DE102018214955A1

DE102018214955A1 - Elektronische Schaltung und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102018214955A1
Application number: DE102018214955.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schuster; Paul Mehringer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-05
Also published as: JP2020054222A; US20200076320A1; FR3085565A1

Abstract

Elektronische Schaltung mit einem steuerbaren Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem ersten Zeitbereich einer vorgebbaren, vorzugsweise negativen, Halbwelle einer an eine Laststrecke des Halbleiterschalters anlegbaren periodischen elektrischen Spannung den Halbleiterschalter in Abhängigkeit der an der Laststrecke anliegenden Spannung zu aktivieren und eine von der an der Laststrecke anliegenden Spannung abhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters erst in einem auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereich freizugeben.

Description

Stand der Technik
Die Offenbarung betrifft eine elektronische Schaltung mit einem steuerbaren Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des steuerbaren Schalters.
Die Offenbarung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen elektronischen Schaltung.
Eine Schaltung der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2008 042 352 A1 bekannt. Bei der bekannten Schaltung wird eine Einschaltzeit und/oder Ausschaltzeit für den steuerbaren Schalter anhand eines Kennfeldes oder einer mathematischen Funktion berechnet. Dies erfordert einen vergleichsweise großen Aufwand zur Ansteuerung des Schalters und einen entsprechenden elektrischen Energieverbrauch.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein größerer Gebrauchsnutzen gegeben ist und die vorstehend genannten Nachteile des Stands der Technik vermindert oder vermieden werden.
Bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine elektronische Schaltung mit einem steuerbaren Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, in einem ersten Zeitbereich einer vorgebbaren, vorzugsweise negativen, Halbwelle einer an eine Laststrecke des Halbleiterschalters anlegbaren periodischen elektrischen Spannung den Halbleiterschalter in Abhängigkeit der an der Laststrecke anliegenden Spannung zu aktivieren und eine von der an der Laststrecke anliegenden Spannung abhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters erst in einem auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereich freizugeben. Dadurch ist eine zuverlässige Aktivierung des Halbleiterschalters in dem ersten Zeitbereich gegeben (beispielsweise bei dem Unterschreiten eines vorgebbaren Spannungswerts an der Laststrecke in dem ersten Zeitbereich), und gleichzeitig wird durch die Freigabe einer spannungsabhängigen Deaktivierung erst zu dem auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereich vermieden, dass bereits in dem ersten Zeitbereich eine unerwünschte (insbesondere zu frühe, bezogen auf die betrachtete Halbwelle) Deaktivierung des Halbleiterschalters erfolgt, wie sie beispielsweise aufgrund von Schwankungen der Spannung an der Laststrecke (z.B. bedingt durch das Aktivieren des Halbleiterschalters) auftreteten kann.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der steuerbare Schalter als Feldeffekttransistor ausgebildet. In diesem Fall entspricht die Laststrecke z.B. einer Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der steuerbare Schalter als Bipolartransistor oder IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) ausgebildet. In diesem Fall entspricht die Laststrecke z.B. einer Kollektor-Emitter-Strecke des Bipolartransistors oder IGBT.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine erste Größe zu ermitteln, die eine Dauer der vorgebbaren Halbwelle charakterisiert, und in Abhängigkeit der ersten Größe einen ersten Zeitpunkt zu ermitteln, der einen Übergang von dem ersten Zeitbereich zu dem zweiten Zeitbereich charakterisiert. Die erste Größe kann dabei z.B. einer halben Periodendauer der periodischen Spannung entsprechen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, in dem zweiten Zeitbereich einen Betrieb des Halbleiterschalters in Abhängigkeit der an der Laststrecke anliegenden Spannung zu steuern.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob die an der Laststrecke anliegende Spannung einen vorgebbaren ersten Schwellwert überschreitet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, den Halbleiterschalter zumindest teilweise zu deaktivieren (also hochohmig zu schalten), wenn die an der Laststrecke anliegende Spannung den vorgebbaren ersten Schwellwert überschreitet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Halbleiterschalter bzw. wenigstens ein Halbleiterschalter und die Steuereinrichtung auf demselben Halbleitersubstrat angeordnet sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass eine Sicherheitsabschaltungseinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den Halbleiterschalter zu deaktivieren, wenn die an der Laststrecke anliegende Spannung positiv ist und einen vorgebbaren zweiten Schwellwert überschreitet, wobei insbesondere die Sicherheitsabschaltungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Halbleiterschalter unabhängig von einem momentanen Betriebszustand der Steuereinrichtung zu deaktivieren. Besonders bevorzugt weist die Ansteuerung des Halbleiterschalters durch die Sicherheitsabschaltungseinrichtung eine höhere Priorität auf als die Ansteuerung des Halbleiterschalters durch die Steuereinrichtung. Dadurch ist sichergestellt, dass unabhängig von einem aktuellen Betriebszustand bzw. Fehlerzustand der Steuereinrichtung eine sichere Deaktivierung des Halbleiterschalters in unerwünschten Betriebszuständen (z.B. positive Spannung an der Laststrecke ist größer dem zweiten Schwellwert) erfolgen kann.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine aktive Gleichrichterschaltung mit wenigstens einer Schaltung gemäß den Ausführungsformen. Beispielsweise kann bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen sein, dass zu einer Gleichrichtung einer mehrphasigen Wechselspannung jeweils zwei Gleichrichterelemente je Phase in Reihe geschaltet werden, wobei als Gleichrichterelemente jeweils vorteilhaft ein Halbleiterschalter bzw. eine Schaltung gemäß den Ausführungsformen verwendbar ist. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen befindet sich der gleichrichtende Halbleiterschalter bei negativen Spannungen an der Laststrecke (bei MOSFET z.B. negative Drain-Source-Spannung) z.B. im leitenden Zustand und bei positiven Spannungen an der Laststrecke (z.B. positive Drain-Source-Spannung) im sperrenden Zustand. Dies ist effizient durch die Steuereinrichtung gemäß den Ausführungsformen erreichbar. Unerwünschte Fehlerzustände können darüberhinaus vorteilhaft mittels der vorstehend beschriebenen Sicherheitsabschaltungseinrichtung verhindert werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Schaltung mit einem steuerbaren Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters, wobei die Steuereinrichtung in einem ersten Zeitbereich einer vorgebbaren, vorzugsweise negativen, Halbwelle einer an eine Laststrecke des Halbleiterschalters anlegbaren periodischen elektrischen Spannung den Halbleiterschalter in Abhängigkeit der an der Laststrecke anliegenden Spannung aktiviert und eine von der an der Laststrecke anliegenden Spannung abhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters erst in einem auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereich freigibt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine erste Größe ermittelt, die eine Dauer der vorgebbaren Halbwelle charakterisiert und in Abhängigkeit der ersten Größe einen ersten Zeitpunkt ermittelt, der einen Übergang von dem ersten Zeitbereich zu dem zweiten Zeitbereich charakterisiert.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung in dem zweiten Zeitbereich einen Betrieb des Halbleiterschalters in Abhängigkeit der an der Laststrecke anliegenden Spannung steuert.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ermittelt, ob die an der Laststrecke anliegende Spannung einen vorgebbaren ersten Schwellwert überschreitet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung den Halbleiterschalter zumindest teilweise deaktiviert, wenn die an der Laststrecke anliegende Spannung den vorgebbaren ersten Schwellwert überschreitet.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen zum Betreiben einer aktiven Gleichrichterschaltung, wobei die aktive Gleichrichterschaltung insbesondere wenigstens eine Schaltung gemäß den Ausführungsformen aufweist.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:

1 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer elektronischen Schaltung gemäß einer Ausführungsform,
2 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform,
3 schematisch ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
4 Aschematisch einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen gemäß einer Ausführungsform,
4B eine Detailansicht des zeitlichen Verlaufs aus 4A,
5 schematisch ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
6 ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
7 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm gemäß einer weiteren Ausführungsform,
8 schematisch einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen gemäß einer weiteren Ausführungsform,
9 schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm gemäß einer weiteren Ausführungsform,
10 schematisch einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen gemäß einer weiteren Ausführungsform,
11 schematisch einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen gemäß einer weiteren Ausführungsform,
12 schematisch einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
13 schematisch ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

1 zeigt schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer elektronischen Schaltung 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Schaltung 100 weist einen steuerbaren Schalter 110 auf, der vorliegend als Halbleiterschalter, beispielhaft als MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) vom n-Typ ausgebildet ist. Bei anderen Ausführungsformen kann der steuerbare Schalter 110 auch als andersartiger MOSFET (z.B. p-Typ) oder auch als Bipolartransistor oder IGBT oder dergleichen ausgebildet sein. Der Halbleiterschalter 110 weist einen Source-Anschluss („Sourceelektrode“) S auf, der mit einem ersten elektrischen Bezugspotenzial BP1, beispielsweise dem Massepotenzial, verbunden ist. Weiter weist der Halbleiterschalter 110 einen Drain-Anschluss („Drainelektrode“) D auf, der mit einem zweiten elektrischen Bezugspotenzial BP2 verbunden ist. Das zweite Bezugspotenzial BP2 kann beispielsweise einer periodischen Spannung, insbesondere einer Phasenspannung K1 (s.u. 4A) eines Generators 400 (s.u. 9), entsprechen. Der Halbleiterschalter 110 weist ferner einen Gate-Anschluss („Gateelektrode“) G auf, auf den eine dem Halbleiterschalter 110 zugeordnete Steuereinrichtung 120 wirken kann, um den Betrieb des Halbleiterschalters 110 zu steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 120 den Gate-Anschluss G mit einem vorgebbaren Potenzial beaufschlagen, um die vorliegend als Drain-Source-Strecke ausgebildete Laststrecke 112 des Halbleiterschalters 110 in einen elektrisch leitenden Zustand („niederohmig“) bzw. einen sperrenden Zustand („hochohmig“) oder gegebenenfalls in einen zwischen dem leitenden Zustand und dem sperrenden Zustand befindlichen Zwischenzustand zu versetzen. In dem leitenden Zustand weist der Halbleiterschalter 110 bzw. seine Laststrecke 112 einen vergleichsweise geringen elektrischen Widerstand („R_DS,on “) von beispielsweise 0,1 Ohm oder weniger auf, sodass ein Laststrom über die Laststrecke 112 fließen kann, und in dem sperrenden Zustand weist die Laststrecke 112 einen vergleichsweise großen elektrischen Widerstand auf.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung 120 dazu ausgebildet, in einem ersten Zeitbereich einer vorgebbaren, vorzugsweise negativen, Halbwelle einer an die Laststrecke 112 des Halbleiterschalters 110 anlegbaren periodischen elektrischen Spannung U_L den Halbleiterschalter 110 in Abhängigkeit der an der Laststrecke 112 anliegenden Spannung U_L zu aktivieren und eine von der an der Laststrecke 112 anliegenden Spannung U_L abhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 erst in einem auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereich freizugeben. Dadurch ist eine zuverlässige Aktivierung des Halbleiterschalters 110 in dem ersten Zeitbereich gegeben (beispielsweise bei dem Unterschreiten eines vorgebbaren Spannungswerts an der Laststrecke 112 zu Beginn der beispielhaft betrachteten negativen Halbwelle), und gleichzeitig wird durch die Freigabe einer spannungsabhängigen Deaktivierung erst zu dem auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereich vermieden, dass bereits in dem ersten Zeitbereich eine unerwünschte (insbesondere zu frühe, bezogen auf die beispielhaft betrachtete negative Halbwelle) Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 erfolgt, wie sie ansonsten beispielsweise aufgrund von Schwankungen der Spannung (z.B. bedingt durch das Aktivieren des Halbleiterschalters) an der Laststrecke auftreteten kann.
2 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In einem ersten Schritt 200 aktiviert die Steuereinrichtung 120 (1) den Halbleiterschalter 110 in einem ersten Zeitbereich einer vorgebbaren Halbwelle einer an der Laststrecke 112 des Halbleiterschalters 110 anlegbaren periodischen elektrischen Spannung U_L in Abhängigkeit dieser an der Laststrecke 112 anliegenden Spannung U_L . In einem zweiten Schritt 210 (2) gibt die Steuereinrichtung 120 eine von der an der Laststrecke anliegenden Spannung U_L abhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 erst in einem auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereich frei. Mit anderen Worten wird die Aktivierung 200, also das Einschalten (niederohmig Schalten), des Halbleiterschalters 110 in dem ersten Zeitbereich in Schritt 200 spannungsabhängig vorgenommen, beispielsweise dann, wenn die an der Laststrecke 112 anliegende Spannung U_L einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet.
4A zeigt hierzu beispielhaft in Form einer ersten Kurve K1 einen zeitlichen Verlauf einer periodischen Phasenspannung eines Generators, z.B. Kraftfahrzeuggenerators, die im Sinne des vorstehend bereits unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen zweiten Bezugspotenzials BP2 an den Drain-Anschluss D des Halbleiterschalters 110 anlegbar ist. Aus 4A ist ersichtlich, dass positive Halbwellen HW0 der Phasenspannung beispielhaft Spannungswerte zwischen 0 Volt (V) und etwa 10 V annehmen. Negative Halbwellen HW können sich nicht mit einem vergleichbaren Betrag der Amplitude ausbilden, weil der Halbleiterschalter 110 in den entsprechenden Zeiträumen HW durch die Steuereinrichtung 120 eingeschaltet (also niederohmig) wird, wodurch er vorteilhaft als aktive Gleichrichterdiode bezüglich der Phasenspannung des Generators nutzbar ist. Dementsprechend weist die erste Kurve K1 in den jeweils einer negativen Halbwelle HW entsprechenden Zeiträumen Spannungswerte im Bereich von 0 V und etwa - 400 mV (Millivolt) auf, vergleiche auch die zweite Kurve K2, welcher dieselbe Skalierung auf der Zeitachse t zugeordnet ist wie der ersten Kurve K1, jedoch eine andere Skalierung der der Phasenspannung entsprechenden vertikalen Achse in 4A.
4B zeigt schematisch in Form der Kurve K3 eine Detailansicht des zeitlichen Verlaufs aus 4A, wobei der in 4B abgebildete Zeitbereich ZB im wesentlichen einer negativen Halbwelle HW der Phasenspannung des Generators entspricht. Zu dem Zeitpunkt t1 unterschreitet die Phasenspannung den Wert von 0 V. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen aktiviert die Steuereinrichtung 120 den Halbleiterschalter 110, wenn die Phasenspannung K3 einen Aktivierungsschwellwert U_SW_ON von beispielsweise etwa - 200 mV unterschreitet. Dies ist vorliegend zu dem Zeitpunkt t1' der Fall. Zu diesem Zeitpunkt beginnt demnach die Aktivierung des Halbleiterschalters 110. Die Aktivierung des Halbleiterschalters 110 ist zu dem weiteren Zeitpunkt t1" abgeschlossen. Infolge der Aktivierung des Halbleiterschalters 110 bricht die Differenzspannung K3 ein, vergleiche den Verlauf der Kurve K3 zwischen den Zeitpunkten t1', t1". Der weitere zeitliche Verlauf der Kurve K3 ab dem Zeitpunkt t1" ergibt sich durch den Verlauf eines der Phasenspannung entsprechenden Phasenstroms durch die Laststrecke 112 (1) des Halbleiterschalters 110 bezogen auf seinen Einschaltwiderstand (R_DS,on ).
Sobald die Phasenspannung K3 zu dem Zeitpunkt t2' einen auch als Deaktivierungsschwellwert bezeichenbaren vorgebbaren ersten Schwellwert U_SW_OFF erreicht, kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Halbleiterschalter 110 wieder ganz, oder optional auch teilweise, deaktiviert werden. Vorliegend erfolgt zu dem Zeitpunkt t2' eine Teildeaktivierung des Halbleiterschalters 110 durch entsprechende Ansteuerung seiner Gateelektrode G mittels der Steuereinrichtung 120. Durch die Teildeaktivierung erhöht sich der Widerstand der Laststrecke 112 des Halbleiterschalters, und die Phasenspannung K3 sinkt zu dem Zeitpunkt t2' entsprechend erneut ab, um sodann gemäß ihres periodischen Verhaltens weiter anzusteigen, bis zu dem Zeitpunkt t3' erneut der vorgebbare erste Schwellwert U_SW_OFF erreicht wird, zu dem nunmehr der Halbleiterschalter 110 vollständig deaktiviert wird, seine Laststrecke 112 mithin hochohmig geschaltet wird. Zu dem Zeitpunkt t3 erfolgt ein Nulldurchgang der Phasenspannung K3 zu positiven Spannungswerten hin, es beginnt also die nächste positive Halbwelle HW0. Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Prozess des zunächst teilweisen Deaktivierens des Halbleiterschalters 110 kann auch bereits zu dem Zeitpunkt t2', also dem erstmaligen Erreichen des vorgebbaren ersten Schwellwerts U_SW_OFF, eine vollständige Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 erfolgen. Bei dem vorstehend unter Bezugnahme auf 4B beschriebenen (zunächst teilweisen) Deaktivierungsszenario ist jedoch eine größere Effizienz gegeben, weil noch der Zeitraum t2' bis t3' zur Führung des Phasenstroms genutzt werden kann (Optimierung des Verlustleistungsgewinns).
Nach dem Zeitpunkt t3 folgt eine positive Halbwelle HW0 (4A), und danach kann der vorstehend beschrieben Ablauf ab dem Zeitpunkt t4 bis zu dem Zeitpunkt t6 analog zu dem Zeitbereich t2 bis t3 (4B) wiederholt werden, wobei der Zeitpunkt t5 wiederum vorteilhaft einen Übergang von einem ersten Zeitbereich der negativen Halbwelle zu dem zweiten Zeitbereich der negativen Halbwelle charakterisiert.
Wie vorstehend bereits angedeutet, ist die Steuereinrichtung 120 (1) bei bevorzugten Ausführungsformen dazu ausgebildet, in einem ersten Zeitbereich T1 (4B) der betrachteten (vorliegend negativen) Halbwelle HW der an die Laststrecke 112 des Halbleiterschalters 110 (1) anlegbaren periodischen elektrischen Spannung K3 (4B) den Halbleiterschalter 110 in Abhängigkeit der an der Laststrecke 112 anliegenden Spannung K3, U_L zu aktivieren (beispielsweise bei Unterschreiten des Aktivierungsschwellwerts U_SW_ON) und eine von der an der Laststrecke 112 anliegenden Spannung K3, U_L abhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 erst in einem auf den ersten Zeitbereich T1 folgenden zweiten Zeitbereich T2 freizugeben. Dadurch ist eine zuverlässige Aktivierung des Halbleiterschalters 110 gegeben (vorliegend zu dem Zeitpunkt t1'), und gleichzeitig wird durch die Freigabe der spannungsabhängigen Deaktivierung erst zu dem auf den ersten Zeitbereich T1 folgenden zweiten Zeitbereich T2 vermieden, dass bereits in dem ersten Zeitbereich T1 eine unerwünschte (insbesondere zu frühe, bezogen auf die betrachtete Halbwelle HW) Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 erfolgt, wie sie beispielsweise aufgrund von Schwankungen der Spannung (z.B. bedingt durch das Aktivieren des Halbleiterschalters) an der Laststrecke auftreteten kann. Wie aus 4B ersichtlich würde nämlich die Phasenspannung K3 den vorgebbaren ersten Schwellwert U_SW_OFF zwischen dem Zeitpunkt t1' und dem Zeitpunkt t1" überschreiten, was zu einer unerwünschten frühzeitigen Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 führen würde. Daher wird dem Prinzip gemäß den Ausführungsformen folgend eine spannungabhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters 110, vergleiche den vorgebbaren ersten Schwellwert U_SW_OFF, vorteilhaft erst in dem zweiten Zeitbereich T2 freigegeben, also erlaubt.
Damit ist bei besonders bevorzugten Ausführungsformen eine spannungsgesteuerte Aktivierung des Halbleiterschalters 110 zu dem Zeitpunkt t1' ermöglicht, der gleichzeitig den Anfang des ersten Zeitbereichs T1 charakterisiert (alternativ charakterisiert bereits der Nulldurchgang der Phasenspannung K3 zu negativen Spannungswerten hin zu dem Zeitpunkt t1 den Anfang des ersten Zeitbereichs T1). Sodann erfolgt ein zeitgesteuerter Betrieb für den Rest des ersten Zeitbereichs T1, bis hin zu dem Zeitpunkt t2, der einen Übergang zu den zweiten Zeitbereich T2 charakterisiert. In dem ersten Zeitbereich T1 ist nämlich, bis auf die Ausnahme des Aktivierens 200 (2) zu dem Zeitpunkt t1' (4B), keine (weitere) spannungsabhängige Steuerung des Halbleiterschalters 110 zugelassen bzw. freigegeben. Eine Freigabe für eine spannungabhängige Steuerung des Halbleiterschalters 110 erfolgt vielmehr erst mit dem Erreichen des zweiten Zeitbereichs T2, also mit bzw. nach dem Zeitpunkt t2, sodass die vorstehend bereits beschriebene spannungsabhängige vollständige oder zunächst teilweise Deaktivierung ab dem Zeitpunkt t2' erfolgen kann.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 120 (1) dazu ausgebildet ist, eine erste Größe zu ermitteln, die eine Dauer ZB (4B) der vorgebbaren Halbwelle HW charakterisiert, und in Abhängigkeit der ersten Größe den ersten Zeitpunkt t2 zu ermitteln, der einen Übergang von dem ersten Zeitbereich T1 zu dem zweiten Zeitbereich T2 charakterisiert. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der erste Zeitpunkt t2 beispielsweise so gewählt werden, dass er etwa einer Hälfte der Dauer der vorgebbaren Halbwelle HW entspricht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 120 (1) dazu ausgebildet ist, in dem zweiten Zeitbereich T2 (4B) einen Betrieb des Halbleiterschalters 110 in Abhängigkeit der an der Laststrecke 112 anliegenden Spannung K3, U_L zu steuern.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 120 dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob die an der Laststrecke 112 anliegende Spannung einen vorgebbaren ersten Schwellwert U_SW_OFF überschreitet, was wie vorstehend bereits beschrieben ein spannungsgesteuertes Deaktivieren des Halbleiterschalters 110 ermöglicht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 120 dazu ausgebildet ist, den Halbleiterschalter 110 zumindest teilweise zu deaktivieren, wenn die an der Laststrecke 112 anliegende Spannung K3, U_L den vorgebbaren ersten Schwellwert überschreitet. Dies entspricht dem vorstehend unter Bezugnahme auf 4B beschriebenen Betriebsszenario. 3 zeigt schematisch ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Schaltung 100a gemäß einer weiteren Ausführungsform. Eine Steuerlogik 122, die beispielsweise Teil einer Steuereinrichtung 120a für den Halbleiterschalter 110 ist, stellt Steuersignale S01', S02' bereit, die auf die Schalter S01, S02 wirken, mittels denen die Gateelektrode G des Halbleiterschalters 110 auf entsprechende Bezugspotenziale aufladbar ist, wodurch der Halbleiterschalter 110 aktiviert bzw. deaktiviert bzw. teilweise deaktiviert werden kann. Die Funktionalität der Steuereinrichtung 120a kann beispielsweise vergleichbar zu Funktionalität der vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Steuereinrichtung 120 sein.
Optional kann die Steuereinrichtung 120a bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine Diode D01 und einen Kondensator C01 aufweisen, die bezüglich des Drain-Anschlusses D und dem ersten Bezugspotenzial BP1 wie aus 3 ersichtlich in Reihe geschaltet sind. Dadurch kann der Kondensator C01 aufgeladen werden, wenn an dem Drain-Anschluss D eine positives Potenzial verglichen mit dem ersten Bezugspotenzial BP1 anliegt (beispielsweise während einer positiven Halbwelle HW0 (4A) einer an den Drain-Anschluss D angelegten Phasenspannung K1, K2, K3. Mit anderen Worten kann der Kondensator C01 während einer positiven Halbwelle HW0 der Phasenspannung aufgeladen werden. Die in dem Kondensator C01 gespeicherte, arbeitsfähige elektrische Ladung kann sodann vorteilhaft während einer auf die positive Halbwelle HW0 folgenden negativen Halbwelle HW der an den Drain-Anschluss D angelegten Phasenspannung unter entsprechender Ansteuerung des Schalters S01 in die Gateelektrode G des Halbleiterschalters 110 umgeladen werden, um diesen zu aktivieren (beispielsweise spannungsgesteuert, vergleiche Zeitpunkt t1' gemäß 4B). Dadurch kann eine externe elektrische Energieversorgung zur Ansteuerung der Gateelektrode G vorteilhaft entfallen.
Weiter optional kann die Steuereinrichtung 120a bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine Spannungsstabilisierungsschaltung 124 (z.B. Zenerdiode) aufweisen, die die Ladespannung des Kondensators C01 stabilisiert.
5 zeigt schematisch ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die in 5 abgebildete Schaltung umfasst eine erste Zeitgeberschaltung (Timer) 1200a, eine zweite Zeitgeberschaltung 1200b sowie eine Verknüpfungslogik 1200c, welche in besonders energieeffizienter Weise die Steuersignale S01', S02' für die Ansteuerung des Halbleiterschalters 110 gemäß 3 bereitstellt. Die vorstehend unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Komponenten 1200a, 1200b, 12000c bzw. ihre Funktionalität kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen vorteilhaft in der Steuerlogik 122 gemäß 3 vorgesehen sein. Die elektrische Versorgung der Steuerlogik 122 kann dabei vorteilhaft ebenfalls aus dem Kondensator C01 erfolgen, so dass eine separate elektrische Energieversorgungseinrichtung für den Betrieb der Steuerlogik entbehrlich ist. Dies gilt bei weiteren Ausführungsformen auch für die weiter unten unter Bezugnahme auf 6 beschriebenen Schaltungskomponenten.
Die erste Zeitgeberschaltung 1200a gemäß 5 weist eine erste Stromquelle I1 auf, über die unter Steuerung mittels des Schalters S1 der Kondensator C1 aufladbar ist, und eine zweite Stromquelle 12, über die unter Steuerung mittels des zweiten Schalters S2 der Kondensator C1 entladbar ist. Bevorzugt sind beide Stromquellen I1, I2 jeweils als Konstantstromquelle ausgebildet, wobei der Betrag des durch die zweite Stromquelle I2 bereitgestellten Stroms doppelt so groß ist wie der Betrag des durch die erste Stromquelle E1 bereitgestellten Stroms (die Stromrichtung ist zueinander entgegengesetzt, um das vorstehend beschriebene Aufladen bzw. Entladen des Kondensators C1 zu ermöglichen). Für die Spannung an dem Kondensator C1 ergibt sich beispielhaft der in 8 mittels der Kurve K4 angedeutete zeitliche Verlauf. Ersichtlich entspricht ein Ende des Entladevorgangs des Kondensators C1 dem vorgebbaren Zeitpunkt t2, der einen Übergang von dem ersten Zeitbereich T1 (4B) zu dem zweiten Zeitbereich T2 charakterisiert, während sich ein Aufladevorgang über die gesamte Dauer ZB einer negativen Halbwelle HW erstreckt, vgl. den Zeitraum t4 bis t6 in 8. Bei bevorzugten Ausführungsformen korrespondiert somit das Aufladen des Kondensators C1 (5) mit einem „Lernen“ der Dauer ZB vgl. den Zeitraum t4 bis t6 in 8, die aufgrund einer variablen Drehzahl eines Generators, der die Phasenspannung bereitstellt, entsprechend schwanken kann. Das Entladen des Kondensators C1 mit bezogen auf das Laden doppelter Geschwindigkeit (durch betragsmäßig doppelt so großen Ladestrom, vgl. die Stromquelle 12) bewirkt somit die Festlegung des vorgebbaren Zeitpunkts t2 bzw. t5 (8) in der Mitte der Dauer ZB der Halbwelle HW (4B).
Mittels eines Schmitt-Triggers A6 (5) und eines nachgeschalteten UND-Glieds A8 wird in Abhängigkeit der Spannung an dem Kondensator C1 und dem Signal A_entladen ein Logiksignal A8' erzeugt, das der Verknüpfungslogik 1200c zuführbar ist. Die Schalter S1, S2 der ersten Zeitgeberschaltung 1200a werden vorliegend beispielhaft in Abhängigkeit der Signale A_laden, A_entladen gesteuert, die wie nachfolgend beschrieben beispielhaft und wiederum sehr energieeffizient mittels der Schaltung gemäß 6 ermittelt werden können.
6 zeigt einen Schmitt-Trigger A1, dem eingangsseitig ein die Phasenspannung (vergleiche beispielsweise Bezugszeichen K3 aus 4B) repräsentierendes Signal Phase zugeführt wird, und der hieraus ein binäres Signal Ph_neg erzeugt, welches angibt, wann eine negative Halbwelle HW ( 4B) vorliegt. Mit anderen Worten weist das Signal Ph_neg z.B. dann einen Wert von logisch eins auf, wenn eine negative Halbwelle HW der Phasenspannung vorliegt. Das Signal Phase kann in dem Fall eines Low-Side (LS-) Pfades beispielsweise von dem Drainanschluss D (3) des Halbleiterschalters 110, in dem Fall eines High-Side (HS-) Pfades vom Sourceanschluss S (3) abgeleitet werden.
6 zeigt ferner einen Zählerbaustein A2, insbesondere einen Wechselzähler, der beispielsweise mittels eines Flipflops realisierbar ist. Als Taktsignal CLK wird dem Wechselzähler A2 das Signal Ph_neg zugeführt, der in Abhängigkeit hiervon zwei Ausgangssignale count_2, count_2' bildet.
In Abhängigkeit der Signale Ph_neg, count_2, count_2' werden mittels zweier UND-Glieder A3, A4 die Signale A_laden, A_entladen, B_laden, B_entladen gebildet, wobei die beiden Signale A_laden, A_entladen wie vorstehend beschrieben für den Betrieb der ersten Zeitgeberschaltung 1200a genutzt werden.
Die zweite Zeitgeberschaltung 1200b weist eine zu der ersten Zeitgeberschaltung 1200a vergleichbare Struktur auf und dient zur Erzeugung des Logiksignals A9', das, zusammen mit den weiteren Signalen A8', Ph_neg mittels der Logikglieder A10, A5 in die zueinander komplementären Steuersignale S01', S02' transformiert wird für die Ansteuerung der Gateelektrode G des Halbleiterschalters 110.
Bei bevorzugten Ausführungsformen korrespondiert somit Aufladen des Kondensators C2 der zweiten Zeitgeberschaltung 1200b (5) mit einem „Lernen“ der Dauer ZB in dem Zeitraum t1 bis t3 in 8, und das Entladen des Kondensators C2 mit bezogen auf das Laden (Stromquelle 13) doppelter Geschwindigkeit (durch betragsmäßig doppelt so großen Ladestrom, vgl. die Stromquelle 14) bewirkt somit die Festlegung des vorgebbaren Zeitpunkts t5 bzw. t2 (8) in der Mitte der Dauer ZB der Halbwelle HW (4B).
Die vorstehend beschriebenen Zeitgeberschaltungen 1200a, 1200b können auch als Periodendauer-Zeitgeber bzw. PD-Timer bezeichnet werden, weil ein erster PD-Timer während einer ersten betrachteten (negativen) Halbwelle HW der Phasenspannung K3 die Dauer ZB der Halbwelle HW lernt, während der zweite PD-Timer während derselben betrachteten Halbwelle HW zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 110 verwendet wird, und umgekehrt. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind die Lernzeit (z.B. Zeitpunkt t1 bis t3 bzw. t4 bis t6) und die Ansteuerzeit (z.B. Zeitpunkt t1 bis t2 bzw. t4 bis t5) nicht gleich, sondern die Ansteuerzeit ist generell kürzer als die Lernzeit. Dies ist vorteilhaft, weil von Periode zu Periode der Phasenspannung eine Verkleinerung der Periodenzeit (und damit auch der Dauer ZB einer beispielhaft betrachteten negativen Halbwelle HW) eintreten kann (beispielsweise durch eine Drehzahländerung oder Stromänderung des Generators), über ein passives Gleichrichtungsfenster vorgehalten werden kann. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen beträgt das zeitliche Verhältnis zwischen Lernzeit und Ansteuerzeit typischerweise zwischen etwa 50 % bis etwa 99 %. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird die Lernzeit durch die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten t3, t1 gemäß 4B festgelegt, während die Ansteuerzeit mittels der Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten t2, t1 festgelegt wird. Die Lernzeit entspricht mit anderen Worten bei bevorzugten Ausführungsformen der Summe aus dem ersten Zeitbereich T1 und dem zweiten Zeitbereich T2, wohingegen die zeitgesteuerte Ansteuerzeit dem ersten Zeitbereich T1 entspricht und insbesondere zur Ermittlung des Zeitpunkts t2 nutzbar ist.
Das Prinzip gemäß den vorliegenden Ausführungsformen ermöglicht vorteilhaft mit Erreichung des ersten Zeitpunkts t2 (4B) die Nutzung eines spannungsgesteuerten Verfahrens für das Deaktivieren des Halbleiterschalters 110. Insbesondere kann bei bevorzugten Ausführungsformen der Halbleiterschalter 110 weiterhin angesteuert werden bzw. aktiviert bleiben, solange die anliegende Phasenspannung unterhalb des ersten Schwellwerts U_SW_OFF liegt.
Durch die Anwendung des Prinzips gemäß den Ausführungsformen mit einer Kombination aus Zeitsteuerung (erster Zeitbereich T1, beginnend mit einer Aktivierung des Halbleiterschalters 110) und Spannungssteuerung (zweiter Zeitbereich T2, Deaktivierung des Halbleiterschalters 110) wird vorteilhaft sichergestellt, dass auch bei niedrigen Phasenströmen eine Mindestansteuerung des Halbleiterschalters 110 gewährleistet ist und bei hohen Phasenströmen das Zeitfenster T2 der aktiven Ansteuerung noch erweitert wird (insbesondere Ausdehnung der Aufrechterhaltung der Aktivierung des Halbleiterschalters in dem Zeitbereich t2' bis t3').
Die vorstehend unter Bezugnahme auf 5 beschriebene beispielhafte Realisierung der PD-Timer 1200a, 1200b ist besonders vorteilhaft, da sich bei der Aufladung bzw. Entladung der betreffenden Kondensatoren C1, C2 mittels der Konstantstromquellen I1, I2, I3, I4 ein linearer Zusammenhang zwischen der Kondensatorspannung und der Zeit ergibt. Alternativ oder ergänzend kann bei weiteren Ausführungsformen eine Aufladung bzw. Entladung der Kondensatoren C1, C2 über einen Widerstand (nicht gezeigt) vorgesehen sein, wobei sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Spannung und der Zeit ergibt.
Alternativ oder ergänzend kann bei noch weiteren Ausführungsformen ein Zähler (nicht gezeigt) mit zeitdiskreter Ansteuerung über einen Taktgenerator genutzt werden. Die vorstehend genannten verschiedenen Ausführungsformen ermöglichen vorteilhaft jeweils eine präzise Ermittlung des ersten Zeitpunkts t2, der einen Übergang von den ersten Zeitbereich T1 zu dem zweiten Zeitbereich T2 charakterisiert.
Nachstehend sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen beschrieben. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Plausibilisierung vorgeschlagen. Hierzu wird auf den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannungen der PD-Timer 1200a, 1200b (5) verwiesen. Die Kurve K4 gemäß 8 stellt einen zeitlichen Verlauf der Spannung an dem Kondensator C1 des ersten PD-Timers 1200a dar, und die Kurve K5 stellt einen zeitlichen Verlauf der Spannung an dem Kondensator C2 des zweiten PD-Timers 1200b dar. Untersuchungen der Anmelderin zufolge werden bei einem realen System (beispielsweise Generator eines Kraftfahrzeugs) typischerweise nur bestimmte minimale und maximale Zeitdauern (bzw. Periodendauern der Phasenspannungen bzw. eine jeweils entsprechende Dauer ZB einer z.B. negativen Halbwelle HW (4B)) auftreten, abhängig z.B. von einem möglichen Drehzahlbereich und einer Polpaarzahl des Generators.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine korrelierende Mindestspannung U_PD-T_MIN (8) definiert und eine korrelierende Maximalspannung U_PD-T_MAX. Hierbei korreliert die Mindestspannung U_PD-T_MIN mit einer Maximaldrehzahl des Generators und die Maximalspannung U_PD-T_MAX mit einer Minimaldrehzahl des Generators, da die Dauer ZB ( 4B) des Ansteuerfensters mit steigender Drehzahl des Generators sinkt. Der Maximalwert ZB beträgt ZB = 30 / (n*PP), wobei PP die Polpaarzahl und n die Generatordrehzahl 1/min ist. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgeschlagen, dass die Kondensatorspannungen der Kondensatoren C1, C2 der PD-Timer 1200a, 1200b außerhalb des Spannungsbereichs zwischen der Maximalspannung U_PD-T_MAX und der Minimalspannung U_PD-T_MAX als unplausibel eingeschätzt werden (und optional zu Null gesetzt werden), wobei eine Gleichrichtung der Phasenspannung nach einer Überschreitung oder Unterschreitung des Spannungsbereichs zwischen der Maximalspannung U_PD-T_MAX und der Minimalspannung U_PD-T_MAX in einer nachfolgenden Periode der Phasenspannung z.B. rein passiv erfolgt, also durch eine parasitäre Diode (nicht gezeigt) des Halbleiterschalters 110. Eine entsprechende Logik (nicht gezeigt) für diese Plausibilisierung kann beispielsweise ebenfalls in der Steuereinrichtung 120 vorgesehen sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann diese Funktion vorteilhaft auch für eine Messung einer Temperatur („Chip-Temperatur“) eines den Halbleiterschalter 110 aufweisenden Halbleitersubstrats („Chip“) verwendet werden, da ein Spannungsabfall an der parasitären Diode (nicht gezeigt) des Halbleiterschalters 110 mit der Chip-Temperatur korreliert. Derartige Messungen können bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen beispielsweise zur Bestimmung einer thermischen Anbindung („R_th“) in einem Produktionszyklus genutzt werden. Für eine derartige Temperaturmessung wird bevorzugt sichergestellt, dass die aktive Ansteuerung des Halbleiterschalters 110 ausgeschaltet ist. Dies kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen beispielsweise über eine Vorgabe eines Ansteuerfensters außerhalb des o.g. Plausibilitätsbereichs U_PD-T_MIN bis U_PD-T_MAX erreicht werden.
7 zeigt schematisch ein vereinfachtes Blockdiagramm gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bezugszeichen 300 bezeichnet ein Halbleitersubstrat, auf dem sowohl der Halbleiterschalter 110 und die Steuereinrichtung 120 der Schaltung 100 angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine besonders klein bauende Konfiguration. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat 300 mit den Komponenten 110,120 ein so geringes Bauvolumen aufweisen, dass konventionelle, passive Gleichrichterdioden in einem entsprechenden Zielsystem (z.B. aktiver Gleichrichter) durch das Halbleitersubstrat 300 mit der elektronischen Schaltung 100 gemäß den Ausführungsformen ersetzt werden können. Dadurch ist vorteilhaft die Möglichkeit einer aktiven Gleichrichtung gegeben, die aufgrund des geringen Durchlasswiderstands der Laststrecke 112 des Halbleiterschalters 110 in seinem aktivierten, also eingeschalteten, Zustand weitaus geringere ohmsche Verluste bedingt als der Betrieb herkömmlicher Gleichrichterdioden. Des Weiteren ermöglicht die auf dem Halbleitersubstrat 300 angeordnete Schaltung 100 eine einfache Konstruktion, einfache Montage, die genannte kleine Baugröße, eine hohe mechanische Robustheit, und vergleichsweise geringen Herstellungskosten.
Die Schaltung 100, 100a gemäß den Ausführungsformen kann vorteilhaft in Form eines elektrischen Zweipols bereitgestellt werden, dessen erster Anschluss beispielsweise die Drainelektrode D (1) ist, und dessen zweiter Anschluss beispielsweise ein Masseanschluss (Sourceelektrode S) zum Anschluss an das erste Bezugspotenzial BP1 ist. Bei der optionalen Vorsehung des Kondensators C01 gemäß 3 ist ein sicherer autarker Betrieb der Schaltung 100a auch während negativer Halbwellen HW der an der Laststrecke 112 anliegenden Phasenspannung des Halbleiterschalters 110 gewährleistet. Besonders bevorzugt kann bei weiteren Ausführungsformen die Kapazität des Kondensators C01 vergleichsweise gering gewählt werden, beispielsweise etwa im Bereich einer Kapazität der Gateelektrode G des Halbleiterschalters 110 oder beispielsweise im Bereich von etwa 40 % bis etwa 150 % der Kapazität der Gateelektrode G des Halbleiterschalters 110. Untersuchungen der Anmelderin zufolge ist diese Kapazität ausreichend für eine sichere und vollständige Ansteuerung des Halbleiterschalters 110 während einer (z.B. negativen) Halbwelle HW der Phasenspannung (einschließlich z.B. des Betriebs der Schaltungskomponenten nach 5, 6). Für eine neuerliche Ansteuerung im Rahmen einer nachfolgenden weiteren (z.B. negativen) Halbwelle der Phasenspannung kann der Kondensator C01 durch eine entsprechende positive Halbwelle HW0 (4A) geladen werden, die auf die erste Halbwelle HW folgt, und so fort (Bootstrap-Prinzip).
Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist auch denkbar, mehrere Halbleiterschalter 110 und ihre zugeordneten Steuereinrichtungen 120 auf demselben Halbleitersubstrat 300, vergleiche 7, zu integrieren. Beispielsweise können zwei gleichartige oder verschiedenartige Halbleiterschalter 110 mit jeweils zugeordneter Steuereinrichtung 120 auf einem (selben) Halbleitersubstrat 300 integriert werden, wobei der erste integrierte Halbleiterschalter 110 einen sogenannten High-Side-Schalter bilden kann, und wobei der zweite integrierte Halbleiterschalter 110 einen sogenannten Low-Side-Schalter bilden kann.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine aktive Gleichrichterschaltung 500 mit wenigstens einer Schaltung 100, 100a gemäß den Ausführungsformen. 9 zeigt schematisch ein vereinfachtes Blockschaltbild hierzu.
Abgebildet ist ein Generator 400, z.B. ein Generator für ein Kraftfahrzeug, mit drei phasenbildenden Wicklungssträngen 402, 404, 406, die in Dreieckstopologie verschaltet sind. Die Gesamtheit aller Wicklungsstränge 402, 404, 406 bildet z.B. eine Ständerwicklung des Generators 400. Eine in an sich bekannter Weise mit einem Erregerstrom I_Err beaufschlagbare Erregerwicklung 408 ist dem Rotor (nicht gezeigt) des Generators 400 zugeordnet. Bei Rotation des Rotors und damit der Erregerwicklung 408 relativ zu der Ständerwicklung des Generators 400 wird in den phasenbildenden Wicklungssträngen 402, 404, 406 jeweils eine entsprechende Phasenspannung induziert, die über die Schaltungsknotenpunkte 410, 411, 412 der aktiven Gleichrichterschaltung 500 zuführbar ist, vgl. auch das Bezugszeichen 413.
Die aktive Gleichrichterschaltung 500 weist eine erste Serienschaltung 421 aus zwei elektronischen Schaltungen 100b_1, 100b_2 auf, die jeweils z.B. die Konfiguration 100 bzw. 100a gemäß den 1 bis 8 aufweisen, und die jeweils wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben als aktive Gleichrichter arbeiten. Die erste Serienschaltung 421 ist einer ersten Phase des Generators 400 zugeordnet, vgl. auch den Schaltungsknotenpunkt 410. Eine zweite Serienschaltung 422 aus vergleichbaren Zweipolen 100b_3, 100b_4 (jeweils ähnlich bzw. identisch zu der Konfiguration 100 bzw. 100a) ist in vergleichbarer Weise der zweiten Phase des Generators 400 zugeordnet, vgl. auch den Schaltungsknotenpunkt 411. Eine dritte Serienschaltung 423 aus vergleichbaren Zweipolen 100b_5, 100b_6 (jeweils ähnlich bzw. identisch zu der Konfiguration 100 bzw. 100a) ist in vergleichbarer Weise der dritten Phase des Generators 400 zugeordnet. An den Klemmen 502, 504 liegt dementsprechend eine durch die Gleichrichterschaltung 500 aktiv gleichgerichtete Ausgangsspannung U_A an.
Bei weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen kann die Schaltung 100, 100a, 100b_1, .., 100b_6 gemäß den Ausführungsformen vorteilhaft anstelle herkömmlicher passiver Dioden, beispielsweise Einpressdioden, zur Bereitstellung einer aktiven Gleichrichterschaltung 500 verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist aufgrund der vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschriebenen Ausführungsformen keine separate Ansteuerlogik erforderlich, weil jeder Schaltung 100, 100a gemäß den Ausführungsformen eine eigene Steuereinrichtung 120 zugeordnet ist, die besonders vorteilhaft auf demselben Substrat wie der zugeordneter Halbleiterschalter 110 der Schaltung 100, 100a angeordnet werden kann.
10 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der zwei Halbleiterschalter 110 gemäß den Ausführungsformen hintereinandergeschaltet sind, z.B. zur Gleichrichtung einer Phase einer Wechselspannung, vergleichbar zu der Serienschaltung 100b_1, 100b_2 gemäß 9. Ähnlich zu 8, Bezugszeichen K4, K5, zeigt 10 einen zeitlichen Verlauf von Spannungen K4', K5' der Kondensatoren C1, C2 der PD-Timer 1200a, 1200b aus 5. Kurve K6 gibt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung an der Laststrecke 112 (1) eines betrachteten Halbleiterschalters 110 (also z.B. die Drain-Source-Spannung UDS im Falle eines MOSFET 110) an, und die Kurve K6' entspricht der Kurve K6, dargestellt mit einer anderen Skalierung der vertikalen Achse. Die Kurven K7a, K7b geben die i.w. pulsförmigen „Diodenströme“ durch die Laststrecken der betrachteten Halbleiterschalter an. Der in 10 gezeigte zeitliche Verlauf entspricht i.w. einem ordnungsgemäßen Betrieb.
Demgegenüber zeigt 11 ein zu 10 vergleichbares Szenario, allerdings mit einer zu langen Ansteuerung über den PD-Timer-Nulldurchgang des gleichzurichtenden Signals, vgl. Zeitpunkt t10 und Kurve K4'. Die Abschaltung des betrachteten Halbleiterschalters erfolgt erst nach Ablauf des PD-Timers, nämlich zu dem Zeitpunkt t11 > t10, und ein Strom durch die Laststrecke des betreffenden Halbleiterschalters erreicht in Invers-Richtung Werte Ipk von bis zu etwa - 60A. Dies entspricht einem Fehlerfall, der Strom durch die Laststrecke fließt bezüglich der angestrebten Gleichrichtung „in die falsche Richtung“. Eine derartige zu lange Ansteuerung kann sich z.B. durch einen Fehler in der Steuereinrichtung 120 (1) ergeben.
Daher ist bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130 (13) vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, den Halbleiterschalter 110 (1) zu deaktivieren, wenn die an der Laststrecke 112 anliegende Spannung positiv ist und einen vorgebbaren zweiten Schwellwert überschreitet. Hierdurch kann der vorstehend unter Bezugnahme auf die 12 beschriebene Fehlerfall sicher vermieden werden. Besonders bevorzugt ist die Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130 dazu ausgebildet, den Halbleiterschalter 110 unabhängig von einem momentanen Betriebszustand (z.B. erster Zeitbereich T1, zweiter Zeitbereich T2, vgl. 4B) der Steuereinrichtung 120 (1) zu deaktivieren. Damit kann im Fehlerfall in jedem Betriebszustand der Steuereinrichtung 120 der Halbleiterschalter 110 sicher deaktiviert werden. Besonders bevorzugt weist die Ansteuerung des Halbleiterschalters 110 durch die Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130 eine höhere Priorität auf als die Ansteuerung des Halbleiterschalters 110 durch die Steuereinrichtung 120. Dadurch ist sichergestellt, dass unabhängig von einem aktuellen Betriebszustand bzw. Fehlerzustand der Steuereinrichtung 120 eine sichere Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 in unerwünschten Betriebszuständen (z.B. positive Spannung an der Laststrecke 112 größer dem zweiten Schwellwert) erfolgen kann.
Die Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130, vgl. 13, weist z.B. einen Komparator 132 auf, dem die aktuelle Spannung 131 an der Laststrecke 112 (1) zuführbar ist, und der diese Spannung 131 mit dem vorgebbaren zweiten Schwellwert vergleicht. Der vorgebbare zweite Schwellwert weist z.B. Werte zwischen etwa 10 mV und etwa 25 mV, bevorzugt etwa 18 mV bis etwa 22 mV auf, so dass die Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130 frühzeitig in einem Fehlerfall ansprechen kann. Ein Ausgang des Komparators 132 wirkt auf den Schalter 133, der ein entsprechendes Steuersignal OFF zur Deaktivierung des Halbleiterschalters 110 auf einen Anschluss 134 der Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130 ausgeben kann. Der Anschluss 134 wird bevorzugt direkt mit dem Steueranschluss bzw. Gate-Anschluss („Gateelektrode“) G des Halbleiterschalters 110 verbunden (z.B. zusätzlich zu dem Anschluss der Steuereinrichtung 120 an die Gateelektrode G), wodurch das Steuersignal OFF direkt auf die Gateelektrode G wirken und den Halbleiterschalter 110 deaktivieren (hochohmig schalten) kann. Besonders bevorzugt ist die Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130 so ausgelegt, dass sie mittels des Steuersignals OFF den Halbleiterschalter 110 auch dann sicher deaktivieren kann, wenn die Steuereinrichtung 120 selbst z.B. aufgrund eines Fehlers die Gateelektrode G so ansteuert, dass der Halbleiterschalter 110 nicht deaktiviert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Steuersignal OFF die Gateelektrode G des Halbleiterschalters 110 mit einer ausreichend großen Stromstärke auf ein elektrisches Potential umladen kann, das einer Deaktivierung (Hochohmigschalten) des Halbleiterschalters 110 entspricht, unabhängig von einem ggf. seitens der Steuereinrichtung 120 für die Gateelektrode G bereitgestellten Steuersignal, wie es beispielsweise durch die Schalter S01, S02 (3) erzeugbar ist.
12 zeigt schematisch ein zu 11 vergleichbares Szenario, bei dem jedoch unter Verwendung der vorstehend unter Bezugnahme auf 13 beschriebenen Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130 eine Sicherheitsabschaltung des betrachteten Halbleiterschalters im Fehlerfall erfolgt, wodurch ein unerwünschtes Ansteigen des Stroms durch die Laststrecke des betreffenden Halbleiterschalters in Invers-Richtung begrenzt werden kann. Wiederum wird der betrachtete Halbleiterschalter fehlerbedingt zu lange über den PD-Timer K4" angesteuert, im Unterschied zu 11 erfolgt bei dem Szenario gemäß 12 jedoch zu dem Zeitpunkt t12 eine Zwangsabschaltung des Halbleiterschalters 110 bei dem Erreichen des vorgebbaren zweiten Schwellwerts Uoff, der z.B. einer vergleichsweise kleinen positiven Spannung von etwa + 20 mV entspricht. Dadurch wird vorliegend der Strom in Invers-Richtung K7a durch die Laststrecke 112 (1) auf einen Spitzenwert Ipk von etwa -13,3A begrenzt, also betragsmäßig deutlich weniger als bei dem Szenario gemäß 11.
Besonders vorteilhaft kann auch die Sicherheitsabschaltungseinrichtung 130 zusammen mit dem Halbleiterschalter 110 bzw. wenigstens einem Halbleiterschalter 110 und der Steuereinrichtung 120 auf demselben Halbleitersubstrat angeordnet sein.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung des Verfahrens gemäß den Ausführungsformen zum Betreiben einer aktiven Gleichrichterschaltung 500, wobei die aktive Gleichrichterschaltung 500 insbesondere wenigstens eine Schaltung 100, 100a, 100b_1, .., 100b_6 gemäß den Ausführungsformen aufweist.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann besonders vorteilhaft zur Bereitstellung aktiver Gleichrichterschaltungen in Form eines Zweipols 100, 100a bzw. von mehrphasigen Gleichrichterschaltungen 500 genutzt werden. Ganz besonders vorteilhaft können damit aktive Gleichrichterschaltungen für Generatoren, insbesondere Drehstromgeneratoren (ein- oder mehrphasig), beispielsweise von Kraftfahrzeugen bereitgestellt werden. Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann überdies auch zur Gleichrichtung von elektrischen Spannungen beliebiger Wechselstromquellen wie beispielsweise Transformatoren und dergleichen genutzt werden. Auch hier ergeben sich vergleichbare Vorteile.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann zudem vorteilhaft als aktiver Zweipol 100, 100a für alle Schaltungen, insbesondere leistungselektronische Schaltungen, genutzt werden, die eine Freilaufdiode benötigen, beispielsweise für Pulswechselrichter, die beispielsweise mit IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) ausgestattet sind. Hierbei kann die elektronische Schaltung 100, 100a demnach als aktive Diode im Sinne einer Freilaufdiode für den bzw. die IGBTs verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008042352 A1 [0003]

Claims

Elektronische Schaltung (100; 100a) mit einem steuerbaren Schalter (110), insbesondere Halbleiterschalter (110), und einer Steuereinrichtung (120) zur Ansteuerung des Halbleiterschalters (110), wobei die Steuereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Zeitbereich (T1) einer vorgebbaren, vorzugsweise negativen, Halbwelle (HW) einer an eine Laststrecke (112) des Halbleiterschalters (110) anlegbaren periodischen elektrischen Spannung (U_L; K1, K2, K3) den Halbleiterschalter (110) in Abhängigkeit der an der Laststrecke (112) anliegenden Spannung (U_L; K1, K2, K3) zu aktivieren (200) und eine von der an der Laststrecke (112) anliegenden Spannung (U_L; K1, K2, K3) abhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters (110) erst in einem auf den ersten Zeitbereich (T1) folgenden zweiten Zeitbereich (T2) freizugeben (210).
Schaltung (100; 100a) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, eine erste Größe zu ermitteln, die eine Dauer (ZB) der vorgebbaren Halbwelle (HW) charakterisiert, und in Abhängigkeit der ersten Größe einen ersten Zeitpunkt (t2) zu ermitteln, der einen Übergang von dem ersten Zeitbereich (T1) zu dem zweiten Zeitbereich (T2) charakterisiert.
Schaltung (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, in dem zweiten Zeitbereich (T2) einen Betrieb des Halbleiterschalters (110) in Abhängigkeit der an der Laststrecke (112) anliegenden Spannung (U_L; K1, K2, K3) zu steuern.
Schaltung (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob die an der Laststrecke (112) anliegende Spannung (U_L; K1, K2, K3) einen vorgebbaren ersten Schwellwert (U_SW_OFF) überschreitet.
Schaltung (100; 100a) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, den Halbleiterschalter (110) zumindest teilweise zu deaktivieren, wenn die an der Laststrecke (112) anliegende Spannung (U_L; K1, K2, K3) den vorgebbaren ersten Schwellwert (U_SW_OFF) überschreitet.
Schaltung (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschalter (110) und die Steuereinrichtung (120) auf demselben Halbleitersubstrat (300) angeordnet sind.
Schaltung (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Sicherheitsabschaltungseinrichtung (130) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den Halbleiterschalter (110) zu deaktivieren, wenn die an der Laststrecke (112) anliegende Spannung positiv ist und einen vorgebbaren zweiten Schwellwert (Uoff) überschreitet, wobei insbesondere die Sicherheitsabschaltungseinrichtung (130) dazu ausgebildet ist, den Halbleiterschalter (110) unabhängig von einem momentanen Betriebszustand der Steuereinrichtung (120) zu deaktivieren.
Aktive Gleichrichterschaltung (500) mit wenigstens einer Schaltung (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Schaltung (100; 100a) mit einem steuerbaren Schalter (110), insbesondere Halbleiterschalter (110), und einer Steuereinrichtung (120) zur Ansteuerung des Halbleiterschalters (110), wobei die Steuereinrichtung (120) in einem ersten Zeitbereich (T1) einer vorgebbaren, vorzugsweise negativen, Halbwelle (HW) einer an eine Laststrecke (112) des Halbleiterschalters (110) anlegbaren periodischen elektrischen Spannung (U_L; K1, K2, K3) den Halbleiterschalter (110) in Abhängigkeit der an der Laststrecke (112) anliegenden Spannung (U_L; K1, K2, K3) aktiviert (200) und eine von der an der Laststrecke (112) anliegenden Spannung (U_L; K1, K2, K3) abhängige Deaktivierung des Halbleiterschalters (110) erst in einem auf den ersten Zeitbereich (T1) folgenden zweiten Zeitbereich (T2) freigibt (210).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung (120) eine erste Größe ermittelt, die eine Dauer (ZB) der vorgebbaren Halbwelle (HW) charakterisiert und in Abhängigkeit der ersten Größe einen ersten Zeitpunkt (t2) ermittelt, der einen Übergang von dem ersten Zeitbereich (T1) zu dem zweiten Zeitbereich (T2) charakterisiert.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei die Steuereinrichtung (120) in dem zweiten Zeitbereich (T2) einen Betrieb des Halbleiterschalters (110) in Abhängigkeit der an der Laststrecke (112) anliegenden Spannung (U_L; K1, K2, K3) steuert.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Steuereinrichtung (120), insbesondere in dem zweiten Zeitbereich (T2), ermittelt, ob die an der Laststrecke (112) anliegende Spannung (U_L; K1, K2, K3) einen vorgebbaren ersten Schwellwert (U_SW_OFF) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Steuereinrichtung (120) den Halbleiterschalter (110) zumindest teilweise deaktiviert, wenn die an der Laststrecke (112) anliegende Spannung (U_L; K1, K2, K3) den vorgebbaren ersten Schwellwert (U_SW_OFF) überschreitet.
Verwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 13 zum Betreiben einer aktiven Gleichrichterschaltung (500), wobei die aktive Gleichrichterschaltung (500) insbesondere wenigstens eine Schaltung (100; 100a) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist und/oder nach Anspruch 8 ausgebildet ist.