DE102018003154A1 - Gate driver circuit for power transistor power loss control, junction temperature control system and method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Gate-Treiberschaltung 10 zur Steuerung der Verlustleistung eines Leistungstransistors 40, umfassend: eine Steuereinheit 12 mit einem Steuereinheitseingang 14 zum Empfang eines Steuersignals 16 und einem Steuereinheitsausgang 18 zur Ausgabe eines Steuerstroms an das Gate des Leistungstransistors 40; wobei die Höhe des Steuerstroms von der Steuereinheit variabel einstellbar ist und die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors 40 steuert. Ferner betrifft die Erfindung ein Sperrschichttemperaturregelungssystem sowie ein Sperrschichttemperaturregelungsverfahren.The invention relates to a gate driver circuit 10 for controlling the power loss of a power transistor 40, comprising: a control unit 12 having a control unit input 14 for receiving a control signal 16 and a control unit output 18 for outputting a control current to the gate of the power transistor 40; wherein the amount of control current from the control unit is variably adjustable and controls the switching speed of the power transistor 40. Furthermore, the invention relates to a junction temperature control system and a junction temperature control method.
Description
Die Erfindung betrifft Gate-Treiberschaltungen zur Steuerung der Verlustleistung von Leistungstransistoren, ein Sperrschichttemperaturregelungssystem und ein Verfahren zur Reduktion von Sperrschichttemperaturschwankungen.The invention relates to gate drive circuits for power dissipation control of power transistors, a junction temperature control system, and a method of reducing junction temperature variations.
Im Bereich der Leistungselektronik werden neben einer hohen Energieeffizienz und Leistungsdichte bei niedrigen Kosten die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Lebensdauer immer wichtiger. Gewöhnlich wird die Lebensdauer einer gesamten Leistungselektronikanwendung durch die Lebensdauer der Leistungstransistoren beschränkt. Die Lebensdauer von Leistungstransistoren hängt dabei maßgeblich von deren thermischen Beanspruchung ab. Im Besonderen schädigen große Temperaturschwankungen an der Sperrschicht die Leistungstransistoren. Der Grund für die auftretenden Temperaturschwankungen liegt an den wechselnden Lastbedingungen den die Leistungstransistoren ausgesetzt sind. Als Ergebnis der wechselnden Lastbedingungen treten im zeitlichen Verlauf unterschiedlich hohe Leistungsverluste in den Leistungstransistoren auf. Durch die unterschiedlichen hohen Leistungsverluste werden die Leistungstransistoren während des Betriebs unterschiedlich stark erwärmt und es treten Temperaturschwankungen auf. Dabei bestehen Leistungstransistoren aus einer Vielzahl von verschiedenen Materialschichten, wobei diese Materialschichten unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Temperaturschwankungen verursachen somit eine unterschiedliche Ausdehnung in ihren Materialschichten. Dies führt zu mechanischer Beanspruchung, welche die Leistungstransistoren beschädigt und letztendlich zerstört.In the field of power electronics, in addition to high energy efficiency and power density at low cost, the demands on reliability and service life are becoming increasingly important. Usually, the life of an entire power electronics application is limited by the life of the power transistors. The lifetime of power transistors depends largely on their thermal load. In particular, large temperature variations at the junction damage the power transistors. The reason for the occurring temperature fluctuations is due to the changing load conditions to which the power transistors are exposed. As a result of the changing load conditions, different power losses occur in the power transistors over time. Due to the different high power losses, the power transistors are heated to different degrees during operation and there are temperature fluctuations. There are power transistors of a variety of different material layers, these material layers have different thermal expansion coefficients. Temperature fluctuations thus cause a different expansion in their material layers. This leads to mechanical stress, which damages the power transistors and ultimately destroys them.
Eine Möglichkeit die Lebensdauer von Leistungselektronikanwendungen zu steigern liegt somit in der Reduktion der thermischen Beanspruchung von Leistungstransistoren durch ein geeignetes Sperrschichttemperaturregelungssystem. Ein Sperrschichttemperaturregelungssystem muss hierbei in der Lage sein, die thermische Beanspruchung der Leistungstransistoren durch Regelung der Verlustleistungsschwankungen, insbesondere bei Lastwechseln, zu reduzieren.One way to increase the life of power electronics applications is thus to reduce the thermal stress on power transistors by a suitable junction temperature control system. In this case, a junction temperature control system must be able to reduce the thermal load on the power transistors by regulating the losses in power losses, in particular during load changes.
Bisherige Regelungssystemlösungen konzentrieren sich hierbei im Wesentlichen auf einer Reduktion der Verlustleistungsspitzen zur Angleichung der durchschnittlichen Verlustleistung. Dies wird beispielsweise durch Regelungen über die Schaltfrequenz der Leistungstransistoren oder durch Einsatz unterschiedlicher Modulationsverfahren je nach Lastzustand erreicht. Eine andere Möglichkeit wird durch Einsatz von zusätzlichem Blindstrom an der Last beschrieben.Previous control system solutions focus primarily on a reduction of the power loss peaks to equalize the average power loss. This is achieved, for example, by regulating the switching frequency of the power transistors or by using different modulation methods depending on the load condition. Another possibility is described by the use of additional reactive current at the load.
Diese Regelungssystemlösungen haben mehrere Nachteile. Zum einen bieten sie unter Niedriglastbedingungen nur einen kleinen Anpassungsspielraum, wohingegen bei vielen Regelungsstrategien hohe zusätzliche Verlustleistungen generiert werden müssen. Des Weiteren beeinflussen solche Regelungssystemlösungen die Verlustleistungen aller in einer Leistungselektronikanwendung verwendeten Leistungstransistoren gleichzeitig. Durch diese Regelungssystemlösungen und Gate-Treiberschaltungen wird dabei die Ausgangsleistung der Leistungselektronikanwendung nicht beeinflusst. Eine individuelle und optimierte Regelung der Temperatur an den einzelnen Leistungstransistoren ist somit nicht möglich.These control system solutions have several disadvantages. On the one hand, they offer little room for maneuver under low-load conditions, whereas in many control strategies, high additional power losses have to be generated. Furthermore, such control system solutions simultaneously affect the power dissipation of all of the power transistors used in a power electronics application. These control system solutions and gate driver circuits do not affect the output performance of the power electronics application. An individual and optimized control of the temperature at the individual power transistors is thus not possible.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Sperrschichttemperaturregelungssystem und Komponenten hierfür, sowie ein Verfahren zur Reduktion von Sperrschichttemperaturschwankungen für Leistungselektronikanwendungen bereitzustellen, das individuell die Leistungstransistoren regelt und hohe zusätzliche Verlustleistungen unter Niedriglastbedingungen ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a junction temperature control system and components therefor, as well as a method of reducing junction temperature variations for power electronics applications that individually regulate the power transistors and enable high additional power dissipation under low load conditions.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Sofern nichts anderes angegeben ist, wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff „Verbinden“ stets ein elektrisches Verbinden verstanden.Unless otherwise stated, in the context of the present description, the term "connection" is always understood to mean electrical connection.
Ein erster unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Gate-Treiberschaltung zur Steuerung der Verlustleistung eines Leistungstransistors, umfassend:
- - eine Steuereinheit mit einem Steuereinheitseingang zum Empfang eines Steuersignals und einem Steuereinheitsausgang zur Ausgabe eines Steuerstroms an das Gate des Leistungstransistors;
wobei die Höhe des Steuerstroms von der Steuereinheit variabel einstellbar ist und die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors steuert.A first independent aspect for achieving the object relates to a gate driver circuit for controlling the power loss of a power transistor, comprising:
- a control unit having a control unit input for receiving a control signal and a control unit output for outputting a control current to the gate of the power transistor;
wherein the height of the control current from the control unit is variably adjustable and controls the switching speed of the power transistor.
Die Hauptaufgabe eines Sperrschichttemperaturregelungssystems stellt die Regelung der Verlustleistungsschwankungen zur Reduktion der thermischen Beanspruchung von Leistungstransistoren dar. Diese Aufgabe wird maßgeblich von einer Regelungssystemkomponente übernommen, die zur Steuerung der Verlustleistung eines Leistungstransistors eingesetzt wird. Als Leistungstransistoren werden hierbei zu einem großen Teil Leistungs-MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) verwendet, die jeweils über ihren Gate-Anschluss gesteuert werden. Diese Steuerung wird in der vorliegenden Erfindung durch Gate-Treiberschaltungen realisiert.The main task of a junction temperature control system is the regulation of the power losses to reduce the thermal stress on power transistors. This task is essentially taken over by a control system component that is used to control the power loss of a power transistor. As power transistors in this case, to a large extent, power MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor) and IGBTs (insulated gate bipolar transistor) are used. Electrode), which are each controlled by their gate terminal. This control is realized in the present invention by gate driver circuits.
Die Verlustleistung eines Leistungstransistors kann nach vier unterschiedliche Verlustmechanismen unterteilt werden, die Schaltverluste, Leitungsverluste, Sperrverluste und zusätzliche Sättigungsverluste hervorrufen. Diese Verlustleistungen können jeweils durch Einflüsse auf die Schaltzyklen beeinflusst werden. Dabei ist die Höhe der Sperrverluste vernachlässigbar.The power loss of a power transistor can be subdivided into four different loss mechanisms, which cause switching losses, conduction losses, blocking losses and additional saturation losses. These power losses can each be influenced by influences on the switching cycles. The amount of blocking losses is negligible.
Schaltverluste treten auf, wenn die Drain-Source-Spannung und der Drain-Strom eines Leistungstransistors zur selben Zeit wechseln. Die Schaltverluste unterteilen sich in Einschaltverluste Eon und Ausschaltverluste Eoff. Einschaltverluste entstehen, wenn der Leistungstransistor in einen leitenden Zustand übergeht. Dabei fällt die Drain-Source-Spannung von der Sperrspannung zu einer Durchlassspannung und der Drainstrom steigt von null oder dem Sättigungsstrom auf den Laststrom. Während des Wechsels dieser Werte wird ein bestimmter Betrag an Energie in Wärme umgesetzt, da der Schaltübergang nicht ideal ist. Ausschaltverluste entstehen, wenn der Leistungstransistor von dem leitenden Zustand entweder in den Sperrzustand oder den Sättigungszustand wechseln. Dann steigt die Drain-Source-Spannung zur Sperrspannung und der Drain-Strom fällt auf null oder auf den Sättigungsstrom. Die gesamten Schaltverluste Psw ergeben sich zu:
Die Ein- und Ausschaltverluste lassen sich mit der Doppelpuls-Methode bestimmen.The turn-on and turn-off losses can be determined with the double-pulse method.
Die Leitungsverluste sind das Produkt des Spannungsabfalls VDS(on) während der Leitungszeit Tcon und dem Drainstrom ID, welcher durch den Leistungstransistor fließt:
Dabei hängt die Leitungszeit vom Tastgrad der korrespondierenden Schaltzyklen ab. Die Verläufe der Drain-Source-Spannung
Sättigungsverluste sind zusätzliche Verluste, welche von der Zeit
Die Gate-Treiberschaltung umfasst eine Steuereinheit mit mindestens einem Steuereinheitseingang, einer Verarbeitungskomponente und einem Steuereinheitsausgang. Hierbei empfängt die Steuereinheit ein Steuersignal am Steuereinheitseingang, wandelt dieses Steuersignal in einen für die Steuerung der Verlustleistung des Leistungstransistors nutzbare Steuerstrom um und stellt dieses am Steuereinheitsausgang dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors bereit.The gate driver circuit comprises a control unit having at least one control unit input, a processing component and a control unit output. Hereby, the control unit receives a control signal at the control unit input, converts this control signal into a control current which can be used for the control of the power loss of the power transistor and provides this at the control unit output to the gate terminal of the power transistor.
Die Gate-Treiberschaltung des ersten unabhängigen Aspekts nutzt als Steuerungsgröße die Höhe des Steuerstroms und steuert somit die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors. Hierbei steuert die Schaltgeschwindigkeit die Verlustleistung im Leistungstransistor. Die Höhe des Steuerstroms ist durch die Verarbeitungskomponente in der Steuereinheit der Gate-Treiberschaltung variabel einstellbar, wodurch variable Schaltgeschwindigkeiten im Leistungstransistor ermöglicht werden. Hierbei kann in Leistungselektronikanwendungen jeder Leistungstransistor mit einer jeweils einzeln zugeordneten Gate-Treiberschaltung individuell gesteuert werden.The gate driver circuit of the first independent aspect uses the magnitude of the control current as a control quantity and thus controls the switching speed of the power transistor. In this case, the switching speed controls the power loss in the power transistor. The magnitude of the control current is variably adjustable by the processing component in the control unit of the gate drive circuit, thereby enabling variable switching speeds in the power transistor. Here, in power electronics applications, each power transistor may be individually controlled with a respective dedicated gate drive circuit.
Neben der Schaltgeschwindigkeit beeinflusst die Höhe des Steuerstroms auch den Spannungs- und Stromabfall im Leistungstransistor während der Schaltübergänge. Dabei wird die Höhe der elektromagnetischen Emission signifikant beeinflusst. Außerdem verursacht ein steiler Stromabfall im Leistungstransistor zusammen mit der parasitären Induktivität des Anschlüsse ein Überschwingen während der Leistungstransistor abschaltet. Somit kann die Gate-Treiberschaltung auch genutzt werden, um elektromagnetische Emissionen in der Leistungselektronikanwendung zu reduzieren oder um Überschwingen zu verhindern.In addition to the switching speed, the magnitude of the control current also affects the voltage and current drop in the power transistor during switching transitions. The amount of electromagnetic emission is significantly influenced. In addition, a steep current drop in the power transistor along with the parasitic inductance of the terminals causes overshoot while the power transistor turns off. Thus, the gate driver circuit can also be used to reduce electromagnetic emissions in the To reduce power electronics application or to prevent overshoot.
Die Schaltgeschwindigkeit und die Spannungs- und Stromabfälle im Leistungstransistor hängen somit vom Steuerstrom am Gate-Anschluss ab, der die Gate Kapazität
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit einen variabel einstellbaren Gate-Vorwiderstand am Steuereinheitsausgang und der variabel einstellbare Gate-Vorwiderstand legt die Höhe des Steuerstroms fest.In a preferred embodiment, the control unit comprises a variably adjustable gate resistor at the control unit output and the variably adjustable gate resistor sets the magnitude of the control current.
Die Höhe des Steuerstroms kann durch die Verarbeitungskomponente in der Steuereinheit der Gate-Treiberschaltung variabel eingestellt werden. Hierbei kann entweder der Gate-Vorwiderstand oder mindestens einer der Versorgungsspannungen als Stellgröße verwendet werden. Bei Wahl des Gate-Vorwiderstandes als Stellgröße ergibt sich eine aufwendigere Schaltung für die Verarbeitungskomponente als für die Versorgungsspannungen als Stellgröße. Dabei ergibt sich für einen großen Gate-Vorwiderstand ein großer Widerstand zwischen Gate-Treiberschaltung und Gate-Anschluss. Um unerwünschte Schaltvorgänge zu verhindern, müssen hierbei Störungen am Gate-Anschluss minimiert werden.The magnitude of the control current can be variably set by the processing component in the control unit of the gate drive circuit. In this case, either the gate series resistor or at least one of the supply voltages can be used as a manipulated variable. If the gate series resistor is selected as the manipulated variable, this results in a more complex circuit for the processing component than for the supply voltages as a manipulated variable. This results in a large resistance between the gate driver circuit and the gate terminal for a large gate series resistor. In order to prevent unwanted switching operations, disturbances to the gate connection must be minimized.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die Steuereinheit eine variabel einstellbare Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang bereit und die variabel einstellbare Versorgungsspannung legt die Höhe des Steuerstroms fest.In a further preferred embodiment, the control unit provides a variably adjustable supply voltage at the control unit output and the variably adjustable supply voltage determines the magnitude of the control current.
Bei der Wahl der Versorgungsspannungen als Stellgröße und bei einem kleinen Widerstand zwischen Gate-Treiberschaltung und Gate-Anschluss ist die Gate-Source Spannung beinahe zu jeder Zeit gleich zur entsprechenden Versorgungsspannung. Dies ermöglicht eine einfachere Schaltung für die Verarbeitungskomponente in der Steuereinheit der Gate-Treiberschaltung. Im laufenden Betrieb ergibt sich hierbei eine Versorgungsspannung, die gleich der Gate-Source-Spannung am Leistungstransistor ist.When selecting the supply voltages as a control variable and a small resistance between the gate driver circuit and gate terminal, the gate-source voltage is almost equal to the corresponding supply voltage at all times. This allows a simpler circuit for the processing component in the control unit of the gate drive circuit. During operation, this results in a supply voltage which is equal to the gate-source voltage at the power transistor.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit ferner eine Halbbrückenschaltung, durch die eine positive Versorgungsspannung und eine negative Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang bereitstellbar ist, wobei entweder die positive Versorgungsspannung variabel einstellbar und die negative Versorgungsspannung konstant ist, oder die positive Versorgungsspannung konstant und die negative Versorgungsspannung variabel einstellbar ist und wobei die Höhe der Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang die Höhe des Steuerstroms festlegt.In a further preferred embodiment, the control unit further comprises a half-bridge circuit, through which a positive supply voltage and a negative supply voltage can be provided at the control unit output, wherein either the positive supply voltage is variably adjustable and the negative supply voltage is constant, or the positive supply voltage constant and the negative supply voltage variable is adjustable and wherein the height of the supply voltage at the control unit output determines the height of the control current.
Um den Leistungstransistor über seinen Gate-Anschluss steuern zu können, muss die Gate-Treiberschaltung mindestens zwei Versorgungsspannungen am Ausgang seiner Steuereinheit bereitstellen, damit der Leistungstransistor ein- und ausgeschaltet werden kann. Dies wird für Einschalten durch eine positive Versorgungspannung in ausreichender Höhe erreicht. Zum Ausschalten wird eine Versorgungsspannung benötigt, bei der der Leistungstransistor sperrt. Dies wird für sehr kleine, mindestens aber für negative Versorgungsspannungen erreicht. Für eine variabel einstellbare Höhe des Steuerstroms muss die Steuereinheit der Gate-Treiberschaltung daher entweder eine variabel einstellbare positive Versorgungsspannung, oder eine variabel einstellbare negative Versorgungsspannung oder sowohl eine variabel einstellbare positive und negative Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang bereitstellen. To control the power transistor through its gate terminal, the gate driver circuit must provide at least two supply voltages at the output of its control unit so that the power transistor can be turned on and off. This is achieved for switching on by a positive supply voltage in sufficient height. To turn off a supply voltage is required, in which locks the power transistor. This is achieved for very small, but at least negative supply voltages. Therefore, for a variably adjustable amount of control current, the control unit of the gate drive circuit must provide either a variably adjustable positive supply voltage, or a variably adjustable negative supply voltage, or both a variably adjustable positive and negative supply voltage at the controller output.
Unter dieser Voraussetzung kann die Gate-Treiberschaltung die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors entweder beim Einschaltvorgang, oder beim Ausschaltvorgang oder beim Ein- und Ausschaltvorgang steuern.Under this condition, the gate drive circuit can control the switching speed of the power transistor either at power-up, at power-off, or at power-on and power-off.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform versetzt die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die positive Versorgungsspannung, den Leistungstransistor in einen leitenden Zustand im linearen Betrieb, und sperrt die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die negative Versorgungsspannung, den Leistungstransistor.In another preferred embodiment, the magnitude of the control current, determined by the positive supply voltage, places the power transistor in a conducting state in linear operation, and blocks the magnitude of the control current, determined by the negative supply voltage, from the power transistor.
Wenn die positive Versorgungsspannung am Gate-Anschluss zu niedrig gewählt wird, schaltet sich der Leistungstransistor gar nicht ein oder er arbeitet im Sättigungsbereich des Leistungstransistors, bei dem der Leistungstransistor nicht vollständig einschaltet und zusätzliche Verlustleistung erzeugt wird.If the positive supply voltage at the gate terminal is set too low, the power transistor does not switch on at all or it operates in the saturation region of the power transistor, in which the power transistor is not fully switched on and additional power loss is generated.
In der aktuell beschriebenen Ausführungsform soll der Leistungstransistor aber in seinem linearen Betriebszustand betrieben werden, bei dem der Leistungstransistor vollständig eingeschalten wird. Je niedriger hierbei die positive Gate-Source-Spannung des Leistungstransistors ist, desto höher ist der Widerstand im angeschalteten Zustand des Leistungstransistors und je höher sind damit auch seine Leitungsverluste. Somit ändern sich bei einer positiven, variabel einstellbaren Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang die Schalt- und Leitungsverluste in gleicher Weise. Durch die negative Versorgungsspannung kann der Leistungstransistor jeweils vollständig gesperrt werden. Diese Eigenschaften sind beim Einsatz der Gate-Treiberschaltung in einem Sperrschichttemperaturregelungssystem mit der Versorgungsspannung als Steuergröße von Vorteil. Im Gegensatz zur Variation der positiven Versorgungsspannung hat die Variation der negativen Versorgungsspannung keinen Effekt auf die Leitungsverluste des Leistungstransistors.In the currently described embodiment, however, the power transistor is to be operated in its linear operating state in which the power transistor is completely turned on. The lower the positive gate-source voltage of the power transistor is, the higher the resistance in the turned-on state of the power transistor and the higher its line losses. Thus, with a positive, variably adjustable supply voltage at the control unit output, the switching and line losses change in the same way. Due to the negative supply voltage, the power transistor can be completely blocked in each case. These properties are advantageous when using the gate driver circuit in a junction temperature control system with the supply voltage as the control variable. In contrast to the variation of the positive supply voltage, the variation of the negative supply voltage has no effect on the conduction losses of the power transistor.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit ferner einen Tiefsetzsteller, der eine konstant positive Versorgungsspannung in die variabel einstellbare, positive Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang, und/oder eine konstant negative Versorgungsspannung in die variabel einstellbare, negative Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang umwandelt.In a further preferred embodiment, the control unit further comprises a step-down converter, which converts a constant positive supply voltage into the variably adjustable, positive supply voltage at the controller output, and / or a constant negative supply voltage into the variably adjustable, negative supply voltage at the controller output.
Dabei ergibt sich der Tastgrad des Tiefsetzstellers als Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung des Tiefsetzstellers:
Der Tastgrad des Tiefsetzstellers kann dabei zu jeder Zeit während des Betriebes der Leistungselektronikanwendung geändert werden um die Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang zu variieren. Die Zeit, die für eine Änderung der Versorgungsspannung benötigt wird, liegt im Bereich von Millisekunden, was ausreichend für den Einsatz in einem Sperrschichttemperaturregelungssystem ist. Das Design für eine variabel einstellbare positive und eine negative Versorgungsspannung mit Hilfe eines Tiefsetzstellers erfolgt hierbei in analoger Weise.The duty cycle of the buck converter can be changed at any time during the operation of the power electronics application to vary the supply voltage at the control unit output. The time required for a supply voltage change is in the millisecond range, which is sufficient for use in a junction temperature control system. The design for a variably adjustable positive and negative supply voltage by means of a buck converter is carried out in an analogous manner.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist durch die Steuereinheit eine erste, eine zweite und eine dritte Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang bereitstellbar, wobei die Höhe der Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang die Höhe des Steuerstroms festlegt.In a further preferred embodiment, a first, a second and a third supply voltage can be provided by the control unit at the control unit output, wherein the level of the supply voltage at the control unit output determines the magnitude of the control current.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform versetzt die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die erste Versorgungsspannung, den Leistungstransistor in einen leitenden Zustand im linearen Betrieb, und versetzt die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die zweite Versorgungsspannung, den Leistungstransistor in einen leitenden Zustand im gesättigten Betrieb, und sperrt die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die dritte Versorgungsspannung, den Leistungstransistor.In another preferred embodiment, the magnitude of the control current, as determined by the first supply voltage, places the power transistor in a conducting state in linear operation, and causes the magnitude of the control current, determined by the second supply voltage, to put the power transistor in a saturated state conducting condition. and blocks the magnitude of the control current determined by the third supply voltage, the power transistor.
In den meisten spannungsgesteuerten Gate-Treiberschaltungen stellt wie bereits beschrieben die Steuereinheit zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen am Steuereinheitsausgang bereit, um den Leistungstransistor in einen leitenden und einen sperrenden Zustand zu versetzen. Diese beiden Versorgungsspannungen werden nun um eine weitere Versorgungsspannung ergänzt, die den Leistungstransistor in einen leitenden Zustand im gesättigten Betrieb versetzt.In most voltage controlled gate driver circuits, as previously described, the controller provides two different supply voltages at the controller output to put the power transistor in a conducting and a blocking state. These two supply voltages are now supplemented by a further supply voltage, which puts the power transistor in a conductive state in the saturated mode.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit ferner:
- - jeweils einen Gate-Vorwiderstand und einen Schalter zum Bereitstellen der ersten, zweiten und dritten Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang;
- - eine Logik-Schaltung zum Bereitstellen der Schaltsignale für die Schalter;
- - Each a gate resistor and a switch for providing the first, second and third supply voltage at the control unit output;
- a logic circuit for providing the switching signals for the switches;
Die Gate-Treiberschaltung besteht dabei aus einer dreistufigen Spannungsquelle und drei Schaltern um die unterschiedlichen Versorgungsspannungen am Steuereinheitsausgang mit dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors zu verbinden. Diese Schalter werden von einer Logik-Schaltung getrieben, welche hierbei ein eingehendes Zwei-Bit-Steuersignal am Steuereinheitseingang in die Schaltsignale für die Schalter umwandelt. Ein Zwei-Bit-Steuersignal ist nötig, weil jeder Leistungstransistor drei Schaltzustände (leitend, gesättigt, sperrend) abbilden soll. Der zweite Schalter zum Schalten des Leistungstransistors in einen leitenden Zustand im gesättigten Betrieb ist dabei ein bidirektional arbeitender Schalter, um zu verhindern, dass die Versorgungsspannung für den linear leitenden Betrieb mit der Versorgungsspannung für den leitenden Betrieb im gesättigten Bereich kurzgeschlossen wird. Dieser bidirektional arbeitende Schalter macht es auch möglich, das Gate des Leistungstransistors zu laden und zu entladen, abhängig vom Zustand vor der Anpassung des Sättigungsstatus. Angeschlossen wird die Gate-Treiberschaltung und ihre drei Versorgungsspannungen über drei Gate-Vorwiderstände am Gate-Anschluss.The gate driver circuit consists of a three-level voltage source and three switches to connect the different supply voltages at the control unit output to the gate terminal of the power transistor. These switches are driven by a logic circuit which converts an incoming two-bit control signal at the control unit input into the switching signals for the switches. A two-bit control signal is necessary because each power transistor should map three switching states (conducting, saturated, blocking). The second switch for switching the power transistor to a conducting state in saturated operation is a bidirectionally operating switch in order to prevent the supply voltage for the linearly conducting operation from being short-circuited to the supply voltage for the conducting operation in the saturated region. This bi-directional switch also makes it possible to charge and discharge the gate of the power transistor, depending on the state before saturation state adjustment. The gate driver circuit and its three supply voltages are connected via three gate series resistors at the gate terminal.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Gate-Treiberschaltung zur Steuerung der Verlustleistung eines Leistungstransistors, umfassend:
- - eine Steuereinheit mit einem Steuereinheitseingang zum Empfang eines Steuersignals und einem Steuereinheitsausgang zur Ausgabe eines Steuerstroms an das Gate des Leistungstransistors;
- - a control unit having a control unit input for receiving a control signal and a control unit output for outputting a control current to the gate of the power transistor;
Die Verwendung von Totzeit in Verbindung mit dem Tastgrad eines Steuerstroms als Steuergröße in Einflussnahme auf die Verlustleistung in einem Leistungstransistor, und damit zur Regelung der Sperrschichttemperatur, bietet die Möglichkeit zusätzliche Verlustleistung während Niedriglastbedingungen zu erzeugen. Dabei wird die Totzeit zur Verschiebung von Schaltzeiten innerhalb eines Tastgradverlaufs des Steuerstroms genutzt, um im Leistungstransistor einen sehr kurzen Kurzschluss zwischen Drain und Source und damit zusätzliche Verlustleistung zu erzeugen. Abhängig von der Dauer der Verschiebung durch die Totzeit lässt sich die Dauer des Kurzschlusses variieren und somit können über diese Steuergröße zusätzliche Verlustleistung eingestellt werden. Parasitäre induktive Elemente im Kurzschlusspfad verhindern dabei, dass der Strom während des Kurzschlusses zu sehr ansteigt.The use of dead time in conjunction with the duty cycle of a control current as a control variable in influencing the power loss in a power transistor, and thus to control the junction temperature, provides the opportunity to generate additional power loss during low load conditions. In this case, the dead time for shifting switching times within a duty cycle of the control current is used to generate a very short short circuit between the drain and source and thus additional power loss in the power transistor. Depending on the duration of the shift by the dead time, the duration of the short circuit can be varied and thus additional power loss can be set via this control variable. Parasitic inductive elements in the short circuit path prevent the current from rising too much during the short circuit.
Totzeit als Steuergröße kann nur sinnvoll in Leistungselektronikanwendungen eingesetzt werden, die aus Leistungselektronik-Halbbrücken mit mindestens zwei aktiv schaltenden Leistungstransistoren bestehen. Die meisten Konverter Topologien gehören dieser Kategorie an.Dead time as a control variable can only sensibly be used in power electronics applications that consist of power electronics half bridges with at least two active switching power transistors. Most converter topologies belong to this category.
Gewöhnlich wird bei Leistungselektronikanwendungen Totzeit bei der Regelung von Leistungselektronik-Halbbrücken eingesetzt, um die Leistungstransistoren vor Kurzschlüssen zu schützen. Dabei haben reale Leistungstransistoren Schaltzeiten größer als null. Daraus ergibt sich eine Übergangsperiode zwischen dem leitenden Zustand und dem Sperrzustand des Leistungstransistors. Im Fall keiner Totzeit haben die zwei Leistungstransistoren der Leistungselektronik-Halbbrücke ihre Übergangsperiode zur selben Zeit. Dies kann zu Kurzschlüssen führen. Das Ergebnis ist ein sehr starker Anstieg des Stroms über die DC-Link Spannung der Leistungselektronik-Halbbrücke durch die beiden Leistungstransistoren. Dies führt zu großen Verlustleistungen, welche die Leistungstransistoren zerstören können. Parasitäre induktive Elemente Lσ begrenzen dabei den Anstieg des Stroms:
Wenn die Zeitdauer des Kurzschlusses sehr kurz ist, treten zusätzliche Verlustleistungen auf, ohne dabei die Leistungstransistoren zu zerstören.If the duration of the short circuit is very short, additional power dissipation occurs without destroying the power transistors.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Sperrschichttemperaturregelungssystem zur Reduktion von Sperrschichttemperaturschwankungen mindestens eines Leistungstransistors, umfassend:
- - mindestens ein Leistungstransistor, wobei mindestens einem Leistungstransistor jeweils eine Gate-Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1
bis 10 zugeordnet ist und wobei jeweils der Steuereinheitsausgang der Gate-Treiberschaltung mit dem Gate-Anschluss des zugeordneten Leistungstransistors verbunden ist; - - eine Regelungseinheit zur Bereitstellung von Steuersignalen, wobei jeweils ein Steuersignal am Steuereinheitseingang jeweils einer Gate-Treiberschaltung anliegt und der Steuerstrom der Gate-Treiberschaltung die Verlustleistung des zugeordneten Leistungstransistors steuert;
- - At least one power transistor, wherein at least one power transistor in each case a gate driver circuit according to one of
claims 1 to 10 is assigned and wherein in each case the control unit output of the gate driver circuit is connected to the gate terminal of the associated power transistor; - - A control unit for providing control signals, wherein in each case a control signal at the control unit input in each case a gate driver circuit is applied and the control current of the gate driver circuit controls the power loss of the associated power transistor;
Das Sperrschichttemperaturregelungssystem umfasst dabei eine Regelungseinheit, mindestens einen Leistungstransistor, dessen Sperrschichttemperatur geregelt werden soll, sowie einer jeweils dem Leistungstransistor zugeordneten Gate-Treiberschaltung, wie sie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben worden ist. Dabei können sowohl Gate-Treiberschaltungen zum Einsatz kommen, die als Steuergröße die Höhe des Steuerstromes zur Steuerung der Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors verwenden, als auch Gate-Treiberschaltung mit Totzeit als Steuergröße zur Steuerung eines Kurzschlusses innerhalb des Leistungstransistors. Die Regelungseinheit erhält dabei nach einem Regelungszyklus eine Rückkopplung, ob die Regelung die Temperaturschwankung in der Sperrschicht der betreffenden Leistungstransistoren reduziert hat. Durch Vergleich von Istwert im vorangegangen Regelungszyklus und dem Sollwert gibt die Regelungseinheit dann das Steuersignal an die jeweilige Steuereinheit der Gate-Treiberschaltung.The junction temperature control system comprises a control unit, at least one power transistor whose junction temperature is to be regulated, and a respectively associated with the power transistor gate driver circuit, as has been described in the preceding sections. In this case, both gate driver circuits can be used, which use as a control variable, the height of the control current to control the switching speed of the power transistor, and gate drive circuit with dead time as a control variable for controlling a short circuit within the power transistor. The control unit receives after a control cycle feedback whether the control has reduced the temperature fluctuation in the junction of the respective power transistors. By comparing actual value in the previous control cycle and the setpoint, the control unit then outputs the control signal to the respective control unit of the gate driver circuit.
In einer bevorzugten Ausführungsform erhöht die Regelungseinheit die Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor, wenn am jeweiligen Leistungstransistor der Laststrom abfällt.In a preferred embodiment, the control unit increases the power loss in the respective power transistor when the load current drops at the respective power transistor.
Als Rückkopplung an die Regelungseinheit kommt beispielsweise die Messung des Laststroms im jeweiligen Regelungszyklus in Frage. Überschreitet eine Differenz des Rückkopplungswertes zwischen aktuellen und vorherigen Regelungszyklus einen vordefinierten Schwellwert, erhöht die Regelungseinheit die Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor. Im Falle der Messung des Laststroms ist dabei der vordefinierte Schwellwert ein negativer Wert. Eine weitere Möglichkeit der Rückkopplung ist eine Temperaturmessung an der Sperrschicht des Leistungstransistors im jeweiligen Regelungszyklus.As a feedback to the control unit, for example, the measurement of the load current in each control cycle in question. Exceeds a difference of the feedback value between the current and previous control cycle a predefined threshold value, the control unit increases the power loss in the respective power transistor. In the case of measuring the load current, the predefined threshold value is a negative value. Another possibility of the feedback is a temperature measurement at the junction of the power transistor in the respective control cycle.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sperrschichttemperaturregelung ferner zwei Leistungstransistoren mit jeweils zugeordneter Gate-Treiberschaltung, wobei die zwei Leistungstransistoren zu einer Halbbrückenschaltung mit ohmscher und induktiver Last verbunden sind.In a further preferred embodiment, the junction temperature control further comprises two power transistors, each with associated gate drive circuit, wherein the two power transistors are connected to a half-bridge circuit with resistive and inductive load.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Gate-Treiberschaltungen nach einer der vorgehend aufgeführten Ausführungsformen ausgeführt, und die Regelungseinheit regelt den Tastgrad und die Totzeit des jeweiligen Steuerstroms der zwei Gate-Treiberschaltungen derart, dass sich beide Leistungstransistoren während des Umschaltvorgangs für eine Zeitdauer zwischen 0 und 200ns in einem leitenden Zustand befinden und die Halbbrückenschaltung kurzgeschlossen ist.In a further preferred embodiment, the gate driver circuits according to one of the preceding embodiments are designed, and the control unit controls the duty cycle and the dead time of the respective control current of the two gate driver circuits such that both power transistors during the switching process for a period between 0 and 200ns are in a conducting state and the half bridge circuit is shorted.
Die tatsächliche Dauer hängt dabei stark vom Aufbau und den verwendeten Transistoren ab. Dabei ergibt sich die oben genannte Zeitdauer des gemeinsamen leitenden Zustands der Leistungstransistoren zwischen 0 und 200ns aus Messungen an Prototypen. Diese Zeitdauer kann bei zukünftigen Prototypen auch deutlich höher ausfallen.The actual duration depends strongly on the structure and the transistors used. The above-mentioned duration of the common conducting state of the power transistors between 0 and 200 ns results from measurements on prototypes. This period can also be significantly higher for future prototypes.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Sperrschichttemperaturschwankungen mindestens eines Leistungstransistors, umfassend:
- - Starten eines Regelungszyklus, umfassend;
- - Messen des aktuellen Laststroms in dem jeweiligen Leistungstransistor;
- - Ermitteln der Laststromdifferenz zwischen aktuellen und vorherigen Regelungszyklus für den jeweiligen Leistungstransistor;
- - Erhöhung der Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor, falls die Laststromdifferenz einen negativen Schwellwert überschreitet;
- - Starten eines neuen Regelungszyklus
- - starting a control cycle, comprising;
- - measuring the current load current in the respective power transistor;
- - Determining the load current difference between the current and previous control cycle for the respective power transistor;
- - Increasing the power loss in the respective power transistor, if the load current difference exceeds a negative threshold;
- - Starting a new control cycle
Für die oben genannten Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen Aspekte.For the above-mentioned aspects and in particular for preferred embodiments thereof, the statements made above or below regarding the embodiments of the respective other aspects also apply.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.In the following, individual embodiments for solving the problem will be described by way of example with reference to the figures. In this case, the individual embodiments described have in part features which are not absolutely necessary in order to carry out the claimed subject matter, but which provide desired properties in certain applications. Thus, embodiments are also to be regarded as falling under the described technical teaching, which does not have all the features of the embodiments described below. Further, in order to avoid unnecessary repetition, certain features will be mentioned only with respect to each of the embodiments described below. It should be noted that the individual embodiments should therefore be considered not only in isolation, but also in a synopsis. Based on this synopsis, those skilled in the art will recognize that individual embodiments may also be modified by incorporating one or more features of other embodiments. It should be understood that a systematic combination of the individual embodiments having single or multiple features described with respect to other embodiments may be desirable and useful, and therefore should be considered and also included within the description.
Figurenlistelist of figures
-
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Gate-Treiberschaltung mit variabler positiver Versorgungsspannung.1 shows a simplified representation of a gate drive circuit with a variable positive supply voltage. -
2 zeigt ein Beispiel für die Leitungscharakteristik eines Leistungstransistors.2 shows an example of the conduction characteristic of a power transistor. -
3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Gate-Treiberschaltung mit variabel einstellbarer positiver Versorgungsspannung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.3 shows a schematic diagram of a gate drive circuit with variable adjustable positive supply voltage according to a preferred embodiment of the present invention. -
4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Drei-Stufen-Gate-Treiberschaltung mit drei Versorgungsspannungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.4 shows a schematic diagram of a three-stage gate driver circuit with three supply voltages according to a preferred embodiment of the present invention. -
5 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Halbbrückenschaltung mit ohmscher und induktiver Last.5 shows a schematic diagram of a half-bridge circuit with resistive and inductive load. -
6 a, b ,c zeigen Tastgrad und Totzeiten von Steuerströmen einer Leistungselektronik-Halbbrückenschaltung.6 a, b .c show duty cycle and dead times of control currents of a power electronics half-bridge circuit. -
7 zeigt eine vereinfache Übersicht zur Generierung von Steuersignalen für einer Leistungselektronik-Halbbrückenschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.7 shows a simplified overview for the generation of control signals for a power electronics half-bridge circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
Detaillierte Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures
Die
Die
Die
Durch die variabel einstellbare positive Versorgungsspannung V'CC kann die Höhe des Steuerstroms variabel festgelegt und damit die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors
Die
Die
Die
Die
Wenn das Aktivierungssignal nicht gesetzt ist, werden keine Steuersignale
Die Totzeit wird dabei zu den Steuersignalen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Gate-TreiberschaltungGate drive circuit
- 1212
- Steuereinheitcontrol unit
- 1414
- SteuereinheitseingangController input
- 1616
- Steuersignalcontrol signal
- 1818
- SteuereinheitsausgangControl unit output
- 2020
- HalbbrückenschaltungHalf-bridge circuit
- V'CC V ' CC
- variabel einstellbare positive Versorgungsspannungvariably adjustable positive supply voltage
- VEE V EE
- konstante negative Versorgungsspannungconstant negative supply voltage
- RG R G
- Gate-VorwiderstandGate series resistor
- 2828
- TiefsetzstellerBuck converter
- VCC V CC
- konstante positive Versorgungsspannungconstant positive supply voltage
- V'EE V ' EE
- variabel einstellbare negative Versorgungsspannungvariably adjustable negative supply voltage
- 4040
- Leistungstransistorpower transistor
- V1 V 1
- erste Versorgungsspannungfirst supply voltage
- V2 V 2
- zweite Versorgungsspannungsecond supply voltage
- V3 V 3
- dritte Versorgungsspannungthird supply voltage
- S1 S 1
- erster Schalterfirst switch
- S2 S 2
- zweiter Schaltersecond switch
- S3 S 3
- dritter Schalterthird switch
- 6464
- Logik-SchaltungLogic circuit
- R1 R 1
- erster Gate-Vorwiderstandfirst gate resistor
- R2 R 2
- zweiter Gate-Vorwiderstandsecond gate resistor
- R3 R 3
- dritter Gate-Vorwiderstandthird gate resistor
- 7272
- Leistungselektronik-HalbbrückenschaltungPower electronic half-bridge circuit
- 7474
- erster Leistungstransistorfirst power transistor
- 7676
- zweiter Leistungstransistorsecond power transistor
- 7878
- Regelungseinheitcontrol unit
- SC1 SC 1
- erstes Steuersignalfirst control signal
- SC2 SC 2
- zweites Steuersignalsecond control signal
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018003154.4A DE102018003154A1 (en) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | Gate driver circuit for power transistor power loss control, junction temperature control system and method |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102018003154.4A DE102018003154A1 (en) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | Gate driver circuit for power transistor power loss control, junction temperature control system and method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018003154A1 true DE102018003154A1 (en) | 2019-10-17 |
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ID=68052746
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DE102018003154.4A Pending DE102018003154A1 (en) | 2018-04-17 | 2018-04-17 | Gate driver circuit for power transistor power loss control, junction temperature control system and method |
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Citations (4)
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-
2018
- 2018-04-17 DE DE102018003154.4A patent/DE102018003154A1/en active Pending
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication |