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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter.
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Beim Ausschalten eines Leistungshalbleiterschalters können, infolge von parasitären Induktivitäten von mit Ihm elektrisch verbundenen Leitungen, insbesondere bei einem durch den Leistungshalbleiterschalter hindurchfließenden hohen Laststrom, Überspannungen zwischen den Laststromanschlüssen des Leistungshalbleiterschalters entstehen, die zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Leistungshalbleiterschalters führen können. Die Überspannungen steigen mit zunehmender Ausschaltgeschwindigkeit des Leistungshalbleiterschalters bzw. abnehmender Ausschaltdauer, infolge der damit verbundenen zunehmenden Stromänderungsgeschwindigkeit des Laststroms, an. Eine Reduktion der Ausschaltgeschwindigkeit mit der der Leistungshalbleiterschalter ausschaltet, hat jedoch den Nachteil, dass beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters, die am Leistungshalbleiterschalter auftretenden energetischen Verluste steigen und somit der elektrische Wirkungsgrad des Leistungshalbleiterschalters sinkt.
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Aus der
DE 10 2015 120 166 B3 ist eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter bekannt, die den durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Laststrom überwacht. Falls der Laststrom im eingeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterschalters, z.B. bei einem Kurzschluss, sehr groß wird, steigt die zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss des Leistungshalbleiterschalters anliegende Spannung stark an, was zu einem Spannungsanstieg an einem ersten Eingang eines Vergleichers der Steuereinrichtung führt. Wenn die am ersten Eingang des Vergleichers anliegende Spannung eine an einem zweiten Eingang anliegende Referenzspannung übersteigt, wird von dem Vergleicher ein Überstromfehlersignal erzeugt, das ein dauerhaftes Abschalten des Leistungshalbleiterschalters bewirkt. Der Leistungshalbleiterschalter wird hierdurch vor dem durch ihn fließenden Überstrom geschützt.
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Aus
US 9 634 657 B1 ist ein System und ein Verfahren zum Schutz eines Leistungshalbleiterschalters bekannt, bei dem, bei einem durch ihn fließenden Überstrom, ein langsames Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters erfolgt.
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Aus der
US 2015/0326009 A1 ein Verfahren zum Schutz eines Leistungshalbleiterschalters bekannt, bei dem, wenn die Stromanstiegsrate eines durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stroms einen Grenzwert überschreitet, ein langsames Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters, erfolgt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter zu schaffen, die im Normalbetrieb des Leistungshalbleiterschalters einen Betrieb des Leistungshalbleiterschalters mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht und im Falle eines durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden hohen elektrischen Stroms, beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters, zwischen den Laststromanschlüssen des Leistungshalbleiterschalters anliegende Überspannungen reduziert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter, der einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss und einen Steueranschluss aufweist, aufweisend,
- -einen elektrischen ersten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem ersten Laststromanschluss vorgesehen ist, einen elektrischen zweiten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem zweiten Laststromanschluss vorgesehen ist und einen elektrischen dritten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem Steueranschluss vorgesehen ist,
- -eine Ansteuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist am dritten Steuereinrichtungsanschluss, bei Empfang eines Einschaltbefehls eine Ansteuerspannung zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen und bei Empfang eines Ausschaltbefehls eine Ansteuerspannung zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters u erzeugen, -eine Stromdetektionsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Hochstromsignal zu erzeugen, wenn die Ansteuerspannung einen Spannungswert aufweist bei dem der Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist und eine zwischen dem ersten und zweiten Steuereinrichtungsanschluss anliegende Leistungshalbleiterschalterhauptspannung einen ersten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert überschreitet, wobei die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Empfang eines Ausschaltbefehls eine Ansteuerspannung zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters derart zu erzeugen, dass die Ansteuerspannung derart reduziert wird, dass die Zeitdauer ausgehend von einem ersten Ansteuerspannungswert, den die Ansteuerspannung bei Empfang des Ausschaltbefehls aufweist bis zum Erreichen eines zweiten Ansteuerspannungswerts der Ansteuerspannung, der 10% des ersten Ansteuerspannungswerts beträgt, bei Vorhandensein des ersten Hochstromsignals größer ist als bei Nichtvorhandensein des ersten Hochstromsignals, wobei die Stromdetektionsschaltung, dazu ausgebildet ist, ein zweites Hochstromsignal zu erzeugen, wenn die Ansteuerspannung einen Spannungswert aufweist bei dem der Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist und die zwischen dem ersten und zweiten Steuereinrichtungsanschluss anliegende Leistungshalbleiterschalterhauptspannung einen zweiten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert überschreitet, der höher ist als der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert, wobei die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Empfang des zweiten Hochstromsignals unabhängig vom Empfang eines Einschaltbefehls oder Ausschaltbefehls eine Ansteuerspannung zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung zum Empfang eines Zwischenkreisspannungswerts ausgebildet ist und der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert vom Zwischenkreisspannungswert derart abhängig ist, dass der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert bei einem hohen Zwischenkreisspannungswert niedriger ist als bei einem niedrigen Zwischenkreisspannungswert. Wenn der Leistungshalbleiterschalter Bestandteil einer in der Leistungselektronik techniküblichen Halbbrückenschaltung ist, dann liegt an der Halbbrückenschaltung die Zwischenkreisspannung der Halbbrückenschaltung an. Bei einer hohen Zwischenkreisspannung wird der Leistungshalbleiterschalter im ausgeschalteten Zustand mit einer höheren Spannung belastet als bei einer niedrigen Zwischenkreisspannung. Deshalb ist es vorteilhaft, den ersten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert bei einer hohen Zwischenkreisspannung zu erniedrigen, so dass die Stromdetektionsschaltung schon bei einem kleineren Laststrom das erste Hochstromsignal erzeugt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Empfang eines Ausschaltbefehls eine Ansteuerspannung zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters derart zu erzeugen, dass die Ansteuerspannung derart reduziert wird, dass die Zeitdauer ausgehend von einem ersten Ansteuerspannungswert, den die Ansteuerspannung bei Empfang des Ausschaltbefehls aufweist bis zum Erreichen eines zweiten Ansteuerspannungswerts der Ansteuerspannung, der 10% des ersten Ansteuerspannungswerts beträgt, bei Vorhandensein des ersten Hochstromsignals um mindestens 10%, insbesondere um mindestens 20%, größer ist als bei Nichtvorhandensein des ersten Hochstromsignals. Hierdurch wird bei einem Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters eine deutlichere Reduzierung der Stromänderungsgeschwindigkeit erzielt.
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Die Stromdetektionsschaltung ist dazu ausgebildet ist, ein zweites Hochstromsignal zu erzeugen, wenn die Ansteuerspannung einen Spannungswert aufweist bei dem der Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist und die zwischen dem ersten und zweiten Steuereinrichtungsanschluss anliegende Leistungshalbleiterschalterhauptspannung einen zweiten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert überschreitet, der höher ist als der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert, wobei die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Empfang des zweiten Hochstromsignals unabhängig vom Empfang eines Einschaltbefehls oder Ausschaltbefehls eine Ansteuerspannung zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen. Hierdurch wird, z.B. bei einem Kurzschluss, eine zuverlässige dauerhafte Ausschaltung des Leistungshalbleiterschalters erzielt.
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Weiterhin erweist sich eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für den Leistungshalbleiterschalter, wobei der erste Steuereinrichtungsanschluss elektrisch leitend mit dem ersten Lastromanschluss des Leistungshalbleiterschalters und der zweite Steuereinrichtungsanschluss elektrisch leitend mit dem zweiten Lastromanschluss des Leistungshalbleiterschalters und der dritte Steuereinrichtungsanschluss elektrisch leitend mit Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters verbunden ist, als vorteilhaft.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für den Leistungshalbleiterschalter,
- 2 in der Leistungshalbleiterschaltung auftretende Spannungsverläufe im Normalbetrieb bei und nach einem Einschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters,
- 3 in der Leistungshalbleiterschaltung auftretende Spannungsverläufe bei und nach einem Einschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters, wenn durch den Leistungshalbleiterschalter nach dem Einschaltvorgang beginnt ein hoher elektrischer Laststrom zu fließen,
- 4 in der Leistungshalbleiterschaltung auftretende Spannungsverläufe bei und nach einem Einschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters, wenn durch den Leistungshalbleiterschalter nach dem Einschaltvorgang beginnt ein sehr hoher elektrischer Laststrom zu fließen und
- 5 Verläufe der am Steuereinrichtungsanschluss anliegenden Ansteuerspannung beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters im Normalbetrieb und wenn durch den Leistungshalbleiterschalter ein hoher elektrischer Laststrom fließt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Spannungsverläufe in den Figuren schematisiert dargestellt sind.
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In 1 ist eine Leistungshalbleiterschaltung 1 dargestellt, die einen Leistungshalbleiterschalter T und eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung 2 für den Leistungshalbleiterschalter T aufweist, wobei die Steuereinrichtung 2 mit dem Leistungshalbleiterschalter T elektrisch leitend verbunden ist.
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Der Leistungshalbleiterschalter T weist einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss C und E und einen Steueranschluss G auf. Der Leistungshalbleiterunterschalter T liegt vorzugsweise in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder eines MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vor. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels liegt der Leistungshalbleiterschalter T in Form eines IGBTs vor, wobei der erste Laststromanschluss C in Form des Kollektors des IGBTs, der zweite Laststromanschluss E in Form des Emitters des IGBTs und der Steueranschluss G in Form des Gates des IGBTs vorliegt. Es sei angemerkt, dass der Leistungshalbleiterschalter T auch einen im Leistungshalbleiterschalter T integrierten Gatevorwiderstand aufweisen kann, der elektrisch zwischen dem Gate des Leistungshalbleiterschalter T und dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters T geschaltet ist, so dass der Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters T nicht direkt in Form des Gates G des Leistungshalbleiterschalters T vorliegt sondern in Form eines elektrischen Anschlusses des Gatevorwiderstands.
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Die Steuereinrichtung 1 weist einen elektrischen ersten Steuereinrichtungsanschluss A1, der zur elektrischen Verbindung mit dem ersten Laststromanschluss C des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehen ist, einen elektrischen zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2, der zur elektrischen Verbindung mit dem zweiten Laststromanschluss E vorgesehen ist und einen elektrischen dritten Steuereinrichtungsanschluss A3, der zur elektrischen Verbindung mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehen ist, auf.
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Der erste Steuereinrichtungsanschluss A1 ist bei der Leistungshalbleiterschaltung 1 elektrisch mit dem ersten Lastromanschluss C des Leistungshalbleiterschalters T, der zweite Steuereinrichtungsanschluss A2 ist elektrisch mit dem zweiten Lastromanschluss E des Leistungshalbleiterschalters T und der dritte Steuereinrichtungsanschluss A3 ist elektrisch mit Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T verbunden.
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Die Steuereinrichtung 2 weist weiterhin eine Ansteuereinrichtung 3 auf, die dazu ausgebildet ist am dritten Steuereinrichtungsanschluss A3, bei Empfang eines Einschaltbefehls eine Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen und bei Empfang eines Ausschaltbefehls eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen. Die Ansteuereinrichtung 3 empfängt hierzu ein Steuersignal A, welches z.B. von einer übergeordneten Steuerung (nicht dargestellt) erzeugt wird, wobei im Rahmens des Ausführungsbeispiels der Einschaltbefehl in Form eines High-Pegels (logische „1“) und der Ausschaltbefehl in Form eines Low-Pegels (logische „0“) des Steuersignals A vorliegt. Beim Ausführungsbeispiel erzeugt die Ansteuereinrichtung 3 eine Ansteuerspannung Ua mit einem ersten Ansteuerspannungswert Uv1 von 15V zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T und eine Ansteuerspannung Ua mit einem dritten Ansteuerspannungswert Uv3 von -8V zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T am dritten Steuereinrichtungsanschluss A3. Der Leistungshalbleiterschalters T schaltet sich in Abhängigkeit vom Spannungswert der Ansteuerspannung Ua ein und aus. Die Steuereinrichtung 2 weist beim Ausführungsbeispiel zur Erzeugung der Ansteuerspannung Ua eine erste Spannungsquelle 9 auf, die eine erste Spannung Ur1 mit einem konstanten Spannungswert von vorzugsweise +15V erzeugt und eine zweite Spannungsquelle 10 auf, die eine zweite Spannung Ur2 mit einem konstanten Spannungswert von vorzugsweise -8V erzeugt. Die erste Spannungsquelle 9 ist über einen ersten Schalter S1 und einen elektrischen ersten Gatevorwiderstand Rv1 mit dem dritten Steuereinrichtungsanschluss A3 elektrisch leitend verbunden. Die zweite Spannungsquelle 10 ist über einen zweiten Schalter S2, über einen elektrischen zweiten Gatevorwiderstand Rv2 und über einen elektrischen dritten Gatevorwiderstand Rv3, der elektrisch in Reihe mit dem zweiten Gatevorwiderstand Rv2 geschaltet ist, mit dem dritten Steuereinrichtungsanschluss A3 elektrisch leitend verbunden. Der dritte Gatevorwiderstand Rv3 kann, mittels eines elektrisch parallel zum dritten Gatevorwiderstand Rv3 geschalteten dritten Schalters S3, kurzgeschlossen und somit elektrisch überbrückt werden. Die Schalter S1 bis S3 sind als Halbleiterschalter ausgebildet. Im Normalbetrieb, d.h. wenn durch den Leistungshalbleiterschalter T nach dem Einschaltvorgang kein hoher elektrischer Laststrom I1 fließt, ist der dritte Schalter S3 geschlossen.
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In 2 sind die in der Leistungshalbleiterschaltung 1 auftretenden Spannungsverläufe im Normalbetrieb des Leistungshalbleiterschalter T, d.h. wenn wie schon oben beschrieben durch den Leistungshalbleiterschalter T nach dem Einschaltvorgang kein hoher elektrischer Laststrom I1 fließt, dargestellt. Im ausgeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterschalters T, d.h. unmittelbar vor dem Zeitpunkt t0 ist der zweite Schalter S2 geschlossen und der erste Schalter S1 geöffnet. Die Ansteuerspannung Ua weist somit unmittelbar vor dem ersten Zeitpunkt t0 einen dritten Ansteuerspannungswert Uv3 von -8V auf, da die Gate-Emitter Kapazität des Leistungshalbleiterschalter T über den zweiten Gatevorwiderstand Rv2 auf den Spannungswert von -8V der zweiten Spannungsquelle 10 aufgeladen ist. Zum Zeitpunkt t0 empfängt die Ansteuereinrichtung 3 einen Einschaltbefehl, worauf von ihr der erste Schalter S1 geschlossen und der zweite Schalter S2 geöffnet wird und somit die Gate-Emitter Kapazität des Leistungshalbleiterschalter T über den ersten Gatevorwiderstand Rv1 auf einen ersten Ansteuerspannungswert Uv1 von +15V von der ersten Spannungsquelle 9 aufgeladen wird. Zum Zeitpunkt t1 erreicht die Ansteuerspannung Ua ein Spannungswert bei dem der Leistungshalbleiterschalter T mit seinem Einschaltvorgang beginnt. Die zwischen dem ersten und zweiten Steuereinrichtungsanschluss A1 und A2 anliegende Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce sinkt mit weiter ansteigendem Spannungswert der Ansteuerspannung Ua. Die Ansteuerspannung Ua weist ab dem Zeitpunkt t3 einen Spannungswert auf, bei dem der Leistungshalbleiterschalter T zwischen seinem ersten und zweiten Laststromanschluss A1 und A2 seinen minimalen Durchleitungswiderstand aufweist. Ab dem Zeitpunkt t3 weist die Ansteuerspannung Ua somit einen Spannungswert auf bei dem der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet ist. Der Leistungshalbleiterschalter T ist somit ab dem Zeitpunkt t3 eingeschaltet.
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Die Steuereinrichtung 2 weist weiterhin eine Stromdetektionsschaltung 4 auf, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Hochstromsignal F1 zu erzeugen, wenn die Ansteuerspannung Ua einen Spannungswert aufweist bei dem der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet ist und die zwischen dem ersten und zweiten Steuereinrichtungsanschluss A1 und A2 anliegende Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce einen ersten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w überschreitet. Das erste Hochstromsignal F1 wird dabei von der Stromdetektionsschaltung 4 gespeichert. In 3 sind die in der Leistungshalbleiterschaltung 1 auftretenden Spannungsverläufe, wenn durch den Leistungshalbleiterschalter T nach dem Einschaltvorgang ein hoher elektrischer Laststrom I1 fließt, wie er z.B. bei einem kurzeitigen Überlastbetriebszustand fließen kann, dargestellt. In 3 tritt im Unterschied zu 2, nach dem Zeitpunkt t3, ab dem der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet ist, ein hoher Laststrom I1 auf, was infolge des damit einhergehenden höheren Spannungsabfalls über dem Leistungshalbleiterschalter T zu einem Ansteigen der Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce führt. Zum Zeitpunkt t4 überschreitet die Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce den ersten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w, so dass die Stromdetektionsschaltung 4 ab dem Zeitpunkt t4 das erste Hochstromsignal F1 erzeugt.
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Die Ansteuereinrichtung 3 ist weiterhin dazu ausgebildet, bei Empfang eines Ausschaltbefehls eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T derart zu erzeugen, dass die Ansteuerspannung Ua derart reduziert wird, dass die Zeitdauer ausgehend von einem ersten Ansteuerspannungswert Uv1, den die Ansteuerspannung Ua bei Empfang des Ausschaltbefehls aufweist bis zum Erreichen eines zweiten Ansteuerspannungswerts Uv2 der Ansteuerspannung, der 10% des ersten Ansteuerspannungswerts Uv1 beträgt, bei Vorhandensein des ersten Hochstromsignals F1 größer ist als bei Nichtvorhandensein des ersten Hochstromsignals F1. In 5 ist der Verlauf der Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T, wenn das erste Hochstromsignals F1 nicht vorhanden ist, in Form der durchgezogenen Kurve dargestellt und der Verlauf der Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T, wenn das erste Hochstromsignal F1 vorhanden ist, in Form der gestrichelten Kurve dargestellt. Zum Zeitpunkt t7 an dem die Ansteuereinrichtung 3 den Ausschaltbefehl empfängt, weist die Ansteuerspannung Ua den ersten Ansteuerspannungswert Uv1 auf, der beim Ausführungsbeispiel 15V beträgt, da der Leistungshalbleiterschalter T zum Zeitpunkt t7 eingeschaltet ist. Zum Zeitpunkt t7 wird daraufhin der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen. Wenn kein erstes Hochstromsignal F1 vorhanden ist, dann ist der dritte Schalter S3 geschlossen, so dass der dritte Gatevorwiderstand Rv3 überbrückt ist und die Gate-Emitterkapazität des Leistungshalbleiterschalters T über den zweiten Gatevorwiderstand Rv2 von der zweiten Spannungsquelle so lange entladen wird, bis die Ansteuerspannung Ua den dritten Ansteuerspannungswert Uv3, der im Ausführungsbeispiel -8V beträgt, aufweist. Zum Zeitpunkt t8 ist die Ansteuerspannung Ua von der Ansteuereinrichtung 3 vom ersten Ansteuerspannungswert Uv1 auf einen zweiten Ansteuerspannungswert Uv2 reduziert, der 10% des ersten Ansteuerspannungswerts Uv1 beträgt. Wenn das erste Hochstromsignal F1 vorhanden ist, dann ist der dritte Schalter S3 geöffnet, so dass der dritte Gatevorwiderstand Rv3 wirksam ist und die Gate-Emitterkapazität des Leistungshalbleiterschalters T über den zweiten Gatevorwiderstand Rv2 und dritten Gatevorwiderstand Rv3 von der zweiten Spannungsquelle S2 so lange entladen wird, bis die Ansteuerspannung Ua den dritten Ansteuerspannungswert Uv3, der im Ausführungsbeispiel -8V beträgt, aufweist. Zum Zeitpunkt t9 ist die Ansteuerspannung Ua von der Ansteuereinrichtung 3 vom ersten Ansteuerspannungswert Uv1 auf einen den zweiten Ansteuerspannungswert Uv2 reduziert, der 10% des ersten Ansteuerspannungswerts Uv1 beträgt. Der Entladevorgang der Gate-Emitterkapazität des Leistungshalbleiterschalters T dauert bei wirksamen dritten Gatevorwiderstand Rv3 länger als bei kurzgeschlossenem und somit nicht wirksamen dritten Gatevorwiderstand Rv3. Infolge davon ist die Zeitdauer T2 vom Zeitpunkt t7 bis zum Zeitpunkt t9 größer als die Zeitdauer T2 vom Zeitpunkt t7 bis zum Zeitpunkt t8.
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Bei der Erfindung schaltet somit der Leistungshalbleiterschalter T bei Vorhandensein des ersten Hochstromsignals F1 langsamer aus als bei Nichtvorhandensein des ersten Hochstromsignals F1, was zur Folge hat, dass beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T, bei Vorhandensein des ersten Hochstromsignals F1, die Stromänderungsgeschwindigkeit des Laststroms I1 kleiner ist als bei Nichtvorhandensein des ersten Hochstromsignals F1. Dies hat wiederum zur Folge, dass beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T, zwischen den beiden Laststromanschlüssen A1 und A2 des Leistungshalbleiterschalters T, z.B. infolge von parasitären Induktivitäten L der Zuleitungen zu dem Leistungshalbleiterschalter T, auftretende Überspannungen reduziert werden. Der Leistungshalbleiterschalter T kann somit auch bei hohen Lastströmen zuverlässig betrieben werden. Ein langsames Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T hat jedoch den Nachteil, dass sich die Ausschaltverluste des Leistungshalbleiterschalters T erhöhen. Bei der Erfindung wird das langsame Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T jedoch nur bei hohen Lastströmen 11, d.h. wenn dies unbedingt zur Vermeidung von Überspannungen notwendig ist, durchgeführt und nicht generell, so dass durch die Erfindung im Normalbetrieb des Leistungshalbleiterschalters T, ein Betrieb des Leistungshalbleiterschalters T mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht wird. Der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w kann z.B. so gewählt werden, dass der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w im eingeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterschalters T überschritten wird, wenn die Stromstärke des Laststroms I1 das 1,5-fache der Nennstromstärke des Laststroms I1 überschreitet.
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Das erste Hochstromsignals F1 wird nach erfolgten Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T von der Steuereinrichtung 2 gelöscht, so dass es nicht mehr vorhanden ist. Vorzugsweise wird das erste Hochstromsignals F1 von der Steuereinrichtung 2 gelöscht, wenn von der Ansteuereinrichtung 3 eine Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T erzeugt wird. Somit kann jeder Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T schnell oder langsam erfolgen.
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Es sei angemerkt, dass der langsamere Entladevorgang der Gate-Emitterkapazität des Leistungshalbleiterschalters T, im Falle des Vorhandenseins des ersten Hochstromsignals F1, auf viele Arten bewirkt werden kann. So kann z.B. der langsamere Entladevorgang der Gate-Emitterkapazität des Leistungshalbleiterschalters T, im Falle des Vorhandenseins des ersten Hochstromsignals F1, anstatt der oben beschriebenen Verwendung eines zuschaltbaren dritten Gatevorwiderstand Rv3, auch durch eine Änderung des konstanten Spannungswerts der zweiten Spannung Ur2 von z.B. -8V auf 0V, im Falle des Vorhandenseins des ersten Hochstromsignals F1, realisiert werden.
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Die Zeitdauer, ausgehend von dem ersten Ansteuerspannungswert Uv1, den die Ansteuerspannung Ua bei Empfang des Ausschaltbefehls aufweist, d.h. zum Zeitpunkt t7 aufweist, bis zum Erreichen des zweiten Ansteuerspannungswerts Uv2 (Zeitpunkt t8 bzw. t9) ist bei Vorhandensein des ersten Hochstromsignals F1 um mindestens 10%, insbesondere um mindestens 20%, größer als bei Nichtvorhandensein des ersten Hochstromsignals F1. Die Zeitdauer T2 ist somit vorzugsweise um mindestens 10%, insbesondere um mindestens 20%, größer als die Zeitdauer T1.
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Die Steuereinrichtung 2 kann zum Empfang eines Zwischenkreisspannungswerts Uz ausgebildet sein, wobei der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert Uv1 vom Zwischenkreisspannungswert Uz derart abhängig ist, dass der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert Uv1 bei einem hohen Zwischenkreisspannungswert Uz niedriger ist als bei einem niedrigen Zwischenkreisspannungswert Uz. Wenn der Leistungshalbleiterschalter T Bestandteil einer in der Leistungselektronik techniküblichen Halbbrückenschaltung ist, dann liegt an der Halbbrückenschaltung die Zwischenkreisspannung der Halbbrückenschaltung an. Bei einer hohen Zwischenkreisspannung wird der Leistungshalbleiterschalter T im ausgeschalteten Zustand mit einer höheren Spannung belastet als bei einer niedrigen Zwischenkreisspannung. Deshalb ist es vorteilhaft, den ersten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert Uv1 bei einer hohen Zwischenkreisspannung zu erniedrigen, so dass die Stromdetektionsschaltung schon bei einem kleineren Laststrom I1 das erste Hochstromsignal F1 erzeugt.
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Die Stromdetektionsschaltung 4 ist dazu ausgebildet, ein zweites Hochstromsignal F2 zu erzeugen, wenn die Ansteuerspannung Ua einen Spannungswert aufweist bei dem der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet ist und die zwischen dem ersten und zweiten Steuereinrichtungsanschluss A1 und A2 anliegende Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce einen zweiten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U2w überschreitet, der höher ist als der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w, wobei die Ansteuereinrichtung 3 dazu ausgebildet ist, bei Empfang des zweiten Hochstromsignals F2 unabhängig vom Empfang eines Einschaltbefehls oder Ausschaltbefehls eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen. In 4 sind die in der Leistungshalbleiterschaltung 1 auftretende Spannungsverläufe, wenn durch den Leistungshalbleiterschalter T nach dem Einschaltvorgang ein sehr hoher elektrischer Laststrom I1 fließt, wie er z.B. bei einem Kurzschluss auftritt, dargestellt. In 4 tritt im Unterschied zu 2, zum Zeitpunkt t5 ein Kurzschluss auf, der einen sehr hohen Laststrom I1 und damit einen hohen Anstieg der Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce zur Folge hat. Zum Zeitpunkt t6 überschreitet die Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce den zweiten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U2w, so dass die Stromdetektionsschaltung 4 das zweite Hochstromsignal F2 erzeugt. Die Ansteuereinrichtung 3 erzeugt, wenn von ihr das zweite Hochstromsignal empfangen wird, unabhängig vom Empfang eines Einschaltbefehls oder Ausschaltbefehls, eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T und schaltet somit den Leistungshalbleiterschalters T dauerhaft aus. Da dabei zwangsläufig auch das erste Hochstromsignals F1 vorhanden ist, wird der Leistungshalbleiterschalters T langsam ausgeschalten. Falls dies nicht erwünscht ist, kann bei einem Empfang des zweiten Hochstromsignals F2 der Leistungshalbleiterschalters T auch von der Ansteuereinrichtung schnell ausgeschalten werden, obwohl das erste Hochstromsignals F1 vorhanden ist,
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Im Folgenden wird der schaltungstechnische Aufbau der Ansteuereinrichtung 2 beschrieben.
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Die Stromdetektionsschaltung 4 weist eine Diode D, einen elektrischen Widerstand R1 eine erste und eine zweite Spannungserzeugungseinrichtung 7 und 8, ein erstes und eine zweites logisches UND-Glied UN1 und UN2, das jeweilig eine logische UND-Verknüpfung seiner Eingangssignale durchführt, einen Vergleicher V1 und ein Flip-Flop S auf. Ein erster Eingang E1 des Vergleichers V1 ist mit einem zweiten Anschluss des Widerstands R1 und mit der Anode der Diode D1 elektrisch leitend verbunden. An einem zweiten Anschluss des Widerstands R1 liegt eine Versorgungsspannung Us an, die einen Spannungswert Us1 von z.B. 15V aufweist. Die Kathode der Diode D1 ist mit dem ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 elektrisch leitend verbunden.
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Der Vergleicher V1 erzeugt ein erstes Hochstromvorsignal F1', wenn die an seinem ersten Eingang E1 anliegende Spannung Uce' höher ist als der Spannungswert U1w' einer am zweiten Eingang E2 des Vergleichers V1 anliegenden ersten Spannung U1, die von der ersten Spannungserzeugungseinrichtung 7 erzeugt wird. Der Vergleicher V1 erzeugt ein zweites Hochstromvorsignal F2', wenn die an seinem ersten Eingang E1 anliegende Spannung Uce' höher ist als der Spannungswert U2w' einer an einem dritten Eingang E3 des Vergleichers V1 anliegenden zweiten Spannung U2, die von der zweiten Spannungserzeugungseinrichtung 8 erzeugt wird.
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Die Diode D ist bei ausgeschalteten Leistungshalbleiterschalter T in einem gesperrten Zustand und entkoppelt das auf Seite des Leistungshalbleiterschalter T auftretende hohe Spannungsniveau vor dem auf Seite der Steuereinrichtung 2 vorhandenen niedrigen Spannungsniveau. In den 2 bis 4 ist der Verlauf der Spannung Uce' gestrichelt dargestellt. Sobald beim Einschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T die Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce unter den Spannungswert Us1 fällt, fängt die Diode D an elektrisch zu leiten und die Spannung Uce' entspricht unter Vernachlässigung der über der Diode abfallenden Spannung Ud der Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce. Der Spannungswert U1w' entspricht unter Vernachlässigung der über der Diode abfallenden Spannung Ud dem ersten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w und der Spannungswert U2w' entspricht dem zweiten Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U2w. Es sei angemerkt, dass falls die am Schaltungskonten 5 anliegende Spannung Uce' z.B. noch über einen Spannungsteiler heruntergeteilt wird und die heruntergeteilte Spannung am ersten Eingang E1 anliegt, sich der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w durch entsprechende Rückrechnung aus dem Spannungswert U1w' ergibt und sich der zweite Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w durch entsprechende Rückrechnung aus dem Spannungswert U2w' ergibt. Zu jeden Spannungswert U1w' bzw. U2w' lässt sich immer ein dazu korrespondierender erster bzw. zweiter Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w bzw. U2w angeben.
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Um Fehlauslösungen zu vermeiden wird die Weiterleitung der beiden Hochstromvorsignale F1' und F2' durch die beiden UND-Glieder UN1 und UN2 bis zum Zeitpunkt t3 an dem der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet ist, blockiert. Die Ansteuereinrichtung 3 erzeugt hierzu, wenn die Ansteuerspannung Ua einen Spannungswert aufweist bei dem der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet ist, d.h. beim Ausführungsbeispiel ab dem Zeitpunkt t3, ein Freigabesignal FR mit einem logischen HIGH-Pegel (logische „1“). Vor dem Zeitpunkt t3 weist das Freigabesignal FR einem logischen LOW-Pegel (logische „0“) auf. Es sei angemerkt, dass die Ansteuereinrichtung 3 aber auch bei der Erfindung so ausgebildet sein kann, dass die Ansteuereinrichtung 3 ab einer bestimmten festen Zeitdauer nach Empfang eines Einschaltsignals, das Freigabesignal FR erzeugt, wobei die Zeitdauer so gewählt wird, dass das Freigabesignal FR frühestens zum Zeitpunk t3 erzeugt wird.
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Wenn beim Ausführungsbeispiel die Spannung Uce' ab dem Zeitpunkt t3 den ersten Spannungswert U1w' überschreitet, wird das erste Hochstromvorsignal F1' vom Vergleicher V1 erzeugt und über das erste UND-Glied UN1 an den Eingang des FlipFlops S weitergeleitet, dort gespeichert und an seinem Ausgang das erste Hochstromsignal F1 erzeugt, das an die Ansteuereinrichtung 3 weitergeleitet wird. Die Ansteuereinrichtung 3 steuert mittels des ersten Hochstromsignals F1 den dritten Schalter S3 derart an, dass bei Vorhandensein des ersten Hochstromsignals F1 der dritte Schalter S3 geöffnet und bei Nichtvorhandensein des ersten Hochstromsignals F1 geschlossen ist. Das FLIP-FLOP S und damit das erste Hochstromsignal F1 wird nach erfolgtem Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T von der Steuereinrichtung 2 gelöscht, indem die Ansteuereinrichtung 3 nach einem Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T ein Resetsignal R an einen Reseteingang des FLIP-FLOP S übermittelt und somit das FLIP-FLOP S zurücksetzt, so dass das erste Hochstromsignal F1 nicht mehr vorhanden ist. Vorzugsweise wird das erste Hochstromsignals F1 gelöscht, wenn von der Ansteuereinrichtung 3 eine Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T erzeugt wird. Somit kann jeder Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T schnell oder langsam erfolgen.
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Der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w und somit der Spannungswert U1w', kann wie beim Ausführungsbeispiel, zeitlich konstant sein. In diesem Fall weist die erste Spannung U1 einen zeitlich konstanten Spannungswert U1w' auf.
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Der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w und somit der Spannungswert U1w' kann aber auch zeitlich nicht konstant sein. In diesem Fall weist die erste Spannung U1 keinen zeitlich konstanten Spannungswert U1w' auf. Der Spannungswert U1w' und somit der der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w können sich z.B. korrespondiert zum typischen Verlauf einer Spannung, die beim Entladen eines Kondensators mittels eines Widerstands an den elektrischen Anschlüssen des Kondensators anliegt bis ein bestimmter Minimalwert der Spannung erreicht ist, verändern. So kann der Spannungswert U1w' bis zum Zeitpunkt t3 höher sein als der Spannungswert Us1, so dass das Erzeugen des ersten Hochstromsignals F1 bis zum Zeitpunkt t3 generell blockiert wird, da die Spannung Uce' schaltungsbedingt nicht höher werden kann als der Spannungswert Us1. Beginnend mit dem Zeitpunkt t3 wird in diesem Fall der Spannungswert U1w' und somit der erste Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U1w korrespondierend zu der oben angesprochenen Kondensatorentladekennlinie reduziert bis kurz nach dem Zeitpunkt t3 ein bestimmter erster Minimalwert erreicht ist, der dann im weiteren zeitlichen Verlauf zumindest näherungsweise konstant bleibt. Das erste UND-Glied UN1 kann in diesem Falle entfallen.
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Wenn beim Ausführungsbeispiel die Spannung Uce' ab dem Zeitpunkt t3 den zweiten Spannungswert U2w' überschreitet, wird das zweite Hochstromvorsignal F2' vom Vergleicher V1 erzeugt und über das zweite UND-Glied UN2 als zweites Hochstromsignal F2 an die Ansteuereinrichtung 3 weitergeleitet, die bei Empfang des zweiten Hochstromsignal F2, unabhängig vom Empfang eines Einschaltbefehls oder Ausschaltbefehls, und somit dauerhaft, eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T erzeugt. Das zweite Hochstromsignal F2 wird hierzu von der Ansteuereinrichtung 3 gespeichert.
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Der zweite Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U2w und somit der Spannungswert U2w' kann, wie beim Ausführungsbeispiel, zeitlich konstant sein. In diesem Fall weist die zweite Spannung U2 einen zeitlich konstanten Spannungswert U2w' auf.
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Der zweite Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U2w und somit der Spannungswert U1w' kann aber auch zeitlich nicht konstant sein. In diesem Fall weist die zweite Spannung U2 keinen zeitlich konstanten Spannungswert U2w' auf. Der Spannungswert U2w' und somit der der zweite Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U2w können sich z.B. korrespondiert zum typischen Verlauf einer Spannung, die beim Entladen eines Kondensators mittels eines Widerstands an den elektrischen Anschlüssen des Kondensators anliegt bis ein bestimmter Minimalwert der Spannung erreicht ist, verändern. So kann der Spannungswert U2w' bis zum Zeitpunkt t3 höher sein als der Spannungswert Us1, so dass das Erzeugen des zweiten Hochstromsignals F2 bis zum Zeitpunkt t3 generell blockiert wird, da die Spannung Uce' schaltungsbedingt nicht höher werden kann als der Spannungswert Us1. Beginnend mit dem Zeitpunkt t3 wird in diesem Fall der Spannungswert U2w' und somit der zweite Leistungshalbleiterschalterhauptspannungswert U2w korrespondierend zu der oben angesprochenen Kondensatorentladekennlinie reduziert bis kurz nach dem Zeitpunkt t3 ein bestimmter zweiter Minimalwert erreicht ist, der dann im weiteren zeitlichen Verlauf zumindest näherungsweise konstant bleibt. Das zweite UND-Glied UN2 kann in diesem Falle entfallen. Der zweite Minimalwert ist dabei höher als der erste Minimalwert.
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Es sei angemerkt, dass bei der Ansteuereinrichtung 3 die in 1 dargestellte Schaltung auch z.B. derart modifiziert sein kann, dass anstelle der Parallelschaltung des dritten Schalters S3 mit dem dritten Gatevorwiderstand Rv3, der dritte Schalter S3 auch mit dem dritten Gatevorwiderstand Rv3 elektrisch in Reihe geschaltet sein kann und die Reihenschaltung des dritten Schalters S3 mit dem dritten Gatevorwiderstand Rv3 elektrisch parallel zur Reihenschaltung des zweiten Schalters S2 mit dem zweiten Gatevorwiderstand Rv2 geschaltet sein kann.
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Es sei weiterhin angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
