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: P s w = 1 T P W M ( E o n + E o f f )

Figure DE102018003154A1_0001
Switching losses occur when the drain-source voltage and the drain current of a power transistor change at the same time. The switching losses are subdivided into switch- on losses E on and switch- off losses E off . Switch-on losses occur when the power transistor goes into a conductive state. In this case, the drain-source voltage from the reverse voltage falls to a forward voltage and the drain current increases from zero or the saturation current to the load current. During the change of these values, a certain amount of energy is converted into heat because the switching transition is not ideal. Turn-off losses occur when the power transistor switches from the conducting state to either the off state or the saturation state. Then, the drain-source voltage rises to the reverse voltage and the drain current drops to zero or to the saturation current. The total switching losses Psw result in: P s w = 1 T P W M ( e O n + e O f f )
Figure DE102018003154A1_0001

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: P c o n = 1 T P W M T c o n V D S ( o n ) ( t ) I D ( t ) d t

Figure DE102018003154A1_0002
The line losses are the product of the voltage drop V DS (on) during the conduction time T con and the drain current I D flowing through the power transistor: P c O n = 1 T P W M T c O n V D S ( O n ) ( t ) I D ( t ) d t
Figure DE102018003154A1_0002

Dabei hängt die Leitungszeit vom Tastgrad der korrespondierenden Schaltzyklen ab. Die Verläufe der Drain-Source-Spannung VDS(on) und der Drain-Strom ID sind schwierig zu berechnen. Der Drain-Strom ist gleich dem Laststrom einschließlich der Stromwelligkeit während der Leistungstransistor im leitenden Zustand ist und addiert sich mit dem überlagerten Sättigungsstrom der anderen Leistungstransistoren. Die Drain-Source-Spannung hängt von Drain-Strom und der Sperrschichttemperatur ab. Außerdem unterscheidet sich der Spannungsabfall je nachdem, ob der Strom durch den Leistungstransistor oder durch seine Body-Diode fließt. Wenn die Stromwelligkeit klein und der Sättigungsstrom viel kleiner als der Laststrom ist, können die Leitungsverluste Pcon angenähert werden durch den Durchschnittswert des Drain-Stroms und der Leitungsspannung VDS(on) .The conduction time depends on the duty cycle of the corresponding switching cycles. The courses of the drain-source voltage VDS (on) and the drain current I D are difficult to calculate. The drain current is equal to the load current including the current ripple while the power transistor is conducting and adds to the superimposed saturation current of the other power transistors. The drain-source voltage depends on the drain current and the junction temperature. In addition, the voltage drop differs depending on whether the current flows through the power transistor or through its body diode. If the current ripple is small and the saturation current is much smaller than the load current, the line losses can P con are approximated by the average value of the drain current and the line voltage VDS (on) ,

Sättigungsverluste sind zusätzliche Verluste, welche von der Zeit Tsat abhängen, in welcher der Sättigungsstrom durch den korrespondierenden Leistungstransistor fließt. Der Höhe des Sättigungsstroms Isat hängt von der Sperrschichttemperatur und der Versorgungsspannung Vsat der Gate-Treiberschaltung ab, welche gleich der Gate-Source-Spannung im Sättigungsbereich ist. Die zusätzlichen Verluste addieren sich zu: P s a t = T s a t T P W M V D C I s a t ( V s a t )

Figure DE102018003154A1_0003
Saturation losses are additional losses due to time Sat depend in which the saturation current flows through the corresponding power transistor. The amount of saturation current I sat depends on the junction temperature and the supply voltage V sat the gate driver circuit, which is equal to the gate-source voltage in the saturation region. The additional losses add up to: P s a t = T s a t T P W M V D C I s a t ( V s a t )
Figure DE102018003154A1_0003

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 CG auf- und entlädt. Je höher der Steuerstrom hierbei ist, desto höher ist die Schaltgeschwindigkeit und dabei erhöhen sich ebenfalls die Spannungs- und Stromabfälle. Bei der Verwendung einer spannungsgesteuerten Gate-Treiberschaltung hängt der Steuerstrom IG von den Versorgungsspannungen VCC , VEE und von dem Gate-Vorwiderstand RG ab. Mit der vereinfachenden Annahme, dass die Gate-Treiberschaltung vom Leistungspfad entkoppelt ist, kann die Höhe des Steuerstrom IG wie folgt berechnet werden: I G ( t ) = V C C + V E E R G e t R G C G

Figure DE102018003154A1_0004
The switching speed and the voltage and current drops in the power transistor thus depend on the control current at the gate terminal, which is the gate capacitance C G loading and unloading. The higher the control current in this case, the higher the switching speed and thereby also increase the voltage and current drops. When using a voltage controlled gate driver circuit, the control current is dependent I G from the supply voltages V CC . V EE and from the gate resistor R G from. With the simplifying assumption that the gate driver circuit is decoupled from the power path, the magnitude of the control current I G calculated as follows: I G ( t ) = V C C + V e e R G e - t R G C G
Figure DE102018003154A1_0004

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: D = V C C V C C '

Figure DE102018003154A1_0005
The duty cycle of the step-down converter results as the ratio between the output and input voltage of the step-down converter: D = V C C V C C '
Figure DE102018003154A1_0005

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;
wobei der Schalter zum Bereitstellen der zweiten Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang ein bidirektionaler Schalter ist.In a further preferred embodiment, the control unit further comprises:
  • - 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;
wherein the switch for providing the second supply voltage at the controller output is a bidirectional switch.

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;
wobei der Tastgrad und die Totzeit des Steuerstroms von der Steuereinheit variabel einstellbar sind und die Verlustleistung des Leistungstransistors steuert.Another 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 duty cycle and the dead time of the control current from the control unit are variably adjustable and controls the power loss 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: I = 1 L σ V D C d t

Figure DE102018003154A1_0006
Usually, in power electronics applications, dead time is used in the control of power electronics half-bridges to protect the power transistors from short circuits. Real power transistors have switching times greater than zero. This results in a transition period between the conducting state and the blocking state of the power transistor. In the case of no dead time, the two power transistors of the power electronics half-bridge have their transition period at the same time. This can lead to short circuits. The result is a very large increase in the current across the DC-Link voltage of the power electronics half-bridge through the two power transistors. This leads to large power losses, which can destroy the power transistors. Parasitic inductive elements L σ limit the increase of the current: I = 1 L σ V D C d t
Figure DE102018003154A1_0006

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;
wobei die Regelungseinheit die Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor regelt, um die Temperaturschwankung in der Sperrschicht des Leistungstransistors zu minimieren.A further independent aspect for achieving the object relates to a junction temperature control system for reducing junction temperature fluctuations of at least one power transistor, comprising:
  • - 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;
wherein the control unit regulates the power loss in the respective power transistor in order to minimize the temperature fluctuation in the barrier layer of the 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
wobei die Erhöhung der Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor über eine Reduktion der Schaltgeschwindigkeit oder über einen Kurzschlussstrom steuerbar ist.Another independent aspect for achieving the object relates to a method for reducing junction temperature fluctuations of at least one power transistor, comprising:
  • - 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
wherein the increase in the power loss in the respective power transistor is controllable via a reduction of the switching speed or via a short-circuit current.

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 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Gate-Treiberschaltung 10 mit variabel einstellbarer positiver Versorgungsspannung V'CC . Die Gate-Treiberschaltung 10 ist dabei nur durch ihre Steuereinheit 12 dargestellt. Die Steuereinheit 12 besteht dabei aus einem Steuereinheitseingang 14 an dem ein Steuersignal 16 angelegt wird, einer Halbbrückenschaltung 20, einem Gate-Vorwiderstand RG und einem Steuereinheitsausgang 18. Das Steuersignal steuert hierbei die Halbbrückenschaltung, über die entweder eine variabel einstellbare positive Versorgungsspannung V'CC oder eine konstante negative Versorgungsspannung VEE über den Gate-Vorwiderstand am Steuereinheitsausgang anliegt und damit die Höhe des Steuerstroms am Steuereinheitsausgang festgelegt wird. Der Steuereinheitsausgang der Gate-Treiberschaltung ist schließlich mit dem Gate-Anschluss eines Leistungstransistors 40 verbunden.The 1 shows a simplified illustration of a gate driver circuit 10 with variably adjustable positive supply voltage V ' CC , The gate driver circuit 10 is only by its control unit 12 shown. The control unit 12 consists of a control unit input 14 at which a control signal 16 is applied, a half-bridge circuit 20 , a gate resistor R G and a controller output 18 , The control signal in this case controls the half-bridge circuit, via which either a variably adjustable positive supply voltage V ' CC or a constant negative supply voltage V EE is applied via the gate resistor at the control unit output and thus the height of the control current is set at the control unit output. The control unit output of the gate drive circuit is finally connected to the gate terminal of a power transistor 40 connected.

Die 2 zeigt ein Beispiel für die Leitungscharakteristik eines Leistungstransistors 40 (z.B. SCH2080KE, SiC MOSFET von Rohm). Auf der x-Achse des Diagramms ist die Drain-Source-Spannung VDS des Leistungstransistors aufgetragen und auf der y-Achse ist dessen Drain-Strom ID . Die einzelnen Graphen stellen den funktionellen Zusammenhang beider Größen bei unterschiedlicher Gate-Source-Spannung VGS am Leistungstransistor dar. Bei der Annahme, dass der Drain-Strom in diesem Beispiel immer niedriger als 30A ist, befindet sich der Leistungstransistor für Gate-Source-Spannungen VGS zwischen 0V und etwa 13V in einem leitenden Zustand im gesättigten Bereich und zwischen etwa 13V und 20V in einem leitenden Zustand im linearen Bereich.The 2 shows an example of the conduction characteristic of a power transistor 40 (eg SCH2080KE, SiC MOSFET from Rohm). On the x-axis of the diagram is the drain-source voltage V DS applied to the power transistor and on the y-axis is its drain current I D , The individual graphs represent the functional relationship of both variables with different gate-source voltage V GS on the power transistor. Assuming that the drain current in this example is always lower than 30A, the power transistor is for gate-to-source voltages V GS between 0V and about 13V in a saturated state conducting state and between about 13V and 20V in a linear state conducting state.

Die 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Gate-Treiberschaltung mit variabel einstellbarer positiver Versorgungsspannung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei entspricht der Aufbau der Gate-Treiberschaltung dem Schaltbild aus 1, wobei die variabel einstellbare positive Versorgungsspannung V'CC durch einen Tiefsetzsteller 28 realisiert ist. Der Tiefsetzsteller 28 wandelt dabei die konstant positive Versorgungsspannung VCC in die variabel einstellbare positive Versorgungsspannung V'CC um. Die Induktivität LBC in der Größenordnung von 10µH und die Kapazität CBC in der Größenordnung von 100µF glätten dabei die variabel einstellbare positive Versorgungsspannung V'CC . Als Beispiel wird ein konventioneller isolierter Gate-Treiber 1EDI60N12AF von Infineon verwendet, um die Halbbrückenschaltung des Tiefsetzstellers 28 zu realisieren. Die Schaltfrequenz eines solchen Tiefsetzstellers liegt bei 100 kHz. Dies führt zu einer Spannungswelligkeit von etwa unter 100mV, was klein genug ist um das Schaltverhalten eines Leistungstransistors 40 nicht merklich zu beeinflussen. Die Halbbrückenschaltung 20 ist mit dem gleichen Bauteil realisiert.The 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. The structure of the gate driver circuit corresponds to the circuit diagram 1 , wherein the variably adjustable positive supply voltage V ' CC through a buck converter 28 is realized. The buck converter 28 converts the constantly positive supply voltage V CC into the variably adjustable positive supply voltage V ' CC around. The inductance L BC in the order of 10μH and the capacity C BC on the order of 100μF the variable adjustable positive supply voltage smoothes out V ' CC , As an example, a conventional insulated gate driver 1EDI60N12AF from Infineon is used to form the half-bridge circuit of the buck converter 28 to realize. The switching frequency of such a step-down converter is 100 kHz. This leads to a voltage ripple of about 100mV, which is small enough to the switching behavior of a power transistor 40 not noticeably influence. The half-bridge circuit 20 is realized with the same component.

Durch die variabel einstellbare positive Versorgungsspannung V'CC kann die Höhe des Steuerstroms variabel festgelegt und damit die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors 40 gesteuert werden.Due to the variably adjustable positive supply voltage V ' CC , the height of the control current can be set variable and thus the switching speed of the power transistor 40 to be controlled.

Die 4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Drei-Stufen-Gate-Treiberschaltung 10 mit drei Versorgungsspannungen V1 , V2 , V3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die drei Versorgungsspannungen V1 , V2 , V3 können dabei über die drei Schalter S1 , S2 , S3 mit dem Steuereinheitsausgang 18 und mit dem Gate-Anschluss des Leistungstransistors verbunden werden. Die Schalter S1 , S2 , S3 werden von einer Logik-Schaltung 64 getrieben, welche hierbei ein eingehendes Zwei-Bit-Steuersignal am Steuereinheitseingang 14 in die Schaltsignale für die Schalter S1 , S2 , S3 umwandelt. Der zweite Schalter S2 zum Schalten des Leistungstransistors in einen leitenden Zustand im gesättigten Betrieb ist dabei ein in bidirektional arbeitender Schalter, um zu verhindern, dass die erste Versorgungsspannung V1 mit der zweiten Versorgungsspannung V2 kurzgeschlossen wird. Angeschlossen wird die Drei-Stufen-Gate-Treiberschaltung 10 über drei Gate-Vorwiderstände R1 , R2 , R3 am Gate-Anschluss des Leistungstransistors 40.The 4 shows a schematic diagram of a three-stage gate driver circuit 10 with three supply voltages V 1 . V 2 . V 3 according to a preferred embodiment of the present invention. The three supply voltages V 1 . V 2 . V 3 can do it over the three switches S 1 . S 2 . S 3 with the control unit output 18 and connected to the gate terminal of the power transistor. The switches S 1 . S 2 . S 3 be from a logic circuit 64 driven, which in this case an incoming two-bit control signal at the control unit input 14 in the switching signals for the switches S 1 . S 2 . S 3 transforms. The second switch S 2 For switching the power transistor in a conductive state in the saturated mode is in a bidirectional operating switch to prevent the first supply voltage V 1 with the second supply voltage V 2 shorted. The three-stage gate driver circuit is connected 10 over three gate resistors R 1 . R 2 . R 3 at the gate terminal of the power transistor 40 ,

Die 5 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Leistungselektronik-Halbbrückenschaltung 72 mit ohmscher und induktiver Last, wie sie gewöhnlich bei Leistungselektronikanwendungen implementiert wird. Dabei werden an eine Spannung VDC ein erster und ein zweiter Leistungstransistor 74, 76 seriell hintereinander geschaltet. Parallel zum zweiten Leistungstransistor 76 wird eine in Serie liegende ohmsche und induktive Last geschaltet. Der erste Leistungstransistor 74 wird dabei von einem ersten Steuersignal SC1 gesteuert, der zweite Leistungstransistor 76 von einem zweiten Steuersignal SC2 .The 5 shows a schematic diagram of a power electronics half-bridge circuit 72 with resistive and inductive load as commonly implemented in power electronics applications. It will be to a voltage V DC a first and a second power transistor 74 . 76 serially connected in series. Parallel to the second power transistor 76 a serial ohmic and inductive load is switched. The first power transistor 74 is doing from a first control signal SC 1 controlled, the second power transistor 76 from a second control signal SC 2 ,

Die 6 a, b und c zeigen Tastgrad und Totzeiten von Steuerströmen einer Leistungselektronik-Halbbrückenschaltung 72. Die Totzeit tdead definiert sich wie folgt: t dead = t 2 t 1 = t 4 t 3

Figure DE102018003154A1_0007
t1 , t2 , t3 und t4 sind dabei die Zeitpunkte an denen die Steuersignale SC1 und SC2 an den Leistungstransistoren 74, 76 sich ändern. Wenn die Totzeit tdead = 0s ist, ist das erste Steuersignal SC1 immer invers zu dem zweiten Steuersignal SC2 . (6a). Während die Totzeit positiv ist, sind die ansteigenden Flanken der Steuersignale SC1 und SC2 verzögert. So entsteht eine Zeitdauer, in welcher beide Leistungstransistoren 74, 76 ausgeschalten sind (6b). Wenn die Totzeit negativ ist, sind die abfallenden Flanken der Steuersignale SC1 und SC2 verzögert. Als Ergebnis entsteht eine Zeitdauer, in welcher beide Leistungstransistoren 74, 76 angeschaltet sind (6c). Diese Zeitdauer muss sehr kurz gewählt werden, damit der entstehende Kurzschlussstrom nicht zu stark ansteigt. Andernfalls werden die Leistungstransistoren 74, 76 beschädigt.The 6 a, b and c show duty cycle and dead times of control currents of a power electronics half-bridge circuit 72 , The dead time dead is defined as follows: t dead = t 2 - t 1 = t 4 - t 3
Figure DE102018003154A1_0007
t 1 . t 2 . t 3 and t 4 are the times at which the control signals SC 1 and SC 2 at the power transistors 74 . 76 change. When the dead time dead = 0s is the first control signal SC 1 always inverse to the second control signal SC 2 , ( 6a) , While the dead time is positive, the rising edges are the control signals SC 1 and SC 2 delayed. This creates a period of time in which both power transistors 74 . 76 are switched off ( 6b) , When the dead time is negative, the falling edges of the control signals SC 1 and SC 2 delayed. As a result, a period of time arises in which both power transistors 74 . 76 are turned on ( 6c ). This period of time must be very short so that the resulting short-circuit current does not increase too much. Otherwise, the power transistors will 74 . 76 damaged.

Die 7 zeigt eine vereinfache Übersicht zur Generierung von Steuersignalen für einer Leistungselektronik-Halbbrückenschaltung 72 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Um die Leistungstransistoren 74, 76 zu steuern, müssen die Steuersignale SC1 und SC2 von einer Regelungseinheit 78 generiert werden. Dies wird innerhalb einer Gate-Treiberschaltung 10 von der Steuereinheit 12 durch eine programmierbare Logikeinheit (CPLD) bewirkt. Deshalb benötigt die CPLD Informationen zu Tastgrad und Totzeit. Die Regelungseinheit 78 überträgt diese Information zusammen mit einem Aktivierungssignal zur CPLD. Nach der Generierung werden die Steuersignale SC1 und SC2 an die Leistungstransistoren 74, 76 übermittelt.The 7 shows a simplified overview of the generation of control signals for a power electronics half-bridge circuit 72 according to a preferred embodiment of the present invention. To the power transistors 74 . 76 to control, the control signals must SC 1 and SC 2 from a control unit 78 to be generated. This will be within a gate driver circuit 10 from the control unit 12 caused by a programmable logic unit (CPLD). Therefore, the CPLD needs information about duty cycle and dead time. The control unit 78 transmits this information together with an activation signal to the CPLD. After generation, the control signals SC 1 and SC 2 to the power transistors 74 . 76 transmitted.

Wenn das Aktivierungssignal nicht gesetzt ist, werden keine Steuersignale SC1 und SC2 an die Leistungstransistoren 74, 76 übermittelt. Der Tastgrad τ beschreibt dabei die Leitungszeit ton,S1 von Leistungstransistor 74 in Verbindung mit der Schaltperiode tPWM . Dabei können die Zeiten ton,S1 und ton,S2 bei konstanter Schaltperiode tPWM berechnet werden zu: t on , S1 = τ t PWM

Figure DE102018003154A1_0008
t on , S2 = ( 1 τ ) t PWM
Figure DE102018003154A1_0009
If the enable signal is not set, no control signals will be generated SC 1 and SC 2 to the power transistors 74 . 76 transmitted. The duty cycle τ describes the conduction time t on, S1 from power transistor 74 in connection with the switching period t PWM , It can be the times t on, S1 and t on, S2 at constant switching period t PWM calculated to: t on . S1 = τ t PWM
Figure DE102018003154A1_0008
t on . S2 = ( 1 - τ ) t PWM
Figure DE102018003154A1_0009

Die Totzeit wird dabei zu den Steuersignalen SC1 und SC2 addiert.The dead time becomes the control signals SC 1 and SC 2 added.

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)

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.A gate driver circuit (10) for controlling the power dissipation 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). Gate-Treiberschaltung (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (12) einen variabel einstellbaren Gate-Vorwiderstand (RG) am Steuereinheitsausgang (18) umfasst und der variabel einstellbare Gate-Vorwiderstand (RG) die Höhe des Steuerstroms festlegt.Gate driver circuit (10) after Claim 1 wherein the control unit (12) comprises a variably adjustable gate resistor (R G ) at the control unit output (18) and the variably adjustable gate series resistor (R G ) determines the magnitude of the control current. Gate-Treiberschaltung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (12) eine variabel einstellbare Versorgungsspannung (V'CC, V'EE) am Steuereinheitsausgang (18) bereitstellt und die variabel einstellbare Versorgungsspannung (V'cc, V'EE) die Höhe des Steuerstroms festlegt. Gate driver circuit (10) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (12) provides a variably adjustable supply voltage (V ' CC , V' EE ) at the control unit output (18) and the variably adjustable supply voltage (V'cc, V ' EE ) determines the magnitude of the control current. Gate-Treiberschaltung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (12) ferner eine Halbbrückenschaltung (20) umfasst, durch die eine positive Versorgungsspannung (V'CC, Vcc) und eine negative Versorgungsspannung (VEE, V'EE) am Steuereinheitsausgang bereitstellbar ist, wobei entweder die positive Versorgungsspannung (V'CC) variabel einstellbar und die negative Versorgungsspannung (VEE) konstant ist, oder die positive Versorgungsspannung (VCC) konstant und die negative Versorgungsspannung (V'EE) variabel einstellbar ist, und wobei die Höhe der Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang (18) die Höhe des Steuerstroms festlegt.Gate driver circuit (10) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (12) further comprises a half-bridge circuit (20), by which a positive supply voltage (V ' CC , Vcc) and a negative supply voltage (V EE , V' EE ) can be provided at the control unit output, wherein either the positive supply voltage (V ' CC ) is variably adjustable and the negative supply voltage (V EE ) is constant, or the positive supply voltage (V CC ) is constant and the negative supply voltage (V' EE ) is variably adjustable, and wherein the magnitude of the supply voltage at the controller output (18) determines the magnitude of the control current. Gate-Treiberschaltung (10) nach Anspruch 4, wobei die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die positive Versorgungsspannung (V'CC, VCC), den Leistungstransistor in einen leitenden Zustand im linearen Betrieb versetzt, und wobei die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die negative Versorgungsspannung (VEE, V'EE), den Leistungstransistor sperrt.Gate driver circuit (10) after Claim 4 in which the magnitude of the control current, defined by the positive supply voltage (V ' CC , V CC ), puts the power transistor in a conducting state in linear operation, and wherein the magnitude of the control current determined by the negative supply voltage (V EE , V' EE ), the power transistor blocks. Gate-Treiberschaltung (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuereinheit (12) ferner einen Tiefsetzsteller (28) umfasst, der entweder eine konstant positive Versorgungsspannung (VCC) in die variabel einstellbare, positive Versorgungsspannung (V'CC) am Steuereinheitsausgang (18), und/oder eine konstant negative Versorgungsspannung (VEE) in die variabel einstellbare, negative Versorgungsspannung (V'EE) am Steuereinheitsausgang umwandelt.Gate driver circuit (10) after Claim 4 or 5 wherein the control unit (12) further comprises a buck converter (28) having either a constant positive supply voltage (V CC ) in the variably adjustable, positive supply voltage (V ' CC ) at the control unit output (18), and / or a constant negative supply voltage (V EE ) to the variable adjustable negative supply voltage (V ' EE ) at the control unit output. Gate-Treiberschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch die Steuereinheit (12) eine erste, eine zweite und eine dritte Versorgungsspannung (V1, V2, V3), am Steuereinheitsausgang (18) bereitstellbar ist, und wobei die Höhe der Versorgungsspannung am Steuereinheitsausgang (18) die Höhe des Steuerstroms festlegt.Gate driver circuit (10) according to one of Claims 1 to 3 in that a first, a second and a third supply voltage (V 1 , V 2 , V 3 ) can be provided by the control unit (12) at the control unit output (18), and wherein the level of the supply voltage at the control unit output (18) is the height of the Control current sets. Gate-Treiberschaltung (10) nach Anspruch 7, wobei die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die erste Versorgungsspannung (V1), den Leistungstransistor (40) in einen leitenden Zustand im linearen Betrieb versetzt, wobei die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die zweite Versorgungsspannung (V2), den Leistungstransistor in einen leitenden Zustand im gesättigten Betrieb versetzt, und wobei die Höhe des Steuerstroms, festgelegt durch die dritte Versorgungsspannung (V3), den Leistungstransistor sperrt.Gate driver circuit (10) after Claim 7 in that the magnitude of the control current, determined by the first supply voltage (V 1 ), sets the power transistor (40) in a conducting state in linear operation, wherein the magnitude of the control current, determined by the second supply voltage (V 2 ), the power transistor in a saturated state conductive state, and wherein the height of the control current, determined by the third supply voltage (V 3 ), the power transistor blocks. Gate-Treiberschaltung (10) nach Anspruch 8, die Steuereinheit (12) ferner umfassend: - jeweils einen Gate-Vorwiderstand (R1, R2, R3) und einen Schalter (S1, S2, S3) zum Bereitstellen der ersten, zweiten und dritten Versorgungsspannung (V1, V2, V3) am Steuereinheitsausgang (18); - eine Logik-Schaltung (64) zum Bereitstellen der Schaltsignale für die Schalter (S1, S2, S3); wobei der Schalter (S2) zum Bereitstellen der zweiten Versorgungsspannung (V2) am Steuereinheitsausgang (18) ein bidirektionaler Schalter ist.Gate driver circuit (10) after Claim 8 , the control unit (12) further comprising: - in each case a gate series resistor (R 1 , R 2 , R 3 ) and a switch (S 1 , S 2 , S 3 ) for providing the first, second and third supply voltage (V 1 , V 2 , V 3 ) at the control unit output (18); - A logic circuit (64) for providing the switching signals for the switches (S 1 , S 2 , S 3 ); wherein the switch (S 2 ) for providing the second supply voltage (V 2 ) at the control unit output (18) is a bidirectional switch. 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; wobei der Tastgrad und die Totzeit des Steuerstroms von der Steuereinheit (12) variabel einstellbar sind und die Verlustleistung des Leistungstransistors (40) steuert.A gate driver circuit (10) for controlling the power dissipation 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; wherein the duty cycle and the dead time of the control current from the control unit (12) are variably adjustable and the power loss of the power transistor (40) controls. Sperrschichttemperaturregelungssystem (80) zur Reduktion von Sperrschichttemperaturschwankungen mindestens eines Leistungstransistors (40), umfassend: - mindestens ein Leistungstransistor (40), wobei mindestens einem Leistungstransistor (40) jeweils eine Gate-Treiberschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zugeordnet ist und wobei jeweils der Steuereinheitsausgang (18) der Gate-Treiberschaltung (10) mit dem Gate-Anschluss des zugeordneten Leistungstransistors (40) verbunden ist; - eine Regelungseinheit (78) zur Bereitstellung von Steuersignalen (16), wobei jeweils ein Steuersignal (16) am Steuereinheitseingang (14) jeweils einer Gate-Treiberschaltung (10) anliegt und der Steuerstrom der Gate-Treiberschaltung (10) die Verlustleistung des zugeordneten Leistungstransistors steuert; wobei die Regelungseinheit (78) die Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor regelt, um die Temperaturschwankung in der Sperrschicht des Leistungstransistors (40) zu minimieren.A junction temperature control system (80) for reducing junction temperature variations of at least one power transistor (40) comprising: - at least one power transistor (40), wherein at least one power transistor (40) comprises a gate driver circuit (10) according to any one of Claims 1 to 10 and wherein in each case the control unit output (18) of the gate driver circuit (10) is connected to the gate terminal of the associated power transistor (40); - A control unit (78) for providing control signals (16), wherein in each case a control signal (16) at the control unit input (14) each of a gate driver circuit (10) is applied and the control current of the gate driver circuit (10), the power loss of the associated power transistor controls; wherein the control unit (78) regulates the power loss in the respective power transistor to minimize the temperature variation in the junction of the power transistor (40). Sperrschichttemperaturregelungssystem (80) nach Anspruch 11, wobei die Regelungseinheit (78) die Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor (40) erhöht, wenn am jeweiligen Leistungstransistor (40) der Laststrom abfällt.Junction temperature control system (80) according to Claim 11 , wherein the control unit (78) increases the power loss in the respective power transistor (40) when the load current drops at the respective power transistor (40). Sperrschichttemperaturregelungssystem (80) nach Anspruch 12, wobei die Sperrschichttemperaturregelung (80) ferner zwei Leistungstransistoren (74, 76) mit jeweils zugeordneter Gate-Treiberschaltung (10) umfasst, und wobei die zwei Leistungstransistoren (40) zu einer Leistungselektronik-Halbbrückenschaltung (72) mit ohmscher und induktiver Last verbunden sind.Junction temperature control system (80) according to Claim 12 . wherein the junction temperature control (80) further comprises two power transistors (74, 76) each having associated gate drive circuitry (10), and wherein the two power transistors (40) are coupled to a resistive and inductive load power electronics half-bridge circuit (72). Sperrschichttemperaturregelungssystem (80) nach Anspruch 13, wobei die Gate-Treiberschaltungen (10) nach Anspruch 10 ausgeführt sind, und wobei die Regelungseinheit (78) den Tastgrad und die Totzeit des jeweiligen Steuerstroms der zwei Gate-Treiberschaltungen (10) derart regelt, dass beide Leistungstransistoren (74, 76) während des Umschaltvorgangs für eine Zeitdauer zwischen 0 und 200ns in einem leitenden Zustand sind und die Leistungselektronik-Halbbrückenschaltung (72) kurz geschlossen ist.Junction temperature control system (80) according to Claim 13 wherein the gate driver circuits (10) after Claim 10 and wherein the control unit (78) regulates the duty cycle and the dead time of the respective control current of the two gate driver circuits (10) such that both power transistors (74, 76) during the switching operation for a period of time between 0 and 200 ns in a conducting Condition are and the power electronics half-bridge circuit (72) is closed briefly. Verfahren zur Reduktion von Sperrschichttemperaturschwankungen mindestens eines Leistungstransistors (40), umfassend: - Starten eines Regelungszyklus, umfassend; - Messen des aktuellen Laststroms in dem jeweiligen Leistungstransistor (40); - Ermitteln der Laststromdifferenz zwischen aktuellen und vorherigen Regelungszyklus für den jeweiligen Leistungstransistor (40); - Erhöhung der Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor (40), falls die Laststromdifferenz einen negativen Schwellwert überschreitet; - Starten eines neuen Regelungszyklus wobei die Erhöhung der Verlustleistung im jeweiligen Leistungstransistor (40) über eine Reduktion der Schaltgeschwindigkeit oder über einen Kurzschlussstrom steuerbar ist.A method of reducing junction temperature variations of at least one power transistor (40), comprising: - starting a control cycle, comprising; - measuring the current load current in the respective power transistor (40); - determining the load current difference between the current and previous control cycle for the respective power transistor (40); - Increasing the power loss in each power transistor (40), if the load current difference exceeds a negative threshold; - Starting a new control cycle wherein the increase of the power loss in the respective power transistor (40) is controllable via a reduction of the switching speed or via a short-circuit current.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5089719A (en) * 1989-09-29 1992-02-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Drive circuit for a semiconductor device with high voltage for turn-on and low voltage for normal operation
US20100019807A1 (en) * 2008-02-22 2010-01-28 Zhiliang Zhang Current-source gate driver
DE102013207224A1 (en) * 2012-08-29 2014-03-06 Infineon Technologies Austria Ag Circuit for driving transistor e.g. MOSFET, has actuation current source which is provided to receive measurement signal, and provide actuation current having a current level dependent on measurement signal at actuation output
DE102017123644A1 (en) * 2016-10-12 2018-04-12 Ford Global Technologies, Llc GATE DRIVER WITH SHORT CIRCUIT PROTECTION

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5089719A (en) * 1989-09-29 1992-02-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Drive circuit for a semiconductor device with high voltage for turn-on and low voltage for normal operation
US20100019807A1 (en) * 2008-02-22 2010-01-28 Zhiliang Zhang Current-source gate driver
DE102013207224A1 (en) * 2012-08-29 2014-03-06 Infineon Technologies Austria Ag Circuit for driving transistor e.g. MOSFET, has actuation current source which is provided to receive measurement signal, and provide actuation current having a current level dependent on measurement signal at actuation output
DE102017123644A1 (en) * 2016-10-12 2018-04-12 Ford Global Technologies, Llc GATE DRIVER WITH SHORT CIRCUIT PROTECTION

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