DE102016204182A1 - Circuit arrangement and method for the integrated gate voltage supply of a high-side semiconductor in an inverter - Google Patents

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Abstract

Bereitgestellt wird eine Schaltungsanordnung zur integrierten Gate-Spannungsversorgung eines High-Side-Halbleiters (M1) in einem Wechselrichter, umfassend eine mit einer (S) der drei Phasen (U, V, W) einer dreiphasigen Last (4) verbundene Energiespeichereinheit (13), eine mit der Energiespeichereinheit (13) verbundene Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit (12), eine mit der Phase (S) der dreiphasigen Last (4), der Energiespeichereinheit (13), der Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit (12) und einem neutralen Knoten (N) der dreiphasigen Last (4) verbundene Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit (11). Die Energiespeichereinheit (13), die Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit (12) und die Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit (11) sind derart gebildet, dass sie dem High-Side-Halbleiter (M1) eine Gatespannung zur Verfügung zu stellen, die durch eine Spannung an einem mittleren Punkt des Zwischenkreises (N_DC) zur Speisung des Wechselrichters und einer Rückkopplung der Spannung an dem neutralen Knoten (N) der dreiphasigen Last (4) erzeugt wird. Ferner wird ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt.Provided is a circuit arrangement for the integrated gate voltage supply of a high-side semiconductor (M1) in an inverter, comprising an energy storage unit (13) connected to one (S) of the three phases (U, V, W) of a three-phase load (4). a drive control and direction control unit (12) connected to the energy storage unit (13), one having the phase (S) of the three-phase load (4), the energy storage unit (13), the drive and direction control unit (12) and a neutral node (N) of the three-phase load (4) connected edge detection and voltage control unit (11). The energy storage unit (13), the drive and direction control unit (12) and the edge detection and voltage control unit (11) are formed so as to provide a gate voltage to the high-side semiconductor (M1) which is generated by a voltage at a middle point of the intermediate circuit (N_DC) for feeding the inverter and a feedback of the voltage at the neutral node (N) of the three-phase load (4). Furthermore, a corresponding method is provided.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur integrierten Gate-Spannungsversorgung eines High-Side-Halbleiters in einem Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.The present invention relates to a circuit arrangement for the integrated gate voltage supply of a high-side semiconductor in an inverter according to the preamble of patent claim 1 and a corresponding method according to the preamble of patent claim 8.

In Fahrzeugen wie z. B. Automobilen müssen die elektrisch angesteuerten Komponenten wie Steuergeräte, Sensoren, Aktoren wie Elektromotoren etc. mit Strom bzw. Spannung versorgt werden. Dabei besteht aufgrund der ansteigenden Anzahl an Komponenten und dem immer geringer werdenden Platz der Bedarf an Miniaturisierung in jedem Bereich, auch im Bereich der Leistungselektronik.In vehicles such. B. automobiles, the electrically driven components such as control units, sensors, actuators such as electric motors, etc. must be supplied with power or voltage. Due to the increasing number of components and the ever-decreasing space, there is a need for miniaturization in every area, also in the field of power electronics.

Typischerweise werden Leistungshalbleiter, z. B. MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode) durch die Gate-Spannung gesteuert, wobei sie sich dabei entweder im Sperrbereich oder im Durchlassbereich befinden. Zur Steuerung der Gate-Spannung wird eine Gate-Treiber-Schaltung verwendet. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in 1 gezeigt. Die Gate-Treiber-Schaltung 100 versorgt das Gate des MOSFETs 101 mit positiver bzw. negativer Spannung, wobei die Schaltung in zwei Teile aufgeteilt sein kann, die Spannungsversorgung 102 und den Treiber 103. Der Treiber 103, welcher in 1 als Push-Pull-Treiber T1, T2 dargestellt ist, wird verwendet, um die Gatespannung nach dem Signal des Mikrocontrollers 104 zu wählen. Die Spannungsversorgung 102 stellt die positive Spannung GS+ und die negative Spannung GS– bereit, die später vom Treiber 103 genutzt wird, wobei diese mit herkömmlichen DC-DC-Wandlern realisiert wird. Zu beachten ist, dass die Gate-Spannung positiv oder negativ sein kann, d. h. dass die Spannungsversorgung, in 1 der DC-DC-Wandler 102, eine bipolare Versorgung darstellt.Typically, power semiconductors, e.g. For example, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are controlled by the gate voltage, either in the stopband or in the passband. A gate driver circuit is used to control the gate voltage. Such an arrangement is for example in 1 shown. The gate driver circuit 100 supplies the gate of the MOSFET 101 with positive or negative voltage, the circuit can be divided into two parts, the power supply 102 and the driver 103 , The driver 103 which is in 1 is shown as a push-pull driver T1, T2, is used to the gate voltage according to the signal of the microcontroller 104 to choose. The power supply 102 provides the positive voltage GS + and the negative voltage GS-, later from the driver 103 is used, which is realized with conventional DC-DC converters. It should be noted that the gate voltage can be positive or negative, ie that the voltage supply, in 1 the DC-DC converter 102 , represents a bipolar supply.

Halbleiter werden oft in einer Halbbrücke angeordnet, um einen Wechselrichter zu bilden. Ein Wechselrichter wandelt eine DC-Spannung bzw. einen DC-Strom in AC-Spannung bzw. AC-Strom. Der Halbleiter, der an dem positiven Ausgang DC+ hängt, wird High-Side-Halbleiter genannt, wobei der Halbleiter, der an dem negativen Ausgang DC– hängt, Low-Side-Halbleiter genannt wird. Da sich die Gatespannung bei Halbleitern auf Source/Emitter bezieht, muss die Spannungsversorgung potentialfrei sein. Um dies zu erreichen wird oft ein Transformator verwendet, der aus einem magnetischen Kern und entsprechenden Wicklungen besteht, und somit die Komponente in der Gate-Treiber-Schaltung ist, die am meisten Platz, mithin bis zu 60% des Platzes, einnimmt.Semiconductors are often arranged in a half-bridge to form an inverter. An inverter converts a DC voltage or a DC current into AC voltage or AC current. The semiconductor that hangs on the positive output DC + is called a high-side semiconductor, and the semiconductor that hangs on the negative output DC- is called a low-side semiconductor. Since the gate voltage in semiconductors refers to the source / emitter, the voltage supply must be potential-free. To achieve this, often a transformer is used which consists of a magnetic core and corresponding windings, and thus is the component in the gate driver circuit that occupies the most space, hence up to 60% of the space.

Um dieses Platzproblem zu lösen wurden Technologien wie z. B. das Bootstrap entwickelt, was beispielsweise in den Patentanmeldungen US 2006/0034107 A1, DE 10 2009 045 802 A1 und DE 10 2013 217 173 A1 beschrieben wird. Nachteilig beim Bootstrap ist, dass zwar der Übertrager, also z. B. der Transformator, eingespart werden kann, aber dennoch eine bipolare Versorgungsquelle benötigt wird und es keine Unterscheidung zwischen Hochvolt und Niedervolt gibt. Um diese Nachteile zu umgehen wurden verbesserte Schaltungen entwickelt, wie beispielsweise in der Patentschrift EP 1 387 474 B1 offenbart. Nachteilig hier ist, dass nur mit unipolaren Gatespannungen, also GS+, versorgt werden kann, obwohl bipolare Gatespannungen nötig sind, um ein unbeabsichtigtes Einschalten der Halbleiter zu verhindern.To solve this space problem technologies such. B. the bootstrap developed, which is described for example in the patent applications US 2006/0034107 A1, DE 10 2009 045 802 A1 and DE 10 2013 217 173 A1 is described. A disadvantage of bootstrap is that while the transformer, so z. As the transformer, can be saved, but still a bipolar supply source is needed and there is no distinction between high voltage and low voltage. To circumvent these disadvantages, improved circuits have been developed, such as in the patent EP 1 387 474 B1 disclosed. The disadvantage here is that only with unipolar gate voltages, so GS +, can be supplied, although bipolar gate voltages are necessary to prevent inadvertent turn on the semiconductor.

Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Schaltungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welche die oben genannten Probleme löst.Therefore, it is an object of this invention to provide a circuit arrangement and a corresponding method which solves the above problems.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung zur integrierten Gate-Spannungsversorgung eines High-Side-Halbleiters in einem Wechselrichter, umfassend eine mit einer der drei Phasen einer dreiphasigen Last verbundene Energiespeichereinheit, eine mit der Energiespeichereinheit verbundene Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit, eine mit der Phase der dreiphasigen Last, der Energiespeichereinheit, der Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit und einem neutralen Knoten der dreiphasigen Last verbundene Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit, wobei die Energiespeichereinheit, die Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit und die Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit derart gebildet sind, dass sie dem High-Side-Halbleiter eine Gatespannung zur Verfügung zu stellen, die durch eine Spannung an einem mittleren Punkt des Zwischenkreises zur Speisung des Wechselrichters und einer Rückkopplung der Spannung an dem neutralen Knoten der dreiphasigen Last erzeugt wird.Proposed is a circuit arrangement for the integrated gate voltage supply of a high-side semiconductor in an inverter, comprising an energy storage unit connected to one of the three phases of a three-phase load, a drive and direction control unit connected to the energy storage unit, one with the phase the three-phase load, the energy storage unit, the driver and direction control unit and a neutral node of the three-phase load connected edge detection and voltage control unit, wherein the energy storage unit, the drive and direction control unit and the edge Detection and voltage control unit are formed such that they provide the high-side semiconductor, a gate voltage provided by a voltage at a middle point of the intermediate circuit for feeding the inverter and a feedback of the voltage at the neutral node of the dreip hateful load is generated.

Bevorzugt umfassen die Energiespeichereinheit einen ersten Kondensator und die Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit eine erste Diode und einen ersten Halbleiterschalter, wobei der erste Kondensator mit einem ersten Ende an der Phase und mit einem zweiten Ende an einem Eingang der ersten Diode verbunden ist, und der Ausgang der ersten Diode mit dem Drain des ersten Halbleiterschalters verbunden ist, und wobei das Gate des ersten Halbleiterschalters mit dem neutralen Knoten und die Source des ersten Halbleiterschalters mit dem mittleren Punkt des Zwischenkreises verbunden ist.Preferably, the energy storage unit comprises a first capacitor and the drive and direction control unit comprises a first diode and a first semiconductor switch, the first capacitor having a first end connected to the phase and a second end connected to an input of the first diode, and the output of the first diode is connected to the drain of the first semiconductor switch, and wherein the gate of the first semiconductor switch is connected to the neutral node and the source of the first semiconductor switch is connected to the middle point of the intermediate circuit.

Bevorzugt umfassen die Energiespeichereinheit ferner einen zweiten Kondensator und die Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit eine zweite Diode und einen zweiten Halbleiterschalter, wobei der zweite Kondensator mit einem ersten Ende an der Phase und mit einem zweiten Ende an der Source des zweiten Halbleiterschalters verbunden ist, und das Drain des zweiten Halbleiterschalters mit dem Ausgang der zweiten Diode verbunden ist, und der Eingang der zweiten Diode mit dem mittleren Punkt des Zwischenkreises verbunden ist.Preferably, the energy storage unit further comprises a second capacitor and the drive and direction control unit comprises a second diode and a second semiconductor switch, the second capacitor having a first end connected to the phase and a second end connected to the source of the second semiconductor switch , and the drain of the second semiconductor switch is connected to the output of the second diode, and the input of the second diode is connected to the middle point of the intermediate circuit.

In einer Ausführung wird bei einem Spannungssprung zwischen der dem neutralen Knoten und dem mittleren Punkt des Zwischenkreises einer der Kondensatoren bis zu einer vorgegebenen Spannungsgrenze geladen, wobei die Ladung des Kondensators als Gate-Spannungsversorgung des High-Side-Halbleiters verwendet wird.In one embodiment, in the event of a voltage jump between the neutral node and the intermediate point of the intermediate circuit, one of the capacitors is charged up to a predetermined voltage limit, the charge of the capacitor being used as the gate voltage supply of the high-side semiconductor.

In einer Ausführung ist die Energiespeichereinheit derart aufgebaut, dass sowohl eine negative als auch eine positive Gatespannung an dem High-Side-Halbleiter bereitgestellt werden kann.In one embodiment, the energy storage unit is configured such that both a negative and a positive gate voltage can be provided to the high-side semiconductor.

Durch das vorgeschlagene Prinzip der integrierten Gatespannungsversorgung können eine kleinere Bauweise, höhere Ladungsfrequenz und eine bipolare Spannungsversorgung realisiert werden.Due to the proposed principle of the integrated gate voltage supply, a smaller design, higher charge frequency and a bipolar voltage supply can be realized.

In einer Ausführung ist zwischen dem neutralen Knoten und der Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit eine induktive Kopplungseinheit angeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine elektrische Trennung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Wechselrichters bereitzustellen.In one embodiment, disposed between the neutral node and the edge detection and voltage control unit is an inductive coupling unit configured to provide electrical isolation between the input and the output of the inverter.

Durch die galvanische Trennung des Eingangs vom Ausgang kann eine statische Umschaltung erfolgen und die Schaltung ist sicherer.The galvanic isolation of the input from the output allows static switching and the circuit is safer.

In einer Ausführung ist die Schaltungsanordnung auf einem Halbleiterwafer integriert. Durch die Integration auf einem Wafer können Parasitäreffelte verringert werden und eine weitere Verkleinerung der Komponenten erzielt werden.In one embodiment, the circuit arrangement is integrated on a semiconductor wafer. Integration on a wafer can reduce parasite defects and further reduce the size of the components.

Vorgesehen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung des Weiteren ein Verfahren zur integrierten Gateversorgungsspannung des High-Side-MOSFETs.Furthermore, a method for the integrated gate supply voltage of the high-side MOSFET is provided within the scope of the present invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, the inventive details shows, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt eine bekannte Gate-Treiber-Schaltung. 1 shows a known gate driver circuit.

2 zeigt eine Ansicht einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 2 shows a view of a circuit arrangement according to an embodiment of the present invention.

3 zeigt eine abstrahierte Darstellung der Erzeugung der integrierten Gatespannung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 3 FIG. 11 is an abstracted view of the generation of the integrated gate voltage according to an embodiment of the present invention. FIG.

4 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 4 shows a circuit arrangement according to an embodiment of the present invention.

5 zeigt einen Zeitverlauf der von Spannungen eines Wechselrichters gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 5 FIG. 12 is a time chart showing voltages of an inverter according to an embodiment of the present invention. FIG.

6 zeigt Ladevorgänge gemäß dem in 5 gezeigten Zeitverlauf. 6 shows charging according to the in 5 shown time course.

7 zeigt Ladevorgänge gemäß dem in 5 gezeigten Zeitverlauf. 7 shows charging according to the in 5 shown time course.

8 zeigt eine weitere abstrahierte Darstellung der Erzeugung der integrierten Gatespannung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 8th FIG. 12 shows another abstracted representation of the generation of the integrated gate voltage according to an embodiment of the present invention. FIG.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the following description of the figures, the same elements or functions are provided with the same reference numerals.

In den Figuren wird ein MOSFET als Leistungshalbleiter gezeigt. Jedoch ist das erfindungsgemäße Prinzip nicht darauf beschränkt, es können vielmehr jegliche geeigneten Leistungshalbleiter wie z. B. IGBTs etc. verwendet werden.In the figures, a MOSFET is shown as a power semiconductor. However, the inventive principle is not limited thereto, but rather any suitable power semiconductors such. As IGBTs, etc. are used.

2 zeigt eine Ansicht einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein der Erfindung zugrunde liegender Wechselrichter, wobei eine integrierte Gatespannung für den High-Side-Halbleiter über die Spannungsversorgung 1, den Gatetreiber 2 und den Mikrocontroller 3 zur Verfügung gestellt wird. Diese integrierte Gatespannung wird durch die Bildung der Spannung am mittleren Punkt des Zwischenkreises N_DC und die Rückkopplung der Spannung an dem neutralen Knoten N des Drei-Phasen-Ausgangs der Maschine 4, z. B. einer E-Maschine, erzeugt. Zur Erzeugung der Gatespannung bilden weitere elektrische Komponenten einen Regler, der die Erzeugung der Gatespannung reguliert, wie später beschrieben wird. Ein Zwischenkreis dient als Energiespeicher und koppelt mehrere elektrische Netze auf einer zwischengeschalteten Strom- oder Spannungsebene über Umrichter elektrisch. 2 shows a view of a circuit arrangement according to an embodiment of the present invention. Shown is an inverter on which the invention is based, with an integrated gate voltage for the high-side semiconductor via the voltage supply 1 , the gate driver 2 and the microcontroller 3 is made available. This integrated gate voltage is provided by the formation of the voltage at the middle point of the intermediate circuit N_DC and the feedback of the voltage at the neutral node N of the three-phase output of the machine 4 , z. As an electric motor generated. To generate the gate voltage form other electrical components include a regulator that regulates the generation of the gate voltage, as described later. An intermediate circuit serves as energy storage and couples several electrical networks on an intermediate current or voltage level via inverter electrically.

In 3 ist eine abstrahierte Darstellung der Erzeugung der integrierten Gatespannung für den High-Side-Halbleiter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt. 4 zeigte eine mögliche detaillierte Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. In 3 ist eine Beispielschaltung für einen High-Side-MOSFET mit Ansteuerung über eine Phase, z. B. die U-Phase, gezeigt. In 4 ist die U-Phase mit S bezeichnet, was die Source des High-Side MOSFETs in diesem Beispiel darstellt. Die Schaltung ist dabei für eine Ansteuerung sowohl mit GS+ als auch mit GS– ausgelegt. Die Energiespeichereinheit 13 kann beispielsweise mittels Kondensatoren gebildet werden, welche in 4 als C1 und C2 dargestellt sind. In dem gezeigten Beispiel weisen die Kondensatoren eine Kapazität von 100 nF auf. Je nach Anwendung kann dieser Wert vom Fachmann entsprechend anders gewählt werden. Zur Energiespeicherung können auch andere Bauelemente als Kondensatoren verwendet werden, solange sie die zur Durchführung des vorliegenden Prinzips benötigten Eigenschaften aufweisen.In 3 Figure 4 is an abstracted illustration of the generation of the integrated gate voltage for the high-side semiconductor according to an embodiment of the present invention. 4 showed a possible detailed circuit arrangement according to an embodiment of the present invention. In 3 is an example circuit for a high-side MOSFET with control over a phase, z. As the U-phase shown. In 4 the U phase is labeled S, which is the source of the high side MOSFET in this example. The circuit is designed for control with both GS + and GS-. The energy storage unit 13 can be formed for example by means of capacitors, which in 4 are represented as C1 and C2. In the example shown, the capacitors have a capacitance of 100 nF. Depending on the application, this value can be selected differently by the person skilled in the art. For energy storage, other components may be used as capacitors, as long as they have the properties required to carry out the present principle.

Ferner werden Leistungsdioden als Richtungskontrolleinheit 12 verwendet und in 4 mit D1 und D3 bezeichnet. Sie dienen dazu, die Entladung der Speicherkondensatoren C1 und C2 zu regeln. Außerdem werden Halbleiterschalter wie in 4 gezeigt und mit Q1 und Q2 bezeichnet, als Treiber- bzw. Ansteuereinheit 12 eingesetzt, um den Ladungspfad zu kontrollieren, also zu öffnen oder zu schließen. 4 zeigt ferner weitere Komponenten, die als Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit 11 eingesetzt und in 4 als Dioden D4, D5, D6, D7, Zenerdioden D2 und D8, Transistor T1 und Widerstand R1 gezeigt sind.Further, power diodes become a direction control unit 12 used and in 4 denoted by D1 and D3. They serve to regulate the discharge of the storage capacitors C1 and C2. In addition, semiconductor switches as in 4 shown and labeled Q1 and Q2, as the driver unit 12 used to control the charge path, so to open or close. 4 further shows other components serving as edge detection and voltage control unit 11 used and in 4 are shown as diodes D4, D5, D6, D7, zener diodes D2 and D8, transistor T1 and resistor R1.

In 5 ist ein typischer Zeitverlauf der unterschiedlichen Spannungen an den Phasenausgängen U, V und W und N der dreiphasigen Last bzw. Maschine 4 in Bezug auf N_DC in einem PWM-Zyklus gezeigt. Die Halbleiter werden typischerweise derart gesteuert, dass am Ausgang sinusförmige Spannungen bzw. Ströme erzeugt werden, bevorzugt wird PWM (Pulsweitenmodulation) verwendet. 6 zeigt den Ladungsverlauf basierend auf den in 5 gezeigten Zeitverläufen. Zum Zeitpunkt T2 in 5, d. h. zu dem Zeitpunkt, an dem die Spannung N und N_DC von –Vdc/6 nach +Vdc/6 springt, wird die Gatekapazität von dem Halbleiter Q2 geladen und die Gatespannung steigt, wie mit der gestrichelten Linie in 6 gezeigt. Q2 befindet sich in diesem Fall im Durchlassbereich. Da die Spannung an S in Bezug auf N_DC positiv ist, beginnt der Ladungsvorgang am Kondensator C2, was die gestrichelt-gepunktete Linie in 6 darstellt. Übersteigt die Spannung an C2 einen vorgegebenen Wert, werden D8 und T1 leitend, was mit der gepunkteten Linie in 6 dargestellt ist. Der Gateanschluss von Q2 ist dann am Sourceanschluss kurzgeschlossen, d. h. Q2 sperrt und der Ladungsvorgang endet. Die in C2 gespeicherte Energie kann nun als negative Spannung am Gate verwendet werden. Ein ähnliches Verhalten ist beim Zeitpunkt T3 in 5 zu beobachten.In 5 is a typical time course of the different voltages at the phase outputs U, V and W and N of the three-phase load or machine 4 with respect to N_DC in a PWM cycle. The semiconductors are typically controlled such that sinusoidal voltages or currents are generated at the output, PWM (pulse width modulation) is preferably used. 6 shows the charge history based on the in 5 shown time courses. At time T2 in 5 That is, at the time when the voltage N and N_DC jump from -Vdc / 6 to + Vdc / 6, the gate capacitance is charged by the semiconductor Q2, and the gate voltage increases as indicated by the broken line in FIG 6 shown. Q2 is in the passband in this case. Since the voltage at S is positive with respect to N_DC, the charging process begins at capacitor C2, which is the dashed dotted line in FIG 6 represents. If the voltage across C2 exceeds a predetermined value, D8 and T1 become conductive, which is indicated by the dotted line in 6 is shown. The gate terminal of Q2 is then short-circuited at the source terminal, ie Q2 blocks and the charging process ends. The energy stored in C2 can now be used as a negative voltage at the gate. A similar behavior is at time T3 in 5 to observe.

Zum Zeitpunkt T4 springt die Spannung zwischen N_DC und S von –Vdc/2 nach +Vdc/2, wodurch die Gatekapazität vom Halbleiter Q1 geladen wird, so dass die Gatespannung steigt. Dies ist in 7 mit der gestrichelten Linie gezeigt. Wie mit Bezug auf 6 beschrieben erfolgt der Ladevorgang. Q1 befindet sich im Durchlassbereich. Da die Spannung an N_DC mit Bezug auf S positiv ist, beginnt der Ladevorgang und der Kondensator C1 wird geladen, wie mit der gestrichelt-gepunkteten Linie in 7 gezeigt. Übersteigt die Spannung an C1 einen vorgegebenen Wert, wird D2 leitend, was mit der gepunkteten Linie in 7 dargestellt ist. Der Gateanschluss von Q1 ist dann am Sourceanschluss kurzgeschlossen, d. h. Q1 sperrt und der Ladungsvorgang endet. Die in C1 gespeicherte Energie kann nun als positive Spannung am Gate verwendet werden.At time T4, the voltage between N_DC and S jumps from -Vdc / 2 to + Vdc / 2, whereby the gate capacitance is charged by the semiconductor Q1, so that the gate voltage increases. This is in 7 shown with the dashed line. As with respect to 6 the charging process is described. Q1 is in the passband. Since the voltage at N_DC is positive with respect to S, the charging starts and the capacitor C1 is charged as with the dashed dotted line in FIG 7 shown. If the voltage at C1 exceeds a given value, D2 becomes conductive, which is indicated by the dotted line in 7 is shown. The gate terminal of Q1 is then short-circuited at the source terminal, ie Q1 blocks and the charging process ends. The energy stored in C1 can now be used as a positive voltage at the gate.

Durch die gezeigte Schaltungsanordnung kann eine bipolare Spannung über die Kondensatoren C1 und C2 bereitgestellt werden. In den vorher gezeigten Beispielen wird C2 zweimal über innerhalb eines PWM-Zyklus geladen, d. h. die Ladungsfrequenz ist höher. Bei der in dem Beispiel verwendeten Ladungsquelle ist die Spannung über Q1 und Q2 maximal Vdc/2, wodurch Q1 und Q2 kleiner dimensioniert werden können, da die zu sperrende Spannung kleiner als die maximale Spannung von Vdc ist. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die in den Beispielen gezeigten Werte beschränkt. Vielmehr kommt es auf die Anwendung an, welche Spannungen bzw. Ströme verwendet werden, wie oft pro Zyklus geladen wird und welche Dimensionen die einzelnen Komponenten nicht überschreiten dürfen. Die Aufgabe der Dimensionierung obliegt dabei dem Fachmann, der das erfindungsgemäße Prinzip anwendet.The circuit arrangement shown can provide a bipolar voltage across the capacitors C1 and C2. In the examples previously shown, C2 is charged twice over within a PWM cycle, i. H. the charge frequency is higher. In the charge source used in the example, the voltage across Q1 and Q2 is at most Vdc / 2, whereby Q1 and Q2 can be made smaller because the voltage to be cut is smaller than the maximum voltage of Vdc. However, the invention is not limited to the values shown in the examples. Rather, it depends on the application, which voltages or currents are used, how often per cycle is charged and which dimensions the individual components may not exceed. The task of dimensioning is incumbent on the person skilled in the art who applies the inventive principle.

Die Komponente zur Flankenerkennung 11 kann auch auf einer induktiven Kopplung basieren, was in 8 schematisch dargestellt ist. Wie in 3 bezeichnen die Bezugszeichen 11 die Flanken-Erkennungs- und Spannungs-Kontrolleinheit, 12 die Richtungskontrolleinheit und 13 die Energiespeichereinheit. In 8 ist zusätzlich zwischen der Flanken-Erkennungs- und Spannungs-Kontrolleinheit 11 und dem neutralen Knoten N eine induktive Kopplungseinheit 14 vorgesehen, welche eine elektrische Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Wechselrichters eliminiert, d. h. eine galvanische Trennung der Versorgung des Treibers erreicht, so dass ein Durchschalten bzw. statisches Einschalten des High-Side-MOSFETs möglich wird. Vorteile dieser Anwendung sind, dass ein sicheres Schalten des Treibers erfolgen kann. Um dieses Konzept zu realisieren muss ein integrierter Übertrager oder eine Gleichtaktdrossel eingesetzt werden.The component for edge detection 11 can also be based on an inductive coupling, what in 8th is shown schematically. As in 3 denote the reference numerals 11 the edge detection and voltage control unit, 12 the direction control unit and 13 the energy storage unit. In 8th is in addition between the edge detection and voltage control unit 11 and the neutral node N is an inductive coupling unit 14 provided, which is an electrical Connection between the input and the output of the inverter eliminated, ie a galvanic isolation of the supply of the driver achieved, so that a switching on or static switching of the high-side MOSFETs is possible. Advantages of this application are that a safe switching of the driver can take place. To realize this concept an integrated transformer or a common mode choke has to be used.

In einer weiteren Ausführung kann die Schaltungsanordnung oder ein Teil davon in einem Wafer integriert sein, da in den gezeigten Ausführungen ausschließlich Halbleiterbauelemente verwendet werden können. Somit könnten Parasitäreffekte verringert und eine weitere Verkleinerung der Schaltung erzielt werden.In a further embodiment, the circuit arrangement or a part thereof can be integrated in a wafer, since in the embodiments shown only semiconductor components can be used. Thus, parasitic effects could be reduced and further downsizing of the circuit achieved.

Im Gegensatz zu bisher beschriebenen Lösungen wird gemäß den Ausführungen dieser Erfindung die Spannung an den neutralen Knoten N als Steuersignal zurück gespeist wird und die Spannung an N_DC als sowohl Quelle als auch als Steuersignal verwendet wird. Durch diese neuartige Lösung werden im Vergleich zu bekannten Lösungen, z. B. aus der EP 1 387 474 B1 , bei der die Drain-Source bzw. die Kollektor-Emitter-Spannung als Quelle und Steuersignal verwendet werden, höhere Ladungsfrequenzen, eine bipolare Versorgungsspannung für das Gate und kleinere Dimensionierungen erzielt. Ferner ist die Umsetzung kostengünstiger.In contrast to previously described solutions, according to the teachings of this invention, the voltage is fed back to the neutral node N as a control signal and the voltage at N_DC is used as both source and control signal. This novel solution will be compared to known solutions, eg. B. from the EP 1 387 474 B1 in which the drain-source or the collector-emitter voltage are used as source and control signal, higher charge frequencies, a bipolar supply voltage for the gate and smaller dimensions achieved. Furthermore, the implementation is cheaper.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Gate-Treiber-SchaltungGate driver circuit
101101
MOSFETMOSFET
102102
Spannungsversorgungpower supply
103103
Treiberdriver
104104
Mikrokontrollermicrocontroller
11
EinzelmodulSingle module
22
Gatetreibergate drivers
33
Mikrokontrollermicrocontroller
44
dreiphasige Lastthree-phase load
1111
Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-EinheitFlank Detection and Voltage Control Unit
1212
Treiber- bzw. Ansteuereinheit und RichtungskontrolleinheitDriver or control unit and direction control unit
1313
EnergiespeichereinheitEnergy storage unit
1414
induktive Kopplungseinheitinductive coupling unit
Q1, Q2Q1, Q2
HalbleiterschalterSemiconductor switches
C1, C2C1, C2
Kondensatorcapacitor
D1, D3D1, D3
Diodediode
SS
Source des High-Side-HalbleitersSource of the high-side semiconductor
GG
Gate des High-Side-HalbleitersGate of the high-side semiconductor
DD
Drain des High-Side-HalbleitersDrain of the high-side semiconductor
M1M1
High-Side-HalbleiterHigh-side semiconductors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009045802 A1 [0005] DE 102009045802 A1 [0005]
  • DE 102013217173 A1 [0005] DE 102013217173 A1 [0005]
  • EP 1387474 B1 [0005, 0038] EP 1387474 B1 [0005, 0038]

Claims (10)

Schaltungsanordnung zur integrierten Gate-Spannungsversorgung eines High-Side-Halbleiters (M1) in einem Wechselrichter, umfassend: – eine mit einer (S) der drei Phasen (U, V, W) einer dreiphasigen Last (4) verbundene Energiespeichereinheit (13), – eine mit der Energiespeichereinheit (13) verbundene Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit (12), – eine mit der Phase (S) der dreiphasigen Last (4), der Energiespeichereinheit (13), der Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit (12) und einem neutralen Knoten (N) der dreiphasigen Last (4) verbundene Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit (11), wobei die Energiespeichereinheit (13), die Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit (12) und die Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit (11) derart gebildet sind, dass sie dem High-Side-Halbleiter (M1) eine Gatespannung zur Verfügung zu stellen, die durch eine Spannung an einem mittleren Punkt des Zwischenkreises (N_DC) zur Speisung des Wechselrichters und einer Rückkopplung der Spannung an dem neutralen Knoten (N) der dreiphasigen Last (4) erzeugt wird.Circuit arrangement for the integrated gate voltage supply of a high-side semiconductor (M1) in an inverter, comprising: - one with one (S) of the three phases (U, V, W) of a three-phase load ( 4 ) connected energy storage unit ( 13 ), - one with the energy storage unit ( 13 ) driver and direction control unit ( 12 ), - one with the phase (S) of the three-phase load ( 4 ), the energy storage unit ( 13 ), the driver or direction control unit ( 12 ) and a neutral node (N) of the three-phase load ( 4 ) connected edge detection and voltage control unit ( 11 ), wherein the energy storage unit ( 13 ), the driver or direction control unit ( 12 ) and the edge detection and voltage control unit ( 11 ) are arranged to provide a gate voltage to the high-side semiconductor (M1) which is provided by a voltage at a middle point of the intermediate circuit (N_DC) for feeding the inverter and a feedback of the voltage at the neutral node (N). N) of the three-phase load ( 4 ) is produced. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichereinheit (13) einen ersten Kondensator (C2) umfasst, und die Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit (12) eine erste Diode (D3) und einen ersten Halbleiterschalter (Q2) umfasst, wobei der erste Kondensator mit einem ersten Ende an der Phase (S) und mit einem zweiten Ende an einem Eingang der ersten Diode (D3) verbunden ist, und der Ausgang der ersten Diode (D3) mit dem Drain des ersten Halbleiterschalters (Q2) verbunden ist, und wobei das Gate des ersten Halbleiterschalters (Q2) mit dem neutralen Knoten (N) und die Source des ersten Halbleiterschalters (Q2) mit dem mittleren Punkt des Zwischenkreises (N_DC) verbunden ist.Circuit arrangement according to claim 1, wherein the energy storage unit ( 13 ) comprises a first capacitor (C2), and the driver and direction control unit ( 12 ) comprises a first diode (D3) and a first semiconductor switch (Q2), the first capacitor being connected to a first end at the phase (S) and to a second end at an input of the first diode (D3), and the output the first diode (D3) is connected to the drain of the first semiconductor switch (Q2), and wherein the gate of the first semiconductor switch (Q2) to the neutral node (N) and the source of the first semiconductor switch (Q2) to the middle point of the intermediate circuit (N_DC) is connected. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Energiespeichereinheit (13) ferner einen zweiten Kondensator (C1) umfasst, und die Treiber- bzw. Ansteuer- und Richtungskontrolleinheit (12) eine zweite Diode (D1) und einen zweiten Halbleiterschalter (Q1) umfasst, wobei der der zweite Kondensator (C1) mit einem ersten Ende an der Phase (S) und mit einem zweiten Ende an der Source des zweiten Halbleiterschalters (Q1) verbunden ist, und das Drain des zweiten Halbleiterschalters (Q1) mit dem Ausgang der zweiten Diode (D1) verbunden ist, und der Eingang der zweiten Diode (D1) mit dem mittleren Punkt des Zwischenkreises (N_DC) verbunden ist.Circuit arrangement according to claim 2, wherein the energy storage unit ( 13 ) further comprises a second capacitor (C1), and the drive and direction control unit ( 12 ) comprises a second diode (D1) and a second semiconductor switch (Q1), the second capacitor (C1) having a first end connected to the phase (S) and a second end connected to the source of the second semiconductor switch (Q1) , and the drain of the second semiconductor switch (Q1) is connected to the output of the second diode (D1), and the input of the second diode (D1) is connected to the middle point of the intermediate circuit (N_DC). Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei bei einem Spannungssprung zwischen der dem neutralen Knoten (N) und dem mittleren Punkt des Zwischenkreises (N_DC) einer der Kondensatoren (C1, C2) bis zu einer vorgegebenen Spannungsgrenze geladen wird, wobei die Ladung des Kondensators (C1, C2) als Gate-Spannungsversorgung des High-Side-Halbleiters (M1) verwendet wird.Circuit arrangement according to one of Claims 2 or 3, in which, in the event of a voltage jump between the neutral node (N) and the middle point of the intermediate circuit (N_DC), one of the capacitors (C1, C2) is charged up to a predetermined voltage limit, the charge of the Capacitor (C1, C2) is used as the gate power supply of the high-side semiconductor (M1). Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem neutralen Knoten (N) und der Flanken-Erkennungs- und Spannungskontroll-Einheit (11) eine induktive Kopplungseinheit (14) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, eine elektrische Trennung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Wechselrichters bereitzustellen.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein between the neutral node (N) and the edge detection and voltage control unit ( 11 ) an inductive coupling unit ( 14 ) arranged to provide electrical isolation between the input and the output of the inverter. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung auf einem Halbleiterwafer integriert ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the circuit arrangement is integrated on a semiconductor wafer. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeichereinheit (13) derart aufgebaut ist, dass sowohl eine negative als auch eine positive Gatespannung an dem High-Side-Halbleiter (M1) bereitgestellt werden kann.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the energy storage unit ( 13 ) is constructed such that both a negative and a positive gate voltage can be provided to the high-side semiconductor (M1). Verfahren zur Gate-Spannungsversorgung eines High-Side-Halbleiters (M1) in einem Wechselrichter, wobei die Gatespannung des High-Side-Halbleiters (M1) durch eine Spannung an einem mittleren Punkt des Zwischenkreises (N_DC) zur Speisung des Wechselrichters und einer Rückkopplung der Spannung an dem neutralen Knoten (N) der dreiphasigen Last (4) erzeugt wird.Method for the gate voltage supply of a high-side semiconductor (M1) in an inverter, wherein the gate voltage of the high-side semiconductor (M1) by a voltage at a middle point of the intermediate circuit (N_DC) for feeding the inverter and a feedback of the Voltage at the neutral node (N) of the three-phase load ( 4 ) is produced. Verfahren nach Anspruch 8, wobei durch einen Spannungssprung von einer negativen Spannung auf eine positive Spannung zwischen dem neutralen Knoten (N) und dem mittleren Punkt des Zwischenkreises (N_DC) der erste Halbleiterschalter (Q2) in einen Durchlassbereich schaltet und der erste Kondensator (C2) solange geladen wird, bis eine vorgegebene Spannung erreicht ist, wobei bei Erreichen der vorgegebenen Spannung der erste Halbleiterschalter (Q2) sperrt und die in dem ersten Kondensator (C2) gespeicherte Spannung als negative Gatespannung des High-Side-Halbleiters (M1) verwendet wird.Method according to claim 8, wherein, by a voltage jump from a negative voltage to a positive voltage between the neutral node (N) and the middle point of the intermediate circuit (N_DC), the first semiconductor switch (Q2) switches into a passband and the first capacitor (C2) is charged until a predetermined voltage is reached, upon reaching the predetermined voltage, the first semiconductor switch (Q2) blocks and stored in the first capacitor (C2) voltage as negative Gate voltage of the high-side semiconductor (M1) is used. Verfahren nach Anspruch 9, wobei durch einen Spannungssprung von einer positiven Spannung auf eine negative Spannung zwischen dem neutralen Knoten (N) und dem mittleren Punkt des Zwischenkreises (N_DC) der zweite Halbleiterschalter (Q1) in einen Durchlassbereich schaltet und der erste Kondensator (C1) solange geladen wird, bis eine vorgegebene Spannung erreicht ist, wobei bei Erreichen der vorgegebenen Spannung der zweite Halbleiterschalter (Q1) sperrt und die in dem zweiten Kondensator (C1) gespeicherte Spannung als positive Gatespannung des High-Side-Halbleiters (M1) verwendet wird.Method according to claim 9, wherein, by a voltage jump from a positive voltage to a negative voltage between the neutral node (N) and the middle point of the intermediate circuit (N_DC), the second semiconductor switch (Q1) switches into a passband and the first capacitor (C1) is charged until a predetermined voltage is reached, upon reaching the predetermined voltage of the second semiconductor switch (Q1) blocks and in the second capacitor (C1) stored voltage is used as a positive gate voltage of the high-side semiconductor (M1).
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