Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer Steuereinrichtung.The invention relates to a power semiconductor device with a power semiconductor switch and with a control device.
Aus der DE 10 2012 202 765 B3 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem einen ersten und einen zweiten elektrischen Kondensatoranschluss aufweisenden Kondensator, mit Leistungshalbleiterschaltern und mit einer elektrischen Verbindungseinrichtung, die elektrisch leitend mit den Leistungshalbleiterschaltern verbunden ist, bekannt. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Leistungshalbleiterschaltern weisen parasitäre Induktivitäten auf, die bei Ausschaltvorgängen der Leistungshalbleiterschalter, infolge der damit einhergehenden hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten, transiente Überspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern erzeugen können. Um diese Überspannungen zu reduzieren, sind die Leistungshalbleiterschalter mit einem Kondensator elektrisch leitend verbunden, der fachspezifisch auch als sogenannter Snubberkondensator bezeichnet wird. Nachteilig dabei ist, dass zu Reduktion der Überspannungen an den Leistungshalbleiterschaltern zusätzlich mindestens ein Snubberkondensator benötigt wird.From the DE 10 2012 202 765 B3 is known a power semiconductor module with a capacitor having a first and a second electrical capacitor connection, with power semiconductor switches and with an electrical connection device which is electrically conductively connected to the power semiconductor switches. The electrical connections between the power semiconductor switches have parasitic inductances which, when the power semiconductor switches are switched off, can produce transient overvoltages on the power semiconductor switches as a result of the associated high current change rates. In order to reduce these overvoltages, the power semiconductor switches are electrically conductively connected to a capacitor, which is also referred to as a so-called snubber capacitor. The disadvantage here is that at least one snubber capacitor is additionally required to reduce the overvoltages at the power semiconductor switches.
Aus der US 4 823 825 A ist ein Verfahren zur Bewegung eines elektromagnetisch angetriebenen Ventils bekannt, bei dem die zeitliche Änderung eines Laststroms, mittels dessen das Ventil angetrieben wird, ermittelt wird und anhand der ermittelten Änderung des Laststroms, die Bewegung des Ventils gesteuert wird.From the US 4,823,825 A A method for moving an electromagnetically driven valve is known, in which the change over time of a load current, by means of which the valve is driven, is determined and the movement of the valve is controlled on the basis of the determined change in the load current.
Aus der US 2009 / 0213520A1 ist eine elektromechanische Spuleneinrichtung mit einer Spule und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung eines durch die Spule hindurchfließenden Laststroms bekannt, wobei die Steuereinrichtung den Wert des Laststroms ermittelt und anhand des ermittelten Werts die Höhe des Laststroms modifiziert.From US 2009 / 0213520A1, an electromechanical coil device with a coil and with a control device for controlling a load current flowing through the coil is known, the control device determining the value of the load current and modifying the level of the load current on the basis of the determined value.
Aus der EP 1 933 221 A1 ist ein Spannungsregler bekannt, mit einem Leistungsfeldeffekttransistor mit einer Schwellwertspannung, einem Drainanschluss, der eine Eingangsspannung aufweist, einem Sourceanschluss, der eine Ausgangsspannung und einen Laststrom liefert, einem Gateanschluss, der auf ein Steuersignal reagiert und einem Bulk-Anschluss, und mit einer Steuerschleifenschaltung, die auf die Ausgangsspannung reagiert und das Steuersignal liefert, wobei die Steuerschaltung ausgelegt ist zum Einstellen des Steuersignals auf einen derartigen Wert, dass die Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert geregelt wird, und mit einem Schaltkreis, der auf die Ausgangsspannung und/oder auf den Laststrom reagiert, wobei der Schaltkreis ausgelegt ist zum Verbinden des Bulk-Anschlusses entweder mit dem Sourceanschluss oder mit einem konstanten Potential unter einem Sourcepotential des Transistors abhängig von dem Laststrom und/oder der Ausgangsspannung, so dass die Schwellwertspannung des Leistungsfeldeffekttransistors in Abhängigkeit von dem Laststrom und/oder der Ausgangsspannung modifiziert wird.From the EP 1 933 221 A1 a voltage regulator is known with a power field effect transistor with a threshold voltage, a drain connection which has an input voltage, a source connection which supplies an output voltage and a load current, a gate connection which reacts to a control signal and a bulk connection, and with a control loop circuit, which responds to the output voltage and provides the control signal, the control circuit being designed to set the control signal to such a value that the output voltage is regulated to a constant value, and with a circuit which responds to the output voltage and / or to the load current , The circuit is designed to connect the bulk connection either to the source connection or to a constant potential below a source potential of the transistor depending on the load current and / or the output voltage, so that the threshold voltage of the power field effect transistor i n is modified depending on the load current and / or the output voltage.
Aus der Veröffentlichung „600A-Test System for Aging Analysis of Automotive Li-Ion Cells With High Resolution an Wide Bandwith“, IEEE Transactions of Instrumentation And Measurement, Volume 65, No. 7, Juli 2016 S. 1651-1660, ist ein System zur Analyse der Alterung von Lithiumionenbatterien bekannt.From the publication "600A-Test System for Aging Analysis of Automotive Li-Ion Cells With High Resolution an Wide Bandwith", IEEE Transactions of Instrumentation And Measurement, Volume 65, No. 7, July 2016 pp. 1651-1660, a system for analyzing the aging of lithium ion batteries is known.
Aus der Veröffentlichung „Measurement Technique for the Static Output Characterisation of High Current Power MOSFETs“, Proceedings of the IEEE, IMTC 2006 Instrumentation and Measurement Conference, April 2006, S. 1879-1884, ist ein Verfahren zur Ermittlung der stationären Ausgangscharakteristik eines Hochstromleistungs-MOSFETs bekannt.From the publication "Measurement Technique for the Static Output Characterization of High Current Power MOSFETs", Proceedings of the IEEE, IMTC 2006 Instrumentation and Measurement Conference, April 2006, pp. 1879-1884, a method for determining the stationary output characteristic of a high-current power MOSFETs known.
Aus der Veröffentlichung „Simulation Method to Evaluate Thermal Rnway of MOSFETs“, 2018 41st International Spring Seminar on Electronics Technology, Mai, 2018, S. 1-6, ist ein Verfahren zur Ermittlung des Risikos des thermischen Durchbrennens von MOSFETS, die im Linearbetrieb betrieben werden, bekannt.From the publication "Simulation Method to Evaluate Thermal Rnway of MOSFETs", 2018 41st International Spring Seminar on Electronics Technology, May, 2018, pp. 1-6, is a method for determining the risk of thermal burnout of MOSFETs operated in linear operation become known.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer Steuereinrichtung zu schaffen, bei der die bei einem Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters auftretende Spannungsbelastung des Leistungshalbleiterschalters reduziert ist.It is an object of the invention to provide a power semiconductor device with a power semiconductor switch and with a control device in which the voltage load on the power semiconductor switch that occurs when the power semiconductor switch is switched off is reduced.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleiterschalter, der einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss und einen Steueranschluss aufweist, und mit einer mit dem Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend verbundenen Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung aufweist:
- - eine Laststromänderungsermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist anhand eines durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Laststroms ein Laststromänderungssignal zu ermitteln, das eine zeitliche Änderung des Laststroms angibt,
- -eine Ansteuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist am Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters eine Ansteuerspannung in Abhängigkeit eines Steuersignals zum Ein- und Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen, wobei die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet, dass wenn bei einem Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters das Laststromänderungssignal einen Grenzwert überschreitet, den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung beim Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters derart zu verändern, dass beim Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters die zeitliche Änderung des Laststroms reduziert wird, wobei die Leistungshalbleitereinrichtung eine mit einem der Laststromanschlüsse des Leistungshalbleiterschalters elektrisch verbundene Leitung aufweist, wobei ein Abschnitt der Leitung eine parasitäre Induktivität aufweist, wobei die Laststromänderungsermittlungseinrichtung eine Spannungserfassungseinrichtung aufweist, die eine über der parasitären Induktivität abfallende elektrische Induktivitätsspannung erfasst und als Laststromänderungssignal ausgibt.
This object is achieved by a power semiconductor device with a power semiconductor switch which has a first and a second load current connection and a control connection, and with a control device which is electrically conductively connected to the power semiconductor switch, the control device having: - a load current change determination device which is designed to determine a load current change signal which indicates a change in the load current over time on the basis of a load current flowing through the power semiconductor switch,
- a control device, which is designed for this purpose at the control connection of the power semiconductor switch to a control voltage as a function of a control signal for switching the power semiconductor switch on and off generate, the control device being designed such that if the load current change signal exceeds a limit value when the power semiconductor switch is switched off, the time profile of the control voltage when the power semiconductor switch is switched off is changed such that the time change of the load current is reduced when the power semiconductor switch is switched off, the power semiconductor device has a line which is electrically connected to one of the load current connections of the power semiconductor switch, a section of the line having a parasitic inductance, the load current change determination device having a voltage detection device which detects an electrical inductance voltage falling across the parasitic inductance and outputs it as a load current change signal.
Die Leistungshalbleitereinrichtung weist eine mit einem der Laststromanschlüsse des Leistungshalbleiterschalters elektrisch verbundene Leitung auf, wobei ein Abschnitt der Leitung eine parasitäre Induktivität aufweist, wobei die Laststromänderungsermittlungseinrichtung eine Spannungserfassungseinrichtung aufweist, die eine über der parasitären Induktivität abfallende elektrische Induktivitätsspannung erfasst und als Laststromänderungssignal ausgibt. Hierdurch ist die Steuereinrichtung besonders einfach ausgebildet.The power semiconductor device has a line which is electrically connected to one of the load current connections of the power semiconductor switch, a section of the line having a parasitic inductance, the load current change determination device having a voltage detection device which detects an electrical inductance voltage falling across the parasitic inductance and outputs it as a load current change signal. As a result, the control device is particularly simple.
Es sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter einem Überschreiten eines Grenzwerts, bei einem negativen Grenzwert, ein Überschreiten des Grenzwerts in negativer Richtung, wie z.B. in 2 dargestellt, verstanden wird und bei einem positiven Grenzwert, ein Überschreiten des Grenzwerts in positiver Richtung verstanden wird.It should be noted that in the sense of the invention, if a limit value is exceeded, for a negative limit value, the limit value is exceeded in the negative direction, for example in 2nd is represented, understood and, in the case of a positive limit value, it is understood that the limit value is exceeded in the positive direction.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer Steuereinrichtung,
- 2 schematisierte zeitliche Verläufe von in der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung auftretenden Signalen, Spannungen und Ströme,
- 3 eine erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer Steuereinrichtung und
- 4 eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer Steuereinrichtung.
An embodiment of the invention is explained below with reference to the figures below. Show: - 1 a power semiconductor device with a power semiconductor switch and with a control device,
- 2nd Schematic time profiles of signals, voltages and currents occurring in the power semiconductor device according to the invention,
- 3rd a power semiconductor device according to the invention with a power semiconductor switch and with a control device and
- 4th a power semiconductor device with a power semiconductor switch and with a control device.
In 1, 3 und 4 ist eine Leistungshalbleitereinrichtung 1 mit einem Leistungshalbleiterschalter T1 und mit einer Steuereinrichtung 6 dargestellt. In 2 sind die schematisierten zeitlichen Verläufe von in der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 auftretenden Signalen, Spannungen und Ströme dargestellt.In 1 , 3rd and 4th is a power semiconductor device 1 with a power semiconductor switch T1 and with a control device 6 shown. In 2nd are the schematic temporal courses of in the power semiconductor device according to the invention 1 occurring signals, voltages and currents are shown.
Die erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist einen Leistungshalbleiterschalter T1, der einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss C und E und einen Steueranschluss G aufweist, und eine mit dem Leistungshalbleiterschalter T1 elektrisch leitend verbundenen Steuereinrichtung 6 auf. The power semiconductor device according to the invention 1 has a power semiconductor switch T1 that have a first and a second load current connection C. and E and a control port G has, and one with the power semiconductor switch T1 control device connected in an electrically conductive manner 6 on.
Der Leistungshalbleiterschalter T1 liegt im Allgemeinen in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vor. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass bei den Ausführungsbeispielen der Leistungshalbleiterschalter T1 in Form eines IGBTs vorliegt und der erste Laststromanschluss C in Form des Kollektors des IGBTs und der zweite Laststromanschluss E in Form des Emitters des IGBTs und der Steueranschluss G in Form des Gates des IGBTs vorliegt.The power semiconductor switch T1 is generally in the form of a transistor, such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). It should be noted at this point that in the exemplary embodiments, the power semiconductor switch T1 is in the form of an IGBT and the first load current connection C. in the form of the collector of the IGBT and the second load current connection E in the form of the emitter of the IGBT and the control connection G is in the form of the gate of the IGBT.
Die Steuereinrichtung 6 weist eine Laststromänderungsermittlungseinrichtung 5a, 5b bzw. 5c auf, die dazu ausgebildet ist anhand eines durch den Leistungshalbleiterschalter T1 fließenden Laststroms I, ein Laststromänderungssignal Im' zu ermitteln, das eine zeitliche Änderung des Laststroms I angibt. Der Laststrom I fließt vom ersten zum zweiten Laststromanschluss C und E durch den Leistungshalbleiterschalter T1 hindurch, wobei bei vorhanden sein eines Sense-Emitteranschlusses SE, wie in 4 dargestellt, ein Bruchteil des Laststroms I durch den Sense-Emitteranschluss SE fließt.The control device 6 has a load current change determination device 5a , 5b respectively. 5c on, which is designed on the basis of a through the power semiconductor switch T1 flowing load current I. , a load current change signal In the' to determine the a temporal change in the load current I. indicates. The load current I. flows from the first to the second load current connection C. and E through the power semiconductor switch T1 through, with the presence of a sense-emitter connection SE , as in 4th shown, a fraction of the load current I. through the sense-emitter connection SE flows.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich die erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung 1 gemäß 3, bzw. genauer ausgedrückt, dass sich deren Steuereinrichtung 6, nur in der Ausbildung der Laststromänderungsermittlungseinrichtung 5b von den Leistungshalbleitereinrichtung 1 gemäß 1 und 4 unterscheiden, wobei im Falle der Leistungshalbleitereinrichtung 1 gemäß 4 der Leistungshalbleiterschalter T1 gegen über den Leistungshalbleitereinrichtungen 1 gemäß 1 und 3 einen zusätzlichen Sense-Emitteranschluss SE aufweist, durch den ein Bruchteil des Laststroms I fließt.It should be noted at this point that the power semiconductor device according to the invention 1 according to 3rd , or more precisely, that their control device 6 , only in the configuration of the load current change determination device 5b from the power semiconductor device 1 according to 1 and 4th distinguish, being in the case of the power semiconductor device 1 according to 4th the power semiconductor switch T1 against over the power semiconductor devices 1 according to 1 and 3rd an additional sense-emitter connection SE through which a fraction of the load current I. flows.
Bei der Leistungshalbleitereinrichtung 1 gemäß 1 weist die Laststromänderungsermittlungseinrichtung 5a eine zu dem ersten und zweiten Laststromanschlüssen C und E des Leistungshalbleiterschalter T1 elektrisch in Reihe geschaltete Strommesseinrichtung 3 auf, die einen zum Laststrom I proportionales Messstromsignal Im erzeugt und eine Laststromänderungsermittlungseinheit 4 auf, die aus dem Messstromsignal Im die zeitliche Änderung des Laststroms I ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt. Die Strommesseinrichtung 3 kann z.B. als elektrischer Shuntwiderstand oder als Stromwandler, insbesondere als Gleichstromwandler, ausgebildet sein. Die Laststromänderungsermittlungseinheit 4 kann aus dem Messstromsignal Im, die zeitliche Änderung des Laststroms I ermitteln und als Laststromänderungssignal Im' ausgeben, indem sie z.B. die zeitliche Ableitung (dlm/dt) des Messstromsignals Im ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt oder indem sie fortlaufend die Differenz (Im(t+ta)-Im(t); ta: zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Messwerten) von aufeinanderfolgenden zeitlich konstant beabstandeten Messwerten des Messstromsignals Im ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt. Es sei angemerkt, dass, falls notwendig, die Laststromänderungsermittlungseinheit 4 auch Mittel zur Potentialtrennung des Laststromänderungssignals Im' vom Messstromsignal Im und/oder Mittel zur Pegelanpassung des Laststromänderungssignals Im' an einen Eingangspegel der Ansteuereinrichtung 2 aufweisen kann.In the power semiconductor device 1 according to 1 has the load current change determining device 5a one to the first and second load power connections C. and E of the power semiconductor switch T1 electrically in series switched current measuring device 3rd on the one to the load current I. proportional measurement current signal Im generated and a load current change determination unit 4th based on the measurement current signal Im the temporal change of the load current I. determined and as a load current change signal In the' issues. The current measuring device 3rd can be designed, for example, as an electrical shunt resistor or as a current converter, in particular as a direct current converter. The load current change determination unit 4th can be from the measurement current signal Im, the temporal change in the load current I. determine and as load current change signal In the' output, for example, by determining the time derivative (dlm / dt) of the measuring current signal Im and as a load current change signal In the' outputs or by continuously determining the difference (Im (t + ta) -Im (t); ta: time interval between successive measurement values) of successive measurement values of the measurement current signal Im which are constantly spaced apart and as a load current change signal In the' issues. Note that, if necessary, the load current change determination unit 4th also means for potential isolation of the load current change signal In the' from the measurement current signal Im and / or means for level adjustment of the load current change signal In the' to an input level of the control device 2nd can have.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist die Leistungshalbleitereinrichtung 1 eine mit dem zweiten Laststromanschlüsse E des Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch verbundene Leitung 9 auf, wobei ein Abschnitt der Leitung 9 eine parasitäre Induktivität Ls aufweist. Alternativ könnte die Leitung 9 auch mit dem ersten Laststromanschlüsse C des Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch leitend verbunden sein. Die Laststromänderungsermittlungseinrichtung 5b weist eine Spannungserfassungseinrichtung 7 auf, die eine über der parasitären Induktivität Ls abfallende elektrische Induktivitätsspannung Us erfasst und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt. Die Induktivitätsspannung Us ergibt sich zu Us = Ls·dl/dt, so dass die Induktivitätsspannung Us der zeitlichen Ableitung des Laststroms I entspricht. Es sei angemerkt, dass, falls notwendig, die Spannungserfassungseinrichtung 7 auch Mittel zur Potentialtrennung des Laststromänderungssignals Im' von der Induktivitätsspannung Us und/oder Mittel zur Pegelanpassung des Laststromänderungssignals Im' an einen Eingangspegel der Ansteuereinrichtung 2 aufweisen kann.In the embodiment according to 3rd has the power semiconductor device 1 one with the second load current connections E of the power semiconductor switch T1 electrically connected line 9 on, taking a section of the line 9 has a parasitic inductance Ls. Alternatively, the line could 9 even with the first load current connections C. of the power semiconductor switch T1 be electrically connected. The load current change determination device 5b has a voltage detection device 7 which has an electrical inductance voltage dropping across the parasitic inductance Ls Us detected and as a load current change signal In the' issues. The inductance voltage Us results in Us = Ls · dl / dt, so that the inductance voltage Us the time derivative of the load current I. corresponds. It should be noted that, if necessary, the voltage detection device 7 also means for potential isolation of the load current change signal In the' from the inductance voltage Us and / or means for level adjustment of the load current change signal In the' to an input level of the control device 2nd can have.
Bei der Leistungshalbleitereinrichtung 1 gemäß 4 weist der Leistungshalbleiterschalter T1 einen Sense-Emitteranschluss SE auf, der dazu ausgebildet ist, dass durch ihn ein Bruchteil des Laststroms I fließt. Leistungshalbleiterschalter mit einem Sense-Emitteranschluss sind allgemein bekannter Stand der Technik. Die Laststromänderungsermittlungseinrichtung 5c weist einen mit dem Sense-Emitteranschluss SE elektrisch verbunden elektrischen Widerstand R auf. Der Bruchteil des Laststroms I, der durch den Sense-Emitteranschluss SE fließt, fließt auch durch den Widerstand R. Weiterhin weist die Laststromänderungsermittlungseinrichtung 5c eine Laststromänderungsermittlungseinheit 8 auf, die eine über dem Widerstand R abfallende elektrische Widerstandsspannung Ur erfasst und aus der Widerstandsspannung Ur die zeitliche Änderung des Laststroms I ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt.In the power semiconductor device 1 according to 4th has the power semiconductor switch T1 a sense emitter connection SE on, which is designed so that a fraction of the load current through it I. flows. Power semiconductor switches with a sense-emitter connection are generally known prior art. The load current change determination device 5c has one with the sense emitter connector SE electrically connected electrical resistance R on. The fraction of the load current I. through the sense emitter connector SE flows, also flows through the resistance R . Furthermore, the load current change determination device has 5c a load current change determination unit 8th on, the one above the resistance R falling electrical resistance voltage Great detected and from the resistance voltage Great the change in the load current over time I. determined and as a load current change signal In the' issues.
Die Laststromänderungsermittlungseinheit 8 kann aus der Widerstandsspannung Ur die zeitliche Änderung des Laststroms I ermitteln und als Laststromänderungssignal Im' ausgeben, indem sie z.B. die zeitliche Ableitung (dUr/dt) der Widerstandsspannung Ur ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt oder indem sie fortlaufend die Differenz (Ur(t+ta)-Ur(t); ta: zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Messwerten)) von aufeinanderfolgenden zeitlich konstant beabstandeten Messwerten der Widerstandsspannung Ur ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt. Es sei angemerkt, dass falls notwendig, die Laststromänderungsermittlungseinheit 8 auch Mittel zur Potentialtrennung des Laststromänderungssignals Im' von der Widerstandsspannung Ur und/oder Mittel zur Pegelanpassung des Laststromänderungssignals Im' an einen Eingangspegel der Ansteuereinrichtung 2 aufweisen kann.The load current change determination unit 8th can from the resistance voltage Great the change in the load current over time I. determine and as load current change signal In the' output by, for example, the time derivative (dUr / dt) of the resistance voltage Great determined and as a load current change signal In the' or by continuously counting the difference ( Great (t + ta) -Ur (t); ta: temporal distance between successive measured values)) of successive temporally constantly spaced measured values of the resistance voltage Great determined and as a load current change signal In the' issues. Note that, if necessary, the load current change determination unit 8th also means for potential isolation of the load current change signal In the' from the resistance voltage Great and / or means for level adjustment of the load current change signal In the' to an input level of the control device 2nd can have.
Die Steuereinrichtung 6 weist weiterhin eine Ansteuereinrichtung 2 auf, die dazu ausgebildet ist am Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T1 eine Ansteuerspannung Ua in Abhängigkeit eines Steuersignals A zum Ein- und Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T1 zu erzeugen. Das Steuersignal A wird von einer in 1, 3 und 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten übergeordneten Steuerung derart erzeugt, dass der Leistungshalbleiterschalter T1 im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1 ein- und ausschaltet wird. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels nimmt die Ansteuerspannung Ua einen Spannungswert ub zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T1 und einen negativen Spannungswert uc zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T1 an (siehe 2).The control device 6 also has a control device 2nd on, which is designed at the control connection G of the power semiconductor switch T1 a control voltage Among other things depending on a control signal A for switching the power semiconductor switch on and off T1 to create. The control signal A is from one in 1 , 3rd and 4th For the sake of clarity, the higher-level controller, not shown, is generated in such a way that the power semiconductor switch T1 in the operation of the power semiconductor device 1 is switched on and off. In the context of the exemplary embodiment, the control voltage increases Among other things a voltage value ub for switching on the power semiconductor switch T1 and a negative voltage value uc for turning off the power semiconductor switch T1 on (see 2nd ).
Die Ansteuereinrichtung 2 erzeugt in Abhängigkeit von dem Steuersignal A, die bei dem Ausführungsbeispiel zwischen dem Gate G und dem Emitter E des Leistungshalbleiterschalters T1 anliegende Ansteuerspannung Ua. Der Leistungshalbleiterschalters T1 wird in Abhängigkeit von der Höhe der jeweiligen Ansteuerspannung Ua ein- und ausgeschaltet. Das Steuersignal A liegt in Form eines Einschaltbefehls (z.B. in Form einer am Eingang der Ansteuereinrichtung 2 anstehenden logischen „1“) vor, der der Ansteuereinrichtung 2 signalisiert, dass der Leistungshalbleiterschalters T1 eingeschaltet werden soll, oder in Form eines Ausschaltbefehls (z.B. in Form einer am Eingang der Ansteuereinrichtung 2 anstehenden logischen „0“) vor, der der Ansteuereinrichtung 2 signalisiert, dass der Leistungshalbleiterschalter T1 ausgeschaltet werden soll.The control device 2nd generated depending on the control signal A that in the embodiment between the gate G and the emitter E of the power semiconductor switch T1 applied control voltage Among other things . The power semiconductor switch T1 is dependent on the level of the respective control voltage Among other things on and off. The control signal A is in the form of a switch-on command (eg in the form of a command at the input of the control device 2nd upcoming logical " 1 “) Before that of the control device 2nd signals that the power semiconductor switch T1 should be switched on, or in the form of a switch-off command (for example in the form of a at the input of the control device 2nd pending logical "0") before that of the control device 2nd signals that the power semiconductor switch T1 should be switched off.
Die Ansteuereinrichtung 2 ist bei der Erfindung dazu ausgebildet, dass wenn bei einem Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 das Laststromänderungssignal Im' einen Grenzwert GW überschreitet, den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung Ua beim Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 derart zu verändern, dass beim Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 die zeitliche Änderung des Laststroms I reduziert wird.The control device 2nd is designed in the invention so that when the power semiconductor switch is turned off T1 the load current change signal In the' a limit GW exceeds the time course of the control voltage Among other things when switching off the power semiconductor switch T1 to be changed in such a way that when the power semiconductor switch is switched off T1 the change in the load current over time I. is reduced.
In 2 sind die schematisierten zeitlichen Verläufe von in der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 auftretenden Signalen, Spannungen und Ströme bei einem Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 schematisiert dargestellt. Mit I1 ist der zeitliche Verlauf des Laststroms I und mit Ua1 der zeitliche Verlauf der Ansteuerspannung Ua bezeichnet, die sich techniküblich ergeben würden, wenn beim Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 keine erfindungsgemäße Veränderung des zeitlichen Verlaufs der Ansteuerspannung Ua bei Überschreiten eines Grenzwerts GW durchgeführt wird. Mit I2 ist der zeitliche Verlauf des Laststroms I, mit Ua2 ist der zeitliche Verlauf der Ansteuerspannung Ua und mit Im2' ist der zeitliche Verlauf des Laststromänderungssignals Im' bezeichnet, die sich ergeben, wenn beim Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 die erfindungsgemäße Veränderung des zeitlichen Verlaufs der Ansteuerspannung Ua, wenn die zeitliche Änderung des Laststroms I, d.h. das Laststromänderungssignals Im' den Grenzwert GW überschreitet, durchgeführt wird.In 2nd are the schematic temporal courses of in the power semiconductor device according to the invention 1 occurring signals, voltages and currents when the power semiconductor switch is switched off T1 represented schematically. With I1 is the time course of the load current I. and with Ua1 the time course of the control voltage Among other things referred to, which would result in the customary technology, when the power semiconductor switch is switched off T1 no change in time according to the invention of the control voltage Among other things when a limit is exceeded GW is carried out. With I2 is the time course of the load current I. , With Ua2 is the time course of the control voltage Among other things and with Im2 ' is the time course of the load current change signal In the' referred to, which arise when switching off the power semiconductor switch T1 the change according to the invention over time of the control voltage Among other things when the time change of the load current I. , ie the load current change signal In the' the limit GW exceeds, is carried out.
Zu Beginn ist der Leistungshalbleiterschalter T1 eingeschaltet. Der Laststrom I weist einen Stromwert ib und die Ansteuerspannung Ua einen Spannungswert ub auf, der ausreichend hoch ist, damit der Leistungshalbleiterschalters T1 eingeschaltet ist. Zum Zeitpunkt t0 empfängt die Ansteuereinrichtung 2 mittels des Steuersignals A einen Ausschaltbefehl zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T1. Die Ansteuereinrichtung 2 erniedrigt, bei Empfang des Ausschaltbefehls, die Ansteuerspannung Ua von dem Spannungswert ub auf den negativen Spannungswert uc. Da die Gate-Emitter-Kapazität des bei dem Ausführungsbeispiel als IGBT ausgebildeten Leistungshalbleiterschalters T1 von der Ansteuereinrichtung 2 umgeladen werden muss dauert es eine gewisse Zeitdauer bis die Ansteuerspannung Ua den negativen Spannungswert uc aufweist und der Leistungshalbleiterschalter T1 ab dem Zeitpunkt T3 ausgeschaltet ist. Zum Zeitpunkt t1 hat die Ansteuerspannung Ua einen derartig niedrigen Spannungswert erreicht, dass der Leistungshalbleiterschalter T1 beginnt sich auszuschalten, so dass der Laststrom I zu sinken beginnt. Wie am techniküblichen Verlauf I1 des Laststroms I zu erkennen ist, sinkt dieser zeitlich sehr schnell ab, so dass, bei einer techniküblichen Leistungshalbleitereinrichtung beim Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T1, die zeitliche Änderung des Laststroms I hohe Werte annehmen kann, was infolge der parasitären Induktivitäten der mit den Laststromanschlüssen C und E des Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch verbunden Leitungen, zu einer sehr hohen zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss C und E anliegenden Leistungshalbleiterhauptspannung Uce führen kann, was zu einer Zerstörung oder Beschädigung des Leistungshalbleiterschalters T1 führen kann.At the beginning is the power semiconductor switch T1 switched on. The load current I. has a current value ib and the drive voltage Among other things a voltage value ub which is sufficiently high for the power semiconductor switch T1 is switched on. At the time t0 receives the control device 2nd by means of the control signal A a switch-off command for switching off the power semiconductor switch T1 . The control device 2nd lowers the control voltage when the switch-off command is received Among other things from the voltage value ub to the negative voltage value uc. Since the gate-emitter capacitance of the power semiconductor switch designed as IGBT in the exemplary embodiment T1 from the control device 2nd it has to be reloaded it takes a certain amount of time until the control voltage Among other things has the negative voltage value uc and the power semiconductor switch T1 from the time T3 is switched off. At the time t1 has the control voltage Among other things reaches such a low voltage value that the power semiconductor switch T1 begins to turn off, so the load current I. begins to decline. As with the usual technology I1 of the load current I. can be seen, this decreases very quickly, so that, in a power semiconductor device customary in technology, when the power semiconductor switch is switched off T1 , the temporal change in the load current I. can assume high values, which is due to the parasitic inductance of the load current connections C. and E of the power semiconductor switch T1 electrically connected lines, to a very high one between the first and second load current connection C. and E applied power semiconductor main voltage Uce, which can destroy or damage the power semiconductor switch T1 can lead.
Um dies zu verhindern wird bei der Erfindung bei einem Ausschaltvorgang die zeitliche Änderung des Laststroms I, d.h. das Laststromänderungssignal Im' überwacht. Beim Ausführungsbeispiel überschreitet das Laststromänderungssignal Im' bzw. dessen Verlauf Im2' zum Zeitpunkt t2 den Grenzwert GW. Der zeitliche Verlauf Ua2 der Ansteuerspannung Ua wird beim Ausschaltvorgang daraufhin von der Ansteuereinrichtung 2 derart verändert, dass beim Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 die zeitliche Änderung des Laststroms I reduziert wird. Bis zum Zeitpunkt t2 sind die zeitliche Verlauf Ua1 und Ua2 der Ansteuerspannung Ua identisch. Ab dem Zeitpunkt t2 wird die Ansteuerspannung Ua derart von der Ansteuereinrichtung 2 erzeugt, dass deren Verlauf Ua2 langsamer bzw. weniger steil zu dem negativen Spannungswert uc hin verläuft als der Verlauf Ua1. Dies hat zur Folge, dass beim Ausschaltvorgang die zeitliche Änderung des Laststroms I reduziert wird, wie leicht an den Verläufen I1 und I2 der Lastströme in 2 zu erkennen ist. Der Verlauf I2 des Laststroms I verläuft bei der Erfindung deutlich weniger Steil als der technikübliche Verlauf I1 des Laststroms I. Die beim Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 auftretende hohe Leistungshalbleiterhauptspannung Uce wird somit bei der Erfindung deutlich reduziert. Zur Reduktion von bei einem Leistungshalbleitermodul an den Leistungshalbleiterschaltern auftretenden transienten Spannungen werden somit keine oder weniger Snubberkondensator benötigt.In order to prevent this, the change in the load current over time is carried out in the invention during a switch-off process I. , ie the load current change signal In the' supervised. In the embodiment, the load current change signal exceeds In the' or its course Im2 ' at the time t2 the limit GW . The course over time Ua2 the control voltage Among other things is then triggered by the control device when switching off 2nd changed such that when the power semiconductor switch is switched off T1 the change in the load current over time I. is reduced. Until now t2 are the time course Ua1 and Ua2 the control voltage Among other things identical. From the time t2 the control voltage Among other things such from the control device 2nd that generated their course Ua2 runs slower or less steeply towards the negative voltage value uc than the course Ua1 . As a result, the load current changes over time during the switch-off process I. is reduced how easy on the gradients I1 and I2 the load currents in 2nd can be seen. The history I2 of the load current I. In the case of the invention, the gradient is significantly less steep than the course customary in technology I1 of the load current I. . The when the power semiconductor switch is switched off T1 occurring high power semiconductor main voltage Uce is thus significantly reduced in the invention. In order to reduce the transient voltages that occur at the power semiconductor switches in a power semiconductor module, no or fewer snubber capacitors are required.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Veränderung des zeitlichen Verlaufs der Ansteuerspannung Ua bei Überschreiten des Grenzwerts GW dadurch erzielt, dass die Ausgangsimpedanz des Ausgangs der Ansteuereinrichtung 2, welcher mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, vergrößert wird. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass innerhalb der Ansteuereinrichtung 2, ein ansonsten mittels eines internen Halbleiterschalters elektrisch überbrückter Ausgangswiderstand des Ausgangs der Ansteuereinrichtung 2, welcher mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, durch Öffnen des internen Halbleiterschalters elektrisch wirksam geschalten wird, so dass bei Ausschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T1 die Gate-Emitter-Kapazität des bei dem Ausführungsbeispiel als IGBT ausgebildeten Leistungshalbleiterschalters T1 von der Ansteuereinrichtung 2 langsamer auf den negativen Spannungswert uc umgeladen wird.In the exemplary embodiment, the change in the time profile of the control voltage Among other things if the limit is exceeded GW thereby achieved that the output impedance of the output of the control device 2nd which with the control connection G of the power semiconductor switch is electrically connected, is increased. This can happen, for example, that within the control device 2nd , an output resistance of the output of the control device that is otherwise electrically bridged by means of an internal semiconductor switch 2nd which with the control connection G of the power semiconductor switch is electrically conductively connected, is effectively switched electrically by opening the internal semiconductor switch, so that when the power semiconductor switch is switched off T1 the gate-emitter capacitance of the power semiconductor switch designed in the exemplary embodiment as an IGBT T1 from the control device 2nd is slowly transferred to the negative voltage value uc.
