DE102019103005B3

DE102019103005B3 - Verfahren und Schaltung zu einer Gateansteuerung mit negativer Spannung

Info

Publication number: DE102019103005B3
Application number: DE102019103005.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Kacetl; Tomas Kacetl; Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2039-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zu einer Ansteuerung eines Halbleiterschalters (101), bei dem eine Ansteuerungsschaltung (100) des Halbleiterschalters von einer Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung (104) versorgt wird, bei dem die Ansteuerungsschaltung ein Ansteuerungsmodul (120), einen ersten Kondensator (111), einen zweiten Kondensator (112), eine erste Diode (113) mit einem ersten Durchbruchsspannungswert und eine zweite Diode (114) mit einem zweiten Durchbruchsspannungswert umfasst, wobei jeder Durchbruchsspannungswert kleiner als die Eingangsspannung und die Summe beider Durchbruchsspannungswerte größer als die Eingangsspannung gewählt wird, bei dem das Ansteuerungsmodul mit einem Steueranschluss des Halbleiterschalters verbunden wird, bei dem zwischen den beiden Kondensatoren und den beiden Dioden ein Mittelabgriff vorhanden ist, der mit einem Source-/Emitter-Anschluss des Halbleiterschalters verbunden wird, wodurch ein Potential des Mittelabgriffs zwischen dem oberen und unteren Potential der Spannungsquelle liegt und die Ansteuerungsschaltung gegenüber dem Potential des Mittelabgriffs eine Positivspannung und eine Negativspannung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gate-Ansteuerung eines Halbleiterschalters mit negativen Spannungen, welches einfache elektronische Bauelemente einsetzt und daher ohne teure Leistungselektronik auskommt. Ferner wird eine dazugehörige Schaltung vorgestellt.
Moderne Leistungshalbleiterschalter, wie bspw. ein Feldeffekttransistor, als FET abgekürzt, oder auch ein weit verbreiteter Metall-Oxid-Schicht-Feldeffekttransistor, als MOSFET abgekürzt, benötigen bei ihrer Ansteuerung zu einer Ausbildung eines leitenden Kanals zwischen einer Source (deutsch: Quelle) und einem Drain (deutsch: Senke) eine positive Spannung an einem Gate, wobei eine Spannungsdifferenz VGS zwischen Gate und Source oberhalb einer Schwellspannung liegen muss. Zu einem Ausschalten, muss die Spannungsdifferenz VGS unter die Schwellspannung fallen. Zwar würde hierzu V_GS=0 ausreichen, es ist aber vorteilhaft, auch eine negative Spannung V_GS<0 einzusetzen, da sich hierdurch eine Schaltgeschwindigkeit des FETs oder MOSFETs beschleunigen lässt. Die negative Spannung stellt praktisch einen Entladevorgang da, der umso schneller vonstattengeht, je höher ein Betrag der negativen Spannung ist. Darüber hinaus sichert eine negative Spannung am Gate einen ausgeschalteten Zustand des FET insbesondere bei Auftreten elektromagnetischer Interferenzen, da der zum Einschalten zu überwindende Spannungsunterschied vergrößert ist.
Parasitäre Effekte in einem MOSFET zusammen mit parasitären Effekten in einer Leiterplatte führen zu einer Kopplung zwischen einem Leistungsschaltkreis und einem Gate-Schaltkreis. Diese Kopplung verursacht willkürliche Spannungspulse während eines Ausschaltvorgangs des Leistungshalbleiterschalters. Falls durch einen solchen Spannungspuls die Schwellspannung des MOSFETs unterschritten wird, wird der MOSFET fälschlicherweise (vorzeitig) ausgeschaltet. Das Gegenteilige kann bei einem Einschaltprozess vorkommen. Diese beiden Vorgänge, fälschliches Ein- oder Ausschalten, führen zu zusätzlichen Schaltverlusten.
Induktive und kapazitive Kopplung sind zwei Hauptursachen willkürlicher Spannungspulse in der Gate-Ansteuerung. Deren Auswirkungen können zwar durch Schaltungsoptimierung abgeschwächt, aber nicht völlig beseitigt werden. Demgegenüber würde eine Anwendung negativer Spannung beim Ausschaltvorgang am Gate einen zusätzlichen Abstand zu der Schwellspannung erzeugen, und den MOSFET vor dem fälschlichen Einschalten (bzw. dem fälschlichen Ausschalten im umgekehrten Fall) abhalten.
Im Stand der Technik werden isolierte Gleichspannungswandler dazu eingesetzt, einem Gate-Treiber sowohl eine positive wie eine negative Spannung zur Verfügung zu stellen. Jedoch sind solche isolierten Gleichspannungswandler kostenintensive und sperrige elektronische Bauelemente, insbesondere wenn sie als Transformator ausgelegt sind. So offenbart die US-amerikanische Druckschrift US 2012/0075890 A1 einen Gate-TreiberSchaltkreis, der zumindest für den Ausschaltvorgang eine negative Spannung einsetzt. Allerdings werden hierbei zusätzlich ein Transformator und ein Spannungsmesser verwendet.
Eine Implementierung von Halbbrücken setzt dann zwei isolierte Gleichspannungswandler voraus, und zwar einen ersten, um den Gate-Treiber eines niedervoltseitigen Schalters zu versorgen, und einen zweiten, um den Gate-Treiber eines hochvoltseitigen Schalters zu versorgen. Übliche Lösungen mittels Bootstrapping rein über Dioden sind dabei durch ein Vorhandensein negativer Spannung nicht einsetzbar.
Hierzu behandeln die US-amerikanische Druckschriften US 2013/0200926 A1 und US 2014/0375292 A1 das Bootstrapping der negativen Spannung unter Verwendung eines aktiven Schalters, der je nach Bedarf einen Bootstrapping-Kanal ein- und ausschaltet. Ein integriertes Verfahren zum Erzeugen der negativen Spannung und deren Bereitstellung innerhalb der Brückenschaltung wird dabei aber nicht offenbart.
Die Druckschrift EP 0 840 433 B1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur symmetrischen Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung für ein Schaltmittel eines Umrichters mit Spannungszwischenkreis. Zusätzlich wird ein Verfahren zu dieser Schaltungsanordnung offenbart.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gates eines Halbleiterschalters zur Verfügung zu stellen, wobei die Gate-Ansteuerung auch negative Spannungen einsetzen soll. Kostenträchtige oder platzeinnehmende elektronische Bauelemente sollen dabei nicht zum Einsatz kommen. Weiterhin soll die Erfindung auch für Halbbrücken geeignet sein. Ferner wird eine dazugehörige Schaltung vorgestellt.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer Ansteuerung eines Halbleiterschalters vorgeschlagen, bei dem eine Ansteuerungsschaltung des Halbleiterschalters von einer Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung versorgt wird. Die Ansteuerungsschaltung umfasst ein Ansteuerungsmodul, einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität, einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität, eine erste Diode mit einem ersten Durchbruchsspannungswert und eine zweite Diode mit einem zweiten Durchbruchsspannungswert. Jeder einzelne der beiden Durchbruchsspannungswerte wird kleiner als die Eingangsspannung gewählt, während die Summe beider Durchbruchsspannungswerte die Eingangsspannung überschreiten muss. Das Ansteuerungsmodul wird mit einem Steueranschluss des Halbleiterschalters verbunden. An ein oberes Potential der Spannungsquelle wird der erste Kondensator, die erste Diode mit ihrer n-dotierten Seite und ein Positivspannungseingang des Ansteuerungsmoduls angeschlossen und an ein unteres Potential der Spannungsquelle wird der zweite Kondensator, die zweite Diode mit ihrer p-dotierten Seite und ein Negativspannungseingang des Ansteuerungsmoduls angeschlossen. Die beiden Kondensatoren und die beiden Dioden werden an ihrem jeweils nicht an die Spannungsquelle angeschlossenen Ende miteinander zu einem Mittelabgriff verbunden. Der Mittelabgriff wird mit einem Source-/Emitter-Anschluss des Halbleiterschalters verbunden, wodurch ein Potential des Mittelabgriffs und damit ein Referenzpotential des Source-/Emitter-Anschlusses des Halbleiterschalters zwischen dem oberen und dem unteren Potential der Spannungsquelle liegt. Die Ansteuerungsschaltung erzeugt dadurch gegenüber dem Potential des Mittelabgriffs eine Positivspannung und eine Negativspannung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters, wobei ein Positivspannungswert und ein Negativspannungswert von der Eingangsspannung, den jeweiligen Kapazitäten der beiden Kondensatoren und den jeweiligen Durchbruchsspannungswerten der beiden Dioden bestimmt wird.
Die Positivspannung wird zwischen den beiden Anschlüssen des ersten Kondensators gebildet, während die Negativspannung zwischen den beiden Anschlüssen des zweiten Kondensators gebildet wird, wobei die beiden Kondensatoren jeweils auch als Pufferkondensator bezeichnet werden können. Die Summe aus den Beträgen von Positivspannungswert und Negativspannungswert entspricht der Eingangsspannung.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zusätzlich zwischen dem Ansteuerungsmodul und dem Steueranschluss des Halbleiterschalters ein Steueranschlusswiderstand und parallel hierzu eine Steueranschlussdiode, mit ihrer n-dotierten Seite am Ansteuerungsmodul und ihrer p-dotierten Seite am Steueranschluss des Halbleiterschalters, angeordnet.
Zu einem Einschalten des Halbleiterschalters wird vom Ansteuerungsmodul die am Positivspannungseingang des Ansteuerungsmoduls anliegende Positivspannung mit dem Steueranschluss des Halbleiterschalters verbunden. Damit beginnt der erste Kondensator sich durch den für das Einschalten notwendigen Strom zu entladen, und zwar so lange, bis der Steueranschluss des Halbleiterschalters geladen ist (und der Halbleiterschalter dabei eingeschaltet wurde). Die Positivspannung fällt dabei gemäß einer Kondensatorentladekurve mit exponentiellem Verhalten ab. Im Gegenzug wird der zweite Kondensator geladen, da bei konstanter Eingangsspannung die sinkende Positivspannung am ersten Kondensator den Betrag der Negativspannung am zweiten Kondensator ansteigen lässt. Allerdings wird der zweite Kondensator nur bis zu genau demjenigen Betrag des Negativspannungswertes geladen, der dem zweiten Durchbruchspannungswert der zweiten Diode, welche zum zweiten Kondensator parallel geschaltet ist, entspricht. An diesem Wert wird die zweite Diode leitend, wodurch der Strom fortan durch die zweite Diode fließt und nicht länger den zweiten Kondensator aufladen kann.
Zu einem Ausschalten des Halbleiterschalters wird vom Ansteuerungsmodul die am Negativspannungseingang des Ansteuerungsmoduls anliegende Negativspannung mit dem Steueranschluss des Halbleiterschalters verbunden. Durch die Negativspannung wird vorteilhaft der Steueranschluss schneller entladen als durch reines Wegschalten der Positivspannung. Außerdem werden Schaltverluste durch fälschliches Wiedereinschalten, hervorgerufen durch Spannungspulse aufgrund parasitärer Effekte, vermieden. In der Ansteuerungsschaltung beginnt der zweite Kondensator sich durch den beim Ausschalten fließenden Strom zu entladen, und zwar so lange, bis der Steueranschluss des Halbleiterschalters entladen ist (und der Halbleiterschalter dabei ausgeschaltet wurde). Der Betrag der Negativspannung fällt dabei gemäß einer Kondensatorentladekurve mit exponentiellem Verhalten ab. Im Gegenzug wird der erste Kondensator geladen, da bei konstanter Eingangsspannung der sinkende Betrag der Negativspannung am zweiten Kondensator die Positivspannung am ersten Kondensator ansteigen lässt. Allerdings wird der erste Kondensator nur bis zu genau demjenigen Betrag des Positivspannungswertes geladen, der dem ersten Durchbruchspannungswert der ersten Diode, welche zum ersten Kondensator parallel geschaltet ist, entspricht. An diesem Wert wird die erste Diode leitend, wodurch der Strom fortan durch die erste Diode fließt und nicht länger den ersten Kondensator aufladen kann.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Halbleiterschalter entweder als ein Bipolartransistor oder als ein Feldeffekttransistor gewählt. Dementsprechend handelt es sich bei dem Steueranschluss für den Bipolartransistor um den Anschluss zu einer Basis und bei dem Steueranschluss für den Feldeffekttransistor um den Anschluss zu einem Gate. Analog wird der Mittelabgriff der Ansteuerungsschaltung entweder mit dem Emitter-Anschluss des Bipolartransistors oder mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine der beiden Dioden entweder als eine TVS-Diode oder als eine Zenerdiode gewählt. Die Summe der Beträge von der an dem jeweiligen Kondensator auftretenden Positivspannung und Negativspannung ist zwar konstant (gleich der Eingangsspannung), allerdings verschiebt sich mit jedem Einschalten oder Ausschalten das elektrische Potential des Mittelabgriffs, gegenüber dem sie definiert sind. Durch die beiden Dioden und deren jeweilige Durchbruchspannung wird vermieden, dass dieses Potential mit exponentiellem Verlauf frei pendelt. Sobald die jeweilige Durchbruchspannung erreicht ist, wird ein weiterer Verlauf bis zu einem nächsten Schaltvorgang auf einen konstanten Wert der jeweiligen Durchbruchsspannung festgeschrieben, was der Fachmann auch als „clamping“ bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erste Kapazität und die zweite Kapazität der beiden Kondensatoren so gewählt, dass bei einem Schaltvorgang ein jeweiliger Spannungsabfall an jedem der beiden Kondensatoren nicht einen Betrag einer Differenz aus der Summe aus den beiden Durchbruchsspannungen und der Eingangsspannung überschreitet. Generell wird durch eine Erhöhung der Kapazitätswerte ein Ausmaß des Pendelns des Potentials des Mittelabgriffs vermindert und somit ein stabilerer zeitlicher Verlauf von Positivspannung und Negativspannung erzwungen. Dadurch steigt eine Effizienz der Ansteuerungsschaltung, da ein langsameres Anlaufen des Potentials des Mittelabgriffs gegen ein jeweiliges durch die jeweiligen Durchbruchspannungen definiertes Potential einen voranstehend als „clamping“ bezeichneten Bereich, der energetische Verluste beinhaltet, vermindert.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer Halbbrücke die Ansteuerungsschaltung jeweilig als eine hochvoltseitige Ansteuerungsschaltung an einem hochvoltseitigen Halbleiterschalter und als eine niedervoltseitige Ansteuerungsschaltung an einem niedervoltseitigen Halbleiterschalter angeordnet. Das obere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung wird über eine Reihenschaltung eines ersten Widerstandes und einer dritten Diode aus dem oberen Potential der Spannungsquelle zur Verfügung gestellt. Das untere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung wird über einen Verbindungsschalter, der durch einen weiteren Halbleiterschalter gebildet wird und dessen Steueranschluss über einen zweiten Widerstand mit dem Steueranschluss des niedervoltseitigen Halbleiterschalters verbunden und damit mit ihm synchronisiert ist, aus der Negativspannung der niedervoltseitigen Ansteuerungsschaltung bzw. dem unteren Potential der Spannungsquelle zur Verfügung gestellt.
Ferner wird eine Ansteuerungsschaltung eines Halbleiterschalters beansprucht, welche von einer Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung versorgt ist und welche ein Ansteuerungsmodul, einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität, einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität, eine erste Diode mit einem ersten Durchbruchsspannungswert und eine zweite Diode mit einem zweiten Durchbruchsspannungswert umfasst, wobei jeder Durchbruchsspannungswert kleiner als die Eingangsspannung und die Summe beider Durchbruchsspannungswerte größer als die Eingangsspannung gewählt ist. Das Ansteuerungsmodul ist mit einem Steueranschluss des Halbleiterschalters verbunden. Bei der Ansteuerungsschaltung sind an ein oberes Potential der Spannungsquelle der erste Kondensator, die erste Diode mit ihrer n-dotierten Seite und ein Positivspannungseingang des Ansteuerungsmoduls angeschlossen. Weiter sind bei der Ansteuerungsschaltung an ein unteres Potential der Spannungsquelle der zweite Kondensator, die zweite Diode mit ihrer p-dotierten Seite und ein Negativspannungseingang des Ansteuerungsmoduls angeschlossen. Die beiden Kondensatoren und die beiden Dioden sind an ihrem jeweils nicht an die Spannungsquelle angeschlossenen Ende miteinander zu einem Mittelabgriff verbunden. Der Mittelabgriff ist mit einem Source-/Emitter-Anschluss des Halbleiterschalters verbunden, wodurch die Ansteuerungsschaltung ein Potential des Mittelabgriffs und damit ein Referenzpotential des Source-/Emitter-Anschlusses des Halbleiterschalters zwischen dem oberen und unteren Potential der Spannungsquelle aufweist. Dadurch ist die Ansteuerungsschaltung dazu konfiguriert, gegenüber dem Potential des Mittelabgriffs eine Positivspannung und eine Negativspannung zur Ansteuerung des Halbleiterschalters zu erzeugen. Dabei sind ein Positivspannungswert und ein Negativspannungswert von der Eingangsspannung, den jeweiligen Kapazitäten der beiden Kondensatoren und den jeweiligen Durchbruchsspannungswerten der beiden Dioden bestimmt.
Die erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung stellt damit nicht nur eine einfache und einfach zu realisierende Schaltung dar, um die Eingangsspannung in eine Positivspannung und eine Negativspannung aufzuteilen. Die mit der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung erzeugte Positivspannung und Negativspannung ist insbesondere dazu geeignet, ein Ansteuerungsmodul in die Lage zu versetzen, den Steueranschluss eines Halbleiterschalters zum Einschalten und zum Ausschalten anzusteuern. Dabei werden ausschließlich platzsparende, einfache und kostengünstige elektronische Bauteile eingesetzt.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung sind zusätzlich zwischen dem Ansteuerungsmodul und dem Steueranschluss des Halbleiterschalters ein Widerstand und parallel hierzu eine Diode, mit ihrer n-dotierten Seite am Ansteuerungsmodul und ihrer p-dotierten Seite am Steueranschluss des Halbleiterschalters, angeordnet.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung ist der Halbleiterschalter entweder ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor. Dementsprechend handelt es sich bei dem Steueranschluss des Bipolartransistors um den Anschluss zu einer Basis und bei dem Steueranschluss des Feldeffekttransistors um den Anschluss zu einem Gate.
In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung ist mindestens eine der beiden Dioden entweder eine TVS-Diode oder eine Zenerdiode.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung sind die beiden Kondensatoren durch Wahl ihrer jeweiligen Kapazität so konfiguriert, dass bei einem Schaltvorgang ein jeweiliger Spannungsabfall an jedem der beiden Kondensatoren nicht einen Betrag einer Differenz aus der Summe aus den beiden Durchbruchsspannungen und der Eingangsspannung überschreitet.
In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung ist bei einer Halbbrücke die Ansteuerungsschaltung jeweilig als eine hochvoltseitige Ansteuerungsschaltung an einem hochvoltseitigen Halbleiterschalter und als eine niedervoltseitige Ansteuerungsschaltung an einem niedervoltseitigen Halbleiterschalter angeordnet, wobei die Ansteuerungsschaltung dazu konfiguriert ist, das obere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung über eine Reihenschaltung eines ersten Widerstandes und einer dritten Diode aus dem oberen Potential der Spannungsquelle zur Verfügung zu stellen und das untere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung über einen Verbindungsschalter, der ein weiterer Halbleiterschalter ist und dessen Steueranschluss über einen zweiten Widerstand mit dem Steueranschluss des niedervoltseitigen Halbleiterschalters verbunden ist, aus der Negativspannung der niedervoltseitigen Ansteuerungsschaltung bzw. dem unteren Potential der Spannungsquelle zur Verfügung zu stellen.
Bei einer Halbbrücke verändert sich das Referenzpotential des Source-/Emitter-Anschlusses des hochvoltseitigen Halbleiterschalters mit einer jeweiligen Schalterstellung des niedervoltseitigen Halbleiterschalters, wodurch eine voneinander unabhängige Ansteuerung des jeweiligen Steueranschlusses erforderlich ist. Ohne einen im Stand der Technik hierfür üblichen galvanisch trennenden Gleichstromwandler einzusetzen, kann stattdessen vorteilhaft die erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung, jeweils eine erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung für den hochvoltseitigen und eine erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung für den niedervoltseitigen Halbleiterschalter der Halbbrücke, herangezogen werden. Die Eingangsspannung des niedervoltseitigen Halbleiterschalters wird dabei von einer Spannungsquelle bereitgestellt, während die Eingangsspannung des hochvoltseitigen Halbleiterschalters durch ein als Bootstrapping bekanntes Verfahren aus der Ansteuerungsschaltung des niedervoltseitigen Halbleiterschalter bereitgestellt wird. Das bedeutet, dass die Ansteuerungsschaltung des niedervoltseitigen Halbleiterschalters hier als Spannungsquelle für die Ansteuerungsschaltung des hochvoltseitigen Halbleiterschalters dient. Im Stand der Technik wird auf der Hochvoltseite die Positivspannung zum Ansteuerungsmodul, das im Beispiel eines MOSFETs als Halbleiterschalter ein Gate-Treiber ist, aus einem sogenannten Bootstrapkondensator bezogen, der über eine sogenannte Bootstrapdiode während eines geschlossenen Zustands des niedervoltseitigen Halbleiterschalters aufgeladen wird. Im Gegenzug schützt die Bootstrapdiode bei einem offenen Zustand des niedervoltseitigen Halbleiterschalters den Bootstrapkondensator vor Entladung, da in diesem Fall ein unteres Potential des Bootstrapkondensators nach oben geschoben wurde und sich ggfs. der Bootstrapkondensator in die Spannungsquelle entladen könnte. Trotz dieses einfachen Aufbaus ist bei dieser Anwendung aus dem Stand der Technik nachteilig, dass der Bootstrapkondensator nur während eines geschlossenen Zustandes des niedervoltseitigen Halbleiterschalters geladen werden kann und es somit u. U. zu Schaltphasen kommt, bei denen eine Aufladung des Bootstrapkondensators zu gering ist, um das Gate des hochvoltseitigen MOSFETs zu schalten. Außerdem kann das Bootstrapping nur bei positiven Spannungen verwendet werden.
Im Unterschied zum Stand der Technik muss ein Bootstrapping der beiden Kondensatoren der erfindungsgemäßen hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung jedoch berücksichtigen, dass das untere Potential der Spannungsquelle sich unterhalb des Referenzpotentials am Source-Emitter-Anschluss des niedervoltseitigen Halbleiterschalters befindet. Zwar kann das obere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung noch durch standardmäßiges Bootstrapping über die dritte Diode und den ersten Widerstand aus dem oberen Potential der Spannungsquelle erhalten werden. Das untere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung benötigt jedoch ein aktives Bootstrapping mit einem Verbindungsschalter. Die Ansteuerung dieses Verbindungsschalters erfolgt synchronisiert (da verbunden) mit dem niedervoltseitigen Ansteuerungsmodul, genauer mit dessen Anschluss an den Steuereingang des niedervoltseitigen Halbleiterschalters. Bei geschlossenem Verbindungsschalter sind die beiden Negativspannungseingänge der jeweiligen Ansteuerungsmodule miteinander verbunden. Der Verbindungsschalter ist dabei vorzugsweise ein MOSFET. Der zwischen dessen Steueranschluss und dem Steueranschluss des niedervoltseitigen Halbleiterschalters befindliche zweite Widerstand entkoppelt die beiden Steueranschlüsse.
In fortgesetzt weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung sind bei der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung gegenüber den voranstehenden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung die erste Diode und die zweite Diode entfernt und der hochvoltseitige, mit dem Source-/Emitter-Anschluss des hochvoltseitigen Halbleiterschalters verbundene Mittelabgriff erfolgt nur zwischen den beiden hochvoltseitigen Kondensatoren.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

1 zeigt schematisch eine Schaltung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung.
2 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf zu mehreren Ein- und Ausschaltzyklen der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung bei kleineren Kapazitätswerten.
3 zeigt schematisch einen detaillierten Spannungsverlauf in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung.
4 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf zu mehreren Ein- und Ausschaltzyklen der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung bei größeren Kapazitätswerten.
5 zeigt schematisch eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung bei einem Einschaltvorgang und einem Ausschaltvorgang.
6 zeigt schematisch ein Spannungsdiagramm für die bei der Ansteuerungsschaltung auftretenden Spannungen.
7 zeigt schematisch eine Schaltung einer noch weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung zu einer Halbbrücke.
8 zeigt schematisch eine Schaltung einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung zu einer Halbbrücke.

In 1 wird schematisch eine Schaltung 100 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung 110, 120 gezeigt, wobei die Ansteuerungsschaltung zum einen ein Ansteuerungsmodul 120 mit einem Positivspannungseingang 121 und einem Negativspannungseingang 122 aufweist, und zum anderen eine Aufteilungsschaltung 110 zur Aufteilung einer Eingangsspannung 104 in eine Positivspannung und eine Negativspannung umfasst. Die Aufteilungsschaltung 110 weist einen ersten Kondensator 111, einen zweiten Kondensator 112, eine erste Diode 113 und eine zweite Diode 114 auf. Zwischen den beiden Kondensatoren 111, 112 und den beiden Dioden 113, 114 befindet sich jeweils ein Mittelabgriff 115, 116. Die Mittelabgriffe 115, 116 sind mit einem Source-/Emitter-Anschluss des Halbleiterschalters 101 verbunden, wodurch ein Potential des Mittelabgriffs bzw. ein Referenzpotential des Source-/Emitter-Anschlusses des Halbleiterschalters 101 zwischen dem oberen und unteren Potential der die Eingangsspannung 104 bereitstellenden Spannungsquelle liegt. Außerdem sind zwischen dem Ansteuerungsmodul 120 und dem Steueranschluss des Halbleiterschalters 101 ein Steueranschlusswiderstand 102 und parallel hierzu eine Steueranschlussdiode 103 angeordnet. Für einen Schaltvorgang muss, bezogen auf das Referenzpotential des Source-/Emitter-Anschlusses des Halbleiterschalters 101, eine vom Ansteuerungsmodul 120 erzeugte Spannung am Steueranschluss des Halbleiterschalters 101 dessen Schwellspannung übersteigen.
In 2 wird schematisch ein gemessener zeitaufgelöster Spannungsverlauf 200 zu mehreren Schaltzyklen der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung bei in Vergleich mit 4 kleineren Kapazitätswerten gezeigt. Nach rechts ist jeweils eine Zeit 202 in Mikrosekunden aufgetragen, nach oben eine Spannung 204 in Volt. Im mittleren Panel 200 wird eine vom Ansteuerungsmodul erzeugte Spannung 206 am Steueranschluss des Halbleiterschalters als durchgezogene Linie dargestellt. Gestrichelt gezeichnet sind jeweils am oberen Rand die Positivspannung, welche durch einen Doppelpfeil 216 angezeigt im oberen Panel 210 separat dargestellt ist, und am unteren Rand die Negativspannung, welche durch einen Doppelpfeil 226 angezeigt im unteren Panel 220 separat dargestellt ist. Zu Darstellungszwecken wurde in der hier zugrundeliegenden erfindungsgemäßen Ausgestaltung der zur Messung herangezogenen Ansteuerungsschaltung eine erste Kapazität des ersten Kondensators und eine zweite Kapazität des zweiten Kondensators klein genug gewählt, um ein Schaltverhalten in der Spannung 206, ein Pendeln der Positivspannung in der Darstellung 210 und ein Pendeln der Negativspannung 220 erkennbar zu machen. In der technischen Anwendung vorteilhaft verwendete, größere Kapazitäten führen bspw. zu einem Verlauf wie in 4 gezeigt.
In 3 wird schematisch ein detaillierter Spannungsverlauf 300 in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung gezeigt. Die Eingangsspannung 322 definiert den Abstand zwischen oberem Potential 312 der Spannungsquelle und unterem Potential 316 der Spannungsquelle. Eine Spannungskurve 302 zeigt über den Zeitverlauf nach rechts annähernd drei Schaltzyklen. Mit jedem Schaltwechsel fällt bzw. steigt die Kurve 302 exponentiell gemäß einer Kondensatorentladungskurve. Ein tatsächlicher Spannungsverlauf ist jedoch durch den Durchbruchspannungswert 332 der ersten Diode und den Durchbruchspannungswert 334 der zweiten Diode begrenzt. Innerhalb dieses Bereichs pendelt das Mittelabgriffspotential 314 bzw. das Referenzpotential des Source-/Emitter-Anschlusses des Halbleiterschalters. Wird bspw. der Halbleiterschalter eingeschaltet, so beginnt der erste Kondensator sich durch den für das Einschalten notwendigen Strom zu entladen, und zwar so lange, bis der Steueranschluss des Halbleiterschalters geladen ist. Die Positivspannung 324 fällt dabei gemäß einer Kondensatorentladekurve mit exponentiellem Verhalten ab. Im Gegenzug wird der zweite Kondensator geladen, da bei konstanter Eingangsspannung die sinkende Positivspannung 324 am ersten Kondensator den Betrag der Negativspannung 326 am zweiten Kondensator ansteigen lässt. Allerdings wird der zweite Kondensator nur bis zu genau demjenigen Betrag des Negativspannungswertes geladen, der dem zweiten Durchbruchspannungswert 334 der zweiten Diode, welche zum zweiten Kondensator parallel geschaltet ist, entspricht. An diesem Wert wird die zweite Diode leitend, wodurch der Strom fortan durch die zweite Diode fließt und nicht länger den zweiten Kondensator aufladen kann. Die Spannungskurve nimmt fortan einen horizontalen Verlauf, wobei die Differenz aus der Kondensatorentladekurve und der Spannungskurve sogenannte Clamping-Verluste 304 bildet. Diese bei Einschalten des Halbleiterschalters gebildeten Clamping-Verluste 304 enden erst wieder nach einem Ausschalten des Halbleiterschalters. Der zweite Kondensator beginnt sich durch den beim Ausschalten fließenden Strom zu entladen, und zwar so lange, bis der Steueranschluss des Halbleiterschalters entladen ist. Der Betrag der Negativspannung 326 fällt dabei gemäß einer Kondensatorentladekurve mit exponentiellem Verhalten ab. Im Gegenzug wird der erste Kondensator geladen, da bei konstanter Eingangsspannung 322 der sinkende Betrag der Negativspannung 326 am zweiten Kondensator die Positivspannung 324 am ersten Kondensator ansteigen lässt. Allerdings wird der erste Kondensator nur bis zu genau demjenigen Betrag der Positivspannung 324 geladen, der dem ersten Durchbruchspannungswert der ersten Diode, welche zum ersten Kondensator parallel geschaltet ist, entspricht. An diesem Wert wird die erste Diode leitend, wodurch der Strom fortan durch die erste Diode fließt und nicht länger den ersten Kondensator aufladen kann. Erneut nimmt die Spannungskurve 302 einen horizontalen Verlauf an, bis wiederum der Halbleiterschalter eingeschaltet wird und sich die voranstehend erläuterten Vorgänge wiederholen.
In 4 wird schematisch ein gemessener zeitaufgelöster Spannungsverlauf 400 zu mehreren Schaltzyklen der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung bei in Vergleich mit 2 größeren Kapazitätswerten gezeigt. Nach rechts ist jeweils eine Zeit 402 in Mikrosekunden aufgetragen, nach oben eine Spannung 404 in Volt. Im mittleren Panel 400 wird eine vom Ansteuerungsmodul erzeugte Spannung 406 am Steueranschluss des Halbleiterschalters als durchgezogene Linie dargestellt. Gestrichelt gezeichnet sind jeweils am oberen Rand die Positivspannung, welche durch einen Doppelpfeil 416 angezeigt im oberen Panel 410 separat dargestellt ist, und am unteren Rand die Negativspannung, welche durch einen Doppelpfeil 426 angezeigt im unteren Panel 420 separat dargestellt ist. Die in dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der zur Messung herangezogenen Ansteuerungsschaltung gewählten Werte für die erste Kapazität des ersten Kondensators und die zweite Kapazität des zweiten Kondensators bewegen sich in einer realistischen, in der technischen Anwendung vorteilhaften Größenordnung. Generell darf ein bei dem Schaltvorgang auftretender Spannungsverlust am jeweiligen Kondensator keinesfalls den Betrag einer Differenz aus den beiden Durchspannungen überschreiten, was durch Wahl ausreichend großer Kapazitätswerte gewährleistet ist. Ist Q_g eine bei einem jeweiligen Schaltvorgang jeweilig am Steueranschluss des Halbleiterschalter fließende Lademenge, um ein- bzw. auszuschalten, und ΔV der jeweilig auftretende Spannungsverlust am jeweiligen Kondensator, so muss der jeweilige Kapazitätswert C≥Q_g/ΔV gewählt sein.
In 5 wird schematisch eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung bei einem Einschaltvorgang 510 und einem Ausschaltvorgang 520 gezeigt. Eine jeweils dicker gezeichnete Line soll einen jeweils eintretenden Stromverlauf aufzeigen. Beim Einschaltvorgang 510 wird der Positivspannungseingang 516 vom Ansteuerungsmodul 515 zum Steuerungsanschlusswiderstand 517 des Halbleiterschalters 518 durchgeschaltet. Der erste Kondensator 511 der Ansteuerungsschaltung wird dabei solange entladen, bis der Spannungsabfall am ersten Kondensator 511 den Durchbruchspannungswert der ersten Diode 513 der beiden Dioden 513, 514 der Ansteuerungsschaltung unterschreitet. Der zweite Kondensator 512 der Ansteuerungsschaltung wird geladen. Der Stromfluss am Halbleiterschalter 518 ist durch ein aus drei Kondensatoren 501, 502, 503 gebildetes Ersatzschaltbild angedeutet. Beim Ausschaltvorgang 520 wird der Negativspannungseingang 526 vom Ansteuerungsmodul 525 zur Steuerungsanschlussdiode 527 des Halbleiterschalters 528 durchgeschaltet. Der zweite Kondensator 522 der Ansteuerungsschaltung wird dabei solange entladen, bis der Spannungsabfall am zweiten Kondensator 522 der Ansteuerungsschaltung den Durchbruchspannungswert der zweiten Diode 524 der beiden Dioden 523, 524 unterschreitet. Der erste Kondensator 521 wird geladen. Der Stromfluss am Halbleiterschalter 528 ist durch ein aus drei Kondensatoren 504, 505, 506 gebildetes Ersatzschaltbild angedeutet.
In 6 wird schematisch ein Spannungsdiagramm 600 für die bei der Ansteuerungsschaltung auftretenden Spannungen gezeigt. Nach oben ist der Spannungswert 601 aufgetragen. Die höchste in der Ansteuerungsschaltung vorkommende Spannung ist die Eingangsspannung V_in 605, die durch die erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung in die Positivspannung und die Negativspannung aufgeteilt wird. Diese Aufteilung findet pendelnd - aufgrund der Entladevorgänge des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators der Ansteuerungsschaltung und der Begrenzung durch den ersten Durchbruchsspannungswert V_R1 603 der ersten Diode und den zweiten Durchbruchsspannungswert V_R2 604 der zweiten Diode der Ansteuerungsschaltung - in einem Bereich einer Hysteresespannung V_H 602 statt. Die Hysteresespannung V_H 602 ist dann durch V_H= V_R1 + V_R2- V_in gegeben. Der jeweilige Spannungsabfall in den Kondensatoren darf die Hysteresespannung V_H 602 nicht übersteigen, was durch geeignete Wahl der jeweiligen Kapazitäten C₁ und C₂ der beiden Kondensatoren erreicht wird. So gilt für jede Kapazität einzeln C_1,2≥Q_g/V_H. Typische Werte dieser Kapazitäten reichen von 1 Nanofarad bis hin zu 100 Mikrofarad. Eine jeweilige Grenzspannung dieser beiden Kondensatoren muss dabei höher als die jeweilige Durchbruchspannung der parallelen Dioden, bspw. TVS-Dioden (siehe Bezugszeichen 523 und 524 aus 5), sein. Typische Grenzspannungswerte befinden sich in einem Bereich ab 5 Volt bis hin zu 100 Volt.
In 7 wird schematisch eine Schaltung einer noch weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung zu einer Halbbrücke gezeigt. Die erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung ist jeweilig als eine hochvoltseitige, einen ersten Kondensator 711, einen zweiten Kondensator 712, eine erste Diode 713, eine zweite Diode 714 und ein Ansteuerungsmodul 715 aufweisende Ansteuerungsschaltung 701 an einem hochvoltseitigen Halbleiterschalter 718 angeordnet und als eine niedervoltseitige, einen ersten Kondensator 721, einen zweiten Kondensator 722, eine erste Diode 723, eine zweite Diode 724 und ein Ansteuerungsmodul 725 aufweisende Ansteuerungsschaltung 702 an einem niedervoltseitigen Halbleiterschalter 728 angeordnet. Weiter ist zwischen dem jeweiligen Ansteuerungsmodul 715, 725 und dem jeweiligen Halbleiterschalter 718, 728 ein Steueranschlusswiderstand (bei der Niedervoltseite durch Bezugszeichen 726 benannt) und parallel dazu eine Steueranschlussdiode 727 (bei der Niedervoltseite durch Bezugszeichen 727 benannt) angeordnet. Das obere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung 701 wird über ein Bootstrapping mittels eines ersten Widerstandes 732 und einer dritten Diode 731 aus dem oberen Potential der Spannungsquelle 703 erhalten. Das untere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung 701 wird über einen aktiven Verbindungsschalter 741, der ein weiterer Halbleiterschalter, bspw. ein MOSFET, ist und dessen Steueranschluss über einen zweiten Widerstand 742 mit dem Ansteuerungsmodul 725 der niedervoltseitigen Ansteuerungsschaltung 702 verbunden ist, aus dem unteren Potential der Spannungsquelle 703 zur Verfügung gestellt. Der zweite Widerstand 742 entkoppelt dabei die jeweiligen Steueranschlüsse des Verbindungsschalters 741 und des niedervoltseitigen Halbleiterschalters 728.
In 8 wird schematisch eine Schaltung einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerungsschaltung zu einer Halbbrücke gezeigt. Die erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung ist jeweilig als eine hochvoltseitige, einen ersten Kondensator 811, einen zweiten Kondensator 812 und ein Ansteuerungsmodul 815 aufweisende Ansteuerungsschaltung 801 an einem hochvoltseitigen Halbleiterschalter 818 angeordnet und als eine niedervoltseitige, einen ersten Kondensator 821, einen zweiten Kondensator 822, eine erste Diode 823, eine zweite Diode 824 und ein Ansteuerungsmodul 825 aufweisende Ansteuerungsschaltung 802 an einem niedervoltseitigen Halbleiterschalter 828 angeordnet. Weiter ist zwischen dem jeweiligen Ansteuerungsmodul 815, 825 und dem jeweiligen Halbleiterschalter 818, 828 ein Steueranschlusswiderstand (bei der Niedervoltseite durch Bezugszeichen 826 benannt) und parallel dazu eine Steueranschlussdiode 827 (bei der Niedervoltseite durch Bezugszeichen 827 benannt) angeordnet. Das obere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung 801 wird über ein Bootstrapping mittels eines ersten Widerstandes 832 und einer dritten Diode 831 aus dem oberen Potential der Spannungsquelle 803 erhalten. Das untere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung 801 wird über einen aktiven Verbindungsschalter 841, der ein weiterer Halbleiterschalter, bspw. ein MOSFET, ist und dessen Steueranschluss über einen zweiten Widerstand 842 mit dem Ansteuerungsmodul 825 der niedervoltseitigen Ansteuerungsschaltung 802 verbunden ist, aus dem unteren Potential der Spannungsquelle 803 zur Verfügung gestellt. Der zweite Widerstand 842 entkoppelt dabei die jeweiligen Steueranschlüsse des Verbindungsschalters 841 und des niedervoltseitigen Halbleiterschalters 828. Die erste Diode 713 und die zweite Diode 714 in 7 fehlen in der hochvoltseitigen Anschlussschaltung 801 von 8, da sie in manchen Anwendungen nicht notwendig sind.

Claims

Verfahren zu einer Ansteuerung eines Halbleiterschalters (101, 518, 528), bei dem eine Ansteuerungsschaltung (100, 510, 520) des Halbleiterschalters von einer Spannungsquelle (703, 803) mit einer Eingangsspannung (104, 322, 605) versorgt wird, bei dem die Ansteuerungsschaltung ein Ansteuerungsmodul (120, 515, 525, 715, 725, 815, 825), einen ersten Kondensator (111, 511, 521, 711, 721, 811, 821) mit einer ersten Kapazität, einen zweiten Kondensator (112, 512, 522, 712, 722, 812, 822) mit einer zweiten Kapazität, eine erste Diode (113, 513, 523, 713, 723, 823) mit einem ersten Durchbruchsspannungswert (332, 603) und eine zweite Diode (114, 514, 524, 714, 724, 824) mit einem zweiten Durchbruchsspannungswert (334, 604) umfasst, wobei jeder Durchbruchsspannungswert kleiner als die Eingangsspannung und die Summe beider Durchbruchsspannungswerte größer als die Eingangsspannung gewählt wird, bei dem das Ansteuerungsmodul mit einem Steueranschluss des Halbleiterschalters verbunden wird, bei dem an ein oberes Potential der Spannungsquelle der erste Kondensator, die erste Diode mit ihrer n-dotierten Seite und ein Positivspannungseingang (121, 516) des Ansteuerungsmoduls angeschlossen werden und bei dem an ein unteres Potential der Spannungsquelle der zweite Kondensator, die zweite Diode mit ihrer p-dotierten Seite und ein Negativspannungseingang (122, 526) des Ansteuerungsmoduls angeschlossen werden, bei dem die beiden Kondensatoren und die beiden Dioden an ihrem jeweils nicht an die Spannungsquelle angeschlossenen Ende miteinander zu einem Mittelabgriff verbunden werden, und bei dem der Mittelabgriff mit einem Source-/Emitter-Anschluss des Halbleiterschalters verbunden wird, wodurch ein Potential des Mittelabgriffs (314) und damit ein Referenzpotential des Source-/Emitter-Anschlusses des Halbleiterschalters zwischen dem oberen und unteren Potential der Spannungsquelle liegt und die Ansteuerungsschaltung gegenüber dem Potential des Mittelabgriffs eine Positivspannung (210, 216, 324, 410) und eine Negativspannung (220, 226, 326, 420) zur Ansteuerung des Halbleiterschalters erzeugt, wobei ein Positivspannungswert und ein Negativspannungswert von der Eingangsspannung, den jeweiligen Kapazitäten der beiden Kondensatoren und den jeweiligen Durchbruchsspannungswerten der beiden Dioden bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterschalter entweder als ein Bipolartransistor oder als ein Feldeffekttransistor gewählt wird, und es sich dementsprechend bei dem Steueranschluss entweder um den Anschluss zu einer Basis oder zu einem Gate handelt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der beiden Dioden entweder als eine TVS-Diode oder als eine Zenerdiode gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erste Kapazität und die zweite Kapazität der beiden Kondensatoren so gewählt werden, dass bei einem Schaltvorgang ein jeweiliger Spannungsabfall an jedem der beiden Kondensatoren nicht einen Betrag einer Differenz aus der Summe aus den beiden Durchbruchsspannungen und der Eingangsspannung überschreitet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem bei einer Halbbrücke die Ansteuerungsschaltung jeweilig als eine hochvoltseitige Ansteuerungsschaltung (701) an einem hochvoltseitigen Halbleiterschalter (718, 818) und als eine niedervoltseitige Ansteuerungsschaltung (702, 802) an einem niedervoltseitigen Halbleiterschalter (728, 828) angeordnet wird, wobei das obere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung über eine Reihenschaltung eines ersten Widerstandes (732, 832) und einer dritten Diode (731, 831) aus dem oberen Potential der Spannungsquelle (703, 803) zur Verfügung gestellt wird und das untere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung über einen Verbindungschalter (741, 841), der durch einen weiteren Halbleiterschalter gebildet wird und dessen Steueranschluss über einen zweiten Widerstand (742, 842) mit dem Steueranschluss des niedervoltseitigen Halbleiterschalters verbunden ist, aus der Negativspannung der niedervoltseitigen Ansteuerungsschaltung oder dem unteren Potential der Spannungsquelle zur Verfügung gestellt wird.
Ansteuerungsschaltung (100, 510, 520) eines Halbleiterschalters (101, 518, 528), welche von einer Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung (104, 322, 605) versorgt ist und welche ein Ansteuerungsmodul (120, 515, 525, 715, 725, 815, 825), einen ersten Kondensator (111, 511, 521, 711, 721, 811, 821) mit einer ersten Kapazität, einen zweiten Kondensator (112, 512, 522, 712, 722, 812, 822) mit einer zweiten Kapazität, eine erste Diode (113, 513, 523, 713, 723, 823) mit einem ersten Durchbruchsspannungswert (332, 603) und eine zweite Diode (114, 514, 524, 714, 724, 824) mit einem zweiten Durchbruchsspannungswert (334, 604) umfasst, wobei jeder Durchbruchsspannungswert kleiner als die Eingangsspannung und die Summe beider Durchbruchsspannungswerte größer als die Eingangsspannung gewählt ist, bei der das Ansteuerungsmodul mit einem Steueranschluss des Halbleiterschalters verbunden ist, bei der an ein oberes Potential der Spannungsquelle der erste Kondensator, die erste Diode mit ihrer n-dotierten Seite und ein Positivspannungseingang (121, 516) des Ansteuerungsmoduls angeschlossen sind und bei der an ein unteres Potential der Spannungsquelle der zweite Kondensator, die zweite Diode mit ihrer p-dotierten Seite und ein Negativspannungseingang (122, 526) des Ansteuerungsmoduls angeschlossen sind, bei der die beiden Kondensatoren und die beiden Dioden an ihrem jeweils nicht an die Spannungsquelle angeschlossenen Ende miteinander zu einem Mittelabgriff verbunden sind, und bei der der Mittelabgriff mit einem Source-/Emitter-Anschluss des Halbleiterschalters verbunden ist, wodurch die Ansteuerungsschaltung ein Potential des Mittelabgriffs (314) und damit ein Referenzpotential des Source-/Emitter-Anschlusses des Halbleiterschalters zwischen dem oberen und unteren Potential der Spannungsquelle aufweist und wodurch die Ansteuerungsschaltung dazu konfiguriert ist, gegenüber dem Potential des Mittelabgriffs eine Positivspannung (210, 216, 324, 410) und eine Negativspannung (220, 226, 326, 420) zur Ansteuerung des Halbleiterschalters zu erzeugen, wobei ein Positivspannungswert und ein Negativspannungswert von der Eingangsspannung, den jeweiligen Kapazitäten der beiden Kondensatoren und den jeweiligen Durchbruchsspannungswerten der beiden Dioden bestimmt sind.
Ansteuerungsschaltung nach Anspruch 6, wobei der Halbleiterschalter entweder ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor ist, und es sich dementsprechend bei dem Steueranschluss entweder um den Anschluss zu einer Basis oder zu einem Gate handelt.
Ansteuerungsschaltung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei mindestens eine der beiden Dioden entweder eine TVS-Diode oder eine Zenerdiode ist.
Ansteuerungsschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die beiden Kondensatoren durch Wahl ihrer jeweiligen Kapazität so konfiguriert sind, dass bei einem Schaltvorgang ein jeweiliger Spannungsabfall an jedem der beiden Kondensatoren nicht einen Betrag einer Differenz aus der Summe aus den beiden Durchbruchsspannungen und der Eingangsspannung überschreitet.
Ansteuerungsschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem bei einer Halbbrücke die Ansteuerungsschaltung jeweilig als eine hochvoltseitige Ansteuerungsschaltung (701) an einem hochvoltseitigen Halbleiterschalter (718, 818) und als eine niedervoltseitige Ansteuerungsschaltung (702, 802) an einem niedervoltseitigen Halbleiterschalter (728, 828) angeordnet ist, wobei die Ansteuerungsschaltung dazu konfiguriert ist, das obere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung über eine Reihenschaltung eines ersten Widerstandes (732, 832) und einer dritten Diode (731, 831) aus dem oberen Potential der Spannungsquelle (703, 803) zur Verfügung zu stellen und das untere Potential der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung über einen Verbindungsschalter (741, 841), der ein weiterer Halbleiterschalter ist und dessen Steueranschluss über einen zweiten Widerstand (742, 842) mit dem Steueranschluss des niedervoltseitigen Halbleiterschalters verbunden ist, aus der Negativspannung der niedervoltseitigen Ansteuerungsschaltung oder dem unteren Potential der Spannungsquelle zur Verfügung zu stellen.
Ansteuerungsschaltung nach Anspruch 10, bei welcher bei der hochvoltseitigen Ansteuerungsschaltung (801) die erste Diode und die zweite Diode entfernt sind und der hochvoltseitige, mit dem Source-/Emitter-Anschluss des hochvoltseitigen Halbleiterschalters verbundene Mittelabgriff nur zwischen den beiden hochvoltseitigen Kondensatoren erfolgt.