DE102017214211A1

DE102017214211A1 - Circuit for driving a power semiconductor transistor

Info

Publication number: DE102017214211A1
Application number: DE102017214211.1A
Authority: DE
Inventors: Falko Friese; Peter Sinn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2019-02-21
Also published as: WO2019034505A1

Abstract

Schaltung (1) zur Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors (2) aufweisend eine Ansteuerungsstufe (3) welche zur Ansteuerung des Gates (4) des Leistungshalbleitertransistors (2) mit einer Steuerspannung (12) eingerichtet ist und dazu an das Gate (4) und den Emitter (5) des Leistungshalbleitertransistors (2) angeschlossen ist, weiter aufweisend eine Schutzschaltung (6), welche ebenfalls zur Ansteuerung des Gates (4) eingerichtet ist und dazu an das Gate (4) und den Emitter (5) angeschlossen ist, sowie ein an dem Emitter (5) des Leistungshalbleitertransistors (2) angeschlossener Stromsensor (7) zur Bestimmung eines Laststroms, wobei ein Ausgang (8) des Stromsensors (7) der Schutzschaltung (6) zur Verfügung gestellt ist und die Schutzschaltung (6) dazu eingerichtet ist, die Steuerspannung an dem Gate (4) abzusenken, wenn ein Laststrom größer ist als ein Schwellwertstrom.

Circuit (1) for driving a power semiconductor transistor (2) comprising a drive stage (3) which is designed to drive the gate (4) of the power semiconductor transistor (2) with a control voltage (12) and to the gate (4) and the emitter ( 5) of the power semiconductor transistor (2) is connected, further comprising a protection circuit (6), which is also adapted to drive the gate (4) and to the gate (4) and the emitter (5) is connected, as well as on the Emitter (5) of the power semiconductor transistor (2) connected current sensor (7) for determining a load current, wherein an output (8) of the current sensor (7) of the protection circuit (6) is provided and the protection circuit (6) is adapted to Lowering control voltage at the gate (4) when a load current is greater than a threshold current.

Description

Stand der TechnikState of the art

Zur Ansteuerung von Leistungshalbleitertransistoren mit kapazitiver Gateansteuerung (insbesondere sogenannte Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode [IGBTs = Insulated Gate Bipolar Transistor] und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren [MOSFETs] sowie andere entsprechende Transistoren) werden üblicherweise Gatetreiber mit integrierter oder externer Gegentaktendstufe (auch Push-Pull-Stufe genannt) zur Ansteuerung des Gates des Leistungshalbleitertransistors eingesetzt. Solche Gegentaktendstufen sind üblicherweise an die Steuerelektroden des Leistungshalbleitertransistors angeschlossen. Die Steuerelektroden sind das Gate sowie der Emitter (auch Source genannt).For driving power semiconductor transistors with capacitive gate drive (in particular so-called insulated gate bipolar transistors [IGBTs] and metal-oxide-semiconductor field-effect transistors [MOSFETs] as well as other corresponding transistors), gate drivers with integrated or external push-pull output stage (also Called push-pull stage) used to drive the gate of the power semiconductor transistor. Such push-pull output stages are usually connected to the control electrodes of the power semiconductor transistor. The control electrodes are the gate and the emitter (also called source).

Die Gegentaktendstufe bildet üblicherweise eine Schaltung, die zwischen einem Treiber zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors und dem Leistungshalbleitertransistor selbst angeordnet ist, um aus einem Ansteuerungssignal des Treibers eine Steuerspannung zur Ansteuerung des Gates des Leistungshalbleitertransistors zu formen.The push-pull output stage usually forms a circuit which is arranged between a driver for driving the power semiconductor transistor and the power semiconductor transistor itself in order to form a control signal from the drive signal of the driver for driving the gate of the power semiconductor transistor.

Mit Hilfe der Gegentaktendstufe werden von außen vorgegebene Spannungen an die Steuerelektroden angelegt, die üblicherweise zwischen einer oberen Eingangsspannung (z. B. +15 Volt zum Einschalten) und einer unteren Eingangsspannung (z. B. -8 Volt zum Ausschalten) geschaltet werden kann.By means of the push-pull output stage, externally applied voltages are applied to the control electrodes, which can usually be switched between an upper input voltage (eg +15 volts for switching on) and a lower input voltage (eg -8 volts for switching off).

Um Kurzschlüsse zu beherrschen (d. h. sicher abschalten zu können), kann der Laststrom des Leistungshalbleitertransistors gemessen und von dem Treiber zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors berücksichtigt werden. Üblicherweise ist der Treiber so eingerichtet, dass dieser anhand des gemessenen Laststroms einen Kurzschluss erkennt und eine geeignete Kurzschlussabschaltung einleitet, sofern der Laststrom einen zuvor gewählten festen Schwellwert überschreitet.In order to be able to control short-circuits (that is to say switch off safely), the load current of the power semiconductor transistor can be measured and taken into account by the driver for driving the power semiconductor transistor. Usually, the driver is set up so that it detects a short circuit based on the measured load current and initiates a suitable short-circuit shutdown if the load current exceeds a previously selected fixed threshold value.

Um Fehlauslösungen der Kurzschlusserkennung zu vermeiden, wird für den Laststrom häufig ein Schwellwert gewählt, der das Doppelte bis Dreifache des höchsten zu erwartenden regelmäßigen Betriebsstroms beträgt. Mit dem Betriebsstrom ist hier ein Strom gemeint, der während des regulären Betriebs des Leistungshalbleitertransistors maximal auftreten kann.To avoid false tripping of the short-circuit detection, the load current is frequently set to a threshold which is twice to three times the highest expected regular operating current. The operating current here means a current that can occur during normal operation of the power semiconductor transistor maximum.

Bei niedrigeren Schwellwerten für den Laststrom könnten Fehlauslösungen der Kurzschlusserkennung in Folge von transienten Strömen z.B. bei Ausgleichsvorgängen auftreten. Solche transienten Ströme können den höchsten zu erwartenden regelmäßigen Betriebsstrom überschreiten.At lower load current thresholds, false tripping of the short circuit detection due to transient currents, e.g. occur during balancing operations. Such transient currents may exceed the highest expected regular operating current.

Für den Betrieb eines Leistungshalbleitertransistors ist auch eine geeignete Steuerspannung festzulegen.For the operation of a power semiconductor transistor and a suitable control voltage is set.

Die Wahl der Steuerspannung des Leistungshalbleiters im eingeschalteten Zustand unterliegt einem Zielkonflikt. Je höher die Steuerspannung gewählt wird, desto geringer ist die Kollektor-Emitter-Spannung (zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Leistungshalbleitertransistors). Diese Kollektor-Emitter-Spannung führt zu einem Leistungsverlust in dem Leistungshalbleitertransistor im eingeschalteten Zustand. Durch eine hohe Steuerspannung können demnach Leistungsverluste im Leistungshalbleitertransistor (auch Durchlassverluste genannt) im Regelbetrieb des Leistungshalbleitertransistors reduziert werden. Dies ist erwünscht. Andererseits steigt durch eine höhere Steuerspannung der Entsättigungsstrom des Leistungshalbleitertransistors. Hierdurch steigt der maximale Kurzschlussstrom, der auftreten kann. Letztlich führt dies zu einer erhöhten Belastung des Leistungshalbleiters im Kurzschlussfall. Dies ist unerwünscht, weil der Kurzschlussschutz so ausgelegt sein soll, dass der Leistungshalbleitertransistor durch einen auftretenden Kurzschlussstrom nicht beschädigt werden soll.The choice of the control voltage of the power semiconductor in the on state is subject to a conflict of goals. The higher the control voltage is selected, the lower the collector-emitter voltage (between the collector and the emitter of the power semiconductor transistor). This collector-emitter voltage leads to a power loss in the power semiconductor transistor in the on state. Accordingly, power losses in the power semiconductor transistor (also called forward losses) can be reduced during normal operation of the power semiconductor transistor due to a high control voltage. This is desirable. On the other hand, increases by a higher control voltage of the desaturation of the power semiconductor transistor. This increases the maximum short-circuit current that can occur. Ultimately, this leads to an increased load of the power semiconductor in the event of a short circuit. This is undesirable because the short-circuit protection should be designed so that the power semiconductor transistor should not be damaged by a short-circuit current occurring.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Hier beschrieben werden sollen eine Schaltung und ein Betriebsverfahren für eine solche Schaltung, mit welchen der Kurzschlussstrom begrenzt wird, ohne die Durchlassverluste des Leistungshalbleiters im Regelbetrieb zu erhöhen. Described here are a circuit and an operating method for such a circuit with which the short-circuit current is limited, without increasing the forward losses of the power semiconductor during normal operation.

Dies wird erreicht durch eine Schaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors aufweisend eine Ansteuerungsstufe, welche zur Ansteuerung des Gates des Leistungshalbleitertransistors mit einer Steuerspannung eingerichtet ist und dazu an das Gate und den Emitter des Leistungshalbleitertransistors angeschlossen ist, weiter aufweisend eine Schutzschaltung, welche ebenfalls zur Ansteuerung des Gates eingerichtet ist und dazu an das Gate und den Emitter des Leistungshalbleitertransistors angeschlossen ist, sowie ein an dem Emitter des Leistungshalbleitertransistors angeschlossener Stromsensor zur Bestimmung eines Laststroms durch den Leistungshalbleitertransistor, wobei ein Ausgang des Stromsensors der Schutzschaltung zur Verfügung gestellt ist und die Schutzschaltung dazu eingerichtet ist, die Steuerspannung an dem Gate abzusenken, wenn ein Laststrom durch den Leistungshalbleitertransistor größer ist als ein Schwellwertstrom.This is achieved by a circuit for driving a power semiconductor transistor having a drive stage, which is adapted to drive the gate of the power semiconductor transistor with a control voltage and is connected to the gate and the emitter of the power semiconductor transistor, further comprising a protection circuit, which also for driving the gate is arranged and is connected to the gate and the emitter of the power semiconductor transistor, and connected to the emitter of the power semiconductor transistor current sensor for determining a load current through the power semiconductor transistor, wherein an output of the current sensor of the protection circuit is provided and the protection circuit is adapted to lower the control voltage at the gate when a load current through the power semiconductor transistor is greater than a threshold current.

Die Schaltung bildet insbesondere eine Zwischenbaugruppe zwischen einem Treiber zum Betrieb eines Leistungshalbleitertransistors und dem Leistungshalbleitertransistor selbst. Dazu weist die Schaltung bevorzugt Signaleingänge zum Eingang von Signalen von dem Treiber und Ausgänge zum Anschluss der Schaltung an den Leistungshalbleitertransistor auf. Im Folgenden ist die Schaltung einzeln aber auch zusammen mit dem Leistungshalbleitertransistor beschrieben.In particular, the circuit forms an intermediate module between a driver for operating a power semiconductor transistor and the power semiconductor transistor itself The circuit prefers signal inputs to the input of signals from the driver and outputs to connect the circuit to the power semiconductor transistor. In the following, the circuit is described individually but also together with the power semiconductor transistor.

Der Leistungshalbleitertransistor hat einen üblichen Aufbau mit einem Gate (zum Anlegen einer Steuerspannung, mit welcher der Leistungshalbleitertransistor geschaltet werden kann), einem Emitter und einem Kollektor. Der Emitter ist üblicherweise an ein Grundpotential angeschlossen. Der Emitter und der Kollektor bilden zusammen auch die Anschlüsse für die Ansteuerungsstufe.The power semiconductor transistor has a conventional structure with a gate (for applying a control voltage with which the power semiconductor transistor can be switched), an emitter and a collector. The emitter is usually connected to a ground potential. The emitter and the collector together also form the connections for the drive stage.

Die Ansteuerungsstufe und die Schutzschaltung sind zwischen dem Emitter und dem Gate parallel geschaltet und können damit gleichermaßen (beide) die an dem Gate anliegende Steuerspannung beeinflussen. Die Schutzschaltung ist dazu eingerichtet, die an dem Gate anliegende Steuerspannung ausgehend von der von der Ansteuerungsstufe vorgegebenen Steuerspannung anzupassen, um so die Durchlässigkeit des Leistungshalbleitertransistors zu beeinflussen. In Serie mit dem Leistungshalbleitertransistor ist (bevorzugt zwischen dem Emitter und dem Bezugspotential ein Stromsensor angeordnet, welcher den durch den Leistungshalbleitertransistor fließenden Strom vollständig überwachen kann. Der Stromsensor hat einen Ausgang. An diesem Ausgang ist ein Signal verfügbar, welches Informationen zu dem durch den Leistungshalbleitertransistor fließendem Laststrom beinhaltet. Dieser Ausgang bzw. das an diesem Ausgang verfügbare Signal ist der Schutzschaltung zur Verfügung gestellt. Die Schutzschaltung ist dazu eingerichtet, die Steuerspannung an dem Gate abzusenken, wenn ein Laststrom größer ist als ein Schwellwertstrom.The drive stage and the protection circuit are connected in parallel between the emitter and the gate and thus can equally (both) influence the control voltage applied to the gate. The protection circuit is configured to adapt the control voltage applied to the gate on the basis of the control voltage predetermined by the drive stage so as to influence the permeability of the power semiconductor transistor. In series with the power semiconductor transistor is disposed (preferably between the emitter and the reference potential) a current sensor which is capable of completely monitoring the current flowing through the power semiconductor transistor The current sensor has an output At this output there is available a signal indicative of that through the power semiconductor transistor This output, or the signal available at that output, is provided to the protection circuit The protection circuit is configured to lower the control voltage at the gate when a load current is greater than a threshold current.

Durch die Schutzschaltung findet damit eine Reduzierung (oder auch Herunterregelung) der Steuerspannung statt, wenn ein großer Laststrom auftritt.The protection circuit thus reduces (or regulates) the control voltage when a large load current occurs.

Durch die beschriebene Schaltung kann der Zielkonflikt bei der Festlegung der Steuerspannung zumindest teilweise aufgelöst werden. Die Steuerspannung lässt sich weitestgehend unabhängig von den Anforderungen für den Kurzschlussschutz festlegen. Die Kurzschlussstrombegrenzung wird nun unabhängig von der Wahl der Steuerspannung durch die zusätzliche Schutzschaltung realisiert.
Die Schutzschaltung kann auch als „Clamping-Schaltung“ bezeichnet werden. Die Schutzschaltung stellt das entscheidende Element der hier beschriebenen Lösung dar.By the described circuit, the conflicting goals in the determination of the control voltage can be at least partially resolved. The control voltage can be largely determined independently of the requirements for short-circuit protection. The short-circuit current limit is now realized independently of the choice of the control voltage through the additional protection circuit.
The protection circuit may also be referred to as a "clamping circuit". The protection circuit represents the crucial element of the solution described here.

Der Stromsensor dient dem Zweck, einen an dem Leistungshalbleitertransistor anliegenden Laststrom zu bestimmen. Der Stromsensor kann jedes beliebige Prinzip zur Ermittlung eines Laststroms nutzen.The current sensor serves the purpose of determining a load current applied to the power semiconductor transistor. The current sensor can use any principle for determining a load current.

Wird ein Laststrom des Leistungshalbleitertransistors größer als der höchste zu erwartende regelmäßige Betriebsstrom gemessen, wird die Spannung an den Steuerelektroden des Leistungshalbleiters abgesenkt, wodurch der Entsättigungsstrom abgesenkt wird. Im Falle eines Kurzschlusses wird somit durch diese Reduzierung des Kurzschlussstroms die Belastung des Leistungshalbleiters deutlich reduziert.If a load current of the power semiconductor transistor is measured to be greater than the highest expected regular operating current, the voltage at the control electrodes of the power semiconductor is lowered, whereby the desaturation current is lowered. In the case of a short circuit, the load of the power semiconductor is thus significantly reduced by this reduction of the short-circuit current.

Ob eine hier beschriebene Schaltung zwischen einem (üblichen) Treiber für einen Leistungshalbleitertransistor und dem Leistungshalbleitertransistor selbst vorgesehen ist, kann beispielsweise durch eine Vermessung der Reaktionen des Leistungshalbleitertransistors und des Treibers auf bestimmte Eingangssignale nachgewiesen werden. Insbesondere können hierzu Spannungen an den Steuerelektroden bei steigendem Laststrom des Leistungshalbleiters gemessen werden.Whether a circuit described here between a (usual) driver for a power semiconductor transistor and the power semiconductor transistor itself is provided, can be detected for example by measuring the reactions of the power semiconductor transistor and the driver to certain input signals. In particular, for this purpose, voltages at the control electrodes can be measured with increasing load current of the power semiconductor.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Schutzschaltung so eingerichtet ist, dass sie keine Auswirkungen auf den Emitter und das Gate des Leistungshalbleitertransistor hat, sofern ein von dem Stromsensor gemessener Laststrom kleiner ist als ein Schwellwertstrom.It is particularly advantageous if the protective circuit is set up so that it has no effect on the emitter and the gate of the power semiconductor transistor, provided that a load current measured by the current sensor is smaller than a threshold current.

Die Schutzschaltung verhält sich bei Lastströmen unterhalb des Schwellwertstroms bevorzugt wie ein sehr hochohmiger Widerstand, der das Verhalten des Leistungshalbleitertransistors im Zusammenhang mit der Ansteuerungsstufe nicht beeinflusst.The protection circuit behaves at load currents below the threshold current preferably as a very high resistance, which does not affect the behavior of the power semiconductor transistor in connection with the drive stage.

Außerdem besonders vorteilhaft ist, wenn die Schutzschaltung einen Transistor aufweist, mit welchem die Steuerspannung an dem Gate in Abhängigkeit eines von dem Stromsensor gemessenen Stroms reduziert werden kann.Moreover, it is particularly advantageous if the protective circuit has a transistor with which the control voltage at the gate can be reduced in dependence on a current measured by the current sensor.

Ein Transistor in der Schutzschaltung ist bevorzugt dazu eingerichtet, eine Verbindung mit einem Bezugspotential herzustellen, über welche die Steuerspannung an dem Gate reduziert werden kann. Das Gate dieses Transistor ist dazu bevorzugt über eine Schaltung bzw. über eine Logik mit dem Stromsensor bzw. dem Ausgang des Stromsensors verbunden.A transistor in the protection circuit is preferably configured to establish a connection to a reference potential, via which the control voltage at the gate can be reduced. The gate of this transistor is preferably connected via a circuit or via a logic to the current sensor or the output of the current sensor.

Darüber hinaus besonders vorteilhaft ist, wenn der Leistungshalbleitertransistor ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ist.Moreover, it is particularly advantageous if the power semiconductor transistor is an insulated gate bipolar transistor (IGBT).

Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode eigenen sich besonders, um hohe Ströme zu schalten und werden beispielsweise in B-6-Brücken in einem Kraftfahrzeug mit Elektro-Antrieb eingesetzt, um Gleichströme aus einem Akkumulator in Wechselströme (insbesondere Mehrphasenwechselströme) für einen Antrieb umzuwandeln oder umgekehrt Wechselströme (insbesondere Mehrphasenwechselströme) aus einer Ladeinfrastruktur oder einem Generator in Gleichströme für einen Akkumulator umzuwandeln. Die hier beschriebene Schaltung ist aber auch anwendbar, wenn der Leistungshalbleitertransistor ein Metalloxid-FeldeffektTransistor (MOFSET) oder ein beliebiger anderer spannungsgesteuerter Transistor ist. Insulated gate bipolar transistors are particularly suitable for switching high currents and are used, for example, in B-6 bridges in a motor vehicle with electric drive, to supply direct currents from an accumulator in Convert alternating currents (in particular polyphase alternating currents) for a drive or conversely convert alternating currents (in particular polyphase alternating currents) from a charging infrastructure or a generator into direct currents for an accumulator. However, the circuit described herein is also applicable when the power semiconductor transistor is a metal oxide field effect transistor (MOFSET) or any other voltage controlled transistor.

Auch besonders vorteilhaft ist, wenn die Ansteuerungsstufe nach Art einer Gegentaktendstufe ausgebildet ist, mit welcher eine Steuerspannung zwischen einer oberen Eingangsspannung und einer unteren Eingangsspannung zur Ansteuerung des Gates bereitgestellt werden kann. Eine Gegentaktendstufe ermöglicht es, ein Eingangssignal effizient in eine Ausgangsspannung in einem bestimmten Spannungsbereich zwischen einer (vorgegebenen) oberen Eingangsspannung und einer (vorgegebenen) unteren Eingangsspannung umzusetzen. Eine Gegentaktendstufe wird dabei häufig auch als „Push-Pull-Stufe“ bezeichnet. Eine Gegentaktendstufe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie geringe Leistungsverluste hat.Also particularly advantageous is when the drive stage is designed in the manner of a push-pull output stage with which a control voltage between an upper input voltage and a lower input voltage for driving the gate can be provided. A push-pull output stage makes it possible to efficiently convert an input signal into an output voltage in a certain voltage range between a (predetermined) upper input voltage and a (predetermined) lower input voltage. A push-pull output stage is often referred to as a "push-pull stage". A push-pull output is characterized in particular by the fact that it has low power losses.

Bevorzugt hat die Schaltung auch einen Signaleingang, an welchen ein Treibermodul zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors über die Schaltung anschließbar ist.Preferably, the circuit also has a signal input, to which a driver module for driving the power semiconductor transistor can be connected via the circuit.

Außerdem bevorzugt hat die Schaltung einen Signalausgang, an welchem ein Treibermodul zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors über die Schaltung anschließbar ist.In addition, the circuit preferably has a signal output to which a driver module for driving the power semiconductor transistor can be connected via the circuit.

Der Signaleingang und der Signalausgang können jeweils Übergänge bzw. Verbindungsleitungen zwischen dem Treiber und der hier beschriebenen Schaltung sein. Es ist auch möglich, dass der Signaleingang und der Signalausgang jeweils veränderbare Verbindungsstellen (bspw. Steckverbindungen) umfassen, mit denen eine Anbindung der Schaltung an verschiedene Treiber möglich ist.The signal input and the signal output may respectively be transitions between the driver and the circuit described herein. It is also possible for the signal input and the signal output respectively to comprise changeable connection points (for example plug-in connections) with which a connection of the circuit to different drivers is possible.

Außerdem ist die Schutzschaltung bevorzugt dazu eingerichtet, festzustellen, ob ein kurzzeitiger, transierter Strom oder ein erhöhter Laststrom vorliegt und eine Absenkung der Steuerspannung an dem Gate nur auszulösen, wenn erhöhter Laststrom vorliegt.In addition, the protection circuit is preferably configured to determine whether there is a transient transient current or an increased load current and to trigger a lowering of the control voltage at the gate only when there is an increased load current.

Allgemein kann in der Schutzschaltung jede denkbare Logik vorgesehen sein, die nicht nur die Höhe des auftretenden (von dem Stromsensor gemessenen) Stroms durch den Leistungshalbleitertransistor berücksichtigt, sondern zusätzlich Informationen aus dem Verlauf des Stroms (insbesondere aus dem Verlauf des Stromanstiegs, Winkel der ansteigenden Flanke etc.) berücksichtigt. In der Schutzschaltung kann jede beliebige Logik implementiert sein, die dem Zwecke dient, aus den verfügbaren Informationen hinsichtlich des Stroms durch den Leistungshalbleitertransistor, die an dem Ausgang des Stromsensors zur Verfügung stehen, geeignete Maßnahmen zur Beeinflussung der Steuerspannung einzuleiten. Die Schutzschaltung bzw. die in der Schutzschaltung umgesetzte Logik kann auch weitere Informationen bzw. Signaleingänge bei der Beeinflussung der Steuerspannung berücksichtigen.In general, any conceivable logic can be provided in the protection circuit which takes into account not only the magnitude of the current (measured by the current sensor) by the power semiconductor transistor, but additionally information from the course of the current (in particular from the course of the current increase, angle of the rising edge etc.). Any logic may be implemented in the protection circuit for the purpose of taking appropriate measures to influence the control voltage from the available information regarding the current through the power semiconductor transistor available at the output of the current sensor. The protection circuit or the logic implemented in the protection circuit can also take into account further information or signal inputs in influencing the control voltage.

Die beschriebene Schaltung kann zur Ansteuerung von diversen Leistungshalbleitern verwendet werden. Die beschriebene Schaltung kann z. B. auch bei Invertern, DCDC-Wandlern, Solid State Relais, etc. eingesetzt werden.The circuit described can be used to drive various power semiconductors. The described circuit can, for. B. also in inverters, DCDC converters, solid state relays, etc. are used.

Die beschriebene Schaltung wird nachfolgend anhand der Figuren noch näher erläutert. Die Figuren erläutern das technische Umfeld und zeigen einzelne Ausführungsbeispiele der Schaltung, auf welche die Offenbarung jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigen:

1: ein typisches Kennlinienfeld eines Leistungshalbleitertransistors,
2: eine beschriebene Schaltung, und
3: einen zeitlichen Verlauf von Gatespannung und Laststrom eines Leistungshalbleitertransistors

The circuit described will be explained in more detail with reference to the figures. The figures explain the technical environment and show individual embodiments of the circuit, to which the disclosure is not limited. Show it:

1 a typical characteristic field of a power semiconductor transistor,
2 : a circuit described, and
3 : a time profile of gate voltage and load current of a power semiconductor transistor

Die 1 zeigt ein typisches Kennlinienfeld eines Leistungshalbleitertransistors vom Typ eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Zu erkennen ist der Strom durch den Transistor l_C (aufgetragen auf der Stromachse 19), der hier über die anliegende Spannung zwischen Kollektor und Emitter U_CE (aufgetragen auf der Spannungsachse 18) für verschiedene Gatespannungen U_GE (Spannungen zwischen Gate und Emitter) aufgetragen in Form von verschiedenen Kennlinien 20 aufgetragen ist.The 1 shows a typical characteristic field of a power semiconductor transistor of the type of insulated gate bipolar transistor (IGBT). You can see the current through the transistor l _C (applied on the current axis 19 ), here about the applied voltage between collector and emitter U _CE (plotted on the voltage axis 18 ) for different gate voltages U _GE (Voltages between gate and emitter) plotted in the form of different characteristics 20 is applied.

Das Produkt aus l_C und U_CE stellt den Leistungsverlust dar, den der Laststrom erfährt, der von dem Leistungshalbleitertransistor durchgelassen wird. Zu erkennen ist, dass bei steigernder Gatespannung U_GE bei gleicher Spannung zwischen Kollektor und Emitter U_CE ein höherer Strom I_C durch den Leistungshalbleitertransistor fließen kann. Der Leistungsverlust des Leistungshalbleitertransistors im Betrieb wird damit durch eine Erhöhung der Gatespannung U_GE geringer.The product out l _C and U _CE represents the power loss experienced by the load current transmitted by the power semiconductor transistor. It can be seen that with increasing gate voltage U _GE at the same voltage between collector and emitter U _CE a higher current I _C can flow through the power semiconductor transistor. The power loss of the power semiconductor transistor in operation is thus increased by the gate voltage U _GE lower.

In dem Kennlinienfeld markiert sind ein entsättigter Bereich 22 und ein gesättigter Bereich 23, die von einer Grenzlinie 21 getrennt werden.Marked in the characteristic field are a desaturated area 22 and a saturated area 23 that by a borderline 21 be separated.

In dem gesättigten Bereich ist der Strom I_C unabhängig von einem über das Gate an den Emitter abfließenden Strom I_B , der auch Basisstrom genannt wird. In dem entsättigten Bereich ist der Strom I_C proportional zu dem über das Gate an den Emitter abfließenden Strom I_B . Im entsättigten Bereich ist der Leistungshalbleitertransistor auf leitend geschaltet und es fließt ein Arbeitsstrom I_C. Der Entsättigte Bereich wird jedoch nur während des Ein- oder Ausschaltens des Leistungshalbleitertransistors durchführen. Im entsättigten Bereich hat der Leistungshalbleitertransistor hohe Verluste. Daher wird der entsättigte Bereich im statischen Betrieb des Leistungshalbleitertransistors nicht genutzt. Der gesättigte Bereich wird im statischen Betrieb des Leistungshalbleitertransistors genutzt. In dem Diagramm zu erkennen ist, dass I_C (und U_CE ) bei niedrigerer U_GE geringer sind, wodurch auch der Strom im Entsättigungsbereich bei geringerer U_GE geringer ist.
2 zeigt schematisch eine hier beschriebene Schaltung 1., die zwischen einem Treibermodul 14 zur Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors 2 und dem Leistungshalbleitertransistor 2 angeordnet ist. Die Schaltung 2 umfasst die Ansteuerungsschaltung 3, die hier als Gegentaktendstufe ausgebildet ist und aus einem über einem Signaleingang 13 in die Schaltung 1 gelangende Eingangssignal eine Steuerspannung 12 für das Gate 4 generiert, die zwischen einer oberen Eingangsspannung 10 und einer unteren Eingangsspannung 11 liegt. Der Leistungshalbleitertransistor 2 hat ein Gate 4, einen Emitter 5 und einen Kollektor 9. Der Ausgang der Ansteuerungsstufe 3 ist an dem Gate 4 angeschlossen und dazu eingerichtet, eine Spannung gegenüber dem Emitter 5 an dem Gate 4 bereit zu stellen. Der Emitter 5 ist hier an ein Grundpotential 30 angeschlossen. Parallel zu der Ansteuerungsstufe 3 ist zwischen dem Gate 4 und dem Emitter 5 die Schutzschaltung 6 geschaltet, die dazu eingerichtet ist, die Steuerspannung 12 an dem Gate 4 zu beeinflussen. In Serie mit dem Leistungshalbleitertransistor 2 ist ein Stromsensor 7 geschaltet, der einen Ausgang 8 aufweist, an welchem ein Signal verfügbar ist, welches für den durch den Leistungshalbleitertransistor 2 fließenden Strom repräsentativ ist. Die Schutzschaltung ist dazu eingerichtet, bei der Beeinflussung der Steuerspannung 12 dieses Signal von dem Stromsensor 7 zu berücksichtigen. Die Schaltung 1 hat bevorzugt einen Signaleingang 13 über welchen das Treibermodul 14 Signale zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors 2 an die Schaltung 1 übergeben kann. Das Treibermodul 14 hat darüber hinaus bevorzugt auch einen Signaleingang 15, über welchen Signale von der Schaltung 1 zurück an das Treibermodul 14 übermittelt werden können. Solche Signale können für den Betriebszustand des Leistungshalbleitertransistors 2 repräsentativ sein. Hier ist beispielhaft gezeigt, dass ein Signal von dem Stromsensor 7 (mit einer Information über den durch den Leistungshalbleitertransistor 2 fließenden Arbeitsstrom) an dem Signaleingang 15 für das Treibermodul 14 zur Verfügung steht.In the saturated area is the electricity I _C independent of a current flowing to the emitter via the gate I _B which is also called base current. In the desaturated region is the stream I _C proportional to the current flowing through the gate to the emitter I _B , In the desaturated region, the power semiconductor transistor is turned on and a working current I _{C flows} . However, the desaturated region will only perform during turn-on or turn-off of the power semiconductor transistor. In the desaturated region, the power semiconductor transistor has high losses. Therefore, the desaturated region is not used in the static operation of the power semiconductor transistor. The saturated region is used in the static operation of the power semiconductor transistor. The diagram shows that I _C (and U _CE ) at lower U _GE are lower, whereby the current in the desaturation at lower U _GE is lower.
2 schematically shows a circuit described here 1 ., between a driver module 14 for driving a power semiconductor transistor 2 and the power semiconductor transistor 2 is arranged. The circuit 2 includes the drive circuit 3 , which is designed here as a push-pull output stage and from a via a signal input 13 in the circuit 1 incoming input signal has a control voltage 12 for the gate 4 generated between an upper input voltage 10 and a lower input voltage 11 lies. The power semiconductor transistor 2 has a gate 4 , an emitter 5 and a collector 9 , The output of the drive level 3 is at the gate 4 connected and adapted to a voltage to the emitter 5 at the gate 4 to provide. The emitter 5 is here at a basic potential 30 connected. Parallel to the drive level 3 is between the gate 4 and the emitter 5 the protection circuit 6 switched, which is adapted to the control voltage 12 at the gate 4 to influence. In series with the power semiconductor transistor 2 is a current sensor 7 switched, which has an output 8th at which a signal is available, which for the by the power semiconductor transistor 2 flowing current is representative. The protection circuit is set up to influence the control voltage 12 this signal from the current sensor 7 to take into account. The circuit 1 preferably has a signal input 13 over which the driver module 14 Signals for driving the power semiconductor transistor 2 to the circuit 1 can pass. The driver module 14 moreover preferably also has a signal input 15 over which signals from the circuit 1 back to the driver module 14 can be transmitted. Such signals may be for the operating state of the power semiconductor transistor 2 be representative. Here is shown by way of example that a signal from the current sensor 7 (with information about the power semiconductor transistor 2 flowing working current) at the signal input 15 for the driver module 14 is available.

3 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Strömen und Spannungen in einer beschriebenen Schaltung 1 mit einem Leistungshalbleitertransistor 2. Zum einen sind ein Gate-Spannungsverlauf und ein Arbeitsstromverlauf gezeigt wie sie sich bei der Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors mit der hier beschriebenen Schaltung 1 einstellen. Zum Vergleich sind auch ein Gate-Spannungsverlauf und ein Arbeitsstromverlauf gezeigt, wie sie sich bei einer Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors ohne eine derartige Schaltung einstellen. Das obere Diagramm zeigt über die den beiden diagrammen gemeinsame Zeitachse 16 Stromverläufe 17. Das untere Diagramm zeigt über die Zeitachse 16 Spannungsverläufe 24. 3 shows a time course of currents and voltages in a circuit described 1 with a power semiconductor transistor 2 , On the one hand, a gate voltage curve and a load current curve are shown as they are in the control of a power semiconductor transistor with the circuit described here 1 to adjust. For comparison, a gate voltage curve and a load current curve are shown, as they occur when driving a power semiconductor transistor without such a circuit. The upper diagram shows the timeline common to the two diagrams 16 current courses 17 , The lower diagram shows over the time axis 16 voltage curves 24 ,

Als zeitliches Ereignis ist auf der Zeitachse ein Kurzschlussfall 25 vermerkt. Im oberen Diagramm ist zu erkennen, dass der Stromverlauf mit Schutzschaltung 27 gegenüber dem Stromverlauf ohne Schutzschaltung 26 um die Stromreduzierung 31 reduziert ist. Um die Stromreduzierung 31 wird hier der Kurzschlussstrom gemindert. Dies wird dadurch erreicht, dass der Spannungsverlauf mit Schutzschaltung 29 gegenüber dem Spannungsverlauf ohne Schutzschaltung 28 im Kurzschlussfall um die Spannungsreduzierung 32 gemindert wird. Hierdurch stellt sich im Diagramm gemäß 1 ein geringerer Sättigungsstrom ein und der Kurzschlussstrom wird reduziert (siehe oberes Diagramm in der 3).A temporal event is a short-circuit on the time axis 25 noted. In the upper diagram it can be seen that the current curve with protective circuit 27 opposite the current curve without protection circuit 26 around the power reduction 31 is reduced. To the power reduction 31 here the short-circuit current is reduced. This is achieved by the voltage curve with protection circuit 29 opposite the voltage curve without protection circuit 28 in case of short-circuit to the voltage reduction 32 is reduced. This results in the diagram according to 1 a lower saturation current and the short-circuit current is reduced (see upper diagram in the 3 ).

Claims

Circuit (1) for driving a power semiconductor transistor (2) comprising a drive stage (3) which is designed to drive the gate (4) of the power semiconductor transistor (2) with a control voltage (12) and to the gate (4) and the emitter ( 5) of the power semiconductor transistor (2) is connected, further comprising a protection circuit (6) which is also adapted to drive the gate (4) and to the gate (4) and the emitter (5) of the power semiconductor transistor (2) is connected and a current sensor (7) connected to the emitter (5) of the power semiconductor transistor (2) for determining a load current through the power semiconductor transistor (2), an output (8) of the current sensor (7) being provided to the protection circuit (6) and the protection circuit (6) is adapted to lower the control voltage at the gate (4) when a load current through the power semiconductor transistor (2) is greater than one Threshold current.

Circuit (1) after Claim 1 wherein the protection circuit (6) is arranged so that it has no effect on the emitter (5) and the gate (4) of the power semiconductor transistor (2), provided that a load current measured by the current sensor (7) is smaller than a threshold current.

Circuit (1) according to one of the preceding claims, wherein the protective circuit (6) comprises a transistor with which the control voltage (12) at the gate (4) can be reduced in dependence on a current measured by the current sensor (7).

A circuit (1) according to any one of the preceding claims, wherein the power semiconductor transistor (2) is an insulated gate bipolar transistor (IGBT).

Circuit (1) according to one of the preceding claims, wherein the drive stage (3) is designed in the manner of a push-pull output stage, with which a control voltage (12) between an upper input voltage (10) and a lower input voltage (11) for driving the gate (4 ) can be provided.

Circuit (1) according to one of the preceding claims comprising a signal input (13) to which a driver module (14) for driving the power semiconductor transistor (2) via the circuit (1) can be connected.

Circuit (1) according to one of the preceding claims comprising a signal output (15) to which a driver module (14) for driving the power semiconductor transistor (2) via the circuit (1) can be connected.

A circuit (1) as claimed in any one of the preceding claims, wherein the protection circuit (6) is arranged to determine whether a transient current or load current is present and to cause a lowering of the control voltage at the gate (4) only when the load current is increased is present.