DE102018132410B4

DE102018132410B4 - Method for driving a series connection of two power semiconductor switches and driver circuit arrangement therefor

Info

Publication number: DE102018132410B4
Application number: DE102018132410.3A
Authority: DE
Inventors: Zoltan Klausz
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: DE102018132410A1

Abstract

Verfahren zum Treiben einer Reihenschaltung (2, 3) von zwei Leistungshalbleiterschaltern (4-7),- wobei jeder der beiden Leistungshalbleiterschalter (4-7) durch Ändern einer Steuerspannung an einem Steueranschluss (18) des Leistungshalbleiterschalters (4-7) getrieben wird,- wobei zum sanften Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters (4-7), um Überspannungen über dem Leistungshalbleiterschalter (4-7) zu vermeiden, der Steueranschluss (18) nach dem Trennen von einer eine einschaltende Spannung bereitstellenden ersten Spannungsquelle für mehrere, mit zwischenzeitlichen Unterbrechungen aufeinander folgende Teilzeiträume mit einer eine ausschaltende Spannung bereitstellenden zweiten Spannungsquelle verbunden wird, und- wobei Längen (t, t) der Teilzeiträume und der zwischenzeitlichen Unterbrechungen variabel programmiert werden dadurch gekennzeichnet, dass beim sanften Ausschalten die Steueranschlüsse (18) beider Leistungshalbleiterschalter (4-7) synchron mit der die ausschaltende Spannung bereitstellenden zweiten Spannungsquelle verbunden werden, während bei einem normalen Ausschalten die Steueranschlüsse (18) beider Leistungshalbleiterschalter (4-7) mit einem zeitlichen Versatz zueinander mit der die ausschaltende Spannung bereitstellenden zweiten Spannungsquelle verbunden werden.Method for driving a series circuit (2, 3) of two power semiconductor switches (4-7), - each of the two power semiconductor switches (4-7) being driven by changing a control voltage at a control connection (18) of the power semiconductor switch (4-7), - In order to gently switch off the power semiconductor switch (4-7) in order to avoid overvoltages across the power semiconductor switch (4-7), the control connection (18) after disconnection from a first voltage source providing a switching voltage for several successive ones with intermittent interruptions Partial periods is connected to a second voltage source providing a voltage that switches off, and - the lengths (t, t) of the partial periods and the intermittent interruptions being programmed variably, characterized in that the control connections (18) of both power semiconductor switches (4-7) are synchronized during gentle switching off with which the switching off voltage supplying second voltage source are connected, while during normal shutdown the control connections (18) of both power semiconductor switches (4-7) are connected to the second voltage source providing the switching-off voltage with a time offset to one another.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Treiben einer Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschaltern durch Ändern einer Steuerspannung an Steueranschlüssen der Leistungshalbleiterschalter. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for driving a series connection of two power semiconductor switches by changing a control voltage at control terminals of the power semiconductor switches. In particular, the invention relates to a method having the features of the preamble of independent patent claim 1.

Bei den Leistungshalbleiterschaltern kann es sich insbesondere um IGBT handeln. Die Steueranschlüsse der Leistungshalbleiterschalters werden auch als Gates bezeichnet.The power semiconductor switches can in particular be IGBTs. The control connections of the power semiconductor switch are also referred to as gates.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Treiberschaltungsanordnung zum Treiben der einer Reihenschaltung der Leistungshalbleiterschalter gemäß einem solchen Verfahren sowie auf eine Schaltungsanordnung mit der Reihenschaltung der Leistungshalbleiterschalter, die von der Treiberschaltungsanordnung getrieben werden, und auf eine aus zwei solchen Reihenschaltungen aufgebaute Wechselrichterhalbbrücke.The invention also relates to a driver circuit arrangement for driving a series connection of the power semiconductor switches according to such a method, as well as to a circuit arrangement with the series connection of the power semiconductor switches, which are driven by the driver circuit arrangement, and to an inverter half-bridge constructed from two such series connections.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Aus der DE 10 2006 036 569 B4 ist eine Treiberschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter, konkret einen IGBT, bekannt, die den Leistungshalbleiterschalter im Falle seiner Überlastung in mindestens zwei Stufen abschaltet. Das zweistufige Abschalten wird dann durchgeführt, wenn die in der Treiberschaltung gemessene Kollektor-Emitter-Spannung, die einen Indikator für die Überlastung darstellt, während der Einschaltphase des IGBT über einen Grenzwert ansteigt. Dies wird von einem Komparator detektiert. Zum zweistufigen Abschalten des Leistungshalbleiterschalters werden zwei mit zwei Stromquellen gekoppelte Komparatoren verwendet. Der erste Eingang des einen Komparators ist mit dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters verbunden, während der erste Eingang des anderen Komparators an eine Referenzspannungsquelle angeschlossen ist und der zweite Eingang des anderen Komparators mit dem zweiten Eingang des einen Komparators und mit einem Pin verbunden ist. Über den Pin sind zwei Parameter des mindestens zweistufigen Abschaltens einstellbar. Im Falle seiner Überlastung ist es nach den Worten der DE 10 2006 036 569 B4 ratsam, den IGBT sozusagen „weich“, das heißt mehrstufig, abzuschalten, da er beim schnellen Abschalten durch die Entstehung einer großen Kollektor-Emitter-Überspannung zerstört werden kann. Für das „weiche“ Abschalten des IGBT werden die Spannungsschwelle einer ersten Abschaltstufe sowie ein Zeitintervall, in dem die Spannungsschwelle auf einem bestimmten Spannungslevel gehalten wird, genutzt. Da die Werte für die Spannungsschwelle und das entsprechende Zeitintervall, in dem die Spannungsschwelle konstant gehalten wird, sehr stark für verschiedene IGBT-Typen und vom Aufbau eines damit realisierten Power-Inverters abhängen, sind diese nach dem Stand der Technik der DE 10 2006 036 569 B4 über zwei getrennte Pins und nach der Erfindung der DE 10 2006 036 569 B4 über einen Pin einstellbar. Konkret werden dazu an den Pin eine Zenerdiode und ein Kondensator angeschlossen. Die Treiberschaltung lädt den Kondensator mithilfe der beiden Stromquellen wechselweise auf und vergleicht die resultierende Spannung an dem Pin mit einer internen Referenzspannung. Die beiden Parameter, das heißt die Spannungsschwelle der ersten Abschaltstufe sowie das Zeitintervall, in dem die Spannungsschwelle auf dem bestimmten Spannungslevel gehalten wird, sind bei der bekannten Treiberschaltung nur durch Austausch von Bauteilen veränderbar. Das heißt, eine einmal ausgebildete Treiberschaltung kann nicht mehr an verschiedene Typen von IGBT und unterschiedlicher Aufbauten von Power-Invertern angepasst werden.From the DE 10 2006 036 569 B4 a driver circuit for a power semiconductor switch, specifically an IGBT, is known which switches off the power semiconductor switch in at least two stages in the event of its overload. The two-stage switch-off is carried out if the collector-emitter voltage measured in the driver circuit, which is an indicator of the overload, rises above a limit value during the switch-on phase of the IGBT. This is detected by a comparator. Two comparators coupled with two current sources are used to switch off the power semiconductor switch in two stages. The first input of one comparator is connected to the control terminal of the power semiconductor switch, while the first input of the other comparator is connected to a reference voltage source and the second input of the other comparator is connected to the second input of one comparator and to a pin. Two parameters for at least two-stage shutdown can be set via the pin. In case of its overload, it is according to the words of the DE 10 2006 036 569 B4 It is advisable to switch off the IGBT "softly", so to speak, that is, in several stages, since it can be destroyed by a large collector-emitter overvoltage if it is switched off quickly. For the "soft" shutdown of the IGBT, the voltage threshold of a first shutdown stage and a time interval in which the voltage threshold is kept at a certain voltage level are used. Since the values for the voltage threshold and the corresponding time interval in which the voltage threshold is kept constant depend very much for different IGBT types and on the structure of a power inverter implemented with them, they are according to the prior art of DE 10 2006 036 569 B4 via two separate pins and according to the invention of the DE 10 2006 036 569 B4 adjustable via a pin. Specifically, a Zener diode and a capacitor are connected to the pin. The driver circuit charges the capacitor alternately with the help of the two power sources and compares the resulting voltage at the pin with an internal reference voltage. The two parameters, that is, the voltage threshold of the first shutdown stage and the time interval in which the voltage threshold is kept at the specific voltage level, can only be changed in the known driver circuit by exchanging components. This means that once a driver circuit has been designed, it can no longer be adapted to different types of IGBT and different constructions of power inverters.

Aus der DE 10 2012 213 646 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines batteriebetriebenen Elektrogeräts mit einem elektrischen Verbraucher bekannt. Eine Versorgungsspannung des Verbrauchers wird durch Ansteuern eines Leistungsschalters mittels eines pulsweitenmodulierten Steuersignals erzeugt, das eine Frequenz von 0,5 bis 32 kHz aufweist. Der Leistungsschalter wird in einer durch das pulsweitenmodulierte Steuersignal vorgegebenen Einschaltphase eingeschaltet und in einer durch das pulsweitenmodulierte Steuersignal vorgegebene Ausschaltphase ausgeschaltet. Dabei wird in einer sich an die Einschaltphase anschließenden Zwischenphase eine am Leistungsschalter infolge eines abrupten Ausschaltens des Leistungsschalters am Ende der Einschaltphase auftretende induktive Spannungsüberhöhung durch ein- oder mehrmaliges Ein- und Wiederausschalten des Leistungsschalters abgebaut. In der Zwischenphase wird der Leistungsschalter mit einem Pulssignal angesteuert, dessen Frequenz dem Zwei- bis Zwanzigfachen der Frequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals entspricht. Dabei kann wenigstens ein im Zusammenhang mit der induktiven Spannungsüberhöhung stehender elektrischer Parameter des Elektrogeräts ermittelt werden und der Leistungsschalter in der Zwischenphase mit dem Pulssignal so angesteuert werden, dass dessen Frequenz, Tastverhältnis und/oder Dauer von der Höhe des aktuell ermittelten elektrischen Parameters abhängig ist. Auch die Anzahl der Ein- und Ausschaltvorgänge des Leistungsschalters in der Zwischenphase kann abhängig von der Höhe des aktuell ermittelten elektrischen Parameters gewählt werden.From the DE 10 2012 213 646 A1 a method for controlling a battery-operated electrical device with an electrical consumer is known. A supply voltage for the consumer is generated by activating a circuit breaker using a pulse-width modulated control signal that has a frequency of 0.5 to 32 kHz. The circuit breaker is switched on in a switch-on phase specified by the pulse-width-modulated control signal and switched off in a switch-off phase specified by the pulse-width modulated control signal. In this case, in an intermediate phase following the switch-on phase, an inductive excess voltage occurring on the circuit breaker as a result of an abrupt switch-off of the circuit breaker at the end of the switch-on phase is reduced by switching the circuit breaker on and off again one or more times. In the intermediate phase, the circuit breaker is controlled with a pulse signal whose frequency corresponds to two to twenty times the frequency of the pulse-width modulated control signal. At least one electrical parameter of the electrical device related to the inductive voltage increase can be determined and the circuit breaker can be controlled in the intermediate phase with the pulse signal so that its frequency, duty cycle and / or duration depends on the level of the currently determined electrical parameter. The number of switching on and off operations of the circuit breaker in the intermediate phase can also be selected depending on the level of the currently determined electrical parameter.

Aus der JP 2010/119184 A sind ein Verfahren zum Treiben einer Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschalter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschaltern bekannt, die von einer Treiberschaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 10 getrieben wird.From the JP 2010/119184 A a method for driving a series circuit of two power semiconductor switches with the features of the preamble of independent claim 1 and a series circuit of two power semiconductor switches are known, which is driven by a driver circuit arrangement with the features of the preamble of independent claim 10.

Aus der DE 10 2014 109 475 A1 ist eine elektronische Schaltung mit einem rückwärts leitenden IGBT und mit einer einen einschaltenden und einen ausschaltenden Halbleiterschalter aufweisenden Treiberschaltung bekannt. In einem ersten Zustand legt die Treiberschaltung eine einschaltende Gatespannung an den Treiberanschluss des Leistungshalbleiterschalters an. In einem zweiten Zustand liefert die Treiberschaltung eine erste ausschaltende Gatespannung, und in einem dritten Zustand liefert die Treiberschaltung eine von der ersten ausschaltenden Gatespannung abweichende zweite ausschaltende Gatespannung an den Treiberanschluss, bei der ein Dioden-Emitter-Wirkungsgrad des rückwärts leitenden IGBT von demjenigen bei der ersten ausschaltenden Gatespannung abweicht.From the DE 10 2014 109 475 A1 an electronic circuit is known with a reverse conducting IGBT and with a driver circuit having a switching-on and a switching-off semiconductor switch. In a first state, the driver circuit applies a gate voltage to be switched on to the driver terminal of the power semiconductor switch. In a second state, the driver circuit supplies a first turn-off gate voltage, and in a third state, the driver circuit supplies a second turn-off gate voltage that is different from the first turn-off gate voltage to the driver terminal, in which a diode-emitter efficiency of the reverse-conducting IGBT differs from that in the case of the first gate voltage to be switched off deviates.

Aus der DE 10 2008 041 269 A1 ist eine Treiberschaltung für einen Leistungstransistor bekannt, mit dem dem Leistungstransistor mithilfe von zwei Halbleiterschaltern ein pulsweitenmodulierter Schaltstrom zugeführt wird.From the DE 10 2008 041 269 A1 a driver circuit for a power transistor is known with which a pulse-width-modulated switching current is fed to the power transistor with the aid of two semiconductor switches.

Aus der US 2015/0155700 A1 ist eine Treiberschaltung für einen Leistungshalbleiterschalter bekannt, die einen Kurzschluss durch den Halbleiterschalter erkennt und den Strom durch den Leistungshalbleiterschalter während des Kurzschlusses durch Pulsweitenmodulation am Ausgang der Treiberspannung begrenzt.From the US 2015/0155700 A1 a driver circuit for a power semiconductor switch is known which detects a short circuit through the semiconductor switch and limits the current through the power semiconductor switch during the short circuit by means of pulse width modulation at the output of the driver voltage.

Aus der DE 10 2016 010 408 A1 ist eine Motorantriebsvorrichtung bekannt, die eine Motorantriebseinheit mit Treiberschaltungen für Leistungshalbleiterschalter aufweist. Die Treiberschaltungen sind zum Erkennen eines Überstroms durch die Leistungshalbleiterschalter und zum Begrenzen des Überstroms durch Pulsweitenmodulation ausgebildet.From the DE 10 2016 010 408 A1 a motor drive device is known which has a motor drive unit with driver circuits for power semiconductor switches. The driver circuits are designed to detect an overcurrent through the power semiconductor switch and to limit the overcurrent by means of pulse width modulation.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Treiben einer Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschaltern mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, dass eine einfache Anpassung an unterschiedliche Typen von Leistungshalbleiterschaltern oder darauf aufgebauten Leistungsschaltungen ermöglicht. Weiterhin sollen eine entsprechende Treiberschaltungsanordnung und Leistungsschaltungen mit solchen Treiberschaltungsanordnungen und Leistungshalbleiterschaltern aufgezeigt werden.The invention is based on the object of showing a method for driving a series circuit of two power semiconductor switches with the features of the preamble of independent claim 1 that enables simple adaptation to different types of power semiconductor switches or power circuits built on them. Furthermore, a corresponding driver circuit arrangement and power circuits with such driver circuit arrangements and power semiconductor switches are to be shown.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.The object of the invention is achieved according to the invention with the features of the independent claims. Further preferred embodiments according to the invention can be found in the dependent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Treiben einer Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschaltern, wobei jeder der beiden Leistungshalbleiterschalter durch Ändern einer Steuerspannung an einem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters getrieben wird, wobei zum sanften Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters, um Überspannungen über dem Leistungshalbleiterschalter zu vermeiden, der Steueranschluss nach dem Trennen von einer eine einschaltende Spannung bereitstellenden ersten Spannungsquelle für mehrere, mit zwischenzeitlichen Unterbrechungen aufeinanderfolgende Teilzeiträume mit einer eine ausschaltende Spannung bereitstellenden zweiten Spannungsquelle verbunden wird, werden Längen der Teilzeiträume und der zwischenzeitlichen Unterbrechungen variabel programmiert. Auf diese Weise ist es möglich, einen zeitlichen Verlauf der Steuerspannung an dem Steuerspannungsanschluss ohne Einschränkungen so festzulegen, wie es für den jeweiligen Typ des Leistungshalbleiterschalters oder einer daraus aufgebauten Leistungsschaltung sinnvoll ist. In a method according to the invention for driving a series connection of two power semiconductor switches, wherein each of the two power semiconductor switches is driven by changing a control voltage at a control terminal of the power semiconductor switch, the control terminal after disconnecting the power semiconductor switch to gently switch off the power semiconductor switch in order to avoid overvoltages across the power semiconductor switch a first voltage source providing a switching-on voltage is connected to a second voltage source providing a switching-off voltage for a plurality of partial periods following one another with intermediate interruptions, lengths of the partial periods and the intermediate interruptions are programmed to be variable. In this way, it is possible to define a time profile of the control voltage at the control voltage connection without restrictions in such a way that it makes sense for the respective type of power semiconductor switch or a power circuit constructed therefrom.

Insbesondere ist es bei der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht notwendig, irgendwelche elektrischen oder elektronischen Bauteile auszutauschen, um die Längen der Teilzeiträume und der zwischenzeitlichen Unterbrechungen zu variieren. Es wird auch nicht nur ein indirekter Einfluss auf die Längen der Teilzeiträume und der zwischenzeitlichen Unterbrechungen genommen, wie dies beim Austausch von elektronischen Bauteilen der Fall wäre, sondern diese werden direkt programmiert.In particular, when implementing the method according to the invention, it is not necessary to exchange any electrical or electronic components in order to vary the lengths of the partial periods and the interim interruptions. There is also not only an indirect influence on the length of the partial periods and the interim interruptions, as would be the case with the exchange of electronic components, but these are programmed directly.

Typischerweise sind die Längen der Unterbrechungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich größer als die Längen der an die angrenzenden Teilzeiträume. Konkret können die Unterbrechungen einmal bis zwanzigmal so lang wie die angrenzenden Teilzeiträume. Insbesondere können die Unterbrechungen zweimal bis zehnmal länger, also etwa fünfmal länger sein als die angrenzenden Teilzeiträume.Typically, the lengths of the interruptions in the method according to the invention are significantly greater than the lengths of the adjoining partial periods. Specifically, the interruptions can be one to twenty times as long as the adjacent partial periods. In particular, the interruptions can be twice to ten times longer, that is to say about five times longer, than the adjacent partial periods.

In absoluten Maßstäben kann die Länge der Teilzeiträume zwischen 1 ns und 100 ns und insbesondere zwischen 2 ns und 50 ns betragen. Dies entspricht einem oder wenigen Takten eines Mikrokontrollers mit einer Taktfrequenz im hohen Megahertzbereich. Ein Mikrokontroller mit einer Taktfrequenz von 100 MHz ermöglicht beispielsweise eine Signaländerung alle 10 ns.In absolute terms, the length of the partial time periods can be between 1 ns and 100 ns and in particular between 2 ns and 50 ns. This corresponds to one or a few clock cycles of a microcontroller with a clock frequency in the high megahertz range. A microcontroller with a clock frequency of 100 MHz enables a signal change every 10 ns, for example.

Neben den Längen der einzelnen Teilzeiträume, die gleich oder unterschiedliche sein können, und den zwischenzeitlichen Unterbrechungen, die ebenfalls gleich oder unterschiedliche sein können, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Anzahl der Teilzeiträume und der zwischenzeitlichen Unterbrechungen variabel programmiert, das heißt an den Typ des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters und eine darauf aufbauende Leistungsschaltung angepasst werden. Bevorzugt ist dabei eine größere Anzahl kurzer Teilzeiträume. Konkret kann die Anzahl der Teilzeiträume und damit auch der zwischenzeitlichen Unterbrechungen mindestens drei oder mindestens fünf oder auch mindestens zehn betragen.In addition to the lengths of the individual partial periods, which can be the same or different, and the interim interruptions, which can also be the same or different, the number of partial periods and the interim interruptions can also be variably programmed in the method according to the invention, i.e. to the type of respective power semiconductor switch and a power circuit based on it can be adapted. A larger number of short partial periods is preferred. Specifically, the number of part-time periods and thus also the interim interruptions can be at least three or at least five or at least ten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es weiterhin möglich, dass zum sanften Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters der Steueranschluss, nachdem er für mindestens einen der Teilzeiträume mit der zweiten Spannungsquelle, die die ausschaltende Spannung bereitstellt, verbunden wurde, für mindestens einen weiteren Teilzeitraum erneut mit der ersten Spannungsquelle verbunden wird, die die einschaltende Spannung bereitstellt. Hiermit kann bei Bedarf für eine neuerlichen Änderung der Spannung ein dem Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters in Richtung der einschaltenden Spannung gesorgt werden. Dabei ist eine Abfolge der Teilzeiträume und der weiteren Teilzeiträume, über die hinweg der Steueranschluss mit der zweiten beziehungsweise ersten Spannungsquelle verbunden wird, variabel programmierbar, so dass die Teilzeiträume und die weiteren Teilzeiträume beliebig kombiniert werden können.In the method according to the invention, it is also possible for the control connection to be reconnected to the first voltage source for at least one further partial period after it has been connected to the second voltage source, which provides the voltage to be switched off, for at least one of the partial periods to gently switch off the power semiconductor switch that provides the switching-on voltage. In this way, if necessary, a renewed change in the voltage at the control connection of the power semiconductor switch in the direction of the switching-on voltage can be ensured. A sequence of the partial periods and the further partial periods over which the control connection is connected to the second or first voltage source is variably programmable so that the partial periods and the further partial periods can be combined as desired.

Wie schon angesprochen wurde, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die Teilzeiträume als auch die zwischenzeitlichen Unterbrechungen unterschiedliche Längen aufweisen. Insbesondere kann die Länge eines ersten Teilzeitraums kürzer als die der folgenden Teilzeiträume sein. Insbesondere kann die Länge des ersten Teilzeitraums maximal 80 % oder auch nur maximal 50 % der Längen der folgenden Teilzeiträume betragen. Weiterhin können die Längen der Teilzeiträume monoton und auch streng monoton, d. h. kontinuierlich zunehmen, und zwar um insgesamt mindestens 25% oder 100 % bezogen auf die Länge des ersten Teilzeitraums.As already mentioned, in the method according to the invention both the partial periods and the interim interruptions can have different lengths. In particular, the length of a first partial period can be shorter than that of the following partial periods. In particular, the length of the first partial period can be a maximum of 80% or even a maximum of 50% of the lengths of the following partial periods. Furthermore, the lengths of the partial periods can be monotonic and also strictly monotonic, i.e. H. increase continuously, by a total of at least 25% or 100% based on the length of the first partial period.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Längen der Teilzeiträume und der zwischenzeitlichen Unterbrechungen sowie gegebenenfalls auch der weiteren Teilzeiträume in der Regel nicht von irgendeinem Messwert irgendeines Parameters abhängig, der an dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter erfasst wird. Vielmehr wird das sanfte Abschalten gemäß der variablen Programmierung dieser Längen in der Regel immer gleich durchgeführt, wenn dieses sanfte Abschalten sinnvoll ist. Das sanfte Abschalten kann auch grundsätzlich ausgeführt werden, wenn der Leistungshalbleiterschalter aufgrund eines auftretenden Fehlers abgeschaltet wird, selbst wenn der im Einzelfall vorliegende Fehler kein sanftes Abschalten zur Vermeidung von Überspannungen erfordert.In the method according to the invention, the lengths of the partial periods and the interim interruptions as well as possibly also the further partial periods are generally not dependent on any measured value of any parameter that is detected at the respective power semiconductor switch. Rather, the soft switch-off according to the variable programming of these lengths is usually always carried out in the same way if this soft switch-off makes sense. The soft switch-off can also be carried out in principle when the power semiconductor switch is switched off due to an occurring error, even if the error present in the individual case does not require a soft switch-off to avoid overvoltages.

Eine Durchführung des sanften Abschaltens auch im kontinuierlicher Schaltbetrieb des Leistungshalbleiterschalters verbietet sich jedoch wegen damit verbundener zusätzlicher Schaltverluste. So kann die variable Programmierung Bedingungen dafür umfassen, wann das sanfte Ausschalten des Leistungshalbleiterschalter durchgeführt wird. Diese Bedingungen können den Messwert mindestens eines an dem Leistungshalbleiterschalter erfassten Parameters einschließen.Carrying out the soft shutdown even in continuous switching operation of the power semiconductor switch is, however, prohibited because of the additional switching losses associated therewith. The variable programming can include conditions for when the power semiconductor switch is switched off gently. These conditions can include the measured value of at least one parameter detected at the power semiconductor switch.

Konkret können diese Bedingungen eine Entsättigung des Leistungshalbleiterschalters oder eine diese Entsättigung anzeigende über einen Spannungsgrenzwert erhöhte Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterschalters umfassen. Weitere Bedingungen können ein einen Stromgrenzwert überschreitender Kollektorstrom durch den Leistungshalbleiterschalter oder ein einen Änderungsgrenzwert überschreitender Anstieg des Kollektorstroms durch den Leistungshalbleiterschalter sein. Darüber hinaus können die Bedingungen das Vorliegen eines externen Schalte-sanft-ab-Signals umfassen.Specifically, these conditions can include desaturation of the power semiconductor switch or a collector-emitter voltage of the power semiconductor switch that is higher than a voltage limit value and indicates this desaturation. Further conditions can be a collector current through the power semiconductor switch that exceeds a current limit value or an increase in the collector current through the power semiconductor switch that exceeds a change limit value. In addition, the conditions may include the presence of an external switch-soft-down signal.

Auch wenn beim Treiben einer Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschaltern die Steueranschlüsse beider Leistungshalbleiterschalter normalerweise mit einem zeitlichen Versatz zueinander mit der die ausschaltende Spannung bereitstellenden zweiten Spannungsquelle verbunden werden, um die über der Reihenschaltung abfallende Spannung möglichst gleichmäßig über die beiden Leistungshalbleiterschalter zu verteilen, wird bei dem erfindungsgemäßen sanften Abschalten auf diesen Versatz verzichtet. Vielmehr werden die Steueranschlüsse beider Leistungshalbleiterschalter beim sanften Ausschalten synchron, d. h. gleichzeitig für die aufeinander folgenden Teilzeiträume mit der die ausschaltende Spannung bereitstellenden zweiten Spannungsquelle verbunden.Even if, when driving a series circuit of two power semiconductor switches, the control connections of both power semiconductor switches are normally connected to the second voltage source providing the switching-off voltage with a time offset to one another, in order to distribute the voltage drop across the series circuit as evenly as possible over the two power semiconductor switches, the inventive soft switch-off dispenses with this offset. Rather, the control connections of both power semiconductor switches are synchronized when switched off gently, i.e. H. at the same time connected to the second voltage source providing the switching-off voltage for the successive partial periods.

Eine erfindungsgemäße Treiberschaltungsanordnung zum Treiben einer Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschaltern gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren weist für jeden der beiden Leistungshalbleiterschalter eine Treiberschaltung zum Treiben des Leistungshalbleiterschalters mit einem ersten Eingang für eine einschaltende Spannung, mit einem zweiten Eingang für eine ausschaltende Spannung, mit einem Ausgang für ein Anschluss an den Steuereingang des Leistungshalbleiterschalters, mit einem einschaltenden Halbleiterschalter zwischen dem ersten Eingang und dem Ausgang, mit einem ausschaltenden Halbleiterschalter zwischen dem zweiten Eingang und dem Ausgang und einen variabel programmierbaren Mikrokontroller zum Ansteuern der beiden Halbleiterschalter auf. Bei Bedarf kann zwischen diesem Mikrokontroller und dem jeweiligen Halbleiterschalter eine Treiberstufe und/oder ein Level Shifter angeordnet sein, um die logischen Signale des Mikrokontrollers an den Halbleiterschalter und dessen elektrische Umgebung anzupassen. Konkret kann der programmierbare Mikrokontroller ein FPGA, das heißt ein field programmable gate array aufweisen oder auf solchem aufgebaut sein.A driver circuit arrangement according to the invention for driving a series circuit of two power semiconductor switches according to the method according to the invention has a driver circuit for each of the two power semiconductor switches for driving the power semiconductor switch with a first input for a switching-on voltage, with a second input for a switching-off voltage, with an output for a connection to the control input of the power semiconductor switch, with a switching-on semiconductor switch between the first input and the output, with a switching-off semiconductor switch between the second input and the output and a variably programmable microcontroller for controlling the two semiconductor switches. If necessary, a driver stage and / or a level shifter can be arranged between this microcontroller and the respective semiconductor switch in order to adapt the logic signals of the microcontroller to the semiconductor switch and its electrical environment. Specifically, the programmable microcontroller can have an FPGA, that is to say a field programmable gate array, or can be built on such.

Der Mikrokontroller kann einen Eingang für ein externes Schalte-sanft-ab-Signal und/oder einen Eingang für einen Messwert mindestens einer an dem Leistungshalbleiterschalter oder extern gemessenen elektrischen Größe aufweisen, die von der Treiberschaltung verarbeitet werden. The microcontroller can have an input for an external switch-gently-off signal and / or an input for a measured value of at least one electrical variable measured on the power semiconductor switch or externally, which is processed by the driver circuit.

Die erfindungsgemäße Treiberschaltung kann weiterhin einen ohmschen Widerstand von 0,1 Ohm bis 10 Ohm zwischen dem ersten Eingang und dem Ausgang und einen ohmschen Widerstand von 0,1 Ohm bis 10 Ohm zwischen dem zweiten Eingang und dem Ausgang aufweisen. Dabei können diese beiden ohmschen Widerstände durch denselben Widerstand im Sinne eines elektrischen Bauteils bereitgestellt werden. Die ohmschen Widerstände können aber auch unterschiedlich groß sein und durch unterschiedliche elektrische Bauteile bereitgestellt werden. Häufig betragen beide ohmschen Widerstände unabhängig voneinander zwischen 0,1 und 2 Ohm.The driver circuit according to the invention can furthermore have an ohmic resistance of 0.1 ohm to 10 ohm between the first input and the output and an ohmic resistance of 0.1 ohm to 10 ohm between the second input and the output. In this case, these two ohmic resistances can be provided by the same resistance in the sense of an electrical component. However, the ohmic resistances can also be of different sizes and be provided by different electrical components. Both ohmic resistances are often between 0.1 and 2 ohms independently of one another.

Bei einer Reihenschaltung von zwei Leistungshalbleiterschaltern, die von einer erfindungsgemäßen Treiberschaltungsanordnung angesteuert werden, weisen die beiden Treiberschaltungen einen gemeinsamen Mikrokontroller auf. Hierdurch wird der Aufwand für die Realisierung der Treiberschaltungen reduziert und zugleich eine abgestimmte Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Reihenschaltung sichergestellt.In the case of a series connection of two power semiconductor switches which are controlled by a driver circuit arrangement according to the invention, the two driver circuits have a common microcontroller. This reduces the effort required to implement the driver circuits and, at the same time, ensures that the power semiconductor switches in the series circuit are controlled in a coordinated manner.

Der gemeinsame Mikrokontroller ist dazu ausgebildet, die Halbleiterschalter der einen der beiden Treiberschaltungen mit einem festen oder programmierbaren zeitlichen Versatz zu den Halbleiterschaltern der anderen der beiden Treiberschaltungen anzusteuern. Der Mikrokontroller kann somit ein Delay bei der Ansteuerung der Halbleiterschalter der einen der beiden Treiberschaltungen gegenüber der Ansteuerung der Halbleiterschaltern der anderen der beiden Treiberschaltungen vorsehen und vorzugsweise auch optimieren, so dass ein Spannungsabfall über der Reihenschaltung gleichmäßig über die beiden Leistungshalbleiterschalter verteilt wird.The common microcontroller is designed to control the semiconductor switches of one of the two driver circuits with a fixed or programmable time offset to the semiconductor switches of the other of the two driver circuits. The microcontroller can thus provide and preferably also optimize a delay in the control of the semiconductor switches of one of the two driver circuits compared to the control of the semiconductor switches of the other of the two driver circuits, so that a voltage drop across the series circuit is evenly distributed over the two power semiconductor switches.

Der Mikrokontroller ist aber dazu ausgebildet, dieses Delay beim sanften Abschalten der beiden Leistungshalbleiterschalter zu kompensieren, um die beiden Leistungshalbleiterschalter beim sanften abschalten synchron anzusteuern.However, the microcontroller is designed to compensate for this delay when the two power semiconductor switches are switched off gently, in order to control the two power semiconductor switches synchronously when they are switched off gently.

Bei der erfindungsgemäßen Reihenschaltung weist jede der beiden Treiberschaltungen vorzugsweise eine Teilschaltung auf, die zum Active Clamping des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters ausgebildet ist. Diese Teilschaltung schützt die beiden Leistungshalbleiterschalter vor Überspannungen in Folge einer ungleichen Verteilung eines Spannungsabfalls über der Reihenschaltung auf die einzelnen Leistungshalbleiterschalter. Wenn die erfindungsgemäße Treiberschaltung jedoch für einen einzelnen Leistungshalbleiterschalter vorgesehen ist, weist sie eine solche Teilschaltung für ein Active Clamping in der Regel nicht auf, weil das erfindungsgemäße sanfte Abschalten die Schutzfunktion eines Active Clamping überflüssig macht.In the series circuit according to the invention, each of the two driver circuits preferably has a subcircuit which is designed for active clamping of the respective power semiconductor switch. This sub-circuit protects the two power semiconductor switches from overvoltages as a result of an uneven distribution of a voltage drop across the series circuit to the individual power semiconductor switches. However, if the driver circuit according to the invention is intended for a single power semiconductor switch, it generally does not have such a subcircuit for active clamping, because the soft shutdown according to the invention renders the protective function of active clamping superfluous.

Mithilfe der erfindungsgemäßen Reihenschaltungen kann insbesondere eine Wechselrichterhalbbrücke mit zwei Gleichstromeingängen und einem Wechselstromausgang aufgebaut werden, wobei zwischen jedem der Gleichstromeingängen und dem Wechselstromausgang eine erfindungsgemäße Reihenschaltung geschaltet ist.With the help of the series connections according to the invention, in particular an inverter half-bridge with two direct current inputs and one alternating current output can be constructed, a series connection according to the invention being connected between each of the direct current inputs and the alternating current output.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous further developments of the invention emerge from the patent claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are only exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention. Without changing the subject matter of the attached claims, the following applies to the disclosure content of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features different patent claims is also possible in a way that deviates from the selected back-references of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Features listed in the patent claims for further embodiments of the invention can also be omitted.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder Erzeugnis aufweist.The number of features mentioned in the claims and the description are to be understood in such a way that precisely this number or a greater number than the specified number is present without the need for the explicit use of the adverb “at least”. For example, when an element is mentioned, it is to be understood that there is exactly one element, two elements or more elements. The features cited in the patent claims can be supplemented by other features or be the only features that the respective method or product has.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the claims do not represent a restriction of the scope of the subject matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Wechselrichterhalbbrücke mit zwei erfindungsgemäßen Reihenschaltungen von je zwei Leistungshalbleiterschaltern, die jeweils über eine erfindungsgemäße Treiberschaltung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert werden.
2 zeigt einen exemplarischen Verlauf der Spannung an dem Steueranschluss eines Leistungshalbleiterschalters bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt in einem praktischen Versuch ermittelte Verläufe von Spannungen an den Steueranschlüssen von zwei Leistungshalbleiterschaltern einer erfindungsgemäßen Reihenschaltung, eines dadurch abgeschalteten Kollektorstroms und resultierenden Spannungsabfällen über den Leistungshalbleiterschaltern.
4 zeigt im Vergleich zu 3 die Steuerspannungen, den Kollektorstrom und die resultierenden Spannungsabfälle über den Leistungshalbleiterschaltern ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Abschaltüberspannung erreicht wird, ab der ein Active Clamping einsetzt.
5 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In the following, the invention is further explained and described with reference to preferred exemplary embodiments shown in the figures.

1 shows an inverter half bridge according to the invention with two series circuits according to the invention of two power semiconductor switches each, which are each controlled via a driver circuit according to the invention in accordance with the method according to the invention.
2 shows an exemplary profile of the voltage at the control connection of a power semiconductor switch when the method according to the invention is carried out.
3 shows curves of voltages determined in a practical experiment at the control connections of two power semiconductor switches of a series circuit according to the invention, a collector current that is switched off as a result, and the resulting voltage drops across the power semiconductor switches.
4th shows compared to 3 the control voltages, the collector current and the resulting voltage drops across the power semiconductor switches without using the method according to the invention, a switch-off overvoltage being achieved from which active clamping begins.
5 Figure 3 is a flow diagram of an embodiment of the method of the present invention.

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

Die in 1 dargestellte Wechselrichterhalbbrücke 1 umfasst zwei Reihenschaltungen 2 und 3 von je zwei Leistungshalbleiterschaltern 4 und 5 beziehungsweise 6 und 7. Die beiden Reihenschaltungen 2 und 3 sind jeweils zwischen einen Gleichstromeingang 8 beziehungsweise 9 und einen Wechselstromausgang 10 der Wechselrichterhalbbrücke 1 geschaltet. Jeder der Leistungshalbleiterschalter 4 bis 7 ist an eine Treiberschaltung 14 bis 17 angeschlossen, wobei jede der Treiberschaltungen einen ersten Eingang 11 für eine einschaltende Spannung und einen zweiten Eingang 12 für eine ausschaltende Spannung sowie einen Ausgang 13 aufweist, der an einen Steuereingang 18 des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters 4 bis 7 angeschlossen ist. Zwischen dem jeweiligen ersten Eingang 11 und dem Ausgang 13 ist ein einschaltender Halbleiterschalter 19 und zwischen dem jeweiligen zweiten Eingang 12 und dem Ausgang 13 ein ausschaltender Halbleiterschalter 20 angeordnet. Alle Halbleiterschalter 19 und 20 der beiden Treiberschaltungen 14 und 15 beziehungsweise 16 und 17 jeder der beiden Reihenschaltungen 2 und 3 werden über einen gemeinsamen Mikrokontroller 21 beziehungsweise 22 angesteuert, der als FPGA ausgebildet ist. Das heißt, die beiden Treiberschaltungen 14 und 15 teilen sich den Mikrokontroller 21 und die beiden Treiberschaltungen 16 und 17 den Mikrokontroller 22. Die Mikrokontroller 21 und 22 umfassen jeweils eine Potentialtrennungsvorrichtung 23 beispielsweise in Form eines digitalen Datenkopplers, die die unterschiedlichen elektrischen Potentiale, auf denen sich die einzelnen Halbleiterschalter 19 und 20 befinden, voneinander trennt. Die Leistungshalbleiterschaltern 4 und 5 sind typischerweise IGBT, während es sich bei den Halbleiterschaltern 19 und 20 vielfach um MOSFET handelt.In the 1 inverter half-bridge shown 1 comprises two series connections 2 and 3 of two power semiconductor switches each 4th and 5 respectively 6th and 7th . The two series connections 2 and 3 are each between a DC input 8th respectively 9 and an AC output 10 the inverter half bridge 1 switched. Each of the power semiconductor switches 4th to 7th is connected to a driver circuit 14th to 17th connected, each of the driver circuits having a first input 11 for a switching voltage and a second input 12 for a switching-off voltage and an output 13 has, which is connected to a control input 18th of the respective power semiconductor switch 4th to 7th connected. Between the respective first entrance 11 and the exit 13 is a switching semiconductor switch 19th and between the respective second input 12 and the exit 13 a switching off semiconductor switch 20th arranged. All semiconductor switches 19th and 20th of the two driver circuits 14th and 15th respectively 16 and 17th each of the two series connections 2 and 3 are via a common microcontroller 21st respectively 22nd controlled, which is designed as an FPGA. That is, the two driver circuits 14th and 15th share the microcontroller 21st and the two driver circuits 16 and 17th the microcontroller 22nd . The microcontrollers 21st and 22nd each include a potential separation device 23 for example, in the form of a digital data coupler that shows the different electrical potentials on which the individual semiconductor switches are located 19th and 20th located, separates from each other. The power semiconductor switches 4th and 5 are typically IGBT, while semiconductor switches are 19th and 20th is often a MOSFET.

Mithilfe der Mikrokontroller 21 und 22 kann die Ansteuerung der Halbleiterschalter 19 und 20 frei programmiert werden. Damit kann insbesondere zum sanften Ausschalten der Leistungshalbleiterschalter 4 bis 7, um Überspannungen über den Leistungshalbleiterschaltern 4 bis 7 zu vermeiden, der jeweilige Steueranschluss 18 nach dem Trennen von dem jeweiligen ersten Eingang 11, an dem die einschaltende Spannung anliegt, zunächst nur für mit zwischenzeitlichen Unterbrechungen aufeinanderfolgende Teilzeiträume mit dem jeweiligen zweiten Eingang 12 verbunden werden, an dem die ausschaltende Spannung anliegt, wobei sowohl die Längen dieser Teilzeiträume, als auch ihrer Anzahl als auch die Längen der dazwischen befindlichen Unterbrechungen variabel programmierbar sind. Die variable Programmierbarkeit der Mikrokontroller 21 und 22 erlaubt es auch, beim sanften Ausschalten ein beispielsweise durch die jeweilige Potentialtrennungsvorrichtung 23 verursachtes Delay zwischen den Signallaufzeiten zu den Halbleiterschalter 19 und 20 der beiden Treiberschaltungen 14 und 15 bzw. 16 und 17 zu null zu kompensieren, so dass alle einschaltenden Halbleiterschalter 19 bzw. ausschaltenden Halbleiterschalter 20 von dem jeweiligen Mikrokontroller 21 bzw. 22 synchron angesteuert werden. Im normalen Betrieb der Wechselrichterhalbbrücke 1 kann dieses Delay hingegen auf einen Wert optimiert werden, der eine gleichmäßige Aufteilung des Spannungsabfalls über der jeweiligen Reihenschaltung 2 bzw. 3 auf ihre beiden Leistungshalbleiterschalter 4 und 5 bzw. 6 und 7 sicherstellt.Using the microcontroller 21st and 22nd can control the semiconductor switch 19th and 20th can be freely programmed. This can be used, in particular, to gently switch off the power semiconductor switch 4th to 7th to avoid overvoltages across the power semiconductor switches 4th to 7th to avoid the respective control connection 18th after disconnecting from the respective first input 11 , at which the switching-on voltage is applied, initially only for partial periods of time with intermittent interruptions with the respective second input 12 to which the switching-off voltage is applied, the lengths of these partial periods as well as their number and the lengths of those in between Interruptions are variably programmable. The variable programmability of the microcontroller 21st and 22nd It also allows a gentle switch-off, for example by the respective potential separation device 23 caused delay between the signal propagation times to the semiconductor switch 19th and 20th of the two driver circuits 14th and 15th or. 16 and 17th to compensate zero, so that all semiconductor switches turn on 19th or switching off semiconductor switch 20th from the respective microcontroller 21st or. 22nd can be controlled synchronously. During normal operation of the inverter half-bridge 1 On the other hand, this delay can be optimized to a value that ensures an even distribution of the voltage drop across the respective series connection 2 or. 3 on their two power semiconductor switches 4th and 5 or. 6th and 7th ensures.

2 zeigt einen möglichen Verlauf der Spannung an dem Steuereingang 18 eines der Leistungshalbleiterschalter 4 bis 7. Links, beim Einschalten des Leistungshalbleiterschalters, steigt die Spannung durch Ausschalten des jeweiligen Halbleiterschalters 20 und Einschalten des jeweiligen Halbleiterschalters 19 an, wobei der Anstieg auf dem sogenannten Miller-Plateau verzögert ist. Das sanfte Ausschalten erfolgt, indem nach dem Ausschalten des einschaltenden Halbleiterschalters 19 der ausschaltende Halbleiterschalter 20 zunächst für zehn vorübergehende Teilzeiträume eingeschaltet wird, bevor er - noch vor Erreichen des Miller-Plateaus - dauerhaft eingeschaltet wird. 2 shows a possible course of the voltage at the control input 18th one of the power semiconductor switches 4th to 7th . On the left, when the power semiconductor switch is switched on, the voltage increases when the respective semiconductor switch is switched off 20th and switching on the respective semiconductor switch 19th the rise on the so-called Miller Plateau is delayed. Soft switching off takes place after the switching off of the switching semiconductor switch 19th the switching off semiconductor switch 20th is initially switched on for ten temporary partial periods before it is switched on permanently - even before the Miller plateau is reached.

3 zeigt entsprechende Messungen an einer Reihenschaltung 2 oder 3 gemäß 1, wobei ganz oben die Spannungen an dem Steuereingang 18 der beiden Halbleiterschalter 4 und 5 beziehungsweise 6 und 7 aufgetragen sind, während ganz unten ein in Form von zwei Teilströmen durch zwei parallele Anschlüsse gemessener Kollektorstrom durch die Leistungshalbleiterschalter dargestellt ist, der durch das Ausschalten der Leistungshalbleiterschalter abgeschaltet wird. Dazwischen sind die aus dem Abschalten des Kollektorstroms resultierenden Spannungen über den Leistungshalbleiterschaltern aufgetragen. Es resultiert eine begrenzte Überspannung, die konkret um etwa ein Viertel niedriger ausfällt als in dem in 4 dargestellten Vergleichsfall, in dem nach dem Öffnen des einschaltenden Halbleiterschalters 19 der jeweilige ausschaltende Halbleiterschalter 20 sofort dauerhaft geschlossen wird. Die dabei erreichten Spannungen über den Leistungshalbleiterschaltern werden so groß, dass ein Active Clamping einsetzt, das zu einem vorübergehenden Strom durch eine Active Clamping Teilschaltung der Treiberschaltung vom Kollektor zum Gate des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters und einer entsprechenden vorübergehenden Erhöhung der Spannung an dem Steueranschluss 18 führt, die einen weiteren Anstieg des Spannungsabfalls über dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter verhindert. 3 shows corresponding measurements on a series connection 2 or 3 according to 1 , with the voltages at the control input at the top 18th of the two semiconductor switches 4th and 5 respectively 6th and 7th are plotted, while at the very bottom a collector current measured in the form of two partial currents through two parallel connections through the power semiconductor switch is shown, which is switched off by switching off the power semiconductor switch. In between, the voltages resulting from switching off the collector current are plotted across the power semiconductor switches. The result is a limited overvoltage which is actually around a quarter lower than in the one in 4th Comparative case shown, in which after the opening of the switching semiconductor switch 19th the respective switching off semiconductor switch 20th is immediately closed permanently. The voltages reached across the power semiconductor switches are so high that active clamping begins, which leads to a temporary current through an active clamping subcircuit of the driver circuit from the collector to the gate of the respective power semiconductor switch and a corresponding temporary increase in the voltage at the control connection 18th leads, which prevents a further increase in the voltage drop across the respective power semiconductor switch.

Die in 5 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beginnt mit einer Überprüfung 24, ob ein Fehler vorliegt, der ein sanftes Abschalten des Leistungshalbleiterschalters 4 bis 7 erforderlich oder zumindest sinnvoll macht. Dazu wird geprüft, ob mindestens eine von zuvor definierten Bedingungen für das sanfte Abschalten erfüllt ist. Wenn dies der Fall ist, wird in einem Schritt 25 zunächst der entsprechende einschaltende Halbleiterschalter 19 ausgeschaltet. Anschließend wird in einem Schritt 26 für einen Zeitraum gewartet, der sicherstellt, dass kein Querstrom zwischen den Eingängen 11 und 12 über die Halbleiterschalter 19 und 20 fließt, wenn anschließend der entsprechende Halbleiterschalter 20 geschlossen wird. Die Länge dieses Zeitraums ist variabel programmierbar, wird aber so kurz festgelegt, wie es bei den konkret verwendeten Halbleiterschaltern 19 und 20 möglich ist. Dann wird der entsprechende ausschaltende Halbleiterschalter 20 in einem Schritt 27 für einen Teilzeitraum, dessen Länge t₁ variabel programmierbar ist, vorübergehend eingeschaltet. Anschließend wird in einem Schritt 28 für eine Unterbrechung, deren Länge t₂ ebenfalls variabel programmierbar ist, der jeweilige Halbleiterschalter 20 wieder ausgeschaltet. Nach oder auch schon während dieser Unterbrechung wird in einem Schritt 29 ein Schleifenzählindex n um 1 erhöht und dann bei einer Überprüfung 30 mit einer variabel programmierbaren Anzahl no von Wiederholungen verglichen, bevor bei einer Wiederholung 31, falls n noch kleiner als no ist, die Schritte 27 bis 30 wiederholt werden. Wenn n hingegen no erreicht hat, wird ein Schritt 32 durchgeführt, in dem der ausschaltende Halbleiterschalter 20 permanent geschlossen wird. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Längen t₁ der no Teilzeiträume, für die der Halbleiterschalter 20 vorübergehende geschlossen wird, bevor er dauerhaft geschlossen wird, ebenso wie die Längen t₂ der Unterbrechungen zwischen diesen Teilzeiträumen gleich lang. Grundsätzlich kann jedoch die Länge t₁ jedes der Teilzeiträume und die Länge t₂ jeder der Unterbrechungen frei, d. h. unabhängig von allen anderen Längen t₁ und t₂ festgelegt werden.In the 5 The illustrated embodiment of the method according to the invention begins with a check 24 whether there is an error that causes the power semiconductor switch to switch off gently 4th to 7th necessary or at least makes sense. For this purpose, it is checked whether at least one of the previously defined conditions for soft shutdown is met. If so, it is done in one step 25th first of all the corresponding semiconductor switch that turns on 19th switched off. Then in one step 26th waited for a period of time to ensure that there is no cross current between the inputs 11 and 12 via the semiconductor switch 19th and 20th flows when then the corresponding semiconductor switch 20th is closed. The length of this period can be programmed variably, but is set as short as it is for the semiconductor switches actually used 19th and 20th is possible. Then the corresponding switching off semiconductor switch is activated 20th in one step 27 for a partial period, the length of which t ₁ is variably programmable, temporarily switched on. Then in one step 28 for an interruption whose length t ₂ The respective semiconductor switch is also variably programmable 20th turned off again. After or even during this interruption, one step takes place 29 a loop count index n increased by 1 and then on a check 30th with a variably programmable number no of repetitions compared before on one repetition 31 if n is even less than no, the steps 27 to 30th be repeated. If, however, n has reached no, then becomes a step 32 carried out, in which the switching off semiconductor switch 20th is closed permanently. At the in 5 The illustrated embodiment of the method according to the invention are the lengths t ₁ the no partial periods for which the semiconductor switch 20th temporarily closed before closing permanently, as are the lengths t ₂ the interruptions between these partial periods are of the same length. In principle, however, the length t ₁ each of the part periods and the length t ₂ each of the interruptions free, ie independent of all other lengths t ₁ and t ₂ be determined.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: WechselrichterhalbbrückeInverter half bridge
22: ReihenschaltungSeries connection
33: ReihenschaltungSeries connection
4-74-7: LeistungshalbleiterschalterPower semiconductor switch
88th: GleichstromeingangDC input
99: GleichstromeingangDC input
1010: WechselstromausgangAC output
1111: Eingang für einschaltende SpannungInput for switching on voltage
1212: Eingang für ausschaltende SpannungInput for switching off voltage
1313: Ausgangoutput
14-1714-17: TreiberschaltungDriver circuit
1818th: SteueranschlussControl connection
1919th: einschaltender Halbleiterschalterswitching on semiconductor switch
2020th: ausschaltender Halbleiterschalterturning off semiconductor switch
2121st: MikrokontrollerMicrocontroller
2222nd: MikrokontrollerMicrocontroller
2323: DelayDelay
2424: ÜberprüfungVerification
2525th: Schrittstep
2626th: Schrittstep
2727: Schrittstep
2828: Schrittstep
2929: Schrittstep
3030th: ÜberprüfungVerification
3131: WiederholungRepetition
3232: Schrittstep
t₁ t ₁: Längelength
t₂ t ₂: Längelength
nono: Anzahl von WiederholungenNumber of repetitions

Claims

Method for driving a series circuit (2, 3) of two power semiconductor switches (4-7), - each of the two power semiconductor switches (4-7) being driven by changing a control voltage at a control connection (18) of the power semiconductor switch (4-7), - In order to gently switch off the power semiconductor switch (4-7) in order to avoid overvoltages across the power semiconductor switch (4-7), the control connection (18) after disconnection from a first voltage source providing a switching voltage for several successive ones with intermittent interruptions Partial periods is connected to a second voltage source providing a voltage that switches off, and - the lengths (t ₁ , t ₂ ) of the partial periods and the intermittent interruptions being programmed variably, characterized in that the control connections (18) of both power semiconductor switches (4-7 ) synchronously with the switching off e second voltage source providing voltage are connected, while during normal shutdown the control connections (18) of both power semiconductor switches (4-7) are connected to the second voltage source providing the voltage to be switched off with a time offset to one another.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the interruptions are 1 to 20 times or 2 to 10 times as long as the adjacent partial periods.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the partial time periods are between 1 ns and 100 ns or between 2 ns and 50 ns long.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a number (no) of the partial time periods and the interim interruptions are also programmed variably.

Procedure according to Claim 4 , characterized in that the number (no) of partial periods is at least 3 or at least 5 or at least 10.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the partial periods have different lengths (t ₁ ) and / or the interruptions in between have different lengths (t ₂ ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the length (t ₁ ) of a first of the partial periods is not more than 80% or 50% of the lengths (t ₁ ) of the following of the partial periods and / or the lengths (t ₁ ) of the Partial periods increase monotonically by a total of at least 25% or 100% based on the length (t ₁ ) of the first of the partial periods.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the variable programming comprises conditions when the soft switch-off is carried out and that the soft switch-off is carried out when it is determined that these conditions are met.

Procedure according to Claim 8 , characterized in that the conditions are selected from a group of conditions which includes: - a desaturation of the power semiconductor switch (4-7), - a collector-emitter voltage of the power semiconductor switch (4-7) which exceeds a voltage limit value, - a collector current exceeding a current limit value through the power semiconductor switch (4-7), - an increase in the collector current exceeding a change limit value through the power semiconductor switch (4-7) and - the presence of an external switch-gently-off signal.

Driver circuit arrangement for driving a series circuit (2, 3) of two power semiconductor switches (4-7) according to the method according to one of the preceding claims, wherein the driver circuit arrangement for each of the two power semiconductor switches (4-7) has a driver circuit (14-17) for driving the Power semiconductor switch (4-7), with - a first input (11) for a switching-on voltage, - a second input (12) for a switching-off voltage, - an output (13) for a connection to the control input (18) of the power semiconductor switch ( 4-7), - a switching semiconductor switch (19) between the first input (11) and the output (13) and - a switching semiconductor switch (20) between the second input (12) and the output (13) and - a variable programmable microcontroller (21, 22) for controlling the semiconductor switches (19, 20), characterized in that the two driver circuits (14-17) share a common microco ntroller (21, 22), which is designed to provide a delay in the control of the semiconductor switches (19, 20) of one of the two driver circuits (14, 15; 16, 17) to compensate for the control of the semiconductor switches (19, 20) of the other of the two driver circuits (14, 15; 16, 17) when the two power semiconductor switches (4-7) are switched off gently.

Driver circuit arrangement according to Claim 10 , characterized in that the microcontroller (21, 22) is designed to control the semiconductor switches (19, 20) of one of the two driver circuits (14, 15; 16, 17) with an adjustable time offset to the semiconductor switches (19, 20) to control the other of the two driver circuits (14, 15; 16, 17).

Driver circuit arrangement according to Claim 10 or 11 , characterized in that the microcontroller (21, 22) has an FPGA.

Driver circuit arrangement according to Claim 10 , 11 or 12 , characterized in that the microcontroller (21, 22) has an input for a switch-gently-off signal and / or an input for a measured value of at least one electrical variable measured on the power semiconductor switch (4-7) or externally.

Driver circuit arrangement according to one of the Claims 10 to 13 , characterized by an ohmic resistance of 0.1 ohms to 10 ohms or 0.1 to 2 ohms between the first input (11) and the respective output (13) and an ohmic resistance of 0.1 ohms to 10 ohms or of 0.1 to 2 ohms between the second input (12) and the respective output (13).

Circuit arrangement with - a series connection (2, 3) of two power semiconductor switches (4-7) and - a driver circuit arrangement for driving the two power semiconductor switches (4-7) according to one of the Claims 10 to 14th .

Circuit arrangement according to Claim 15 , characterized in that each of the two driver circuits (14, 15; 16, 17) has a sub-circuit which is designed for active clamping of the respective power semiconductor switch (4-7).

Inverter half bridge (1) with two direct current inputs (8, 9) and one alternating current output (10) and with two circuit arrangements according to Claim 15 or 16 , the series circuit (2; 3) of two power semiconductor switches (4, 5; 6, 7) of one of the two circuit arrangements being connected between each of the direct current inputs (8, 9) and the alternating current output (10).