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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Stromrichter zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, wobei der Stromrichter wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter aufweist, und die Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Umschaltvorgangs des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters basierend auf einem Steuersignal ausgeführt ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Stromrichter zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, mit wenigstens einer oben angegebenen Ansteuerschaltung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, mit wenigstens einem oben angegebenen Stromrichter.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Ansteuern eines Stromrichters zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, wobei der Stromrichter wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter aufweist, wobei das Verfahren das Ansteuern eines Umschaltvorgangs des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters basierend auf einem Steuersignal umfasst.
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Stromrichter sind ruhende elektrische Geräte zur Umwandlung einer eingespeisten elektrischen Stromart, d.h. Gleichstrom oder Wechselstrom, in die jeweils andere Stromart, oder zur Änderung charakteristischer Parameter der Stromart wie der Spannung oder der Frequenz. Auch können in einem Stromrichter beide genannten Prinzipien in Kombination angewendet werden, d.h. es wird eine Stromart in eine andere gewandelt und gleichzeitig wird beispielsweise eine Spannung zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Stromwandlers verändert. Es gibt verschiedene Bauformen bzw. Typen von Stromrichtern für ein großes Spektrum an Anwendungsbereichen.
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Stromrichter werden beispielsweise für die Steuerung und Regelung von drehzahlveränderlichen Elektromotoren verwendet. Ein wichtiger Anwendungsfall in diesem Zusammenhang ist der Einsatz in Fahrzeugen, die als Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge mit einem Elektromotor ausgeführt sind.
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Stromwandler umfassen typischerweise steuerbare Schalter, um anfallende Ströme und Spannungen zu wandeln. Aufgrund oftmals hoher elektrischer Leistungen werden hier steuerbare Leistungshalbleiter wie beispielsweise Feldeffekttransistoren, IGBTs, Thyristoren, Bipolartransistoren oder andere eingesetzt.
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Stromwandler werden in Fahrzeugen mit Elektroantrieb beispielsweise für das Wandeln einer von außen bereitgestellten Netzspannung in eine Ladespannung für einen Energiespeicher des Fahrzeugs verwendet. Der Energiespeicher ist üblicherweise eine Batterie und umfasst üblicherweise eine Mehrzahl einzelner Zellen, die zusammen verschaltet sind, um die Batterie zu bilden. Außerdem können die Stromwandler für das Wandeln einer Batteriespannung des Energiespeichers in eine Motorspannung zum Antrieb des Elektromotors gewandelt werden. Außerdem kann dabei eine Leistungsanpassung für den Motor durchgeführt werden, wie nachstehend im Detail ausgeführt ist.
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Das Fahrzeug kann prinzipiell ein beliebiges Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb. Entsprechend umfasst das Fahrzeug wenigstens einen Elektromotor, beispielsweise zum Antrieb einer Achse des Fahrzeugs. Alternativ kann der elektrische Antrieb auch eine Mehrzahl Elektromotoren aufweisen, die beispielsweise unmittelbar jeweils ein Rad des Fahrzeugs antreiben. Derartige Fahrzeuge umfassen rein elektrisch betriebene Fahrzeuge, d.h. Elektrofahrzeuge, wie auch Fahrzeuge, die zusätzlich zu einem anderen Antrieb, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, einen elektrischen Antrieb aufweisen. Letztere Fahrzeuge werden üblicherweise als Hybridfahrzeuge bezeichnet. Bei Plug-In Hybridfahrzeugen kann deren Energiespeicher zusätzlich über eine Ladebuchse mit elektrischer Energie geladen werden.
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Typische Schaltungen der Leistungselektronik verwenden steuerbare Leistungshalbleiter nahezu ausschließlich als Schalter und vermeiden den verlustbehafteten resistiven Längsbetrieb. Aus diesem Grund können lediglich quantisierte Ausgangsspannungen erzeugt werden. Diese können beispielsweise in stromgesteuerten Schaltungen typischerweise mit Thyristoren erzielt werden, wie es beispielsweise in Bahnantrieben üblich ist.
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Eine einfache Wandlung zur Modulation eines kontinuierlichen Signals ist in 1 dargestellt. Dabei wird über steuerbare Schalter ein moduliertes Signal zwischen zwei Stufen, dort als Level bezeichnet, geschaltet, um das Nutzsignal anzunähern.
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Zwischenstufen der Ausgangsspannung werden im zeitlichen Mittel durch schnelles Umschalten zwischen benachbarten Stufen erzeugt. Entsprechende Ansteuerungen verwenden beispielsweise eine Schaltmodulation und sind in englischen auch als switch-mode power supplies bekannt. Eine darauf basierende Wandlung zur Modulation eines kontinuierlichen Signals ist in 2 dargestellt. Dabei wird über steuerbare Schalter ein moduliertes Signal zwischen neun Stufen, dort als Level bezeichnet, geschaltet, um das Nutzsignal anzunähern.
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Die Ausgangsspannungen werden meist durch Pulsweitenmodulation (PWM) mit festem Takt realisiert. Prinzipiell sind auch andere Arten der Pulsmodulation bekannt, beispielsweise Pulsamplitudenmodulation (PAM), Pulsfrequenzmodulation (PFM) und Pulsphasenmodulation (PPM), die aber weniger verbreitet sind. Die Erzeugung der Ausgangsspannungen erfolgt beispielsweise per Sinus-Dreieck-Modulation, wie es in frühen Analogschaltungen verbreitet war, oder mit einer digitalen PWM, auch dPWM genannt. 3 zeigt eine typische Sinus-Dreieck-Modulation im oberen Teil. Im unteren Teil der 3 ist eine digitale PWM gezeigt.
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4 zeigt eine typische Ansteuerschaltung 10 aus dem Stand der Technik zur Ansteuerung von zwei Feldeffekttransistoren 12, im Weiteren als FET 12 bezeichnet. Die Ansteuerschaltung 10 umfasst einen Gate-Treiberchip 14. Der Gate-Treiberchip 14 empfängt an einem Eingang 16 ein Steuersignal 18. Über Ausgänge 20 liefert der Gate-Treiberchip 14 zwei Ansteuersignale 22. Es erfolgt eine fixe Einstellung der Ansteuersignale 22 über Schaltnetzwerke 24, bevor die Ansteuersignale 22 die Gates G der FETs 12 ansteuern. Die Schaltnetzwerke 24 sind fixe Schaltnetzwerke 24, die typischerweise mit Widerständen, insbesondere als „Gate-Widerstand“, sowie seltener auch mit Dioden, Drosseln und/oder Kondensatoren aufgebaut sind, um eine An- und Ausschaltgeschwindigkeit der Feldeffekttransistoren 12 zu steuern.
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Ein zentraler Nachteil ist die Erzeugung von Schaltharmonischen im Spektrum der Ausgangsspannung. Es können Verzerrungen auftreten, die zu Abweichungen des tatsächlich erzeugten zeitlichen Verlaufes von Ausgangsgrößen, beispielsweise der Spannung, des Stromes und/oder der elektrischen Leistung, von einem idealen Wunschverlauf führen. Die Verzerrungen können dabei bis in einen hohen Gigahertz-Bereich reichen und hohe Leistungsdichten aufweisen. Dadurch können die Verzerrungen als elektromagnetische Emissionen mit anderen Geräten interferieren.
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Insbesondere Kommunikationssysteme im Fahrzeug sind durch ihre elektromagnetische Kommunikation mittels Funk oder leitungsgebundenen schnellen Bussystemen anfällig für Störungen. Bei verschiedenen aktuell verwendeten Kommunikationstechniken sind Frequenzen im Gigahertzbereich üblich. Hierzu gehören beispielsweise GPS, Bluetooth, WLAN, GSM, UMTS, LTE oder andere. Darüber hinaus sind elektromagnetische Emissionen in vielen Frequenzbändern und elektromagnetische Verträglichkeit gesetzlich geregelt und zulassungsrelevant.
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Konventionelle leistungselektronische Schaltungen erzeugen aufgrund ihrer Schaltaktivität sehr breitbandige Störungen, die zur Einhaltung der vorgegebenen Grenzen mit EMV-Filtern aufwändig entstört werden muss. Hierzu sind Leistungselektronikfilter für unterschiedliche Anwendungsgebiete bekannt, beispielsweise mit einer typischen, sogenannten Pi-Struktur. Entsprechende Filter sind teuer und erzeugen gerade bei leistungselektronischen Schaltungen mit hohen Leistungen erhebliche Energieverluste.
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Die Ursachen für hochfrequente Verzerrungen und daraus resultierende elektromagnetische Emissionen liegt in der Erzeugung der Ausgangsgrößen über die Schaltaktivität der verwendeten steuerbaren Leistungshalbleiter. Durch die verwendete Modulation, typischerweise die Pulsweitemodulation, werden die Ausgangsgrößen lediglich im zeitlichen Mittel erzeugt.
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In niedrigen Frequenzbereichen etwa bis einige hundert Kilohertz sind vor allem der Schalttakt und die Wahl der Umschaltzeitpunkte der PWM für Verzerrungen verantwortlich. Auf hohe Frequenzen von einigen hundert Kilohertz bis weit über ein Gigahertz, die insbesondere die oben genannten Kommunikationstechniken wie auch schnelle drahtgebundene Datenübertragungsbusse und Prozessoren stören, hat der Schalttakt der PWM nur begrenzten Einfluss. In diesem Bereich werden die Verzerrungen durch ein zeitliche An- und Ausschaltverhalten der steuerbaren Leistungshalbleiter dominiert.
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Die steuerbaren Leistungshalbleiter benötigen für das Umschalten eine Schaltzeit, die im Bereich einiger Nano- oder Mikrosekunden liegen kann. Sie können das Umschalten nicht instantan durchführen. Dies bewirkt, dass auch der Strom durch den Leistungshalbleiter nicht unmittelbar fließt oder unterbrochen wird. Entsprechendes ergibt sich für ein Steigen oder Fallen einer Lastspannung.
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Die Schaltvorgänge beim Umschalten der steuerbaren Leistungshalbleiter erzeugen einen charakteristischen spektralen Fingerabdruck, der, je schneller der Umschaltvorgang, desto höher Frequenzanteile aufweist. Ein entsprechendes Frequenzspektrum ist beispielhaft in 5 für einen FET als steuerbaren Leistungshalbleiter dargestellt.
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Die Ursache für den jeweiligen Verlauf des An- bzw. Ausschaltverhaltens unterscheidet sich je verwendetem Leistungshalbleiter. Bei FETs und IGBTs sind im Wesentlichen drei Phänomene dominant. Dies ist zunächst ein Aufladevorgang der Gate-Kapazität, halbleiterabhängige Ladungsträgergenerations- und - rekombinationsvorgänge, sowie anwendungsabhängige Rückwirkungen von Lastströmen und -Spannungen auf den Eingang.
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Das Schaltverhalten von steuerbaren Leistungshalbleitern wird wesentlich vom Gate-Treiber bestimmt. Darüber kann der Aufladevorgang der Gate-Kapazität beeinflusst werden. Der Gate-Treiber ist eine Einheit, die leistungsfreie einfache Digitalpegel verstärkt, um ausreichend Strom zum Ein- oder Ausschalten eines steuerbaren Leistungshalbleiters bereitzustellen. Große, steuerbare Leistungshalbleiter wie beispielsweise IGBTs können kurzzeitig einige Ampere aber auch bis zu 100A Umladestrom benötigen. Derartige Ströme können von digitalen Pegeln, wie sie beispielsweise von Mikrocontrollern erzeugt werden, nicht bereitgestellt werden.
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Eine typische Gate-Treiberschaltung 30 aus dem Stand der Technik ist in 6 dargestellt. Eine solche Gate-Treiberschaltung 30 kann beispielsweise in dem Gate-Treiberchip 14 gemäß 4 verwendet werden. Die Gate-Treiberschaltung 30 ist eine einfache Verstärkerschaltung mit einem Eingangstransistor Q2, der über Widerstände R1, R2 zwischen einer Versorgungsspannung von +36V und Masse angeordnet ist. Der Eingangstransistor Q2 wird über das Steuersignal 18 an seiner Basis angesteuert. Über eine nachgeschaltete Gegentaktstufe mit zwei komplementären Transistoren Q1, Q3 wird hier ein Ansteuersignal 22 bereitgestellt.
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Zusätzlich können derartige Gate-Treiber auch Zusatzfunktionen wie eine galvanische Trennung, Levelshifting, Totzeiteinfügung, um ein überlappendes Anschalten zweier steuerbarer Leistungshalbleiter in Serie zu unterbinden, eine Überwachung der steuerbaren Leistungshalbleiter oder ähnliches implementieren.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung für einen Stromrichter zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, einen Stromrichter zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, mit wenigstens einer solchen Ansteuerschaltung, ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, mit wenigstens einem solchen Stromrichter und ein Verfahren zum Ansteuern eines Stromrichters zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, anzugeben, die eine Reduktion von Verzerrungen eines zeitlichen Verlaufes von Ausgangsgrößen ermöglichen, kostengünstig anzuwenden sind und gute EMV-Eigenschaften aufweisen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Ansteuerschaltung für einen Stromrichter zur Verwendung in einem Fahrzeug angegeben, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, wobei der Stromrichter wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter aufweist, die Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Umschaltvorgangs des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters basierend auf einem Steuersignal ausgeführt ist, und die Ansteuerschaltung ausgeführt ist, die Ansteuerung des wenigstens einen Leistungshalbleiters basierend auf dem Steuersignal mit einer zeitlichen Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen Leistungshalbleiters beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters durchzuführen, wobei der Einstellparameter ein Einstellparameter für elektromagnetische Emissionen des wenigstens einen Leistungshalbleiters ist.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Stromrichter zur Verwendung in einem Fahrzeug angegeben, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, mit wenigstens einer oben angegebenen Ansteuerschaltung.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Fahrzeug angegeben, insbesondere ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, mit wenigstens einem oben angegebenen Stromrichter.
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Erfindungsgemäß ist ebenfalls ein Verfahren zum Ansteuern eines Stromrichters zur Verwendung in einem Fahrzeug angegeben, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, wobei der Stromrichter wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter aufweist, und das Verfahren folgende Schritte umfasst Ansteuern eines Umschaltvorgangs des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters basierend auf einem Steuersignal, und Ansteuern des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters basierend auf dem Steuersignal mit einer zeitlichen Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters beim Umschalten unter Berücksichtigung eines Einstellparameters, wobei der Einstellparameter ein Einstellparameter für elektromagnetische Emissionen des wenigstens einen Leistungshalbleiters ist.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, das zeitliche Umschaltverhalten des/der entsprechenden steuerbaren Leistungshalbleiter gezielt zu steuern, um hiermit Kontrolle über das Spektrum der Verzerrungen der Ausgangsgrößen durch das Umschalten zu gewinnen. Dazu wird eine zentrale, von außen steuerbare Größe des Umschaltverhaltens genutzt, die bei häufig verwendeten Feldeffekttransistoren (FET) und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, im englischen insulatedgate bipolar transistor (IGBT), insbesondere der zeitliche Aufladeverlauf des Gates ist. Der Aufladeverlauf des Gates ist über einen zeitlichen Verlauf der Gate-Source-Spannung (bzw. bei IGBT äquivalent die Gate-Emitter-Spannung) sowie den Gate-Strom kontrollierbar bzw. detektierbar.
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Das Anschalten erfolgt bei allen feldeffektbasierten Transistoren (FET, IGFET, MISFET, MOSFET, IGBT, JFET) über das Laden eines Kondensators, dem Gate gegen einen modulierbaren Kanal. Bei JFETs mit hoher Stromleckrate aufgrund der leitenden Verbindung zum Kanal gegen Source, bzw. bei IGBT gegenüber dem bzw. Emitter. Über die Kapazität und die damit verbundene elektrostatische Anziehungskraft auf einer entgegengesetzten Kondensatorelektrode reichert die Gate-Kapazität Ladungsträger im Leitungskanal des Transistors an bzw. generiert diese aktiv durch Anheben von Energieniveaus von Elektronen. Somit ist das Anschaltverhalten bei dieser Bauelementklasse spannungsgesteuert, d. h. die Ladungsträgerdichte im Kanal hängt - zumindest im zeitlichen Gleichgewicht und bei Vernachlässigung von dynamischen Verzögerungseffekten - primär von der Spannung am Gate ab. Ab einer gewissen Spannung, der Schwellenspannung, ist die Ladungsträgerdichte im Kanal hoch genug, um ein Einsetzen des Laststromflusses zu erzeugen. Das Ausschalten erfolgt in die entgegengesetzte Richtung, ist jedoch ansonsten äquivalent.
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Insbesondere erlaubt die Erfindung, das An- und/oder Ausschaltverhalten nicht nur gezielt zu steuern, sondern ferner das Verhalten auf der Basis von gemessenen oder geschätzten Emissionen in der unmittelbaren Vergangenheit zu regeln, wobei durch eine Berücksichtigung des Umschaltverhalten der Leistungshalbleiter höhere Frequenzbereiche erfasst werden können.
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Dabei kann entweder für den Ausschaltvorgang schlicht der invertierte Verlauf des Einschaltvorganges oder jeweils ein eigener dedizierter Verlauf verwendet werden.
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Der Einstellparameter kann von der Ansteuerschaltung entweder empfangen und verwendet werden. Alternativ kann die Ansteuerschaltung den Einstellparameter selber bestimmen, um elektromagnetische Emissionen des wenigstens einen Leistungshalbleiters zu beeinflussen. Dazu kann die Ansteuerschaltung eine Steuerungseinheit aufweisen, die den Einstellparameter bereitstellt. Bei mehreren Leistungshalbleitern kann der Einstellparameter eine Mehrzahl Einzelparameter umfassen, die gemeinsam den Einstellparameter bilden. Somit können mehrere Leistungshalbleiter jeweils unabhängig angesteuert werden. Prinzipiell können jedoch auch alle oder Gruppen von Leistungshalbleitern mit dem gleichen Einstellparameter angesteuert werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung ausgeführt, eine gezielte Veränderung der zeitlichen Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen Leistungshalbleiters beim Umschalten durch eine gezielte Veränderung des Einstellparameters im Betrieb durchzuführen. Der Einstellparameter selber ist also nicht fest vorgegeben, sondern einstellbar, um eine gezielte Anpassung der elektromagnetischen Emissionen des wenigstens einen Leistungshalbleiters durchzuführen. Die Veränderung kann adaptiv sein, um eine Anpassung im Betrieb durchführen zu können. Somit erfolgt nicht nur ein zeitlich kontrollierbarer Umladevorgang des Steuereinganges des Leistungshalbleiters, beispielsweise des Gates. Wäre der Umladevorgang bei jedem Umschalten, d.h. Einschalten bzw. Ausschalten, gleich, würde sich ebenso ein gleicher zeitlicher Verlauf des Umschaltens ergeben. Dies würde gleiche Hochfrequenzverzerrungen und damit kontinuierliche Abstrahlungen in denselben Frequenzbereichen ergeben. Gleichwohl ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Einstellparameter immer zwischen Umschaltvorgängen verändert wird.
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Auch wäre eine allgemein weiße, d.h. über einen weiten Frequenzbereich gleiche Leistungsdichte, von Frequenzanteilen, die ein- oder Ausschalten mit immer gleicher zeitlicher Dynamik erlaubte, technisch kaum möglich. Auch würde dies dazu führen, dass beispielsweise bei besonders wichtigen Frequenzbereichen zumindest ein Störpegel durch das Rauschen vorhanden wäre. Damit wäre es nicht möglich, bestimmte Frequenzbereiche von Verzerrungen und Abstrahlungen freizuhalten. Wichtige Frequenzbereiche könnten beispielsweise Frequenzbereiche sein, die von Kommunikationssystemen verwendet werden, oder für welche die Kommunikationssysteme sensitiv sind. Hier wäre eine weiße Abstrahlung nicht wünschenswert.
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Durch ein adaptives Anpassen des zeitlichen Verlaufes des Lade- und/oder Entladevorganges kann dagegen die durchschnittliche Leistungsdichte über die Frequenz gezielt gesteuert oder geregelt werden. Dadurch kann eine Störungsleistung gleichmäßig verteilt werden, wodurch Leistungsspitzen in schmalen Frequenzbändern vermieden werden können.
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Eine Steuerung oder eine Regelung der Veränderung des Einstellparameters kann entweder auf der Basis von Messungen oder von Schätzungen der elektromagnetischen Verzerrung bzw. Emission erfolgen. Durch die Steuerung oder Regelung den zeitliche Umschaltverlauf des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters durch Kontrolle des zeitlichen Umladeverlaufs des Steuereinganges kontinuierlich beeinflusst werden. Messgrößen können dabei die zeitliche Sperrspannung über den entsprechenden steuerbaren Leistungshalbleiter, der zeitliche Laststrom, das magnetische Feld, beispielsweise über eine Detektionsspule in der Nähe des steuerbaren Leistungshalbleiters oder des Leistungsstromkreises gelegen, ggf. in einer unteren oder rückseitigen Lage einer Platine, oder das elektrische Feld, beispielsweise über ein Detektionsdipol in der Nähe des steuerbaren Leistungshalbleiters oder des Leistungsstromkreises, ggf. in einer unteren oder rückseitigen Lage einer Platine, oder andere sein.
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Da jedoch das gesamte System aus Gate-Treiber und dem wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter auch einfach modelliert werden kann, ist statt einer zumeist teuren Messung auch eine Schätzung in der Regelung möglich, die folglich auf der Basis der Schätzung einen veränderten Zeitverlauf des Umladevorgangs errechnet und den Einstellparameter entsprechend anpasst.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung eine digitale Treiberschaltung für den wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter und weist eine Einstellschaltung auf, die zwischen der digitalen Treiberschaltung und dem wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter angeordnet ist, die digitale Treiberschaltung ist ausgeführt, ein Logiksignal als Steuersignal zu empfangen und basierend auf dem Steuersignal ein Ansteuersignal für den wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter zu erzeugen, die Einstellschaltung ist ausgeführt, den Einstellparameter zu empfangen, und die Einstellschaltung ist weiter ausgeführt, das Ansteuersignal der digitalen Treiberschaltung anzupassen, um die zeitliche Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters durchzuführen. Konventionelle Treiberschaltungen, auch Gate-Treiber genannt, ermöglichen einen fixen Ladevorgang des Steuereingangs. Dabei wird der Steuereingang zumeist mit maximal möglicher Geschwindigkeit durch eine binäre sogenannte Totem-Pole- oder Gegentakt-Ausgangsstufe geladen. Der Ausgang wird entweder zum Einschalten des Leistungshalbleiters mit der positiven oder zum Ausschalten mit der negativen Spannungsversorgung des Gate-Treibers über je einen Transistor leitend verbunden.
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Die Treiberschaltung hat die Aufgabe ein stromstarkes Schaltsignal zu liefern, das im Gegensatz zu Digitalpegeln bis zu zweistellige Amperewerte liefert und relativ zum Source- (bei FET) oder Emitter-Anschluss (bei IGBT) liegt. Derartige Treiberschaltungen sind Industriestandard und daher optimiert zu sehr niedrigen Preisen erhältlich. Um auch mit dieser konventionellen Treiberschaltung eine adaptive Formung des zeitlichen Ein- oder Ausschaltvorganges zu ermöglichen, wird die Einstellschaltung eingesetzt, die die zeitliche Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters durchführt. Dadurch wird der zeitliche Verlauf des Umschaltens beeinflusst.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Einstellschaltung einen einstellbaren Widerstand, der über den Einstellparameter einstellbar ist. Der einstellbare Widerstand ist ein sehr einfaches Beispiel einer Ausführung der Einstellschaltung. Durch den einstellbaren Widerstand kann der von der Treiberschaltung gelieferte Strom begrenzt werden, um Schalten des Leistungshalbleiters zu verzögern, indem der Widerstand die Geschwindigkeit der Ladung der Gate-Kapazität einstellt und diese in erster Näherung linear skaliert. Bei einer entsprechenden Veränderung des Einstellparameters kann aber auch der zeitliche Verlauf der Aufladung der Gate-Kapazität umfassend beeinflusst werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Einstellschaltung einen Widerstand und einen ersten Transistor, die in einer Parallelschaltung verschaltet sind, wobei der erste Transistor über den Einstellparameter ansteuerbar ist. Dadurch kann ein Einschaltvorgang des steuerbaren Leistungshalbleiters beeinflusst werden. Der erste Transistor wird vorzugsweise als Längsregler verwendet. Der erste Transistor kann entweder kontinuierlich oder in einer gewissen Anzahl von Stufen zwischen den Grenzbereichen gesperrt und maximalleitfähig moduliert werden. Der erste Transistor kann ein FET oder ein Bipolartransistor, beispielsweise ein pnp- oder npn-Transistor, sein. Der Widerstand stellt dabei einen wohldefinierten Leitungspfad sowohl für den Einschaltvorgang bei ausgeschaltetem Transistor als auch für den Ausschaltvorgang dar, wobei bei dem Ausschaltvorgang der Steuerstrom des Gates des Leistungshalbleiters in umgekehrter Richtung zu fließen hat und vorzugsweise über die Body-Diode des ersten Transistors fließt. Außerdem kann der Widerstand die Verlustleistung in dem ersten Transistor verringern. Für die praktische Auslegung sollte der Widerstand mindestens so groß dimensioniert werden, um die geringste nötige Umschaltgeschwindigkeit des Leistungshalbleiters zu ermöglichen.
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Wegen des hohen Gate-Stromes kann insbesondere bei großen Leistungskreisen von Vorteil sein, die Joule'sche Verlustleistung im ersten Transistor zu vermindern, indem ein weiterer Widerstand ergänzt wird. Dieser weitere Widerstand ist in Reihe mit dem ersten Transistor geschaltet. Wird als erster Transistor ein Transistor mit Body-Diode verwendet, also mit einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode, definiert der weitere Widerstand ebenfalls die Geschwindigkeit des Ausschaltvorganges. Der weitere Widerstand ist vorzugsweise so dimensioniert, dass die Parallelschaltung des Widerstands mit dem weiteren Widerstand maximal so groß ist, dass die schnellste nötige Umschaltgeschwindigkeit ermöglicht wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Einstellschaltung einen zweiten Transistor, der parallel zu oder in Reihe mit dem ersten Transistor verschaltet ist, wobei der erste und der zweite Transistor unabhängig über den Einstellparameter ansteuerbar sind. Bei einer Reihenschaltung sind der erste und der zweite Transistor vorzugsweise in entgegengesetzten Richtungen verschaltet, d.h. im Gegentakt. Durch die Verwendung von zwei Transistoren kann die Ansteuerung des wenigstens einen Leistungshalbleiters basierend auf dem Steuersignal neben dem Einschaltverhalten auch das Ausschaltverhalten beeinflusst werden. Vorzugsweise sind neben den beiden Transistoren seriell dazu Widerstände angeordnet, um das elektrische Potential der Gegenkontakte auf einem möglichst wohldefinierten Wert zu legen. Dies ist empfehlenswert, da sowohl bei Bipolar- als auch bei Feldeffekttransistoren eine Ansteuerung relativ zu einem Gegenkontakt erfolgen muss. Entsprechend erfolgt die Ansteuerung bei Feldeffekttransistoren gegen Source, und bei Bipolartransistoren gegen den Emitter. In einer Ausführungsform sind die beiden Transistoren mit einem dazwischenliegenden Widerstand in Reihe geschaltet und so angeordnet, dass der Source-Kontakt des ersten Transistors mit dem Gate-Potential des Leistungshalbleiters zusammenfällt. Damit ist die nötige Spannung am Gate-Anschluss des ersten Transistors größer als die Gatespannung am Leistungshalbleiter. Damit ist der erste Transistor voll mit den Versorgungsspannungen der Treiberschaltung, d.h. deren negativer Versorgung Vss(GateDriver) und deren positiver Versorgung Vcc(GateDriver), steuerbar. Darüber hinausgehende Spannungen sind nicht erforderlich. Für die kontinuierliche Steuerung des ersten Transistors können entsprechend Zwischenniveaus aus den genannten Versorgungsspannungen erzeugt werden. Entsprechendes gilt für den zweiten Transistor.
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In einer anderen Ausführungsform sind der erste und der zweite Transistor unmittelbar in Reihe geschaltet, wobei zusätzlich ein Widerstand mit den beiden Transistoren in Reihe geschaltet ist. Die beiden Transistoren sind ebenfalls mit gemeinsamem Source- (bei FET) oder Emitter-Anschluss (bei Bipolartransistoren) angeordnet. Der erste und der zweite Transistor werden hier nicht ausschließlich mit lediglich zwei Stufen, d.h. maximal leitend oder voll sperrend, sondern als Längsregler verwendet. Dadurch wird der Widerstand der Transistoren gezielt in Zwischenbereichen zwischen maximal leitend oder voll sperrend betrieben.
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In einem Ausführungsbeispiel, bei dem der erste und der zweite Transistor jeweils mit einem Widerstand in Reihe geschaltet sind, und diese Reihenschaltungen parallel angeordnet sind, ist die Funktion im Wesentlichen wie oben beschrieben. Der erste Transistor ist mit seinem Widerstand so angeordnet, dass der Source-Kontakt des ersten Transistors, der die oben genannte Gegenelektrode darstellt, mit dem Gate-Potential des Leistungshalbleiters zusammenfällt. Damit ist die nötige Spannung am Gate-Anschluss des ersten Transistors größer als die Gatespannung am Leistungshalbleiter. Damit ist der erste Transistor voll mit den Versorgungsspannungen der Treiberschaltung, d.h. deren negativer Versorgung Vss(GateDriver) und deren positiver Versorgung Vcc(GateDriver), steuerbar. Darüber hinausgehende Spannungen sind nicht erforderlich. Für die kontinuierliche Steuerung des ersten Transistors können entsprechend Zwischenniveaus aus den genannten Versorgungsspannungen erzeugt werden. Entsprechendes gilt für den zweiten Transistor und den damit in Reihe geschalteten Widerstand.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung ausgeführt, die Einstellschaltung zwischen zwei Umschaltvorgängen des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters einzustellen. Damit ist die Einstellschaltung während des Umschaltens, also beim Einschalten oder beim Ausschalten, konstant. Änderungen der Einstellschaltung erfolgen von Schaltvorgang zu Schaltvorgang. Als eine zentrale Steuerungsart der Einstellschaltung kann vor einem Gate-Signal des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters ein zugehöriger, temporär konstanter Widerstandswert angenommen werden.
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Dieser temporär konstante Widerstandswert kann für den Einschalt- und den Ausschaltvorgang identisch sein oder auch jeweils unterschiedlich. Eine Veränderung der Einstellschaltung über den Einstellparameter erfolgt nur zwischen Schaltvorgängen. Dadurch kann das Emissionsspektrum des wenigstens einen Leistungshalbleiters im zeitlichen Durchschnitt geregelt werden.
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Durch die hohe Schaltrate typischer leistungselektronischer Schaltungen von mehreren Kilohertz lässt sich bei regelmäßigen Änderungen des Gate-Netzwerkes das Emissionsspektrum effektiv modulieren. Das sich ergebende Emissionsspektrum entspricht dabei näherungsweise dem Durchschnitt der Einzelspektren.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung ausgeführt ist, die Einstellschaltung während eines Umschaltvorganges des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter einzustellen. Im Gegensatz zum Einstellen der Einstellschaltung zwischen zwei Umschaltvorgängen, bei der das Gesamtspektrum leidglich aus dem Durchschnitt der Einzelspektren gebildet wird, kann hier das Spektrum exakt eingestellt werden, da der Umschaltvorgang zu jedem Zeitpunkt in seiner Geschwindigkeit kontrolliert werden kann. Vorzugsweise ist die Einstellschaltung mit dem Umschaltvorgang synchronisiert. Dies kann beispielsweise über das Digitalsignal erfolgen, das auch die Treiberschaltung selbst steuert und einen einzunehmenden Status übergibt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung eine integrale Treiberschaltung für den wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter auf und ist ausgeführt, ein Logiksignal als Steuersignal zu empfangen, und basierend auf dem Steuersignal ein Ansteuersignal für den wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter zu erzeugen, wobei die integrale Treiberschaltung weiter ausgeführt ist, den Einstellparameter zu empfangen und die zeitliche Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters durchzuführen. Es wird eine Treiberschaltung bereitgestellt, die integral die Ansteuerung des wenigstens einen Leistungshalbleiters basierend auf dem Steuersignal mit einer zeitlichen Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen Leistungshalbleiters beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters durchführt. Die Treiberschaltung wird vorzugsweise über ein einfaches Logiksignal aktiviert, wodurch gewünschte hohe Reaktionszeiten von wenigen 1 - 10 Nanosekunden ermöglicht werden. Der Einstellparameter wird dabei über einen separaten Eingang bereitgestellt. Der Einstellparameter muss dabei nicht gleichzeitig mit dem Steuersignal bereitgestellt werden. Die Treiberschaltung kann entsprechend bei einer steigenden oder fallenden Flanke den jeweils zugehörigen letzten Einstellparameter verwenden. Dies kann auf unterschiedliche Weise technisch implementiert werden, beispielsweise mit einem Register, einem Sample&Hold-Glied oder einem anderweitigen Speicher.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die integrale Treiberschaltung eine analoge Treiberschaltung, die integrale Treiberschaltung weist eine Steuerungseinheit mit einem Speicher, einen D/A-Wandler und einer analogen Verstärkerstufe auf, die Steuerungseinheit ist ausgeführt, das Steuersignal und den Einstellparameter zu empfangen und einen durch den Einstellparameter ausgewählten digitalen Verlauf des Steuersignals bereitzustellen, der D/A-Wandler ist ausgeführt, den digitalen Verlauf des Steuersignals in ein analoges Treibersignal zu wandeln, und die analoge Verstärkerstufe ist ausgeführt, das analoge Treibersignal zu verstärken und als angepasstes Ansteuersignal für den wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter bereitzustellen. Im Gegensatz zu eine konventionellen, digitalen Treiberschaltung muss eine analoge Treiberschaltung keinen näherungsweise rechteckigen Spannungssprung mit geringer Quellimpedanz und somit hoher Stromfähigkeit liefern, der näherungsweise identisch zum Steuersignal ausgeführt ist. Stattdessen soll mit einem steigenden oder fallenden Steuersignal ein veränderbarer zeitlicher Verlauf hinsichtlich Spannung und/oder Strom ausgegeben werden. Die Treiberschaltung umfasst dazu eine einfache Transistorgegentaktstufe, auch als AB-Endstufe bezeichnet, wie sie aus Leistungsverstärkern bekannt ist. Gegentaktstufen, die ähnlich binären Treiberschaltungen aus dem Stand der Technik mindestens zwei Transistoren am Leistungsausgang einsetzen, haben den Vorteil, dass der Ausgang sowohl active-high als auch active-low als Zustand einnehmen kann. Dadurch kann der Ausgang sowohl hohe positive als auch negative Ströme abgeben bzw. aufnehmen kann. Die Gegentaktstufe ist entweder mit komplementären Transistoren, beispielsweise in Serie geschalteten p-Kanal- und n-Kanal-FET oder npn- und pnp-Transistoren ausgeführt.
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Bei der analogen Treiberschaltung wird aus dem Speicher ein digitales Signal unter Berücksichtigung des Einstellparameters bereitgestellt. Beim Umschalten des Steuersignals von low nach high oder von high nach low wird aus dem Speicher ein für den jeweiligen Fall vorgegebener Verlauf seriell als binärer Datenstrom von 0 und 1 ausgegeben, der anschließend in dem D/A-Wandler in das analoge Treibersignal gewandelt wird. Der D/A-Wandler ist vorzugsweise durch einen Tiefpassfilter, das den 0/1-Strom glättet, um einen glatten Verlauf zu bilden, realisiert. Bei Verwendung eines Tiefpassfilters im D/A Wandelprozess kann die Kapazität aufgrund der hohen Dynamik sehr gering gehalten werden. Dieses Signal wird von der analogen Verstärkerstufe verstärkt und als Ansteuersignal bereitgestellt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung einen Eingang für ein kontinuierliches Signal auf und ist ausgeführt, ein kombiniertes Signal mit dem Steuersignal und dem Einstellparameter zu empfangen, und basierend auf dem Steuersignal ein angepasstes Ansteuersignal für den wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter zu erzeugen, und die Ansteuerschaltung umfasst eine integrale Einstellschaltung, die ausgeführt ist, ihr angepasstes Ansteuersignal für den wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiter basierend auf dem Einstellparameter einzustellen, um die zeitliche Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters durchzuführen.
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Alternativ wird der zeitliche Verlauf des Ausgangsstromes oder der Ausgangsspannung direkt über das Eingangssignal bereitgestellt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das kontinuierliche Signal ein codiertes analoges Signal oder ein serielles oder paralleles digitales Signal. Beispielsweise kann ein Analogsignal am Eingang direkt den Stromverlauf oder Spannungsverlauf des Ausganges kodieren. Alternativ kann auch ein digitaler Eingang verwendet werden, der entweder seriell oder parallel den Verlauf des Ausganges kodiert. Aufgrund der hohen nötigen Reaktionsgeschwindigkeiten ist ein paralleler Eingang bevorzugt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung eine Steuerungseinheit auf, die ausgeführt ist, die die Ansteuerung des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters mit dem Einstellparameter mit einer Regelung nach der Art einer abgebrochenen Reihe durchzuführen. Dies stellt eine geeignete Möglichkeit einer gezielten Steuerung des Emissionsspektrums des wenigstens einen Leistungshalbleiters während des Betriebes bis über den MHz-Bereich hinaus dar. Dazu wird das Emissionsspektrum des wenigstens einen Leistungshalbleiters vorwiegend über lediglich eine geringe Anzahl von Freiheitsgraden geregelt. Beispielsweise kann es sich hier um lediglich einen Freiheitsgrad handeln, zum Beispiel die Dauer des Umschaltens. Die Dauer ist gegeben beispielsweise über den effektiven Widerstand der Einstellschaltung bzw. durch eine Verstärkung des Ladestroms konstant über die gesamte Ein- oder Ausschaltdauer des wenigstens einen Leistungshalbleiters. Bei zwei Freiheitsgraden kann zusätzlich beispielsweise die erste Ableitung der Dauer des Umschaltens betrachtet werden. Die erste Ableitung der Dauer des Umschaltens ergibt sich beispielsweise durch eine den Strom in der Mitte des Umschaltvorganges im Vergleich zum Anfang und Ende des Umschaltvorganges definierende Zahl.
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Die Ladespannung des Gates des wenigstens einen Leistungshalbleiters gleicht einer kumulativen Verteilungsfunktion (CFD) und lässt sich aus diesem Grund beispielsweise mit denselben Parametern in der Form beschreiben. Diese währen beispielsweise die Breite (Standardabweichung bei CFD), Symmetrie erster Ordnung (Schiefe bei CFD), Wölbung (Kurtosis bei CFD) usw. Alternativ lassen sich typische aus der Statistik bekannte sehr allgemeine parametrische Funktionen zur Darstellung von CFDs einsetzen, beispielsweise die Gamma-Funktion. Diese Art der Beschreibung bricht die Form des Umschaltens auf wenige Kenngrößen im Stil einer Reihe herunter und erlaubt die Verwendung gewöhnlicher Regelungsverfahren wie beispielsweise einer PID-Regelung.
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Vorzugsweise können mehrere PID-Regelschleifen einzelne Parameter der Reihendarstellung des Umschaltvorganges regeln. Als Regelgröße können vom Emissionsspektrum abgeleitete Größen, beispielsweise die maximale magnetische oder elektrische Feldamplitude in einem bestimmten Spektralbereich, dienen.
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Um eine Regelung mit einer geschlossenen Regelstrecke und die Messung des Emissionsspektrums zu vermeiden, kann alternativ eine Steuerung die Regelung ersetzen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung eine Steuerungseinheit auf, die ausgeführt ist, die die Ansteuerung des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters mit dem Einstellparameter basierend auf einer Ermittlung eines Zusammenhangs zwischen dem zeitlichen Verhalten des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters beim Umschalten und einem Zielspektrum für elektromagnetische Emissionen durch maschinelles Lernen durchzuführen. Ein gewünschtes Emissionszielspektrum kann durch Ermittlung des Zusammenhanges zwischen Gate-Ansteuerung und Zielspektrum über maschinelles Lernen hergestellt werden. Je nach verwendetem Leistungshalbleiter ist der Zusammenhang zwischen der Umladedynamik an dessen Steuerungseingang (beispielsweise des Gates bei FETs und IGBTS) und dem Emissionsspektrum nicht offensichtlich und durch Nichtlinearitäten beeinflusst. Maschinelle Lernmethoden wurden entwickelt, um derartige komplizierte Zusammenhänge nachzubilden und aufzudecken. Auf dieser Basis kann ebenfalls ein Regelsystem aufgestellt werden, das im Sinne der Erfindung eine Regelung des Emissionsspektrums erlaubt.
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Um eine Regelung zu vermeiden, kann alternativ eine einfache open-loop-Steuerung herangezogen werden. Eine Möglichkeit einer Steuerung besteht in einer statistischen Zuweisung der Parameter des Umschaltvorganges. Wie oben beschrieben lässt sich die Umschaltdynamik als Sigmoid-Funktion mit je nach gewünschter Flexibilität einer gewissen Zahl von Parametern beschreiben, beispielsweise den Momenten, die auch in der Statistik für CFDs verwendet werden, oder als Parameter von gebräuchlichen Funktionen, beispielsweise der Gamma-Verteilung. In einem einfachen Fall werden jedem Parameter ein Wertebereich und/oder eine statistische Verteilung zugeordnet.
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Der Steuerungsvorgang besteht darin, nach einem oder mehreren Umschaltvorgängen der Treiberschaltung neue Parametersätze mehr oder weniger zufällig gemäß diesen Vorgaben zu generieren. Für ein gleichmäßiges Spektrum kann beispielsweise jeder Parameter gleichmäßig in einem Bereich variiert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden nicht nur jedem Parameter ein Wertebereich und/oder eine statistische Verteilung zugeordnet, sondern es wird eine gemeinsame multidimensionale Verteilungsfunktion vorgegeben, die somit auch Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten jeder Kombination aus Parameterwerten festlegt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 ein Diagramm zur Darstellung einer einfachen Wandlung zur Modulation eines kontinuierlichen Signals durch Umschalten zwischen zwei Stufen gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein Diagramm zur Darstellung einer einfachen Wandlung zur Modulation eines kontinuierlichen Signals durch Umschalten zwischen neun Stufen gemäß dem Stand der Technik,
- 3 ein Diagramm zur Darstellung einer analogen Sinus-Dreieck-Modulation und einer digitalen PWM gemäß dem Stand der Technik,
- 4 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung aus dem Stand der Technik zur Ansteuerung von zwei Feldeffekttransistoren mit einem Gate-Treiberchip und zwei Schaltnetzwerken,
- 5 ein Diagramm eines sich ergebenden Frequenzspektrum bei einer Ansteuerung mit dem Gate-Treiberchip aus 4 gemäß dem Stand der Technik,
- 6 ein Schaltbild einer typischen Gate-Treiberschaltung aus dem Stand der Technik als Teil des Gate-Treiberchips 14 aus 4,
- 7 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberschaltung, einer Einstellschaltung und einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 8 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberschaltung, einer Einstellschaltung und einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei die Einstellschaltung einen einstellbaren Widerstand umfasst,
- 9 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberschaltung, einer Einstellschaltung und einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters gemäß einer dritten Ausführungsform, wobei die Einstellschaltung einen Widerstand und einen ersten Transistor umfasst, und der steuerbare Leistungshalbleiter als FET ausgeführt ist,
- 10 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberschaltung, einer Einstellschaltung und einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters gemäß einer vierten Ausführungsform, wobei die Einstellschaltung einen Widerstand und einen ersten Transistor umfasst, und der steuerbare Leistungshalbleiter als Bipolartransistor ausgeführt ist,
- 11 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberschaltung, einer Einstellschaltung und einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters gemäß einer fünften Ausführungsform, wobei die Einstellschaltung einen Reihenwiderstand und einen ersten Transistor, und einen parallel dazu geschalteten Widerstand umfasst,
- 12 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberschaltung, einer Einstellschaltung und einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters gemäß einer sechsten Ausführungsform, wobei die Einstellschaltung eine Reihenschaltung aus einem ersten Transistor, einem Reihenwiderstand, und einem zweiten Transistor und einen parallel dazu geschalteten Widerstand umfasst,
- 13 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberschaltung, einer Einstellschaltung und einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters gemäß einer siebten Ausführungsform, wobei die Einstellschaltung eine Reihenschaltung aus einem Reihenwiderstand, einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor und einen parallel dazu geschalteten Widerstand umfasst,
- 14 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer Treiberschaltung, einer Einstellschaltung und einer Steuerungseinheit zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters gemäß einer achten Ausführungsform, wobei die Einstellschaltung eine Parallelschaltung aus einem ersten Transistor, einem zweiten Transistor und einem parallel dazu geschalteten Widerstand umfasst, und wobei zu jeden Transistor ein zusätzlicher Reihenwiderstand in Reihe geschaltet ist,
- 15 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer integralen Treiberschaltung gemäß einer neunten Ausführungsform,
- 16 ein Detailschaltbild der integralen Treiberschaltung der neunten Ausführungsform aus 15,
- 17 ein detaillierter ausgeführtes Detailschaltbild der integralen Treiberschaltung der neunten Ausführungsform aus 16,
- 18 ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung gemäß einer zehnten Ausführungsform, und
- 19 ein Prinzipschaltbild zur Durchführung einer Regelung nach dem Prinzip einer abgebrochenen Reihe.
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Die 7 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 100 für einen Stromrichter zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Von dem Stromrichter ist im Detail nur ein steuerbarer Leistungshalbleiter 102 in 7 dargestellt. Der steuerbare Leistungshalbleiter 102 des ersten Ausführungsbeispiels ist ein Feldeffekttransistor (FET).
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Die Ansteuerschaltung 100 ist zur Ansteuerung eines Umschaltvorgangs des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 basierend auf einem Steuersignal 104 ausgeführt. Die Ansteuerschaltung 100 ist weiter ausgeführt ist, die Ansteuerung des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 basierend auf dem Steuersignal 104 mit einer zeitlichen Einstellung des Verhaltens des wenigstens einen steuerbaren Leistungshalbleiters 102 beim Umschalten unter Berücksichtigung eines Einstellparameters 106 durchzuführen, wobei der Einstellparameter 106 ein Einstellparameter 106 für elektromagnetische Emissionen des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 ist. Dies wird durch eine zeitliche Einstellung des Verhaltens des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters 106 erreicht.
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Die Ansteuerschaltung 100 umfasst eine digitale, konventionelle Treiberschaltung 110 und eine Einstellschaltung 112, die zwischen der digitalen Treiberschaltung 110 und dem steuerbaren Leistungshalbleiter 102 angeordnet ist. Die Treiberschaltung 110 erhält das Steuersignal 104 zur Ansteuerung des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 und erzeugt ein Ansteuersignal 114 für den steuerbaren Leistungshalbleiter 102, welches der Einstellschaltung 112 zugeführt wird.
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Die Ansteuerschaltung 100 umfasst weiterhin eine Steuerungseinheit 116, die den Einstellparameter 106 bestimmt. Details sind nachstehend angegeben. Der Einstellparameter 106 wird von der Steuerungseinheit 116 an die Einstellschaltung 112 übertragen. Die Einstellschaltung 112 ist ausgeführt, den Einstellparameter 106 zu empfangen, und das Ansteuersignal 114 der digitalen Treiberschaltung 110 anzupassen, um die zeitliche Einstellung des Verhaltens des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters 106 durchzuführen. Entsprechend wird von der Einstellschaltung 112 ein angepasstes Ansteuersignal 118 an das Gate G des steuerbaren Leistungshalbleiters übertragen.
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Verschiedene Ausgestaltungen der Einstellschaltung 112 werden nachfolgend unter Bezug auf die 8 bis 14 und die entsprechenden Ausführungsbeispiele 2 bis 8 beschrieben. Diese Ausführungsformen sind von der ersten Ausführungsform abgeleitet. Entsprechend gelten die diesbezüglichen Ausführungen auch für die Ansteuerschaltungen 100 der 8 bis 14. Abweichende Details in Bezug auf die jeweilige Einstellschaltung 112 werden explizit beschrieben.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform ist in 8 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 umfasst wie zuvor unter Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben eine Treiberschaltung 110, einer Einstellschaltung 112 und eine Steuerungseinheit 116 zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters 102. Gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst die Einstellschaltung 112 einen einstellbaren Widerstand P1, den Einstellparameter 106 von der Steuerungseinheit 116 einstellbar ist. Der einstellbare Widerstand P1 begrenzt den von der Treiberschaltung 110 gelieferten Strom, um ein Schalten des Leistungshalbleiters 102 zu verzögern, indem der einstellbare Widerstand P1 die Geschwindigkeit der Ladung der Gate-Kapazität des steuerbaren Leistungshalbleiters 102einstellt und diese in erster Näherung linear skaliert.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer dritten Ausführungsform ist in 9 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 umfasst wie zuvor unter Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben eine Treiberschaltung 110, einer Einstellschaltung 112 und eine Steuerungseinheit 116 zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters 102, der hier als Feldeffekttransistor ausgeführt ist. Gemäß der dritten Ausführungsform umfasst die Einstellschaltung 112 einen Widerstand R1 und einen ersten Transistor T2, die in einer Parallelschaltung verschaltet sind. Der erste Transistor T2 ist über den Einstellparameter 106 ansteuerbar. Der erste Transistor T2 kann ein FET oder ein Bipolartransistor, beispielsweise ein pnp- oder npn-Transistor, sein. Der erste Transistor T2 wird vorzugsweise als Längsregler verwendet und kann entweder kontinuierlich oder in einer gewissen Anzahl von Stufen zwischen den Grenzbereichen „gesperrt“ und „maximalleitfähig“ moduliert werden.
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Der Widerstand R1 stellt dabei einen wohldefinierten Leitungspfad sowohl für den Einschaltvorgang bei ausgeschaltetem Transistor T2 als auch für den Ausschaltvorgang dar, wobei bei dem Ausschaltvorgang der Steuerstrom des Gates des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 in umgekehrter Richtung zu fließen hat und vorzugsweise über die Body-Diode des ersten Transistors T2 fließt. Außerdem verringert der Widerstand R1 eine Verlustleistung in dem ersten Transistor T2. Der Widerstand R1 ist mindestens so groß dimensioniert, um die geringste nötige Umschaltgeschwindigkeit des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 zu ermöglichen.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer vierten Ausführungsform ist in 10 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 der vierten Ausführungsform ist prinzipiell identisch zu der Ansteuerschaltung 100 der dritten Ausführungsform. Ein Unterschied der vierten Ausführungsform besteht gegenüber der dritten Ausführungsform lediglich darin, dass der steuerbare Leistungshalbleiter 102 ein Bipolartransistor, konkret ein IGBT, ist.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer fünften Ausführungsform ist in 11 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 umfasst wie zuvor unter Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben eine Treiberschaltung 110, einer Einstellschaltung 112 und eine Steuerungseinheit 116 zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters 102, der hier als Feldeffekttransistor ausgeführt ist. Gemäß der fünften Ausführungsform umfasst die Einstellschaltung 112 einen Reihenwiderstand R3 und einen ersten Transistor T2, die in Reihe geschaltet sind. Zu dieser Reihenschaltung ist ein Widerstand R2 parallel geschaltet. Wie zuvor unter Bezug auf die dritte Ausführungsform der 9 beschrieben, ist der erste Transistor T4 über den Einstellparameter 106 ansteuerbar. Der erste Transistor T4 ist hier beispielhaft ein FET.
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Der Widerstand R2 stellt wie zuvor beschrieben einen wohldefinierten Leitungspfad sowohl für den Einschaltvorgang bei ausgeschaltetem Transistor T4 als auch für den Ausschaltvorgang dar, wobei bei dem Ausschaltvorgang der Steuerstrom des Gates des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 in umgekehrter Richtung zu fließen hat und vorzugsweise über die Body-Diode des ersten Transistors T4 fließt. Außerdem verringert der Widerstand R2 eine Verlustleistung in dem ersten Transistor T4. Der Widerstand R2 ist mindestens so groß dimensioniert, um die geringste nötige Umschaltgeschwindigkeit des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 zu ermöglichen.
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Der Reihenwiderstand R3 dient dabei zur Verringerung von Joule'sche Verlustleistung in dem ersten Transistor T4, die wegen des hohen Gate-Stromes auftritt. Wird als erster Transistor T4 ein Transistor mit Body-Diode verwendet, also mit einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode, definiert der Reihenwiderstand zusätzlich die Geschwindigkeit des Ausschaltvorganges. Der Reihenwiderstand R3 ist so dimensioniert, dass die Parallelschaltung des Reihenwiderstands R3 mit dem Widerstand R2 maximal so groß ist, dass die schnellste nötige Umschaltgeschwindigkeit ermöglicht wird.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer sechsten Ausführungsform ist in 12 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 umfasst wie zuvor unter Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben eine Treiberschaltung 110, einer Einstellschaltung 112 und eine Steuerungseinheit 116 zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters 102, der hier als Feldeffekttransistor ausgeführt ist. Gemäß der sechsten Ausführungsform umfasst die Einstellschaltung 112 einen ersten Transistor T6, einen Reihenwiderstand R5 und einen zweiten Transistor T8, die in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind. Zu dieser Reihenschaltung ist ein Widerstand R4 parallel geschaltet. Der erste Transistor T6 und der zweiter Transistor T8 sind unabhängig über den Einstellparameter 106 ansteuerbar. Der erste und der zweite Transistor T6, T8 sind hier beispielhaft als FETs ausgeführt. Der erste und der zweite Transistor T6, T8 sind in entgegengesetzten Richtungen verschaltet. Einer der zwei Transistoren T6, T8 übernimmt die Ansteuerung des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 basierend auf dem Steuersignal 104 beim Einschalten, der andere beim Ausschalten.
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Da sowohl bei der Verwendung von Bipolar- wie auch bei Feldeffekttransistoren als erster und zweiter Transistor T6, T8 die Ansteuerung relativ zu einem Gegenkontakt erfolgt, sind die Transistoren T6, T8 mit dem Reihenwiderstande R5 so angeordnet, dass das elektrische Potential der Gegenkontakte auf einem wohldefinierten Wert liegt. Bei Feldeffekttransistoren erfolgt die Ansteuerung gegen Source, bei Bipolartransistoren gegen den Emitter.
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Gemäß der sechsten Ausführungsform sind der zweite Transistor T8, der Reihenwiderstand R5 und der erste Transistor T6 so angeordnet, dass der Source-Kontakt von dem ersten Transistor T6, der die oben genannte Gegenelektrode darstellt, mit dem Gate-Potential des steuerbaren Leistungshalbleiter zusammenfällt.
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Damit ist die nötige Spannung am Gate-Anschluss des steuerbaren Leistungshalbleiters 102, hier auch als T5 bezeichnet, vs. Source des ersten Transistors T6 wie folgt: Vcc(GateDriver) ≥ Vin + Vsteuermax ≥ Vgate(T5) + Vsteuermax ≥ Vgate-source(T6) ≥ Vgate(T5) ≥ Vsource(T5). Daraus folgt, dass der erste Transistor T6 voll mit den Versorgungsspannungen des GateTreibers, d.h. mit essen negativer Versorgung Vss(GateDriver) und dessen positiver Versorgung Vcc(GateDriver), steuerbar ist. Es ist keine Spannung nötig, die über diese Potentiallevel hinausgeht. Für die kontinuierliche Steuerung des ersten Transistors T6 können entsprechend Zwischenniveaus aus den genannten Versorgungsspannungen erzeugt werden. Die Ausführungen gelten entsprechend für den zweiten Transistor T8.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer siebten Ausführungsform ist in 13 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 umfasst wie zuvor unter Bezug auf die sechste Ausführungsform beschrieben eine Treiberschaltung 110, einer Einstellschaltung 112 und eine Steuerungseinheit 116 zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters 102, der hier als Feldeffekttransistor ausgeführt ist. Gemäß der siebten Ausführungsform umfasst die Einstellschaltung 112 einen Reihenwiderstand R6, einen ersten Transistor T10 und einen zweiten Transistor T11, die in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind. Zu dieser Reihenschaltung ist ein Widerstand R4 parallel geschaltet. Der erste Transistor T10 und der zweiter Transistor T11 sind unabhängig über den Einstellparameter 106 ansteuerbar. Der erste und der zweite Transistor T10, T11 sind hier beispielhaft als FETs ausgeführt. Der erste und der zweite Transistor T10, T11 sind in entgegengesetzten Richtungen verschaltet. Einer der zwei Transistoren T10, T11 übernimmt die Ansteuerung des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 basierend auf dem Steuersignal 104 beim Einschalten, der andere beim Ausschalten.
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Die beiden Transistoren T10, T11 sind hier mit gemeinsamem Source- (bei FET) oder Emitter-Anschluss (bei Bipolartransistoren) angeordnet. Der erste und der zweite Transistor T10, T11 werden als Längsregler verwendet. Dadurch wird der Widerstand der Transistoren T10, T11 gezielt in Zwischenbereichen zwischen maximal leitend oder voll sperrend betrieben.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer achten Ausführungsform ist in 14 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 umfasst wie zuvor unter Bezug auf die sechste Ausführungsform beschrieben eine Treiberschaltung 110, einer Einstellschaltung 112 und eine Steuerungseinheit 116 zur Ansteuerung eines steuerbaren Leistungshalbleiters 102, der hier als Feldeffekttransistor ausgeführt ist. Gemäß der achten Ausführungsform umfasst die Einstellschaltung 112 einen ersten und einen zweiten Transistor T6, T7, jeweils mit einem Reihenwiderstand R5, R6 in Reihe geschaltet sind. Die beiden Reihenschaltungen sind parallel geschaltet. Zusätzlich ist ein Widerstand R4 parallel dazu geschaltet.
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Die Funktion der beiden Transistoren T6, T7 ist im Wesentlichen wie oben in Bezug auf die entsprechenden ersten und zweiten Transistoren beschrieben. Der erste Transistor T6 ist mit seinem Reihenwiderstand R5 so angeordnet, dass der Source-Kontakt des ersten Transistors T6, der wie oben ausgeführt eine Gegenelektrode darstellt, mit dem Gate-Potential des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 zusammenfällt. Damit ist die nötige Spannung am Gate-Anschluss des ersten Transistors T6 größer als die Gatespannung am steuerbaren Leistungshalbleiter 102. Damit ist der erste Transistor voll T6 mit den Versorgungsspannungen der Treiberschaltung, d.h. deren negativer Versorgung Vss(GateDriver) und deren positiver Versorgung Vcc(GateDriver), steuerbar. Darüber hinausgehende Spannungen sind nicht erforderlich. Für die kontinuierliche Steuerung des ersten Transistors T6 können entsprechend Zwischenniveaus aus den genannten Versorgungsspannungen erzeugt werden. Entsprechendes gilt für den zweiten Transistor T7 und den damit in Reihe geschalteten Reihenwiderstand R6.
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Die Ansteuerschaltung 100 der Ausführungsbeispiele 1 bis 8 ist ausgeführt, die Einstellschaltung 112 zwischen zwei Umschaltvorgängen des einen steuerbaren Leistungshalbleiters 102 einzustellen. Damit ist die Einstellschaltung 112 während des Umschaltens, also beim Einschalten oder beim Ausschalten, konstant. Änderungen der Einstellschaltung 112 erfolgen von Schaltvorgang zu Schaltvorgang. Daher kann beim Umschalten des steuerbaren Leistungshalbleiters ein zugehöriger, temporär konstanter Widerstandswert der Einstellschaltung 112 angenommen werden. Dieser temporär konstante Widerstandswert ist in den genannten Ausführungsbeispielen 1 bis 8 für den Einschalt- und den Ausschaltvorgang identisch. In alternativen Ausführungsformen ist der temporär konstante Widerstandswert jeweils unterschiedlich für den Einschalt- und den Ausschaltvorgang. Eine Veränderung der Einstellschaltung 112 über den Einstellparameter erfolgt nur zwischen Schaltvorgängen. Dadurch wird das Emissionsspektrum des Leistungshalbleiters 102 im zeitlichen Durchschnitt geregelt.
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In alternativen Ausführungsbeispielen ist die Ansteuerschaltung 100 ausgeführt, die Einstellschaltung 112 während eines Umschaltvorganges des steuerbaren Leistungshalbleiters einzustellen. Im Gegensatz zum Einstellen der Einstellschaltung 112 zwischen zwei Umschaltvorgängen, bei der das Gesamtspektrum leidglich aus dem Durchschnitt der Einzelspektren gebildet wird, kann hier das Spektrum exakt eingestellt werden, da der Umschaltvorgang zu jedem Zeitpunkt in seiner Geschwindigkeit kontrolliert werden kann. In diesen alternativen Ausführungsbeispielen ist die Einstellschaltung 112 über das Steuersignal mit dem Umschaltvorgang synchronisiert.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer neunten Ausführungsform ist in den 15 bis 17 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 weist eine Treiberschaltung 130 für den steuerbaren Leistungshalbleiter 102 auf und ist ausgeführt, ein Logiksignal als Steuersignal 104 zu empfangen. Basierend auf dem Steuersignal 104 wird ein Ansteuersignal 118 für den steuerbaren Leistungshalbleiter 102 erzeugt. Die Treiberschaltung 130 ist weiter ausgeführt, einen Einstellparameter 106 wie oben beschrieben von einer Steuerungseinheit 116 zu empfangen und die zeitliche Einstellung des Verhaltens des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters 106 durchzuführen. Die Treiberschaltung 130 ist also eine integrale Treiberschaltung 130, die unmittelbar das angepasste Ansteuersignal 118 basierend auf dem Steuersignal 104 und dem Einstellparameter 106 bereitstellt, wobei das angepasste Ansteuersignal 118 eine Ansteuerung des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 basierend auf dem Steuersignal 104 mit einer zeitlichen Einstellung des Verhaltens des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters 106 durchführt. Die integrale Treiberschaltung 130 wird in diesem Ausführungsbeispiel über ein einfaches Logiksignal aktiviert. Der Einstellparameter 106 wird über einen separaten Eingang der integralen Treiberschaltung 130 zugeführt. Der Einstellparameter 106 muss dabei nicht gleichzeitig mit dem Steuersignal 104 bereitgestellt werden. Die Treiberschaltung 130 kann entsprechend bei einer steigenden oder fallenden Flanke den jeweils zugehörigen letzten Einstellparameter 106 verwenden. Dies wird beispielsweise mit einem Register, einem Sample&Hold-Glied oder einem anderweitigen Speicher implementiert.
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Wie in den 16 und 17 im Detail dargestellt ist, ist die integrale Treiberschaltung 130 der neunten Ausführungsform als analoge Treiberschaltung ausgeführt. Die integrale Treiberschaltung 130 weist eine Steuerungseinheit 116 mit einem Speicher 132 auf, wovon in 16 lediglich der Speicher 132 dargestellt ist. Die Steuerungseinheit 116 ist ausgeführt, das Steuersignal 104 und den Einstellparameter 106 zu empfangen und einen durch den Einstellparameter 106 ausgewählten digitalen Verlauf des Steuersignals 104 aus dem Speicher 132 bereitzustellen. Entsprechend wird aus dem Speicher 132 ein digitales Signal 134 unter Berücksichtigung des Einstellparameters 106 bereitgestellt. Beim Umschalten des Steuersignals 104 von low nach high oder umgekehrt wird aus dem Speicher 132 ein für den jeweiligen Fall vorgegebener Verlauf seriell als binärer Datenstrom von 0 und 1 ausgegeben.
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Weiterhin umfasst die integrale Treiberschaltung 130 einen D/A-Wandler 136. Der D/A-Wandler 136 ist ausgeführt, den Verlauf des digitalen Signals 134 in ein analoges Treibersignal 138 zu wandeln. Der D/A-Wandler 136 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Tiefpassfilter, das den 0/1-Strom glättet, realisiert.
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Zusätzlich umfasst die integrale Treiberschaltung 130 eine analoge Verstärkerstufe 140, die ausgeführt ist, das analoge Treibersignal 138 zu verstärken und als angepasstes Ansteuersignal 118 für den steuerbaren Leistungshalbleiter 102 bereitzustellen. Die analoge Verstärkerstufe 140 umfasst dazu eine einfache Transistorgegentaktstufe, auch als AB-Endstufe bezeichnet.
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Eine Ansteuerschaltung 100 gemäß einer zehnten Ausführungsform ist in 18 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 100 der zehnten Ausführungsform weist einen Eingang für ein kontinuierliches Signal auf und ist ausgeführt, ein kombiniertes Signal mit dem Steuersignal 104 und dem Einstellparameter 106 zu empfangen. Die Ansteuerschaltung 100 umfasst weiter eine integrale Einstellschaltung 150, um basierend auf dem Steuersignal 104 ein angepasstes Ansteuersignal 118 für den steuerbaren Leistungshalbleiter 102 zu erzeugen. Dazu wird das angepasste Ansteuersignal 118 für den steuerbaren Leistungshalbleiter 102 basierend auf dem Einstellparameter 106 eingestellt, um die zeitliche Einstellung des Verhaltens des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 beim Umschalten unter Berücksichtigung des Einstellparameters 106 durchzuführen.
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Das kontinuierliche Signal ist ein codiertes analoges Signal oder ein serielles oder paralleles digitales Signal. In einer Ausführungsform kodiert ein Analogsignal am Eingang direkt den Stromverlauf oder Spannungsverlauf des Ausganges. In einer alternativen Ausführungsform wird ein digitaler Eingang verwendet, der entweder seriell oder parallel den Verlauf des Ausganges kodiert.
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Die Ansteuerung des Einstellparameters 106 durch die Steuerungseinheit 116 erfolgt für alle genannten Ausführungsbeispiele basierend auf den nachfolgend beschriebenen Prinzipien.
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Erfindungsgemäß wird das zeitliche Umschaltverhalten des steuerbaren über den Einstellparameter 106 Leistungshalbleiters 102 gezielt gesteuert, um hiermit Kontrolle über das Spektrum der Verzerrungen der Ausgangsgrößen durch das Umschalten zu gewinnen.
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Prinzipiell ist es auch möglich, das zeitliche Umschaltverhalten auf der Basis von gemessenen oder geschätzten Emissionen in der unmittelbaren Vergangenheit zu regeln, wobei durch eine Berücksichtigung des Umschaltverhaltens der Leistungshalbleiter 102 höhere Frequenzbereiche erfasst werden.
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Dabei kann entweder für den Ausschaltvorgang schlicht der invertierte Verlauf des Einschaltvorganges oder jeweils ein eigener dedizierter Verlauf verwendet werden.
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Dabei bestimmt die Ansteuerschaltung 100 den Einstellparameter 106 selber, um die elektromagnetischen Emissionen des Leistungshalbleiters 102 zu beeinflussen. Dazu führt die Steuerungseinrichtung 116 eine gezielte Veränderung der zeitlichen Einstellung des Verhaltens des Leistungshalbleiters 102 beim Umschalten durch eine gezielte Veränderung des Einstellparameters 106 zwischen Umschaltvorgängen durch. Der Einstellparameter 106 selber ist somit nicht fest vorgegeben, sondern einstellbar. Die Veränderung kann adaptiv sein, um eine Anpassung im Betrieb durchführen zu können. Somit erfolgt nicht nur ein zeitlich kontrollierbarer Umladevorgang des Steuereinganges des Leistungshalbleiters, beispielsweise des Gates.
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Eine Steuerung oder eine Regelung der Veränderung des Einstellparameters 106 kann entweder auf der Basis von Messungen oder von Schätzungen der elektromagnetischen Verzerrung bzw. Emission erfolgen. Durch die Steuerung oder Regelung wird der zeitliche Umschaltverlauf des Leistungshalbleiters 102 durch Kontrolle des zeitlichen Umladeverlaufs des Steuereinganges kontinuierlich beeinflusst. Messgrößen können dabei die zeitliche Sperrspannung über den Leistungshalbleiter 102, der zeitliche Laststrom, das magnetische Feld, beispielsweise über eine Detektionsspule in der Nähe des Leistungshalbleiters 102 oder des Leistungsstromkreises gelegen, ggf. in einer unteren oder rückseitigen Lage einer Platine, oder das elektrische Feld, beispielsweise über ein Detektionsdipol in der Nähe des Leistungshalbleiters oder des Leistungsstromkreises, ggf. in einer unteren oder rückseitigen Lage einer Platine, oder andere sein.
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Da jedoch das gesamte System aus Gate-Treiber und dem wenigstens einen Leistungshalbleiter auch einfach modelliert werden kann, ist statt einer zumeist teuren Messung auch eine Schätzung in der Regelung möglich, die folglich auf der Basis der Schätzung einen veränderten Zeitverlauf des Umladevorgangs errechnet und den Einstellparameter 106 entsprechend anpasst.
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Weiterhin ist die Steuerungseinheit 116 ausgeführt, die die Ansteuerung des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 mit dem Einstellparameter 106 mit einer Regelung nach der Art einer abgebrochenen Reihe durchzuführen, wie beispielsweise in 19 dargestellt ist. Dazu wird das Emissionsspektrum des Leistungshalbleiters 102 vorwiegend über lediglich eine geringe Anzahl von Freiheitsgraden geregelt. IN diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um lediglich einen Freiheitsgrad, nämlich die Dauer des Umschaltens. Die Dauer ergibt sich über den effektiven Widerstand der Einstellschaltung 112, 150 bzw. durch eine Verstärkung des Ladestroms konstant über die gesamte Ein- oder Ausschaltdauer des Leistungshalbleiters 102. In einer alternativen Ausführungsform mit zwei Freiheitsgraden wird zusätzlich die erste Ableitung der Dauer des Umschaltens betrachtet. Die erste Ableitung der Dauer des Umschaltens ergibt sich durch eine den Strom in der Mitte des Umschaltvorganges im Vergleich zum Anfang und Ende des Umschaltvorganges definierende Zahl.
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Die Ladespannung des Gates des Leistungshalbleiters 102 gleicht einer kumulativen Verteilungsfunktion (CFD) und lässt sich aus diesem Grund mit denselben Parametern in der Form beschreiben. Diese sind in diesem Ausführungsbeispiel die Breite (Standardabweichung bei CFD), Symmetrie erster Ordnung (Schiefe bei CFD), Wölbung (Kurtosis bei CFD) usw. IN einer alternativen Ausgestaltung werden typische aus der Statistik bekannte parametrische Funktionen zur Darstellung von CFDs eingesetzt, beispielsweise die Gamma-Funktion. Diese Art der Beschreibung bricht die Form des Umschaltens auf wenige Kenngrößen im Stil einer Reihe herunter und erlaubt die Verwendung gewöhnlicher Regelungsverfahren wie beispielsweise einer PID-Regelung.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerungseinheit 116 ausgeführt, die Ansteuerung des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 mit dem Einstellparameter 106 basierend auf einer Ermittlung eines Zusammenhangs zwischen dem zeitlichen Verhalten des steuerbaren Leistungshalbleiters 102 beim Umschalten und einem Zielspektrum für elektromagnetische Emissionen durch maschinelles Lernen durchzuführen. Ein gewünschtes Emissionszielspektrum wird durch Ermittlung des Zusammenhanges zwischen Gate-Ansteuerung und Zielspektrum über maschinelles Lernen hergestellt. Je nach verwendetem Leistungshalbleiter 102 ist der Zusammenhang zwischen der Umladedynamik an dessen Steuerungseingang (beispielsweise des Gates bei FETs und IGBTS) und dem Emissionsspektrum nicht offensichtlich und durch Nichtlinearitäten beeinflusst. Maschinelle Lernmethoden wurden entwickelt, um derartige komplizierte Zusammenhänge nachzubilden und aufzudecken. Auf dieser Basis kann ebenfalls ein Regelsystem aufgestellt werden, das im Sinne der Erfindung eine Regelung des Emissionsspektrums erlaubt.
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Um eine Regelung zu vermeiden, in einem weiter alternativen Ausführungsbeispiel eine open-loop-Steuerung verwendet. Die Steuerung erfolgt durch eine statistische Zuweisung der Parameter des Umschaltvorganges. Die Umschaltdynamik kann als Sigmoid-Funktion mit je nach gewünschter Flexibilität einer gewissen Zahl von Parametern beschreiben, beispielsweise den Momenten, die auch in der Statistik für CFDs verwendet werden, oder als Parameter von gebräuchlichen Funktionen, beispielsweise der Gamma-Verteilung. In einem einfachen Fall werden jedem Parameter ein Wertebereich und/oder eine statistische Verteilung zugeordnet. Der Steuerungsvorgang besteht darin, nach einem oder mehreren Umschaltvorgängen der Treiberschaltung 110, 130 neue Parametersätze mehr oder weniger zufällig gemäß diesen Vorgaben zu generieren. Für ein gleichmäßiges Spektrum kann beispielsweise jeder Parameter gleichmäßig in einem Bereich variiert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden nicht nur jedem Parameter ein Wertebereich und/oder eine statistische Verteilung zugeordnet, sondern es wird eine gemeinsame multidimensionale Verteilungsfunktion vorgegeben, die somit auch Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten jeder Kombination aus Parameterwerten festlegt.
