DE102019000241B3

DE102019000241B3 - Circuit arrangement for galvanically isolated control of a charge-controlled circuit breaker made of the semiconductor silicon carbide

Info

Publication number: DE102019000241B3
Application number: DE102019000241.5A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2039-01-15

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines ladungsgesteuerten Leistungsschalters SiC-LT aus dem Halbleiter Siliciumcarbid wird ein Übertrager Ü verwendet, wobei ein positiver Impuls am Eingang des Übertrages Ü den Leistungsschalter SiC-LT einschaltet und ein negativer Impuls am Eingang des Übertragers Ü den Leistungsschalter SiC-LT ausschaltet. Die Einschalt- und Ausschaltimpulse werden nach den Schaltvorgängen am Leistungsschalter SiC-LT verlängert, indem die Ladung an der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters (SiC-LT) durch das Ausschalten der Feldeffekttransistoren F1 und F2 nicht mehr abfließen kann. Dadurch liegt am Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters SiC-LT dauerhaft eine positive oder negative Spannung an. Da Leistungsschalter aus Siliciumcarbid zum Einschalten eine positive Spannung und zum Ausschalten eine negative und vom Betrag deutlich kleinere Spannung benötigen, erzeugt die Schaltungsanordnung auf der Primärseite des Übertragers Ü die entsprechende Eingangsspannung Ue des Übertragers Ü für den Einschalt- und Ausschaltvorgang. Dabei wird die negative Spannung für den Ausschaltvorgang erzeugt, indem der mit den Eingangsklemmen A1Ü und A2Ü des Übertragers Ü verbundene Kondensator C3 beim Ausschaltvorgang auf die benötigte Spannung entladen wird. Dadurch ermöglicht die Schaltungsanordnung die Ansteuerung eines Siliciumcarbid Leistungsschalters, der zum Einschalten und Ausschalten verschiedene Amplituden benötigt.In a circuit arrangement for controlling a charge-controlled circuit breaker SiC-LT from the semiconductor silicon carbide, a transformer Ü is used, wherein a positive pulse at the input of the transmission Ü the circuit breaker SiC-LT turns on and a negative pulse at the input of the transformer Ü the power switch SiC-LT off. The switch-on and switch-off pulses are extended after the switching operations on the SiC-LT circuit breaker, in that the charge at the gate-source capacitance of the circuit breaker (SiC-LT) can no longer be discharged by switching off the field-effect transistors F1 and F2. As a result, a positive or negative voltage is permanently applied to the gate-source connection of the SiC-LT circuit breaker. Since silicon carbide circuit breakers require a positive voltage for switching on and a negative and significantly smaller voltage for switching off, the circuit arrangement on the primary side of the transformer U generates the corresponding input voltage Ue of the transformer Ü for the switch-on and switch-off operation. In this case, the negative voltage for the turn-off is generated by the connected to the input terminals A1Ü and A2Ü of the transformer Ü capacitor C3 is discharged during the turn-off to the required voltage. As a result, the circuit arrangement allows the control of a silicon carbide circuit breaker, which requires different amplitudes for switching on and off.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines ladungsgesteuerten Leistungsschalters aus dem Halbleiter Siliciumcarbid.The invention relates to a circuit arrangement for driving a charge-controlled circuit breaker from the semiconductor silicon carbide.

Bei dieser Schaltungsanordnung wird der Leistungsschalter SiC-LT aus Siliciumcarbid galvanisch isoliert mit einem Übertrager angesteuert. Dabei wird ein Übertrager verwendet, um mit Spannungsimpulsen einen Leistungsschalter SiC-LT ein- und auszuschalten. Ein ladungsgesteuerter Leistungsschalter SiC-LT benötigt zum Einschalten einen positiven Spannungsimpuls mit einer Amplitude von ca. 18V und zum sicheren Ausschalten einen negativen Spannungsimpuls von ca. -5V. In den meisten Fällen verändert sich das Tastverhältnis, so dass die Zeitdauer für den ausgeschalteten Zustand und die Zeitdauer für den eingeschalteten Zustand unterschiedlich ist. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass nur kurze Impulse zum Einschalten und kurze Impulse zum Ausschalten am Eingang des Übertragers anliegen, die auf der Sekundärseite des Übertragers mit einer Schaltung aus Feldeffekttransistoren verlängert werden. Es sind einige Schaltungsanordnungen bekannt, die diese Technik verwenden. Da die Amplituden zum Ein- und Ausschalten unterschiedlich sind, sind die bekannten Schaltungsanordnungen mit einem Übertrager nicht geeignet.In this circuit arrangement, the power switch SiC-LT made of silicon carbide is galvanically isolated with a transformer driven. A transformer is used to switch a power switch SiC-LT on and off with voltage pulses. A charge-controlled SiC-LT circuit breaker requires a positive voltage pulse with an amplitude of approx. 18V for switching on and a negative voltage pulse of approx. -5V for safe switching off. In most cases, the duty cycle changes so that the off-state time and the on-state time period are different. This problem is solved in that only short pulses to turn on and short pulses to turn off at the input of the transformer, which are extended on the secondary side of the transformer with a circuit of field effect transistors. There are some circuits known that use this technique. Since the amplitudes for switching on and off are different, the known circuit arrangements with a transformer are not suitable.

Aus US 2011 / 0019454A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der ein Siliciumcarbid JFET über einen Übertrager angesteuert wird. Dabei werden unterschiedliche Spannungen an den Eingang des Übertragers angelegt, indem primärseitig eine erste Spannung und eine zweite Spannung über zwei Halbbrücken umgeschaltet werden.From US 2011 / 0019454A1 a circuit arrangement is known in which a silicon carbide JFET is driven via a transformer. In this case, different voltages are applied to the input of the transformer by the primary side, a first voltage and a second voltage via two half-bridges are switched.

Aus DE 19963330C1 ist eine Ansteuerschaltung für einen Leistungsschalter bekannt, bei der sich auf der Sekundärseite des Übertragers zwei Feldeffekttransistoren befinden. Zwischen den Abgangsleitungen des Übertragers und den Gate-Anschlüssen sind Widerstände und Zenerdioden geschaltet.Out DE 19963330C1 is a drive circuit for a circuit breaker is known in which there are two field effect transistors on the secondary side of the transformer. Between the output lines of the transformer and the gate terminals resistors and zener diodes are connected.

Aus DE 102015007831A1 ist eine Ansteuerung für einen Leistungsschalter bekannt, bei der zwei Übertrager verwendet werden, wobei ein positiver Impuls am Eingang des einen Übertragers den Leistungsschalter einschaltet und ein negativer Impuls am Eingang des anderen Übertragers den Leistungsschalter ausschaltet.Out DE 102015007831A1 is a control for a circuit breaker is known in which two transformers are used, wherein a positive pulse at the input of a transformer turns on the power switch and a negative pulse at the input of the other transformer turns off the power switch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine galvanisch isolierte Ansteuerung eines ladungsgesteuerten Leistungsschalters aus Siliciumcarbid mit einem Übertrager zu realisieren und dabei an den Eingangsklemmen des Übertragers die für den Einschaltvorgang und Ausschaltvorgang benötigten Spannungen zu erzeugen.The invention has for its object to realize a galvanically isolated control of a charge-controlled circuit breaker made of silicon carbide with a transformer and thereby generate at the input terminals of the transformer required for the turn-on and turn-off voltages.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen eins bis zehn gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by the features characterized in the claims one to ten features. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Schaltungsbilderen näher erläutert:

1 zeigt die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des Leistungsschalters nach dem Stand der Technik
2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den Ein- und Ausschaltvorgang des Leistungsschalters SiC-LT
3 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf der Primärseite des Übertragers Ü mit den zusätzlichen Bauteilen in den Unteransprüchen

The invention is explained in more detail below with reference to circuit diagrams shown in the drawing:

1 shows the circuit arrangement for controlling the circuit breaker according to the prior art
2 shows the circuit arrangement according to the invention for the on and off operation of the circuit breaker SiC-LT
3 shows the circuit arrangement according to the invention on the primary side of the transformer Ü with the additional components in the subclaims

Die Schaltungsanordnung für den Ein- und Ausschaltvorgang gemäß der Erfindung nach 2 besteht aus der Gleichspannung U1, der Gleichspannung U2, den Kondensatoren C1, C2 und C3, dem elektronischen Schalter S1 und der Diode D1. Durch Einschalten der diagonalen Schalter S2 und S5 oder S3 und S4 kann die Spannung U3 am Kondensator C3 mit den Eingangsklemmen A1Ü und A2Ü des Übertragers Ü verbunden werden. Der Kondensator C1 stabilisiert die Gleichspannung U1 und der Kondensator C2 stabilisiert die Gleichspannung U2. Dabei sind die Anschlussklemmen des Kondensators C1 mit den Polen der Gleichspannung U1 verbunden und die Anschlussklemmen des Kondensators C2 mit den Polen der Gleichspannung U2 verbunden. Der Plus Pol U1P der Gleichspannung U1 ist mit dem ersten Anschluss des Schalters S1 verbunden und der zweite Anschluss des Schalters S1 ist mit dem Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensator C3 verbunden. Der Plus Pol U2P der Gleichspannung U2 ist mit der Anode der Diode D1 verbunden und die Kathode der Diode D1 ist mit dem Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensator C3 verbunden. Der Minus Pol U1M der Gleichspannung U1 ist mit dem Minus Pol U2M der Gleichspannung U2 und mit dem Minus Pol U3M der Spannung U3 am Kondensator C3 verbunden.The circuit arrangement for the on and off operation according to the invention 2 consists of the DC voltage U1 , the DC voltage U2 , the capacitors C1 . C2 and C3 , the electronic switch S1 and the diode D1 , By turning on the diagonal switch S2 and S5 or S3 and S4 can the tension U3 on the capacitor C3 with the input terminals A1Ü and A2Ü of the transformer Ü get connected. The capacitor C1 stabilizes the DC voltage U1 and the capacitor C2 stabilizes the DC voltage U2 , Here are the terminals of the capacitor C1 with the poles of DC voltage U1 connected and the terminals of the capacitor C2 with the poles of DC voltage U2 connected. The plus pole U1P the DC voltage U1 is with the first connection of the switch S1 connected and the second connection of the switch S1 is with the plus pole U3P the tension U3 on the capacitor C3 connected. The plus pole U2P the DC voltage U2 is with the anode of the diode D1 connected and the cathode of the diode D1 is with the plus pole U3P the tension U3 on the capacitor C3 connected. The minus pole U1M the DC voltage U1 is with the minus pole U2M the DC voltage U2 and with the minus pole U3M the tension U3 on the capacitor C3 connected.

Die Funktion der Schaltungsanordnung für den Einschaltvorgang des Leistungsschalters SiC-LT nach 2 ist wie folgt:

Der Leistungsschalter SiC-LT benötigt für ein sicheres Einschalten eine positive Spannung an dem Gate-Source Anschluss von ca. 18V. Um den Leistungsschalter SiC-LT sicher einzuschalten, wird an den Eingang des Übertragers Ü eine positive Spannung Ue für die Dauer des Einschaltvorganges angelegt. Dann liegt auch am Ausgang des Übertragers Ü die positive Spannung Ua mit der gleichen Amplitude wie am Eingang an und der Feldeffekttransitor F2 auf der Sekundärseite des Übertragers Ü wird eingeschaltet. Während des Einschaltvorganges ist der Feldeffekttransistor F2 eingeschaltet und die interne Diode des Feldeffekttransistors F1 ist in Durchlassrichtung geschaltet, wodurch die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters SiC-LT auf die positive Spannung, die ungefähr der Spannung U3 am Kondensator C3 entspricht, aufgeladen wird. Die Abweichung der Spannung U3 von der Gate-Source Spannung des Leistungsschalters SiC-LT im eingeschalteten Zustand ergibt sich durch die Spannungsabfälle an den Schaltern S1 bis S5, den Spannungsabfällen an den Feldeffekttransistoren F1, F2 und den Spannungsabfällen an den Induktivitäten in den Leitungen.

The function of the circuit arrangement for the switch-on of the circuit breaker SiC-LT after 2 is as follows:

The SiC-LT circuit breaker requires a positive voltage at the gate-source connection of approx. 18V for safe switching on. To safely switch on the SiC-LT circuit breaker, it is connected to the input of the transformer Ü a positive voltage Ue applied for the duration of the switch-on. Then it is also at the output of the transformer Ü the positive tension Ua with the same amplitude as at the input and the field effect transistor F2 on the secondary side of the transformer Ü is turned on. During the switch-on process is the field effect transistor F2 turned on and the internal diode of the field effect transistor F1 is switched in the forward direction, reducing the gate-source capacitance of the circuit breaker SiC-LT to the positive voltage, which is about the voltage U3 on the capacitor C3 corresponds, is charged. The deviation of the voltage U3 from the gate-source voltage of the power switch SiC-LT in the on state results from the voltage drops across the switches S1 to S5 , the voltage drops across the field effect transistors F1 . F2 and the voltage drops across the inductors in the lines.

Der Einschaltvorgang des Leistungsschalters SiC-LT funktioniert folgendermaßen:

1) Vor dem Einschaltvorgang oder am Anfang des Einschaltvorganges wird der Kondensator C3 durch Einschalten des Schalters S1 auf die Amplitude der Gleichspannung U1 aufgeladen. Die Amplitude der Spannung U1 entspricht der Gate-Source Spannung des Leistungsschalters SiC-LT im eingeschalteten Zustand und hat den Wert von ca. 18V. Die Kapazität des Kondensators C1 ist sehr viel größer als die Kapazität des Kondensators C3, so dass in sehr kurzer Zeit die Amplitude der Spannung U3 am Kondensator C3 der Amplitude der Spannung U1 entspricht.
2) Vor dem Einschaltvorgang sind die Eingangsklemmen A1Ü und A2Ü des Übertragers Ü kurzgeschlossen, indem die Schalter S2 und S3 eingeschaltet sind und die Schalter S4 und S5 ausgeschaltet sind oder die Schalter S4 und S5 eingeschaltet sind und die Schalter S2 und S3 ausgeschaltet sind.
3) Am Anfang des Einschaltvorganges des Leistungsschalters SiC-LT werden die zwei diagonalen Schalter der Vollbrücke S2 und S5 eingeschaltet und die zwei diagonalen Schalter der Vollbrücke S3 und S4 ausgeschaltet und dadurch die positive Spannung U3 am Kondensator C3 mit den Eingangsleitungen des Übertragers Ü verbunden, indem der Plus Pol U3P der Spannung U3 mit der Eingangsleitung A1Ü verbunden wird und der Minus Pol U3M der Spannung U3 mit der Eingangsleitung A2Ü verbunden wird. Die Amplitude der Ausgangsspannung Ua des Übertragers Ü entspricht der Amplitude der Spannung U3, wodurch die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters SiC-LT auf die positive Spannung aufgeladen wird. Wenn der Einschaltvorgang abgeschlossen ist, werden die Eingangsleitungen A1Ü und A2Ü des Übertragers Ü kurzgeschlossen, indem die Schalter S2 und S3 eingeschaltet und die Schalter S4 und S5 ausgeschaltet werden oder die Schalter S4 und S5 eingeschaltet und die Schalter S2 und S3 ausgeschaltet werden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Feldeffekttransistoren F1 und F2 nach dem Einschaltvorgang ausgeschaltet sind und die Ladungen an der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters SiC-LT nicht abfließen können und dadurch der Leistungsschalter SiC-LT im eingeschalteten Zustand bleibt.

The closing process of the SiC-LT circuit breaker works as follows:

1) Before the switch-on or at the beginning of the switch-on is the capacitor C3 by switching on the switch S1 to the amplitude of the DC voltage U1 charged. The amplitude of the voltage U1 corresponds to the gate-source voltage of the power switch SiC-LT in the on state and has the value of about 18V. The capacity of the capacitor C1 is much larger than the capacity of the capacitor C3 , so that in a very short time the amplitude of the voltage U3 on the capacitor C3 the amplitude of the voltage U1 equivalent.
2) Before the switch-on process, the input terminals are A1Ü and A2Ü of the transformer Ü shorted out by the switches S2 and S3 are turned on and the switches S4 and S5 are off or the switches S4 and S5 are turned on and the switches S2 and S3 are turned off.
3) At the beginning of the switch-on of the SiC-LT circuit breaker, the two diagonal switches of the full bridge S2 and S5 switched on and the two diagonal switches of the full bridge S3 and S4 switched off and thereby the positive voltage U3 on the capacitor C3 with the input lines of the transformer Ü connected by the plus pole U3P the tension U3 with the input line A1Ü is connected and the minus pole U3M the tension U3 with the input line A2Ü is connected. The amplitude of the output voltage Ua of the transformer Ü corresponds to the amplitude of the voltage U3 , whereby the gate-source capacitance of the power switch SiC-LT is charged to the positive voltage. When the switch-on process is completed, the input lines become A1Ü and A2Ü of the transformer Ü shorted out by the switches S2 and S3 turned on and the switches S4 and S5 be turned off or the switches S4 and S5 turned on and the switches S2 and S3 turned off. This ensures that the field effect transistors F1 and F2 are switched off after the switch-on process and the charges at the gate-source capacitance of the SiC-LT circuit breaker can not flow away leaving the SiC-LT circuit breaker in the switched-on state.

Die Funktion der Schaltungsanordnung für den Ausschaltvorgang des Leistungsschalters SiC-LT nach 2 ist wie folgt:

Der Leistungsschalter SiC-LT benötigt für ein sicheres Ausschalten eine negative Spannung an dem Gate-Source Anschluss von ca. -5V. Um den Leistungsschalter SiC-LT sicher auszuschalten, wird an den Eingang des Übertragers Ü eine negative Spannung Ue für die Dauer des Ausschaltvorganges angelegt. Dann liegt auch am Ausgang des Übertragers Ü die negative Spannung Ua mit der gleichen Amplitude wie am Eingang an und der Feldeffekttransistor F1 auf der Sekundärseite des Übertragers Ü wird eingeschaltet. Während des Ausschaltvorganges ist der Feldeffekttransistor F1 eingeschaltet und die interne Diode des Feldeffekttransistors F2 ist in Durchlassrichtung geschaltet, wodurch die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters SiC-LT auf die negative Spannung aufgeladen wird.

The function of the circuit arrangement for the opening operation of the SiC-LT circuit breaker 2 is as follows:

The SiC-LT circuit-breaker requires a negative voltage at the gate-source connection of approx. -5V for safe switching off. To safely switch off the SiC-LT circuit breaker, it is connected to the input of the transformer Ü a negative voltage Ue applied for the duration of the switch-off. Then it is also at the output of the transformer Ü the negative voltage Ua with the same amplitude as at the input and the field effect transistor F1 on the secondary side of the transformer Ü is turned on. During the turn-off process is the field effect transistor F1 turned on and the internal diode of the field effect transistor F2 is switched in the forward direction, whereby the gate-source capacitance of the circuit breaker SiC-LT is charged to the negative voltage.

Der Ausschaltvorgang des Leistungsschalters SiC-LT funktioniert folgendermaßen:

1) Vor dem Ausschaltvorgang muss der Kondensator C3 auf die Spannung U1 aufgeladen werden. Da nach dem Einschaltvorgang der Schalter S1 geschlossen ist, entspricht die Spannung U3 am Kondensator C3 der Spannung U1.
2) Nach dem Aufladen des Kondensators C3 durch die Spannung U1 und vor dem Beginn des Ausschaltvorganges des Leistungsschalters SiC-LT wird der Schalter S1 ausgeschaltet. Die Amplitude der Spannung U3 am Kondensator C3 entspricht dann der Amplitude der Spannung U1.
3) Am Anfang des Ausschaltvorganges des Leistungsschalters SiC-LT werden die zwei diagonalen Schalter S3 und S4 der Vollbrücke eingeschaltet und die zwei diagonalen Schalter S2 und S5 der Vollbrücke ausgeschaltet und dadurch die positive Spannung U3 am Kondensator C3 mit den Eingangsleitungen des Übertragers Ü verbunden, indem der Plus Pol U3P der Spannung U3 mit der Eingangsleitung A2Ü verbunden wird und der Minus Pol U3M der Spannung U3 mit der Eingangsleitung A1Ü verbunden wird. Am Anfang des Ausschaltvorganges ist die Spannung Ua am Ausgang des Übertragers Ü negativ und der Betrag der Spannung Ua entspricht der Amplitude der Spannung U1. Durch die Spannung Ua am Anfang des Ausschaltvorganges von -18V wird der Feldeffekttransistor F1 eingeschaltet und der Leistungsschalter SiC-LT wird ausgeschaltet. Während des Ausschaltvorganges wird der Kondensator C3 entladen, da der Schalter S1 ausgeschaltet ist. Durch die Entladung des Kondensators C3 wird garantiert, dass am Ende des Ausschaltvorganges die deutlich kleinere Spannung U2 am Kondensator C3 anliegt und die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters SiC-LT dadurch auf die negative Spannung mit dem Betrag der Spannung U2 aufgeladen wird. Der Wert für die Kapazität des Kondensators C3 wird so berechnet, dass die Spannung am Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters SiC-LT nach der Entladung des Kondensators C3 den benötigten Wert hat. Deshalb muss der Wert für die Kapazität des Kondensators C3 an den verwendeten Leistungsschalter SiC-LT angepasst werden. Wenn die Spannung U3 am Kondensator C3 unter den Wert der Spannung U2 fällt, leitet die Diode D1 und die Spannung am Eingang Ue des Übertragers Ü wird durch die Spannung U2 am Kondensator C2 bestimmt. Wenn der Ausschaltvorgang abgeschlossen ist, werden die Eingangsleitungen A1Ü und A2Ü des Übertragers Ü kurzgeschlossen, indem die Schalter S2 und S3 eingeschaltet und die Schalter S4 und S5 ausgeschaltet werden oder die Schalter S4 und S5 eingeschaltet und die

The switch-off procedure of the SiC-LT circuit breaker works as follows:

1) Before switching off, the capacitor must C3 on the tension U1 to be charged. Since after switching on the switch S1 is closed, corresponds to the voltage U3 on the capacitor C3 the tension U1 ,
2) After charging the capacitor C3 through the tension U1 and before the switch-off operation of the SiC-LT circuit breaker begins, the switch becomes S1 switched off. The amplitude of the voltage U3 on the capacitor C3 then corresponds to the amplitude of the voltage U1 ,
3) At the beginning of the breaking process of the SiC-LT circuit breaker, the two diagonal switches S3 and S4 the full bridge turned on and the two diagonal switches S2 and S5 the full bridge off and thereby the positive voltage U3 on the capacitor C3 with the input lines of the transformer Ü connected by the plus pole U3P of the tension U3 with the input line A2Ü is connected and the minus pole U3M the tension U3 with the input line A1Ü is connected. At the beginning of the switch-off process, the voltage Ua at the output of the transformer Ü negative and the amount of voltage Ua corresponds to the amplitude of the voltage U1 , By the voltage Ua at the beginning of the turn-off of -18V, the field effect transistor F1 is switched on and the SiC-LT circuit breaker is switched off. During the switch-off process, the capacitor C3 discharged, because the switch S1 is off. By discharging the capacitor C3 It is guaranteed that at the end of the switch-off process, the significantly lower voltage U2 on the capacitor C3 is applied and the gate-source capacitance of the power switch SiC-LT thereby to the negative voltage with the amount of voltage U2 is charged. The value for the capacitance of the capacitor C3 is calculated so that the voltage at the gate-source terminal of the circuit breaker SiC-LT after discharge of the capacitor C3 has the required value. Therefore, the value for the capacitance of the capacitor must be C3 be adapted to the SiC-LT circuit breaker used. When the tension U3 on the capacitor C3 below the value of the voltage U2 falls, conducts the diode D1 and the voltage at the input Ue of the transformer Ü gets through the tension U2 on the capacitor C2 certainly. When the turn-off process is completed, the input lines become A1Ü and A2Ü of the transformer Ü shorted out by the switches S2 and S3 turned on and the switches S4 and S5 be turned off or the switches S4 and S5 turned on and the

Schalter S2 und S3 ausgeschaltet werden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Feldeffekttransistoren F1 und F2 nach dem Ausschaltvorgang ausgeschaltet sind und die Ladungen an der Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters SiC-LT nicht abfließen können und dadurch der Leistungsschalter SiC-LT im ausgeschalteten Zustand bleibt.switch S2 and S3 turned off. This ensures that the field effect transistors F1 and F2 are switched off after the switch-off process and the charges at the gate-source capacitance of the SiC-LT circuit breaker can not flow, leaving the SiC-LT circuit breaker in the off state.

3 zeigt die Schaltungsanordnung auf der Primärseite des Übertragers Ü mit zusätzlichen Bauteilen, die in den Ansprüchen 3 bis 7 verwendet werden. 3 shows the circuitry on the primary side of the transformer Ü with additional components specified in the claims 3 to 7 be used.

Im Anspruch 3 ist zwischen dem Plus Pol U1P der Gleichspannung U1 und dem ersten Anschluss des Schalters S1 eine Spule L1 geschaltet und zwischen dem ersten Anschluss des Schalters S1 und dem Minus Pol U1M der Gleichspannung U1 ein Kondensator C4 geschaltet. Die Spule L1 hat folgende Funktion:

Wenn die Spannung U4 am Kondensator C4 beim Einschaltvorgang unter den Wert der Spannung U1 fällt, fließt ein Strom vom Kondensator C1 in den Kondensator C4 und den angeschlossenen Lastkreis mit dem Leistungsschalter SiC-LT. Der Strom in den Kondensator C4 wird mit der Spule L1 durch die induzierte Spannung in der Spule L1 begrenzt. Durch den hohen Ladestrom in die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters SiC-LT und den anfangs geringen Strom durch die Spule L1 entsteht am Kondensator C4 ein Spannungseinbruch unter den Wert der Spannung U1. Dadurch liegt am Ende des Einschaltvorganges für eine kurze Zeit eine Spannung am Eingang des Übertragers Ü an, die einige Volt unter dem Wert der Gleichspannung U1 ist. Durch den Stromanstieg in der Spule L1 lädt sich dann die Spannung U4 am Kondensator C4 wieder auf den Wert der Gleichspannung U1 auf. Der Spannungseinbruch am Kondensator C4 reduziert den Überschwinger an dem Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters SiC-LT am Ende des Einschaltvorganges, so dass der zulässige Grenzwert für die Gate-Source Spannung eingehalten werden kann.

In claim 3 is between the plus pole U1P the DC voltage U1 and the first terminal of the switch S1 a coil L1 switched and between the first port of the switch S1 and the minus pole U1M the DC voltage U1 a capacitor C4 connected. The sink L1 has the following function:

When the tension U4 on the capacitor C4 at power-up below the value of the voltage U1 falls, a current flows from the capacitor C1 in the condenser C4 and the connected load circuit with the SiC-LT circuit breaker. The current in the capacitor C4 is with the coil L1 by the induced voltage in the coil L1 limited. Due to the high charging current in the gate-source capacitance of the SiC-LT circuit breaker and the initially low current through the coil L1 arises at the condenser C4 a voltage dip below the value of the voltage U1 , As a result, a voltage at the input of the transformer Ü, which is a few volts below the value of the DC voltage, is applied at the end of the switch-on process for a short time U1 is. By the current increase in the coil L1 then the tension charges U4 on the capacitor C4 back to the value of the DC voltage U1 on. The voltage drop across the capacitor C4 reduces the overshoot at the gate-source terminal of the power switch SiC-LT at the end of the turn-on, so that the allowable limit for the gate-source voltage can be maintained.

Im Anspruch 4 ist zwischen dem Plus Pol U1P der Gleichspannung U1 und dem Plus Pol U4P der Spannung U4 am Kondensator C4 ein Widerstand R1 seriell zur Spule L1 geschaltet. Mit dem Widerstand R1 kann der Stromverlauf vom Kondensator C1 in den Kondensator C4 eingestellt werden.In claim 4 is between the plus pole U1P the DC voltage U1 and the plus pole U4P the tension U4 on the capacitor C4 a resistance R1 serial to the coil L1 connected. With the resistance R1 can the current flow from the capacitor C1 in the condenser C4 be set.

Im Anspruch 5 ist zwischen dem zweiten Anschluss des Schalters S1 und dem Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensator C3 ein Widerstand R2 geschaltet. Mit dem Widerstand R2 kann der Strom in den Kondensator C3 beim Schließen des Schalters S1 begrenzt werden.In claim 5 is between the second terminal of the switch S1 and the plus pole U3P the tension U3 on the capacitor C3 a resistance R2 connected. With the resistance R2 can the current in the capacitor C3 when closing the switch S1 be limited.

Im Anspruch 6 ist zwischen dem Plus Pol U2P der Gleichspannung U2 und dem Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensator C3 eine Spule L2 seriell zur Diode D1 geschaltet. Die Spule L2 hat folgende Funktion:

Wenn die Spannung U3 am Kondensator C3 beim Ausschaltvorgang unter den Wert der Gleichspannung U2 fällt, leitet die Diode D1 und es fließt ein Strom vom Kondensator C2 in den Kondensator C3 und den angeschlossenen Lastkreis mit dem Leistungsschalter SiC-LT. Dieser Strom wird begrenzt mit der Spule L2 durch die induzierte Spannung in der Spule L2. Durch den hohen Ladestrom in die Gate-Source Kapazität des Leistungsschalters SiC-LT und den anfangs geringen Strom durch die Spule L2 entsteht am Kondensator C3 ein Spannungseinbruch unter den Wert der Spannung U2. Dadurch liegt am Ende des Ausschaltvorganges für eine kurze Zeit eine Spannung am Eingang des Übertragers Ü an, die einige Volt unter dem Wert der Gleichspannung U2 ist. Durch den Stromanstieg in der Spule L2 lädt sich dann die Spannung U3 am Kondensator C3 wieder auf den Wert der Gleichspannung U2 auf. Der Spannungseinbruch am Kondensator C3 reduziert den Überschwinger am Ende des Ausschaltvorganges an dem Gate-Source Anschluss des Leistungsschalters SiC-LT, so dass der zulässige Grenzwert für die Gate-Source Spannung des Leistungsschalters SiC-LT eingehalten werden kann.

In claim 6 is between the plus pole U2P the DC voltage U2 and the plus pole U3P the tension U3 on the capacitor C3 a coil L2 serial to the diode D1 connected. The sink L2 has the following function:

When the tension U3 on the capacitor C3 when switching off below the value of the DC voltage U2 falls, conducts the diode D1 and a current flows from the capacitor C2 in the condenser C3 and the connected load circuit with the SiC-LT circuit breaker. This current is limited with the coil L2 by the induced voltage in the coil L2 , Due to the high charging current in the gate-source capacitance of the SiC-LT circuit breaker and the initially low current through the coil L2 arises at the condenser C3 a voltage dip below the value of the voltage U2 , As a result, there is a voltage at the input of the transformer for a short time at the end of the turn-off Ü which is a few volts below the value of the DC voltage U2 is. By the current increase in the coil L2 then the tension charges U3 on the capacitor C3 back to the value of the DC voltage U2 on. The voltage drop across the capacitor C3 reduces the overshoot at the end of the turn-off operation at the gate-source terminal of the power switch SiC-LT, so that the allowable limit value for the gate-source voltage of the circuit breaker SiC-LT can be met.

Im Anspruch 7 ist zwischen dem Plus Pol U2P der Gleichspannung U2 und dem Plus Pol U3P der Spannung U3 am Kondensator C3 ein Widerstand R3 seriell zur Spule L2 geschaltet. Mit dem Widerstand R3 kann der Stromverlauf vom Kondensator C2 in den Kondensator C3 eingestellt werden.In claim 7 is between the plus pole U2P the DC voltage U2 and the plus pole U3P the tension U3 on the capacitor C3 a resistance R3 serial to the coil L2 connected. With the resistance R3 can the current flow from the capacitor C2 in the condenser C3 be set.

Im Anspruch 8 wird beschrieben, dass die verwendeten Schalter S1 bis S5 MOSFETs sind.In claim 8 it is described that the switches used S1 to S5 MOSFETs are.

Im Anspruch 9 wird beschrieben, dass die Zeitdauer der Impulse für den Einschaltvorgang kürzer oder gleich der Zeitdauer der Impulse für den Ausschaltvorgang ist. Damit der Übertrager Ü bei hohen Schaltfrequenzen nicht in Sättigung gerät, ist es wichtig, dass die Spannungs-Zeit Flächen beim Ein- und Ausschaltvorgang am Eingang des Übertragers Ü gleich sind. Da der Betrag der Spannung am Eingang des Übertragers Ü beim Ausschaltvorgang kleiner ist als beim Einschaltvorgang, sollte die Zeitdauer des Impulses für den Ausschaltvorgang bei hohen Schaltfrequenzen länger sein als beim Einschaltvorgang. Dadurch entstehen gleiche Spannungs-Zeit Flächen am Eingang des Übertragers Ü beim Ein- und Ausschaltvorgang.In claim 9 it is described that the duration of the pulses for the switch-on is shorter than or equal to the duration of the pulses for the switch-off. So that the transformer Ü does not saturate at high switching frequencies, it is important that the voltage-time surfaces at the switch-on and switch-off at the input of the transformer Ü are the same. Since the amount of voltage at the input of the transformer Ü When the switch-off is smaller than during the switch-on, the duration of the pulse for the switch-off at high switching frequencies should be longer than during the switch-on. This creates equal voltage-time areas at the input of the transformer Ü when switching on and off.

Im Anspruch 10 wird beschrieben, dass der Leistungsschalter SiC-LT ein MOSFET oder IGBT aus dem Halbleiter Siliciumcarbid ist.In claim 10, it is described that the power switch SiC-LT is a MOSFET or IGBT made of the semiconductor silicon carbide.

Claims

Circuit arrangement for galvanically isolated control of a charge-controlled circuit breaker (SiC-LT) made of silicon carbide with voltage pulses by means of a transformer (Ü), wherein - the switch-on for the circuit breaker (SiC-LT) via a transformer (Ü) takes place, and wherein - when switching on Circuit breaker (SiC-LT) a positive voltage between the gate terminal (G) and the source terminal (S) of the circuit breaker (SiC-LT) is generated, and wherein - before the switch-on or at the beginning of the power-on the first switch ( S1) is closed and thereby the third capacitor (C3) is charged to the amplitude of the voltage (U1), and wherein - at the beginning of the switch-on the positive voltage (U3) on the third capacitor (C3) by turning on the switch (S2, S5) with the two Input lines of the transformer (Ü) is connected by the plus pole (U3P) of the voltage (U3) to the first input line (A1Ü) is connected and the negative pole (U3M) of the voltage (U3) to the second input line (A2Ü) is, and wherein - the voltage (Ue) at the input of the transformer (Ü) also on the secondary side of the transformer (Ü) is applied and there the second field effect transistor (F2) turns on, so that the power switch (SiC-LT) is turned on, and wherein - after the switch-on operation, the input lines (A1Ü, A2Ü) are connected to each other by switching on the switch (S2) and the switch (S3) and switching off the switch (S4) and the switch (S5) or the switch (S4) and the switch (S5) is turned on and the switch (S2) and the switch (S3) are turned off, and wherein - the plus pole (U1P) of the DC voltage (U1) is connected to a terminal of the first capacitor (C1) and the Minus Pol (U1M) the same voltage (U1) is connected to the other terminal of the first capacitor (C1), and wherein - the plus pole (U1P) of the DC voltage (U1) is connected to the first terminal of the first switch (S1) and the second terminal of the first switch (S1) is connected to the positive pole (U3P) of the voltage (U3) on the third capacitor (C3), and wherein - the negative pole (U1M) of the DC voltage (U1) is connected to the negative pole (U3M) of the voltage (U3) is connected to the third capacitor (C3).

Circuit arrangement for galvanically isolated control of a charge-controlled circuit breaker (SiC-LT) of silicon carbide with voltage pulses by means of a transformer (Ü), wherein - The switch-off pulse for the circuit breaker (SiC-LT) via a transformer (Ü) takes place, and wherein - When the circuit breaker (SiC-LT) is turned off, a negative voltage between the gate terminal (G) and the source terminal (S) of the circuit breaker (SiC-LT) is generated, and wherein - Before the turn-off, the first switch (S 1) is closed or after the turn-on is still closed and thereby the third capacitor (C3) is charged to the amplitude of the voltage (U1), and wherein - After charging the third capacitor (C3) with the voltage (U1) of the first switch (S1) is opened before the turn-off or at the beginning of the turn-off, and wherein - At the beginning of the turn-off operation, the positive voltage (U3) on the third capacitor (C3) by turning on the switch (S3, S4) to the two input lines of the transformer (Ü) is connected by the positive pole (U3P) of the voltage (U3 ) is connected to the second input line (A2Ü) and the negative pole (U3M) of the voltage (U3) is connected to the first input line (A1Ü), and wherein - At the turn-off operation, the voltage (Ue) at the input of the transformer (Ü) is negative and also on the secondary side of the transformer (Ü) is applied there and the first field effect transistor (F1) turns on, so that the power switch (SiC-LT) is turned off, and where - The amount of voltage (Ue) at the input of the transformer (Ü) during the turn-off from the initial value with the amplitude of the voltage (U1) to the end value with the amplitude of the voltage (U2) drops, and wherein - After the turn-off, the input lines (A1Ü, A2Ü) are connected to each other by the switch (S2) and the switch (S3) is turned on and the switch (S4) and the switch (S5) is turned off or the switch (S4) and the switch (S5) is turned on and the switch (S2) and the switch (S3) are turned off, and wherein - the plus pole (U1P) of the DC voltage (U1) is connected to one terminal of the first capacitor (C1) and the negative pole (U1M) of the DC voltage (U1) is connected to the other terminal of the first capacitor (C1), and wherein - The plus pole (U2P) of the DC voltage (U2) is connected to one terminal of the second capacitor (C2) and the negative pole (U2M) of the DC voltage (U2) to the other terminal of the second capacitor (C2) is connected, and wherein - the plus pole (U1P) of the DC voltage (U1) is connected to the first terminal of the first switch (S1) and the second terminal of the first switch (S1) to the positive pole (U3P) of the voltage (U3) on the third capacitor ( C3), and wherein - the negative pole (U1M) of the DC voltage (U1) is connected to the negative pole (U2M) of the DC voltage (U2) and the negative pole (U3M) of the voltage (U3) on the third capacitor (C3). - The anode of the diode (D1) to the positive pole (U2P) of the DC voltage (U2) is connected and the cathode of the diode (D1) to the positive pole (U3P) of the voltage (U3) on the third capacitor (C3) is connected ,

Circuit arrangement according to one or more of Claims 1 to 2 , characterized in that between the positive pole (U1P) of the DC voltage (U1) and the first terminal of the first switch (S1), a first coil (L1) is connected and between the first terminal of the first switch (S1) and the negative pole (U1M) of the DC voltage (LT1), a fourth capacitor (C4) is connected.

Circuit arrangement according to one or more of Claims 1 to 3 , characterized in that between the positive pole (U1P) of the DC voltage (U1) and the positive pole (U4P) of the voltage (U4) on the fourth capacitor (C4), a first resistor (R1) is connected in series with the first coil (L1) ,

Circuit arrangement according to one or more of Claims 1 to 4 , characterized in that between the second terminal of the first switch (S1) and the positive pole (U3P) of the voltage (U3) on the third capacitor (C3), a second resistor (R2) is connected.

Circuit arrangement according to one or more of Claims 2 to 5 , characterized in that between the positive pole (U2P) of the DC voltage (U2) and the positive pole (U3P) of the voltage (U3) on the third capacitor (C3), a second coil (L2) is connected in series with the diode (D1).

Circuit arrangement according to one or more of Claims 2 to 6 , characterized in that between the positive pole (U2P) of the DC voltage (U2) and the positive pole (U3P) of the voltage (U3) on the third capacitor (C3), a third resistor (R3) is connected in series with the diode (D1).

Circuit arrangement according to one or more of Claims 1 to 7 , characterized in that the switches (S1 to S5) are MOSFETs.

Circuit arrangement according to one or more of Claims 1 to 7 , characterized in that the duration of the pulses for the turn-on and turn-off is short or less than 1 microseconds and the duration of the pulse with the positive voltage at the input of the transformer (Ü) during the turn-on shorter or equal to the duration of the pulse with the negative voltage at the input of the transformer (Ü) at the switch-off is.

Circuit arrangement according to one or more of Claims 1 to 7 , characterized in that the power switch (SiC-LT) is a MOSFET or IGBT made of the semiconductor silicon carbide.