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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines ladungsgesteuerten Siliciumcarbid Leistungsschalters.
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Bei dieser Schaltungsanordnung wird der Leistungsschalter aus Siliciumcarbid galvanisch isoliert mit einem Übertrager angesteuert. Dabei werden zwei Übertrager verwendet. Ein Übertrager zum Einschalten und ein zweiter Übertrager zum Ausschalten des Leistungsschalters LT. Der Grund für die Verwendung von zwei Übertragern besteht darin, dass der Leistungsschalter LT zwei verschiedene Amplituden für das Einschalten und Ausschalten benötigt.
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Bei der Ansteuerung eines Leistungsschalters mit einem Übertrager wird bisher beim Einschalten und Ausschalten des Leistungsschalters LT an den Eingang des Übertragers für die Zeit der Umladung der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT eine konstante Spannung angelegt. Beim Einschaltvorgang beträgt die Spannung am Eingang des Übertragers bei einem Siliciumcarbid Leistungsschalter ca. +18V. Beim Ausschaltvorgang ist die benötigte Spannung am Eingang des Übertragers deutlich geringer und beträgt ca. -5V. Dies liegt an den zulässigen Grenzwerten der Gate-Source Spannung von Leistungsschaltern aus Siliciumcarbid. Diese Grenzwerte liegen im eingeschalteten Zustand im Bereich von +20V bis +25V und im ausgeschalteten Zustand im Bereich von -5V bis -10V.
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Bisher sind beim Umladen der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT die Spannungen an den Eingängen der Übertrager konstant. Dies führt zu einem ungünstigen Schaltverlauf an dem Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters LT. Die Nachteile, die beim Umschaltvorgang durch die konstante Spannung am Eingang des Übertragers entstehen, wird am Auschaltvorgang erläutert.
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Vor dem Ausschaltvorgang beträgt die Gate-Source Spannung des Leistungsschalters LT +18V. Zum Ausschalten des Leistungsschalters LT wird an den Eingang des entsprechenden Übertragers die Spannung 5V angelegt. Diese Spannung von 5V liegt auch auf der Sekundärseite des Übertragers an. Für Schaltvorgänge mit geringen Verlusten muss die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT sehr schnell umgeladen werden. Dies erfordert einen sehr schnellen Anstieg des Ladestromes. Um die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT umladen zu können, muss der auf der Sekundärseite des Übertragers liegende Feldeffekttransistor F2 eingeschaltet werden. Diese Spannung von 5V ist zu gering, um den Feldeffekttransistor F2 niederohmig einzuschalten, da der schnelle Anstieg des Ladestromes im Lastkreis an der Streuinduktivität des Übertragers eine Spannung induziert, die auf der Sekundärseite des Übertragers die Spannung von 5V reduziert. Dadurch entstehen hohe Verluste im Feldeffekttransistor F2. Im Gegensatz zum Einschaltvorgang, bei dem auf der Sekundärseite des Übertragers +18V anliegen, beschränkt die geringe Spannung von +5V auf der Sekundärseite des Übertragers die Steilheit des Stromes. Vorteilhaft wäre am Beginn des Ausschaltvorganges eine deutlich höhere Spannung am Eingang des entsprechenden Übertragers. Diese Spannung am Eingang des Übertragers müsste dann während des Ausschaltvorganges reduziert werden, um am Ende des Ausschaltvorganges die benötigte Spannung von +5V am Ausgang des Übertragers zu erhalten.
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Ein weiterer Nachteil der konstanten Spannung am Eingang der Übertrager beim Umladen der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT besteht darin, dass an dem Gate-Source Anschluss am Ende des Schaltvorganges Überschwinger entstehen. Diese Überschwinger am Gate-Source Anschluss entstehen durch den Lastkreis aus Streuinduktivität an dem Übertrager, Induktivität der Zuleitung und der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT. Bei Siliciumcarbid Leistungsschaltern wird ein schneller Anstieg des Stromes beim Umladen benötigt, wodurch deutliche Überschwinger entstehen. Diese Überschwinger sind technisch ungünstig, da die zulässigen Grenzwerte der Gate-Source Spannung eingehalten werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine galvanisch isolierte Ansteuerung eines ladungsgesteuerten Leistungsschalters LT mit zwei Übertragern zu realisieren und die Umladung der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT beim Ausschaltvorgang sehr schnell zu realisieren, indem die Spannung am Eingang des entsprechenden Übertragers am Beginn des Ausschaltvorganges deutlich höher ist als am Ende des Ausschaltvorganges. Dadurch kann ein schneller Stromanstieg des Ladestromes erzeugt werden. Die weitere Aufgabe besteht darin, die Überschwinger beim Einschaltvorgang und beim Ausschaltvorgang deutlich zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen eins bis neun gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Schaltungsbildern näher erläutert:
- 1 zeigt die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des Leistungsschalters LT nach dem Stand der Technik
- 2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Ausschaltvorgang des Leistungsschalters LT
- 3 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Einschaltvorgang des Leistungsschalters LT
- 4 zeigt die Aufzeichnung eines Ausschaltvorganges des Leistungsschalters LT mit stark reduziertem Überschwinger
- 5 zeigt die Aufzeichnung eines Ausschaltvorganges des Leistungsschalters LT mit Überschwinger nach dem Stand der Technik
bei der Aufzeichnung liegt beim Ausschaltvorgang am Eingang Ua des Übertragers Üa eine konstante Spannung an
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Die Schaltungsanordnung für einen Ausschaltvorgang gemäß der Erfindung nach 2 besteht aus der Gleichspannung U1, der Gleichspannung U2, den Kondensatoren C1, C2 und C3, dem elektronischen Schalter S1, der Spule L1 und der Diode D1. Der Kondensator C1 stabilisiert die Gleichspannung U1 und der Kondensator C2 stabilisiert die Gleichspannung U2. Dabei sind die Anschlussklemmen des Kondensators C1 mit den Polen der Gleichspannung U1 verbunden und die Anschlussklemmen des Kondensators C2 mit den Polen der Gleichspannung U2 verbunden. Der Plus Pol (U2P) der Gleichspannung U2 ist mit dem ersten Anschluss des Schalters S1 verbunden und der zweite Anschluss des Schalters S1 ist mit dem Plus Pol (U3P) der Spannung U3 am Kondensator C3 verbunden. Der Plus Pol U1P der Gleichspannung U1 ist mit einem Anschluss der Spule L1 verbunden und der andere Anschluss der Spule L1 ist mit der Anode der Diode D1 verbunden und die Kathode der Diode D1 ist mit dem Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensators C3 verbunden. Die Reihenfolge der Diode D1 und der Spule L1 in der Serienschaltung kann vertauscht werden, so dass dann die Anode der Diode D1 mit dem Plus Pol U1P der Gleichspannung U1 verbunden ist. Der Minus Pol U1M der Gleichspannung U1 ist mit dem Minus Pol U2M der Gleichspannung U2 verbunden und mit dem Minus Pol U3M der Spannung U3 am Kondensators C3 verbunden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Ausschaltvorgang ist in 2 dargestellt. Die Schaltungsanordnung erzeugt die Spannung Ua am Eingang des Übertragers Üa für einen schnellen Ausschaltvorgang mit einem stark reduziertem Überschwinger. Am Anfang des Ausschaltvorganges wird der Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensator C3 mit der Eingangsleitung A1Üa des Übertragers Üa verbunden und der Minus Pol U3M der Spannung U3 am Kondensator C3 mit der Eingangsleitung A2Üa des Übertragers Üa verbunden. Die Verbindung erfolgt durch das Einschalten der diagonal liegenden Schalter S2 und S5 in der Vollbrücke.
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Die Funktion der Schaltungsanordnung für den Ausschaltvorgang des Leistungsschalters LT nach 2 ist wie folgt:
Der Leistungsschalter LT benötigt für ein sicheres Ausschalten eine negative Spannung an dem Gate-Source Anschluss. Der zulässige Grenzwert der Gate-Source Spannung beträgt bei einem Siliciumcarbid Leistungsschalter im ausgeschalteten Zustand zwischen -5V und -10V. Um den Leistungsschalter LT sicher auszuschalten, wird an den Eingang des Übertragers Üa eine positive Spannung Ua für die Dauer des Ausschaltvorganges angelegt. Die positive Spannung Ua schaltet den Feldeffekttransistor F2 auf der Sekundärseite des Übertragers Üa ein und erzeugt am Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters LT die negative Spannung Ugs. Am Ende des Umladevorganges der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT darf der zulässige Grenzwert der Gate-Source Spannung nicht überschritten werden. Da eine Spannung von 5V am Eingang des Übertragers Üa nicht ausreicht, um den Feldeffekttransistor F2 zuverlässig einzuschalten und die Spannung auch nicht hoch genug ist, um einen schnellen Anstieg des Stromes für die Umladung der Gate-Source Kapazität zu erzeugen, wird am Anfang des Umladevorgangs eine deutlich höhere Spannung an den Eingang des Übertragers Üa angelegt. Diese höhere Spannung am Anfang des Ausschaltvorganges liegt am Kondensator C3 an. Die Spannungen U1 und U2 sind Gleichspannungen, wobei die Amplitude der Spannung U2 der Eingangsspannung Ua des Übertragers Üa am Anfang des Ausschaltvorganges entspricht und die Amplitude der Spannung U1 der Eingangsspannung Ua des Übertragers Üa am Ende des Ausschaltvorganges entspricht. Die Schalter S1 bis S5 sind elektronische Schalter.
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Nach einem Ausschaltvorgang wird an den Eingang Ua des Übertragers Üa auch ein negativer Spannungsimpuls angelegt, damit der Übertrager Üa nicht in Sättigung gerät. Dazu werden die Schalter S3 und S4 eingeschaltet.
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Der Auschaltvorgang des Leistungsschalters LT funktioniert folgendermaßen:
- 1) Vor dem Ausschaltvorgang wird der Kondensator C3 durch Einschalten des Schalters S1 auf die Amplitude der Gleichspannung U2 aufgeladen.
- 2) Danach wird der Schalter S1 ausgeschaltet.
- 3) Nach dem Ausschalten des Schalters S1 kann der Ausschaltvorgang des Leistungsschalters LT beginnen.
- 4) Am Anfang des Ausschaltvorganges des Leistungsschalters LT werden die zwei diagonalen Schalter der Vollbrücke S2 und S5 eingeschaltet und dadurch die positive Spannung U3 am Kondensator C3 mit den Eingangsleitungen des Übertragers Üa verbunden, indem der Plus Pol U3P der Spannung U3 mit der Eingangsleitung A1Üa verbunden wird und der Minus Pol U3M der Spannung U3 mit der Eingangsleitung A2Üa verbunden wird. Die Spannung U3 mit der Amplitude der Spannung U2 liegt am Anfang des Ausschaltvorganges auf der Sekundärseite des Übertragers Üa an und schaltet den Feldeffekttransistor F2 ein. Der Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters LT wird auf die negative Spannung umgeladen, wobei der Kondensator C3 entladen wird. Durch die Entladung des Kondensators C3 wird garantiert, dass am Ende des Ausschaltvorganges die deutlich kleinere Spannung U1 am Leistungsschalter LT anliegt. Der Wert für die Kapazität des Kondensators C3 wird so berechnet, dass die Spannung am Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters LT nach der Entladung des Kondensators C3 den benötigten Wert hat.
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Deshalb muss der Wert für die Kapazität des Kondensators C3 an den verwendeten Leistungsschalter LT angepasst werden.
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Wenn die Spannung U3 am Kondensator C3 unter den Wert der Spannung U1 fällt, leitet die Diode D1 und die Spannung am Eingang des Übertragers Üa wird durch die Spannung U1 am Kondensator C1 bestimmt. Dabei befindet sich zwischen dem Kondensator C1 und dem Eingang des Übertragers Üa die Spule L1, die folgende Funktion hat:
Nachdem die Diode D1 leitet, fließt ein Strom vom Kondensator C1 in den Kondensator C3 und den angeschlossenen Lastkreis mit dem Leistungsschalter LT. Dieser Strom wird begrenzt mit der Spule L1 durch die induzierte Spannung in der Spule L1. Durch den hohen Ladestrom in die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT und den anfangs geringen Strom durch die Spule L1 entsteht am Kondensator C3 ein Spannungseinbruch unter den Wert der Spannung U1. Dadurch liegt am Ende des Ausschaltvorganges für eine kurze Zeit eine Spannung am Eingang des Übertragers Üa an, die einige Volt unter dem Wert der Gleichspannung U1 ist. Durch den Stromanstieg in der Spule L1 lädt sich dann die Spannung U3 am Kondensator C3 wieder auf den Wert der Gleichspannung U1 auf. Der Spannungseinbruch am Kondensator C3 reduziert den Überschwinger am Ende des Ausschaltvorganges an dem Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters LT, so dass der zulässige Grenzwert für die Gate-Source Spannung des Leistungsschalters LT eingehalten werden kann. Nach dem Ausschaltvorgang entspricht die Spannung am Gate-Source Anschluss ungefähr der Amplitude der Gleichspannung U1. Wenn der Ausschaltvorgang abgeschlossen ist, werden die Schalter S2 und S5 geöffnet und danach die Eingangsleitungen des Übertragers Üa durch Schließen der entsprechenden Schalter miteinander verbunden.
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In der 4 wurde der Ausschaltvorgang eines Leistungsschalters LT mit stark reduziertem Überschwinger aufgezeichnet. In der Abbildung ist die Gate-Source Spannung Ugs und die Spannung Ua am Eingang des Übertragers Üa dargestellt. Für die Aufzeichnung wurde die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach 2 mit der Spule L1 ohne Beschaltung am Drain-Source Anschluss verwendet.
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In der 5 wurde der Ausschaltvorgang eines Leistungsschalters LT mit Überschwinger aufgezeichnet. In der Abbildung ist die Gate-Source Spannung Ugs und die Spannung Ua am Eingang des Übertragers Üa aufgezeichnet. Für die Aufzeichnung wurde die Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik verwendet, bei der am Eingang Ua des Übertragers Üa beim Ausschaltvorgang eine konstante Spannung anliegt. Hier ist zu erkennen, dass ein Einhalten des zulässigen Grenzwertes von -10V nicht erfolgt. Die Aufzeichnung erfolgte ohne Beschaltung am Drain-Source Anschluss.
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Die Schaltungsanordnung für einen Einschaltvorgang gemäß der Erfindung nach 3 besteht aus der Gleichspannung U4, der Spule L2 und den Kondensatoren C4 und C5. Der Kondensator C4 stabilisiert die Gleichspannung U4. Dabei sind die Anschlussklemmen des Kondensators C4 mit den Polen der Gleichspannung U4 verbunden. Der Plus Pol U4P der Gleichspannung U4 ist mit einem Anschluss der Spule L2 verbunden und der andere Anschluss der Spule L2 ist mit dem Plus Pol U5P der Spannung U5 am Kondensator C5 verbunden. Der Minus Pol U4M der Gleichspannung U4 ist mit dem Minus Pol U5M der Spannung U5 am Kondensator C5 verbunden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Einschaltvorgang ist in 3 dargestellt. Die Schaltungsanordnung erzeugt die Spannung Ue am Eingang des Übertragers Üe für einen schnellen Einschaltvorgang mit einem stark reduziertem Überschwinger. Am Anfang des Einschaltvorganges wird der Plus Pol U5P der Spannung U5 am Kondensator C5 mit der Eingangsleitung A1Üe des Übertragers Üe verbunden und der Minus Pol U5M der Spannung U5 am Kondensator C5 mit der Eingangsleitung A2Üe des Übertragers Üe verbunden. Die Verbindung erfolgt durch das Einschalten der diagonal liegenden Schalter S6 und S9 in der Vollbrücke.
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Die Funktion der Schaltungsanordnung für den Einschaltvorgang des Leistungsschalters LT nach 3 ist wie folgt:
Der Leistungsschalter LT benötigt für ein sicheres Einschalten eine positive Spannung an dem Gate-Source Anschluss von ca. 15V. Der zulässige Grenzwert für die Gate-Source Spannung beträgt bei einem Siliciumcarbid Leistungsschalter im eingeschalteten Zustand zwischen +20V und +25V. Um den Leistungsschalter LT sicher einzuschalten, wird an den Eingang des Übertragers Üe eine positive Spannung Ue für die Dauer des Einschaltvorganges angelegt. Die positive Spannung Ue schaltet den Feldeffekttransistor F1 auf der Sekundärseite des Übertragers Üe ein und erzeugt am Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters LT eine positive Spannung Ugs. Am Ende des Umladevorganges der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT darf der zulässige Grenzwert der Gate-Source Spannung nicht überschritten werden. Die Spannung U4 ist eine Gleichspannung, wobei die Amplitude der Spannung U4 der Eingangsspannung Ue des Übertragers Üe am Anfang des Einschaltvorganges entspricht. Die Schalter S6 bis S9 sind elektronische Schalter.
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Nach einem Einschaltvorgang wird an den Eingang Ue des Übertragers Üe auch ein negativer Spannungsimpuls angelegt, damit der Übertrager Üe nicht in Sättigung gerät. Dazu werden die Schalter S7 und S8 eingeschaltet.
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Der Einschaltvorgang des Leistungsschalters LT funktioniert folgendermaßen:
Am Anfang des Einschaltvorganges des Leistungsschalters LT werden die zwei diagonalen Schalter der Vollbrücke S6 und S9 eingeschaltet und dadurch die positive Spannung U5 am Kondensator C5 mit den Eingangsleitungen des Übertragers Üe verbunden, indem der Plus Pol U5P der Spannung U5 mit der Eingangsleitung A1Üe verbunden wird und der Minus Pol U5M der Spannung U5 mit der Eingangsleitung A2Üe verbunden wird. Die Spannung U5 mit der Amplitude der Spannung U4 liegt auf der Sekundärseite des Übertragers Üe an und schaltet den Feldeffekttransistor F1 ein. Der Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters LT wird auf die positive Spannung umgeladen. Die Spule L2 zwischen dem Plus Pol U4P der Spannung U4 und dem Plus Pol U5P der Spannung U5 am Kondensator C5 hat folgende Funktion:
Wenn die Spannung U5 am Kondensator C5 unter den Wert der Spannung U4 fällt, fließt ein Strom vom Kondensator C4 in den Kondensator C5 und den angeschlossenen Lastkreis mit dem Leistungsschalter LT. Dieser Strom wird begrenzt mit der Spule L2 durch die induzierte Spannung in der Spule L2. Durch den hohen Ladestrom in die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters LT und den anfangs geringen Strom durch die Spule L2 entsteht am Kondensator C5 ein Spannungseinbruch unter den Wert der Spannung U4.
Dadurch liegt am Ende des Einschaltvorganges für eine kurze Zeit eine Spannung am Eingang des Übertragers Üe an, die einige Volt unter dem Wert der Gleichspannung U4 ist.
Durch den Stromanstieg in der Spule L2 lädt sich dann die Spannung U5 am Kondensator C5 wieder auf den Wert der Gleichspannung U4 auf. Der Spannungseinbruch am Kondensator C5 reduziert den Überschwinger an dem Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters LT am Ende des Einschaltvorganges, so dass der zulässige Grenzwert für die Gate-Source Spannung eingehalten werden kann. Nach dem Einschaltvorgang entspricht die Spannung am Gate-Source Anschluss ungefähr der Amplitude der Gleichspannung U4. Wenn der Einschaltvorgang abgeschlossen ist, werden die Schalter S6 und S9 geöffnet und danach die Eingangsleitungen des Übertragers Üe durch Schließen der entsprechenden Schalter miteinander verbunden.
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Im Anspruch 3 ist zwischen dem Plus Pol U1P der Gleichspannung U1 und dem Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensator C3 ein Widerstand R1 seriell zur ersten Spule L1 geschaltet. Mit dem Widerstand R1 kann der Stromverlauf vom Kondensator C1 in den Kondensator C3 eingestellt werden.
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Im Anspruch 4 ist zwischen dem Plus Pol U2P der Gleichspannung U2 und dem Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensator C3 ein Widerstand R2 seriell zum ersten Schalter S1 geschaltet. Mit dem Widerstand R2 kann die Höhe des Stromes vom Kondensator C2 in den Kondensator C3 eingestellt werden.
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Der Anspruch 5 beschreibt eine Schaltung, die am Anfang des Ausschaltvorganges die Spannung U3 am Kondensator C3 mit den Eingangsklemmen des Übertragers Üa verbindet. Die entsprechende Schaltung ist eine Vollbrückenschaltung, bestehend aus den Schaltern S2 bis S5.
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Im Anspruch 6 ist zwischen dem Plus Pol U4P der Gleichspannung U4 und dem Plus Pol U5P der Spannung U5 am Kondensator C5 ein Widerstand R3 seriell zur zweiten Spule L2 geschaltet. Mit dem Widerstand R3 kann der Stromverlauf vom Kondensator C4 in den Kondensator C5 eingestellt werden.
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Der Anspruch 7 beschreibt eine Schaltung, die am Anfang des Einschaltvorganges die Spannung U5 am Kondensator C5 mit den Eingangsklemmen des Übertragers Üe verbindet. Die entsprechende Schaltung ist eine Vollbrückenschaltung, bestehend aus den Schaltern S6 bis S9.
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Im Anspruch 8 wird beschrieben, dass der verwendete Siliciumcarbid Leistungsschalter ein MOSFET oder ein IGBT ist.
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Im Anspruch 9 wird beschrieben, dass die Gleichspannungen U1, U2 und U4 durch elektronische Wandler stabilisiert sind.
