf eine minimale Menge unterdrückt werden kann. Die Verfahren nach dem Stand der Technik übernahmen eine Vorsteuerung, die eine Zunahme des Abschaltverlusts verursacht (Patentdokumentation 1), oder Rückregelungsteuerung, die eine übermäßige Detektionssignalleitung erfordert (Patentdokumentation 2), wohingegen die vorliegende Erfindung eine Quasi-Rückregelungsteuerung zum indirekten Feststellen des Betriebs der Spannungsklemmschaltung unter Verwendung einer bestehenden Gate-Verdrahtung übernimmt, gemäß der der Betrieb der Spannungsklemmschaltung indirekt an einer Position festgestellt werden kann, die näher an der Halbleiter-Antriebseinheit liegt, so dass die vorliegende Erfindung das Verkürzen der Länge der Detektionssignalleitung im Vergleich zu den zuvor erwähnten Verfahren nach dem Stand der Technik eine stabile Steuerung möglich macht, die weniger von Rauschen beeinflusst wird.
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<Konkretes Beispiel für eine Ausgangsstufenschaltung von Ausführungsform 1>
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Ein konkretes Beispiel für eine Ausgangsstufenschaltung gemäß Ausführungsform 1 wird mit Bezug auf 4 beschrieben. Die Ausgangsstufenschaltung setzt sich aus zwei Ausgangsstufen T1 und T2, drei Gate-Widerständen Rg1, Rg2 und Rg3, einem Speed-Up-Kondensator Cg1 und einer Widerstand-Schaltsteuereinheit zusammen, die den Ausgangswiderstand aufgrund des Gate-Ermittlungssignals SF schaltet.
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Die Ausgangsstufe T1 gibt aufgrund des empfangenen Antriebsbefehls SIN entweder eine Spannung auf der Hochdruckseite Vp oder eine Spannung auf der Niedrigdruckseite Vm aus. Die Ausgangsseite der Ausgangsstufe T1 ist über einen Widerstand Rg1 und einen Widerstand Rg2 mit einem Gate-Steueranschluss Gd in Reihe geschaltet. Ein Speed-Up-Kondensator Cg1 ist parallel zum Widerstand Rg1 geschaltet. Ferner betreibt die Widerstandsschalt-Steuereinheit die Ausgangsstufe T2 aufgrund des empfangenen Gate-Ermittlungssignals SF und gibt entweder die Spannung auf der Niedrigdruckseite Vm aus oder unterbricht den Schaltkreis. Die Ausgangsseite der Ausgangsstufe T2 ist über einen Widerstand Rg3 an den Gate-Steueranschluss Gd angeschlossen. Ferner ist das Mittelpunktpotenzial von zwei Spannungsquellen Vp und Vm an einen Emitter-Steueranschluss Ed angeschlossen.
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Während der Zeit vor t1 in 3 umgeht der Gate-Strom den Speed-Up-Kondensator Cg1, der mit Rg1 parallel geschaltet ist, so dass der Gate-Abschaltwiderstand der Ausgangsstufe T1 Rg2 (Z3) ist. Jetzt wird durch das Auswählen der Kapazität des Speed-Up-Kondensators Cg1 auf eine Weise, dass das Laden zum Zeitpunkt t1 beendet wird, wenn die Spiegelzeitspanne erreicht ist, der Gate-Abschaltwiderstand von t1 und danach in 3 auf [Rg1 + Rg2] (Z4) erhöht. Wenn andererseits bei beendeter Spiegelzeitspanne und gesenkter Gate-Spannung (t4 in 3) das Gate-Ermittlungssignal SF, das zeigt, dass die Gate-Spannung auf einen festgelegten Wert oder darunter reduziert ist, von der Spannungsdetektionsschaltung eingegeben wird, schaltet die Widerstand-Schaltsteuereinheit die Ausgangsstufe T2 ein, verbindet die Spannung auf der Niedrigdruckseite Vm und den Widerstands Rg3, bildet eine Parallelschaltung, die aus Rg3 und Rg1 + Rg2 gebildet wird, und senkt den Gate-Abschaltwiderstand auf Z5. Hier ist Rg3 kleiner als Rg1 + Rg2, so dass das Abschalten nach Zeit t4 beschleunigt wird, um eine Zunahme des Schaltverlusts zu unterdrücken.
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In 4 wurde eine Konfiguration beschrieben, die mit dem Speed-Up-Kondensator Cg1 ausgestattet ist, um das in 3. gezeigte zweite Betriebsbeispiel zu erzielen, jedoch kann durch Bereitstellen einer Konfiguration, die den Speed-Up-Kondensator Cg1 von 2 ausschließt, das in 2 gezeigte zweite Betriebsbeispiel erzielt werden.
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Hier sollte der Gate-Abschaltwiderstand (Z1, Z4), der vom Widerstand Rg1 + Rg2 bestimmt wird, auf einen Widerstandswert eingestellt werden, der gleich oder größer als „([Gate-Schwelle – Spannung Vth] – [Spannung auf der Niedrigdruckseite Vm])/[Strom Icl der Spannungsklemmschaltung]” und vorzugsweise auf das gleiche Niveau wie dieser Widerstandswert eingestellt werden.
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<Erstes konkretes Beispiel der Spannungsklemmschaltung von Ausführungsform 1>
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5 zeigt ein erstes konkretes Beispiel einer Spannungsklemmschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Diese Schaltung wird durch das In-Reihe-Schalten einer Vielzahl von Avalanche-Dioden Dz3 bis Dz8 konfiguriert und weist die einfachste Konfiguration auf.
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<Zweites konkretes Beispiel der Spannungsklemmschaltung von Ausführungsform 1>
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6 zeigt ein zweites konkretes Beispiel einer Spannungsklemmschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Diese Schaltung wird dadurch konfiguriert, dass ferner ein Kondensator Cz1 mit den mehreren in Reihe geschalteten Avalanche-Dioden Dz3 bis Dz8 in Reihe geschaltet wird. Durch Hinzufügen eines Kondensators zum Trennen von DC-Strömen zu der Anordnung in 5 selbst dann, wenn die Kollektorspannung Vce die Klemmspannung Vcl durch die Zunahme der Stromzufuhrspannung der Hauptschaltung überschreitet, wird es möglich, einen anhaltenden Stromfluss zur Spannungsklemmschaltung zu verhindern.
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<Drittes konkretes Beispiel der Spannungsklemmschaltung von Ausführungsform 1>
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7 zeigt ein drittes konkretes Beispiel einer Spannungsklemmschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Diese Schaltung wird durch das Parallelschalten eines MOSFETT mit einem Teil der Vielzahl von in Reihe geschalteten Avalanche-Dioden Dz3 bis Dz8 gebildet. Das MOSFET-Gate ist zwischen einem Anschlusspunkt der Vielzahl von Avalanche-Dioden und dem Gate-Steueranschluss angeschlossen und stellt eine Schaltung dar, in der ein Teil der Avalanche-Dioden vom MOSFET umgangen wird, wenn die Spannung oder der Strom der parallel geschalteten Avalanche-Dioden erhöht wird und die Einschaltspannung des MOSFET überschreitet. In diesem konkreten Beispiel wird das MOSFET eingeschaltet, um die Klemmspannung Vcl zu senken und die Überspannung des Elements zu vermeiden, selbst wenn die Kollektorspannung Vce weiterhin zunimmt auch wenn die Spannungsklemmschaltung betrieben wird.
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Ausführungsform 2
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8 ist ein Blockdiagramm, das eine Grundkonfiguration einer Halbleiter-Antriebseinheit gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von Ausführungsform 1 dadurch, dass die Steuerung aufgrund des Ergebnisses der Feststellung einer Strom-Detektionsschaltung durchgeführt wird, die den Gate-Strom überwacht, als Verfahren zum Ändern der Impedanz der Ausgangsstufenschaltung. Die konkreten Beispiele der Steuerabfolge und -schaltung sind die gleichen wie Ausführungsform 1, so dass sie nicht beschrieben werden. Wenn der absolute Wert des Gate-Stroms reduziert ist und gleich oder kleiner als ein festgelegter Stromwert wird (t4 in 3) gibt die Strom-Detektionsschaltung ein Gate-Ermittlungssignal SF aus. Als weiteres Beispiel kann eine Konfiguration übernommen werden, in der die Schaltung das Gate-Ermittlungssignal SF ausgibt, wenn ein absoluter Wert einer Gate-Ladung Qg, in den die festgestellten Gate-Ströme integriert sind, gleich oder kleiner als ein festgelegter Wert wird. Der hier beschriebene festgelegte Stromwert oder die hier beschriebene festgelegte elektrische Ladung sollten auf einen absoluten Wert des Gate-Stroms oder der Gate-Ladung der Zeit eingestellt werden, zu der die Spiegelzeitspanne endet.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, ähnlich wie in Ausführungsform 1, der Zeitpunkt zum Senken der Ausgangsstufenimpedanz der Halbleiter-Antriebseinheit auf eine Klemmbetriebszeitspanne Tcl aufgrund des Ergebnisses der Detektion des Gate-Stroms angepasst werden, so dass die Zunahme des Abschaltverlustes auf einen minimalen Wert unterdrückt werden kann.
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Als konkretes Beispiel für das Ausführen mehrstufiger Steuerung, ist die Stromdetektionsschaltung mit einer Vielzahl festgelegter Stromwerte ausgestattet, und jedes Mal, wenn der Stromdetektionswert Irg des Gate-Steueranschlusses oder der integrierte Wert Zg davon gleich oder kleiner als die entsprechenden vorgegebenen Spannungen wird, gibt die Schaltung Gate-Ermittlungssignale für mehrere Male an die Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung aus, und die Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung schaltet die Impedanz der Ausgabestufe der Steuersignal-Ausgangsstufenschaltung für mehrere Male aufgrund der Gate-Ermittlungssignale, die für mehrere Male von der Detektionsschaltung empfangen werden, damit die Impedanz nach und nach gesenkt wird.
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Ausführungsform 3
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9 ist eine Ansicht, die einen Stromrichter zeigt, auf den die Halbleiter-Antriebseinheit der vorliegenden Erfindung als Ausführungsform 3 angewendet wird. Ein Stromrichter gemäß Ausführungsform 3 wendet die Halbleiter-Antriebseinheit gemäß den zuvor erwähnten Ausführungsformen 1 oder 2 als eine Antriebseinheit eines Halbleiter-Schaltelements in einem Stromrichter an.
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Wie in 9 gezeigt ist ein Stromrichter 600 gemäß Ausführungsform 3 mit Halbleiter-Schaltelementen Q11 bis Q16, Dioden D11 bis D16, Dioden D11 bis D16, Halbleiter-Antriebseinheiten GD11 bis GD16, Spannungsklemmschaltungen AC11 bis AC16 und einer Logikeinheit höherer Ordnung L1 ausgestattet, die Antriebsbefehlsignale, die Signale zum Steuern des Schaltbetriebs sind, an Halbleiterschaltelemente Q11 bis Q16 erzeugen. Der Stromrichter 600 gemäß Ausführungsform 3 ist ein Wechselrichtergerät zum Umwandeln von Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle 601 von Spannung Vdc in Wechselstrom.
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Ferner verwenden die Halbleiter-Schaltelemente Q11 bis Q16 in Ausführungsform 3 IGBTs, sind jedoch nicht auf IGBTs beschränkt, und sie können unter Verwendung anderer Schaltelemente wie MOSFETs konfiguriert werden.
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Der Stromrichter 600 weist drei Sätze oberer und unterer Arme auf, die zwischen positiven und negativen Anschlüssen der Gleichstromquelle 601 in Reihe geschaltet sind, die die beiden Halbleiter-Schaltelemente (Q11 und Q12, Q13 und Q14 sowie Q15 und Q16) mit ausgerichteten Polaritäten verbinden. Ferner sind die Dioden D11 bis D16 zum Rückführen eines Laststroms jeweils mit umgekehrter Polarität und parallel mit dem Halbleiter-Schaltelementen zwischen dem Emitter und dem Kollektor der entsprechenden Halbleiter-Schaltelemente Q11 bis Q16 geschaltet. Darüber hinaus sind die Spannungsklemmschaltungen AC11 bis AC16 zwischen den Kollektor-Sense-Anschlüssen und den Gate-Anschlüssen der jeweiligen Halbleiter-Schaltelemente Q11 bis Q16 angeschlossen. Halbleiter-Antriebseinheiten G11 bis G16 zum Ausgeben von Schaltantrieb-Befehlssignalen sind jeweils an dem Gate-Steueranschluss angeschlossen. Ferner dienen die Verbindungspunkte der beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltelemente (Q11 und Q12, Q13 und Q14 sowie Q15 und Q16) jeweils als Wechselstromausgangsanschlüsse und sind mit einem Dreiphasen-Wechselstrommotor M1 verbunden, der die Last ist.
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Der Stromrichter 600 steuert den Schaltbetrieb des Halbleiter-Schaltelements Q11 bis Q16 über die Halbleiter-Antriebseinheiten GD11 bis GD16 anhand der Logikeinheit höherer Ordnung L1 und liefert Wechselstrom an den Dreiphasen-Wechselstrommotor M1, der an den Wechselstromanschluss angeschlossen ist. Der Stromrichter 600 erzeugt Antriebsbefehlssignale an die entsprechenden Halbleiter-Schaltelemente Q11 bis Q16 über die Logikeinheit höherer Ordnung L1, und führt durch Übertragen der Antriebsbefehlsignale durch die Halbleiter-Antriebseinheiten GD11 bis GD16 an die Gate-Anschlüsse (Steueranschlüsse) der Halbleiter-Schaltelemente Q11 bis Q16 Leistungswandlungsbetrieb durch.
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Wenn nun im Stromrichter 600 Stoßspannung während einer großen Stromunterbrechung und dergleichen auftritt, wird das Gate des Halbleiter-Schaltelements von der Spannungsklemmschaltung eingeschaltet, wodurch die Kollektorspannung konstant geklemmt werden kann. Wenn der Klemmenbetrieb beendet ist, wird die Änderung der Gate-Spannung oder des Gate-Stroms sofort festgestellt, die Impedanz der Ausgangsstufenschaltung wird gesenkt, um die Zunahme des Abschaltverlustes zu unterdrücken, kann unterdrückt werden.
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Ausführungsform 3 stellt ein Wechselrichtergerät als Beispiel für das Anwenden der Halbleiter-Antriebseinheit der vorliegenden Erfindung auf einen Stromrichter dar, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt und kann auf andere Stromwandler angewendet werden, wie DC-DC-Wandler und AC-DC-Wandler.
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Eigenschaften, Komponenten und bestimmte Einzelheiten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die für ihre jeweiligen Anwendungen optimiert sind. Soweit diese Abwandlungen für den Fachmann offensichtlich sind, werden sie stillschweigend durch die Beschreibung oben offenbart, ohne jede mögliche Kombination ausdrücklich zu anzugeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005-328668 [0011]
- JP 2013-126278 [0012]
