-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gate-ansteuernde Vorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Gate-ansteuernde Vorrichtung, welche eingerichtet ist, einem Gate eines Schalters eine Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, stabil bereitzustellen, wie etwa einem SiC(Siliziumkarbid)-basierten FET (Feldeffekt-Transistor), welcher eine negative Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, benötigt, um einen stabilen Aus-Zustand zu implementieren.
-
Beschreibung der bezogenen Technik
-
Mit dem Auftreten von Umweltverschmutzungsproblemen überall auf der Welt wurde die aktive Forschung auf umweltfreundliche Fahrzeuge, in welchen elektrische Energie mittels Motoren (zum Beispiel Elektromotoren) in Antriebskraft umgewandelt wird, fokussiert und weniger auf herkömmliche motorgetriebene Fahrzeuge, welche fossile Treibstoffe mit gleichzeitiger Emission von großen Mengen an Luftschadstoffen verbrennen.
-
Ein umweltfreundliches Fahrzeug, welche konzipiert ist, eine Antriebskraft unter Verwendung eines Motors (zum Beispiel Elektromotors) zu erzeugen, wird mit einer Leistungskonverter-Vorrichtung, wie etwa einem Inverter, bereitgestellt zum Konvertieren von DC-Spannung in dreiphasige dem Motor zuzuführende AC-Spannung. In der Leistungskonverter-Vorrichtung wird ein Leistungshalbleiter-Element, wie etwa ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder ein FET (Feldeffekt-Transistor), verwendet.
-
Leistungshalbleiter-Elemente, wie etwa IGBTs und FETs, werden überwiegend durch Silizium-basierte Halbleiterprozesse hergestellt. Allerdings hat SiC (Siliziumkarbid) in den letzten Jahren als neues Halbleitergerätmaterial Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da es einen stabilen Betrieb bei hohen Spannungen und Temperaturen garantieren kann.
-
SiC kann selbst bei hohen Temperaturen Halbleitereigenschaften beibehalten, da seine Energiebandlücke dreimal so groß ist wie die von Silizium. Weiterhin arbeitet SiC, ein Durchschlagfeld von 10-mal höher als das von Silizium aufweisend, selbst bei hohen Spannungen stabil. Ferner ist SiC aufgrund seiner hohen thermischen Leitfähigkeit, welche ungefähr dreimal so groß ist wie die von Silizium, sehr vorteilhaft in Bezug auf die Kühlung.
-
Da ein SiC-basiertes Leistungshalbleiterelement eine geringe Schwellenspannung aufweist, muss allerdings eine Gate-Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, an den Transistor angelegt werden, um den Transistor auszuschalten. Daher wurde eine Gate-ansteuernde Vorrichtung zum Ansteuern eines SiC-basierten Leistungshalbleiters vorgeschlagen, welche sowohl positive als auch negative Spannungen auszugibt, um den SiC-basierten Leistungshalbleiter zu verwenden.
-
Herkömmliche Gate-ansteuernde Vorrichtungen zum Ansteuern eines SiC-basierten Leistungshalbleiters verwenden einen teuren, isolierten IC (integrierten Schaltkreis), um sowohl positive als auch negative Spannungen zu produzieren, und benötigen zusätzlich einen kleinen Transformator zum Versorgen des isolierten IC mit einer elektrischen Quelle.
-
Von daher benötigt eine herkömmliche Gate-ansteuernde Vorrichtung einen isolierten IC und einen Transformator, welcher konzipiert ist, den IC mit einer elektrischen Quelle zu versorgen, zur Nutzbarmachung eines SiC-basierten Leistungshalbleiters, was in zusätzlichen Kosten zur Herstellung einer Leistungskonverter-Vorrichtung resultiert. Zusätzlich macht es die zusätzliche elektrische Quelle möglich, dass Elektrizität in dem isolierten IC verbleibt, selbst wenn ein Signal zum Ansteuern eines Gates blockiert ist, was verursacht, dass das Gate des SiC-basierten Leistungshalbleiters nicht richtig funktioniert.
-
Die Informationen, welche in diesem Hintergrund-der-Erfindung-Abschnitt offenbart sind, sind lediglich zum besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sollen nicht als Anerkenntnis oder irgendeine andere Form der Andeutung interpretiert werden, dass diese Informationen den dem Fachmann bekannten Stand der Technik darstellen.
-
ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
-
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, eine Gate-ansteuernde Vorrichtung bereitzustellen, welche eingerichtet ist, einem Gate eines Schalters eine Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, stabil bereitzustellen, wie etwa einem SiC(Siliziumkarbid)-basierten FET (Feldeffekt-Transistor), welcher eine negative Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, benötigt, um einen stabilen Aus-Zustand zu implementieren.
-
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Gate-ansteuernde Vorrichtung zum Ansteuern eines Gates eines Schalters bereitgestellt, aufweisend: einen Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis (z. B. einen eine Negativ-Spannung anlegenden Schaltkreis bzw. einen eine negative Spannung anlegenden Schaltkreis), welcher eine Zenerdiode und einen parallel mit der Zenerdiode verschalteten Kondensator aufweist, wobei die Zenerdiode eine mit einer Sekundärspule eines Pulstransformators (z. B. Pulswandlers) verbundene Kathode und eine mit dem Gate des Schalters verbundene Anode aufweist.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird gegenüberliegenden Anschlüssen der Sekundärspule ein Pulssignal bereitgestellt, wobei die Gate-ansteuernde Vorrichtung ferner aufweist: einen Pfaderzeugung-Schaltkreis, welcher eingerichtet ist zum Bilden eines elektrischen Pfads zwischen dem Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis und der Sekundärspule, wenn eine positive (+) Spannung des Pulssignals an einem Anschluss der Sekundärspule angelegt ist, mit welcher oder welchem der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis verbunden ist, und zum Blockieren eines elektrischen Pfads zwischen dem Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis und der Sekundärspule, wenn eine negative (–) Spannung des Pulssignals an einem Anschluss der Sekundärspule angelegt ist, an welcher oder welchem der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis anliegt.
-
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Pfaderzeugung-Schaltkreis eine Struktur auf, in welcher, wenn eine negative (–) Spannung des PWM-Pulssignals (Pulsweitenmodulations-Pulssignals) an der Sekundärspule, mit welcher oder welchem der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis verbunden ist, anliegt, eine Anode der Zenerdiode elektrisch mit dem Gate des Schalters verbunden ist während eine Kathode der Zenerdiode mit einem Drain oder Emitter des Schalters verbunden ist.
-
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Pfaderzeugung-Schaltkreis ein Schaltelement auf, welches an-/ausgeschaltet wird unter einer Steuerung (z. B. gesteuert von) der Spannung, welche an einem Anschluss der Sekundärspule anliegt, mit welcher oder welchem der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis verbunden ist, und eine Diode, welche eine mit einem Anschluss der Sekundärspule verbundene Anode und eine mit der Kathode der Zenerdiode verbundene Kathode aufweist, und wobei eine elektrische Verbindung oder Trennung zwischen der Kathode der Diode und einem anderen Anschluss der Sekundärspule durch einen An/Aus-Zustand des Schaltelements definiert ist.
-
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Pulstransformator eine Primärspule, welche konzipiert ist, ein PWM-Signal zum Betreiben des Schalters zu empfangen, und eine Mehrzahl von Sekundärspulen zum Transformieren und Ausgeben einer Spannung der Primärspule auf, wobei der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis und der Schalter in ihrer Anzahl mehrere sind, so dass eine Mehrzahl von Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreisen und eine Mehrzahl von Schaltern entsprechend der Mehrzahl der Sekundärspulen verbunden sind.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gate-ansteuernde Vorrichtung zum Ansteuern eines Gates eines Schalters bereitgestellt, aufweisend: einen Pfaderzeugung-Schaltkreis, welcher eingerichtet ist, elektrische Pfade zu verändern abhängig von der Spannung oder von den Spannungen von PWM-Pulsen der zweiten Spule, welche zwischen positiven (+) und negativen (–) Spannungen (beispielsweise zwischen einer positiven (+) und einer negativen (–) Spannung) alternieren, und einen Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis, welcher eingerichtet ist, mittels eines von dem Pfaderzeugung-Schaltkreis gebildeten ersten elektrischen Pfads mit einer konstanten Spannung geladen zu werden und eine konstante Spannung, welche mittels eines von dem Pfaderzeugung-Schaltkreis gebildeten zweiten elektrischen Pfads geladen wird, als eine negative Spannung zwischen einem Gate und einem Drain des Schalters oder zwischen einem Gate und einem Emitter des Schalters anzulegen.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis eine Zenerdiode und einen parallel mit der Zenerdiode verschalteten Kondensator auf, wobei die Zenerdiode eine mit dem Pfaderzeugung-Schaltkreis verbundene Kathode und eine mit dem Gate des Schalters verbundene Anode aufweist.
-
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Pfaderzeugung-Schaltkreis ein Schaltelement auf, welches an-/ausgeschaltet wird unter einer Steuerung (z. B. gesteuert von) der Spannung des Pulssignals, wobei, wenn das Schaltelement ausgeschalten ist, der erste elektrische Pfad gebildet ist zwischen dem Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis und dem Gate und Eingangsanschluss des Schalters, und, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, sowohl der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis als auch das Gate des Schalters elektrisch getrennt sind von dem Eingangsanschluss während ein zweiter elektrischer Pfad zwischen dem Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis und dem Gate des Schalters gebildet ist.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gate-ansteuernde Vorrichtung bereitgestellt, aufweisend: einen Pulstransformator aufweisend eine Primärspule zum Empfangen eines PWM-Signals zum Ansteuern eines Gates eines Schalters, und eine Sekundärspule, welche elektromagnetisch mit der Primärspule verbunden ist zum Spannungstransformieren und Transformieren des PWM-Signals, einen Pfaderzeugung-Schaltkreis aufweisend eine Diode, welche eine mit (z. B. genau) einem Anschluss der Sekundärspule verbundene Anode aufweist, und ein Schaltelement, welches eingerichtet ist, eine elektrische Verbindung oder Trennung zwischen einer Kathode der Diode und einem anderen Anschluss der Sekundärspule herzustellen abhängend von (z. B. in Abhängigkeit von) der Spannung des PWM-Pulssignals, und einen Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis aufweisend eine Zenerdiode, welche eine mit der Kathode der Diode verbundene Anode aufweist, und einen parallel mit der Zenerdiode verschalteten Kondensator, wobei das Gate des Schalters elektrisch verbunden ist mit der Kathode der Zenerdiode, und ein Drain oder Emitter des Schalters mit einem anderen Anschluss der Sekundärspule verbunden ist.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Pulstransformator mit einer Mehrzahl der Sekundärspulen bereitgestellt, wobei der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis und der Schalter in ihrer Anzahl mehrere sind, so dass eine Mehrzahl von Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreisen und eine Mehrzahl von Schaltern entsprechend mit der Mehrzahl der Sekundärspulen verbunden sind.
-
Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung weisen andere Merkmale und Vorteile auf, welche ersichtlich werden aus oder detaillierter dargelegt werden in den beigefügten Figuren, welche hierin mit einbezogen sind, und der folgenden detaillierten Beschreibung, welche zusammen dazu dienen, einige Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erklären.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 zeigt ein Schaltkreisdiagramm für eine Gate-ansteuernde Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
-
2 bis 4 zeigen Kurvenverlauf-Diagramme von Spannungen von jedem Knoten einer Gate-ansteuernden Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Es sollte verstanden werden, dass die angefügten Figuren nicht notwendigerweise maßgeblich sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen Merkmalen, welche für die zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung illustrativ sind, präsentieren. Die spezifischen Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie hierin offenbart, zum Beispiel aufweisend spezifische Dimensionen, Orientierungen, Orte und Formen, werden teilweise definiert von der jeweils angestrebten Anwendung und Verwendungsumgebung.
-
In den Figuren bezeichnen Bezugszeichen durch die einzelnen Figuren der Zeichnungen durchweg dieselben oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
-
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Im Folgenden wird detaillierter Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht und nachfolgend beschrieben sind. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, kann es verstanden werden, dass die vorliegende Beschreibung ist nicht angedacht ist, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abdecken, sondern ebenso verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, welche unter den Geist und den Umfang der Erfindung, wie sie von den beigefügten Ansprüchen definiert sind, fallen.
-
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
-
1 zeigt ein Schaltkreisdiagramm für eine Gate-ansteuernde Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Bezugnehmend auf 1, kann die Gate-ansteuernde Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweisen: eine Steuervorrichtung 11 zum Erzeugen eines kleinen PWM-Signals, um das Gate der Schalter SW1 und SW2 zu steuern, einen Verstärker 21 zum Verstärken der Spannung des PWM-Signals, einen Pulstransformator 13 zum Spannungstransformieren und Transformieren des von dem Verstärker 21 verstärkten PWM-Signals, und verschiedene Schaltkreiseinheiten 151, 152, 171 und 172 zum Erzeugen von Gate-Ansteuersignalen (z. B. Gate-Steuersignalen), welche an das Gate der Schalter SW1 und SW2 anzulegen sind, basierend auf den in dem Pulstransformator 12 transformierten (z. B. umgewandelten) Signalen.
-
Die Steuervorrichtung 11 führt verschiedene Ermittelungs-Schritte zum Betreiben der Schalter SW1 und SW2 durch und generiert ein PWM-Signal zum Ansteuern des jeweiligen Gates der Schalter SW1 und SW2. Wenn zum Beispiel die Schalter SW1 und SW2 jeweils ein Leistungshalbleiterelement FET sind, welches in einem Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter zum Bereitstellen einer Leistung für einen Motor (z. B. einen Elektromotor) verwendet wird, ermittelt die Steuervorrichtung 11 den Zielstrom (z. B. Soll-Strom) korrespondierend zu einem Ziel-Drehmoment (z. B. Soll-Drehmoment) des Motors und vergleicht den Zielstrom mit dem Strom, welcher jeder Phase des Gleichstrom-Wechselstrom-Konverters zugeführt wird, um ein PWM-Signal zum Ansteuern des Gates der Schalter SW1 und SW2 zu erzeugen, welche einen Aussteuergrad (z. B. Tastgrad) aufweisen, der die Ausgabe eines Stroms korrespondierend zu dem Zielstrom erlaubt.
-
Hierbei wird der Ausdruck ”Steuervorrichtung 11” verwendet als ein Konzept umfassend zumindest einen Prozessor und zumindest einen Speicher zum Speichern von Resultaten, welche von dem Prozessor prozessiert sind oder werden, soll aber nicht ausgelegt werden, um zu meinen, dass ein körperlicher Prozessor alle Ermitteln-Schritte und alles Steuern, wie vorstehend beschrieben ist, durchführt.
-
Das PWM-Signal, welches von der Steuervorrichtung 11 erzeugt wird, ist klein, weshalb dessen Spannung (Amplitude) von dem Verstärker 21 verstärkt sein oder werden kann. Da der Verstärker 21 an seiner Rückseite mit dem Pulstransformator 13, welcher als Isolierung (z. B. galvanische Trennung) zwischen den Schaltern SW1 und SW2 sowie der Steuervorrichtung 11 wirkt, bereitgestellt ist, kann der Verstärker ein nicht-isolierender (z. B. nicht galvanisch trennender) Spannungsverstärker sein, welcher bei niedrigen Kosten verfügbar ist.
-
Der Pulstransformator 13 weist eine Primärspule zum Eingeben des verstärkten PWM-Signals aus dem Verstärker 21 und eine Sekundärspule zum Transformieren sowie Ausgeben der Spannung des PWM-Signals, welches in die Primärspule eingegeben ist oder wird, auf. Das bedeutet, die Primärspule bildet eine elektromagnetisch kombinierte (z. B. zusammenwirkende oder zusammengeschlossene) Beziehung (z. B. ein Verhältnis) mit der Sekundärspule und das in die Primärspule eingegebene PWM-Signal wird in die Sekundärspule übertragen nachdem dieses gemäß dem Windungsverhältnis dazwischen transformiert wurde.
-
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Sekundärspule, welche elektromagnetisch mit der Primärspule kombiniert ist, um die Spannung der Primärspule zu transformieren und auszugeben, mehrere ihrer Anzahl sein. Eine Mehrzahl von Sekundärspulen mit entsprechenden Schaltkreisen und Schaltern SW1 und SW2 kann bereitgestellt sein oder werden.
-
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Mehrzahl von Sekundärspulen bereitgestellt sein oder werden, so dass (z. B. genau) ein PWM-Signal verwendet werden kann, um das Gate einer Mehrzahl von Schaltern SW1 und SW2 anzusteuern.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können ein Pfaderzeugung-Schaltkreis und einen Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis bereitgestellt sein oder werden zwischen einer Rückseite der Sekundärspule des Pulstransformators 13 und jedem der Schalters SW1 und SW2.
-
Die Pfaderzeugung-Schaltkreise 151 und 152 sind eingerichtet, elektrische Pfade zu verändern abhängig von (z. B. in Abhängigkeit von) den Spannungen der PWM-Pulse der zweiten Spule (z. B. der Sekundärspule), welche zwischen positiven (+) und negativen (–) Spannungen (beispielsweise zwischen einer positiven (+) und einer negativen (–) Spannung) alternieren. Wenn zum Beispiel der PWM-Puls, welcher von der Sekundärspule des Pulstransformators 13 ausgegeben wird, einen positiven Wert aufweist, werden die Sekundärspule, die Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreise 171 und 172 und die Gate-Anschlüsse der Schalter SW1 und SW2 elektrisch miteinander verbunden, um einen Umlauf (z. B. eine Schleife) oder eine Masche zu bilden und dadurch einen elektrischen Pfad P1 zu erzeugen. Wenn andererseits der PWM-Puls, welcher von der Sekundärspule des Pulstransformators 13 ausgegeben wird, einen negativen Wert aufweisen kann, wird ein elektrischer Umlauf nur zwischen dem Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreisen 171 und 172 und dem Gate-Anschlüssen der Schalter SW1 und SW2 gebildet, um einen elektrischen Pfad P2 zu erzeugen.
-
Genauer gesagt können die Pfaderzeugung-Schaltkreise 151 und 152 ein Schaltelement S1, welches unter einer Steuerung (z. B. gesteuert von) der an ein erstes Ende der Sekundärspule des Pulstransformators 13 angelegten Spannung an-/ausgeschaltet wird, und eine Diode D1, welche eine mit einem ersten Ende der Sekundärspule verbundene Anode aufweisen kann, aufweisen. Da das Schaltelement S1 gesteuert an-/ausgeschaltet wird, kann dieses eine elektrische Verbindung oder Trennung zwischen der Kathode der Diode D1 und einem zweiten Ende der Sekundärspule herstellen.
-
Zusätzlich können die Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreise 171 und 172 eine Zenerdiode Z1 und einen parallel mit der Zenerdiode Z1 verschalteten Kondensator aufweisen. Die Zenerdiode Z1, welche in den Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreisen 171 und 172 inbegriffen ist, kann eine mit einem ersten Ende der Sekundärspule verbundene Anode und eine mit dem Gate-Anschluss der Schalter SW1 und SW2 verbundene Kathode aufweisen. Insbesondere kann die Kathode der Zenerdiode Z1 verbunden sein mit der Kathode der Diode D1 der Pfaderzeugung-Schaltkreise 151 und 152.
-
In den Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreisen 171 und 172 können eine Diode D2 und ein Widerstand R4 zusätzlich zu der Zenerdiode Z1 und dem Kondensator C1 angewendet werden. Die Diode D2 und der Widerstand R4 sind eingerichtet, einen Rückstrom (z. B. rückwärts gerichteten Stromfluss) zu blockieren und die Magnitude des Stroms, welcher in die Schalter SW1 und SW2 hinein fließt, zu steuern und können weggelassen oder mit zusätzlichen anderen elektrischen Elementen verbunden werden, wenn benötigt.
-
Die Schalter SW1 und SW2 können Leistungshalbleiter-Elemente sein, welche an-/ausgeschaltet werden in einer gesteuerten Weise abhängig von (z. B. in Abhängigkeit von) dem Aussteuergrad des PWM-Signals. Die Schalter SW1 und SW2 können SiC-basierte Leistungshalbleiter-Elemente sein, in welchen eine Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, an das Gate bei einem Aus-Zustand angelegt werden muss aufgrund ihrer niedrigen Schwellenspannung, sind aber nicht darauf beschränkt. Unter der Annahme, dass die Schalter SW1 und SW2 FETs sind, kann das Anlegen einer Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, zwischen den Gate-Anschluss und den Drain-Anschluss zu einem Aus-Zustand führen. Wenn die Schalter SW1 und SW2 ein IGBT sind, können diese mittels Anlegens einer Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, zwischen den Gate-Anschluss und den Emitter-Anschluss ausgeschaltet werden.
-
Wie in 1 veranschaulicht, kann die Schalten-Schaltkreiseinheit einen Kondensator C2 und einen Widerstand R5 zwischen den Gate-Anschlüssen und Drain-Anschlüssen der Schalter SW1 und SW2 aufweisen. Der Kondensator C2 oder der Widerstand R5 können in geeigneter Weise verwendet werden, wenn benötigt, um Rippelströme (z. B. Restwelligkeit-Ströme) zu entfernen oder eine Größe der Rippelströme anzupassen.
-
Der Betrieb der Gate-ansteuernden Vorrichtung, welche wie vorangehend beschrieben strukturiert ist, gemäß verschiedene beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend genauer in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben.
-
2 bis 4 sind Kurvenverlauf-Diagramme von Spannungen von jedem Knoten einer Gate-ansteuernden Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Zunächst veranschaulicht 2 Kurvenverläufe des verstärkten PWM-Signals aus dem Verstärker 21. Wie ersichtlich, wird das kleine PWM-Signal aus der Steuervorrichtung 11 verstärkt in ein Signal, welches eine Spannungsamplitude in einem Bereich von –30 V bis 30 V aufweist. Die Amplitude des verstärkten PWM-Signals ist oder wird in geeigneter Weise mittels des Pulstransformators 13 transformiert. Der Grad der Transformation (z. B. der Transformationsgrad) hängt von dem Windungsverhältnis zwischen der Primärspule und der Sekundärspule des Pulstransformators 13 ab.
-
Das Anlegen einer Spannung, welche einen positiven Wert aufweist, an einen Anschluss der Sekundärspule induziert das Anlegen einer Spannung, welche einen positiven Wert aufweist, an dem Gate-Anschluss des Schaltelements S1, was das Schaltelement S1 ausschaltet. Diesbezüglich kann das Schaltelement S1 ein p-Typ MOSFET sein. Wenn das Schaltelement S1 ausgeschalten ist, ist ein elektrischer Pfad P1, welcher durch die Sekundärspule, die Diode D1, die Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreise 171 und 172 und den Gate-Anschluss der Schalters SW1 und SW2 hindurch verläuft, gebildet.
-
Der Kondensator C1 jeder der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreise 171 und 172 wird mittels des Stroms geladen, welcher durch den Pfad P1 fließt. Die Zenerdiode Z1 weist eine vordefinierte Durchschlagspannung auf, so dass eine konstante Spannung korrespondierend zu der Durchschlagspannung über der Diode gebildet ist. Das bedeutet, der zweite Spulenknoten von jedem der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreise 171 und 172 behält eine Spannung bei, welche um einen Betrag korrespondierend zu der Durchschlagspannung größer ist als die, welche an den Schalter-Gate-Anschluss von jeder der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreise 171 und 172 angelegt ist.
-
Zusätzlich wird, da die Spannung, welche an einem Anschluss der Sekundärspule angelegt ist, größer ist als die Durchschlagspannung der Zenerdiode Z1, eine positive Spannung zwischen dem Gate und dem Drain (oder Emitter) von jedem der Schalter SW1 und SW2 mittels des elektrischen Pfads P1 angelegt, was die Schalter SW1 und SW2 anschaltet.
-
3 veranschaulicht Kurvenverläufe des Gate-Ansteuersignals (z. B. Gate-Steuersignals), welches an das Gate des in 1 gezeigten Schalters SW1 angelegt ist. Wie ersichtlich weist das Gate-Ansteuersignal dieselbe Phase auf wie das PWM-Signal. In 3 wird ein PWM-Puls, welcher einen positiven Wert aufweist, an die Kathode einer Zenerdiode Z1 des Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreises 171 angelegt in den Bereichen korrespondierend zu 25 V, wie vorangehend beschrieben.
-
4 veranschaulicht Kurvenverläufe des Gate-Ansteuersignals, welches an das Gate des in 1 gezeigten Schalters SW2 angelegt ist. Wie in 1 gezeigt, sind der Pfaderzeugung-Schaltkreis 152 zum Anlegen eines Gate-Ansteuersignals an den Schalter SW2 und der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis 172 verbunden mit der Sekundärspule mit entgegengesetzter Polarität zu der des Schaltkreises zum Anlegen eines Gate-Ansteuersignals an den Schalter SW1. Daher führen der Pfaderzeugung-Schaltkreis 152 und der Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreis 172, welche beide an dem Schalter SW2 anliegen, einen gleichen Betrieb durch wie diejenigen, welche an dem Schalter SW1 anliegen, wobei allerdings das Gate-Ansteuersignal, welches an dem Schalter SW2 anliegt, ist in der Phase umgekehrt ist zu dem, welches an dem Schalter SW1 anliegt.
-
Das Anlegen einer Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, an einen Anschluss der Sekundärspule führt zu dem Anlegen einer Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, an den Gate-Anschluss des Schaltelements S1, was das Schaltelement S1 einschaltet. Wenn das Schaltelement S1 eingeschaltet ist, wird die Kathode der Diode D1 elektrisch durch das Schaltelement S1 hindurch verbunden mit einem zweiten Anschluss der Sekundärspule. Daher ist das Gate der Schalter SW1 und SW2 ist elektrisch nicht verbunden mit einem elektrischen Pfad, welcher die zweite Spule (z. B. Sekundärspule) aufweist, was in der Bildung eines elektrischen Pfads resultiert, welcher durch die Negativ-Spannung-Anlegen-Schaltkreise 171 und 172, den Gate-Anschluss der Schalter SW1 und SW2 und das Schaltelement S1 hindurch verläuft.
-
Wenn der elektrische Pfad P2 gebildet ist, wird die konstante Spannung, welche in dem Kondensator geladen ist, korrespondierend zu der Durchschlagspannung der Zenerdiode Z1 angelegt an das Gate der Schalter SW1 und SW2. Da eine größere Spannung als die konstante Spannung, welche in dem Kondensator C1 geladen ist, an dem Knoten der Kathode der Zenerdiode Z1 vorliegt, wird eine Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, korrespondierend zu der Durchschlagspannung der Zenerdiode Z1, zwischen das Gate und den Drain (oder Emitter) von jedem der Schalter SW1 und SW2 angelegt, was die Schalter SW1 und SW2 ausschaltet.
-
Ohne Benötigung zusätzlicher ICs zum Anlegen einer Spannung, welche einen negativen Wert aufweist, an das Gate eines Leistungshalbleiter-Elements, wie vorangehend beschrieben, kann die Gate-ansteuernde Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kleiner und bei geringeren Kosten hergestellt werden als herkömmliche Vorrichtungen.
-
Zusätzlich beseitigt die Abwesenheit von zusätzlichen ICs in der Gate-ansteuernden Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Notwendigkeit einer Leistungsquelle für die zusätzlichen ICs und behebt daher die Gate-Fehlfunktion, welche von der Leistungsquelle verursacht wird. Ebenso wird eine Beschädigung der Schalter durch Feuer verhindert mit der daraus resultierenden Verhütung von Systemfehlern.
-
Die vorstehende Beschreibung von spezifischen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde präsentiert zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung. Diese sind nicht angedacht, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die präzisen offenbarten Formen zu beschränken, und es sind selbstverständlich viele Modifikationen und Variationen möglich im Lichte der vorstehenden Lehre. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um einige Prinzipien der Erfindung und deren praktische Anwendung zu beschreiben, um anderen Fachmännern zu ermöglichen, verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wie auch verschiedene Alternativen und Modifikation davon herzustellen und zu verwenden. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung von den hierin angefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert wird.
