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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System und Verfahren zum Kurzschlussschutz für einen Gatetreiber unter Verwendung eines gepulsten Betriebs.
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Ein Gatetreiber ist typischerweise ein Leistungsverstärker, und er kann außerdem zusätzliche Schaltungstechnik, die ein Niederleistungs-Eingangssignal von einem zughörigen Controller-IC empfängt und ein Hochstrom-Ansteuereingangssignal für das Gate eines Hochleistungstransistors wie beispielsweise eines IGBTs oder Leistungs-MOSFETs erzeugt, enthalten. Manchmal kann der IGBT- oder Leistungs-MOSFET-Transistor eine Überstrom- oder Überspannungssituation erfahren, die zu einem Überheizen des Transistors und letzten Endes zu einer Transistorbeschädigung führen kann, wenn die Situation nicht behandelt wird. Während dieser Überstrom- oder Überspannungsbetriebszustände kann auch der Gatetreiber selbst beschädigt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren zum Schützen einer Gatetreiberschaltung das Empfangen eines Eingangssignals, um einen Gatetreiberausgang der Gatetreiberschaltung zu energetisieren; das Feststellen, dass ein anormaler Betriebszustand am Gatetreiberausgang vorliegt; das kontinuierliche Energetisieren des Gatetreiberausgangs für einen definierten Zeitraum; und das Aufnehmen einer gepulsten Betriebsart zum Energetisieren des Gatetreiberausgangs, nachdem der definierte Zeitraum abgelaufen ist.
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Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug genommen auf die folgenden Beschreibungen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erfolgen, in denen:
- 1 ein Diagramm eines Leistungssystems mit einem IGBT-Leistungsmodul und einer Gatetreiberschaltung gemäß einer Ausgestaltung ist;
- 2 ein zu der Gatetreiberschaltung von 1 gehörendes Zeitverlaufsdiagramm ist;
- 3 ein detaillierteres Diagramm der Gatetreiberschaltung von 1 ist; und
- 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Gatetreibers gemäß einer Ausgestaltung ist.
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1 veranschaulicht ein Leistungssystem 100 mit einem Integrierte-Schaltung-Gatetreiber 102 und einem angesteuerten Leistungsschalter, der in einem Ausführungsbeispiel als IGBT-Leistungsmodul 104 gezeigt ist. Der Gatetreiber 102 enthält drei Hochstrom-Ausgangsstufen, auch wenn nur eine derartige Ausgangsstufe erforderlich ist, und es kann eine beliebige Anzahl, wie sie für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist, verwendet werden. Die Ausgangsstufe 106, die auf eine positive Leistungsversorgungsspannung VCC2 an einem TON-Pin gesteuert wird, enthält einen Verstärkerteil und einen Überwachungsteil, die unten näher erläutert werden. Die Ausgangsstufe 108, die auf eine negative Leistungsversorgungsspannung VEE2 an einem CLAMP-Pin gesteuert wird, enthält ebenfalls einen Verstärkerteil und einen Überwachungsteil, die unten näher erläutert werden. Die Ausgangsstufe 110, die ebenfalls auf die negative Leistungsversorgungsspannung VEE2 an einem TOFF-Pin gesteuert wird, enthält ebenfalls einen Verstärkerteil und einen Überwachungsteil, die unten näher erläutert werden. Der Gatetreiber 102 enthält außerdem den positiven Leistungsversorgungspin VCC2, den negativen Leistungsversorgungspin VEE2, und einen Massepin VGND2. Der Gatetreiber 102 kann auch zusammen mit anderen Steuerfunktionen (nicht gezeigt) für das Leistungssystem 100 wie beispielsweise Digital- und Analog-Eingangs- und Ausgangssteuerpins und entsprechende Digital- und Analog-Steuerschaltungstechnik integriert sein.
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Bei einer Ausgestaltung enthält das IGBT-Leistungsmodul 104 einen IGBT-Transistor und eine antiparallele Diode. Andere Arten von Leistungstransistoren wie beispielsweise MOSFET- und SiC-(Siliziumkarbid)-Transistoren können ebenfalls verwendet werden. Das Leistungsmodul 104 kann integriert sein oder aus diskreten Komponenten bestehen. Der TON-Pin des Gatetreibers 102 ist über einen RON-Widerstand mit dem Gate des IGBT-Leistungsmoduls 104 gekoppelt, der CLAMP-Pin des Gatetreibers 102 ist direkt mit dem Gate des IGBT-Leistungsmoduls 104 gekoppelt, und der TOFF-Pin des Gatetreibers 102 ist über einen ROFF-Widerstand mit dem Gate des IGBT-Leistungsmoduls 104 gekoppelt.
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Die nächste Generation von integrierten Gatetreibern für FET-/IGBT-/SiC-Leistungsmodule wie beispielsweise das IGBT-Leistungsmodul 104 kann mehrere Hochstromausgänge zum Steuern des EIN-/AUS-Zustands des Leistungsmoduls aufweisen. Diese Leistungsmodule 104 bürden den Ausgängen des Gatetreibers 102 eine hohe kapazitive Last auf. Die Ausgänge des Gatetreibers 102 können üblicherweise Ströme bis zu 10 Ampere ausgeben oder aufnehmen. Im Normalbetrieb erfordert das Laden und Entladen dieser kapazitiven Lasten nur einige 100 ns, was dazu führt, dass der Spitzenstrom nur für diesen kurzen Zeitraum andauert. In anormalen Zuständen (z. B. einem Kurzschluss auf einer Leiterplatte; (engl.: „printed circuit board“; PCB) aufgrund einer externen Metallbrücke, z. B. eines herunterfallenden Schraubenziehers) könnte der maximale Strom für die gesamte Dauer des Kurzschlusses fließen, was zu einer Zerstörung des Gatetreibers führt. Bei sicherheitskritischen Anwendungen (z. B. einem Automotive-Motorinverter) ist es gefährlich, die Steuerung des Leistungsmoduls 104 aufzugeben, d. h., eine Selbstzerstörung des Gatetreibers 102 ist zu vermeiden und dennoch sollte der angestrebte EIN-/AUS-Zustand erreicht werden.
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Die nachfolgende Beschreibung ist deshalb primär auf den Schutz des Gatetreibers 102 selbst gerichtet, und sie ist nicht primär auf den Schutz des Leistungsmoduls 104 gegen Überstrom gerichtet. Der Schutz des Leistungsmoduls 104 wird üblicherweise durch Entsättigungs-(engl.: „desaturation“; DESAT)- und/oder Überstromschutz-(engl.: „overcurrent protection“; OCP)-Signale und dazugehörige Schaltungstechnik erreicht und wird deshalb hier nicht weiter erläutert.
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Der Maximalstrom der Ausgangsstufen ist für alle Gatetreiber in dem Gatetreiber 102 definiert. Üblicherweise werden externe Widerstände verwendet, um die Flankensteilheiten zum EIN-/AUS-Schalten des Leistungsmoduls 104 einzustellen. Diese externen Widerstände würden den Strom ebenfalls begrenzen, wenn der Kurzschluss jenseits der Widerstandsposition in dem Leistungssystem 100 auftritt. Bei einer Ausgestaltung überwacht der Gatetreiber 102, wie im Folgenden näher erläutert wird, den Strom seiner eigenen Ausgangsstufe und ist daher probat, um einen beliebigen Kurzschlusszustand zu behandeln, der irgendwo jenseits des entsprechenden Gatetreiberausgangspins auftritt.
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Thermisches Abschalten kann manchmal für einen Übertemperaturzustand des Gatetreibers 102 verwendet werden, aber die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit ist typischerweise zu langsam, um im Fall eines Kurzschlusses an einem Ausgang eine Selbstzerstörung zu verhindern.
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Das Detektieren von Kurzschlusszuständen an den Ausgängen des Gatetreibers 102 und das Auslösen einer Freigabe in einen Tri-State-Betriebszustand kann eine Selbstzerstörung des Gatetreibers 102 verhindern, gibt aber die Steuerung des Leistungsmoduls 104 dauerhaft frei.
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Gemäß Ausgestaltungen überwacht der Gatetreiber 102 seine Ausgänge auf Kurzschluss-(Hochstrom)-Ereignisse. Der Gatetreiber misst die Länge dieser Kurzschlussereignisse. Wenn das Kurzschlussereignis eine definierte Zeit übersteigt, wird der Gatetreiber in eine gepulste Betriebsart geschaltet. Zum Beispiel kann die gepulste Betriebsart durch Umschalten zwischen einer Tri-State-Betriebsart und einer aktiven Ansteuer-Betriebsart, die einen gelösten (engl.: „relaxed“) Tastgrad aufweist, erreicht werden. Die gepulste Betriebsart wird fortgesetzt, solange das Kurzschlussereignis andauert.
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Es ist wichtig anzumerken, dass der definierte Zeitraum sorgfältig gewählt wird, um eine Beschädigung der Ausgangsstufen der Treiberschaltung 102 zu verhindern. In anderen Worten, da ein anfängliches Aufheizen der Ausgangsstufe 106, 108 oder 110 der Treiberschaltung 102 während des definierten Zeitraums auftritt, muss die Zeiteinteilung auf eine solche Weise gewählt werden, dass die Ausgangsstufe idealerweise in einen Tri-State-Zustand versetzt wird (engl.: „tri-stated“), bevor der Maximalstrom zu einer entsprechenden, zerstörerischen Temperatur führt. Der Tastgrad des gepulsten Betriebs wird ebenfalls sorgfältig gewählt. Der gepulste Betrieb läuft mit einem Sicherheits-Tastgrad, der gewählt ist, um ein weiteres Überhitzen zu verhindern. In anderen Worten, ein relativ geringer Tastgrad verhindert ein weiteres Überhitzen, aber ein relativ hoher Tastgrad kann weiteres Erhitzen nicht verhindern. Der definierte Zeitraum und der sichere Tastgrad können variieren und sie werden basierend auf Simulationen einer bestimmten Anwendung gewählt.
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Es ist ein Vorteil von Ausgestaltungen der Gatetreiberschaltung, dass sich der Gatetreiber 102 sogar im Kurzschlussfall selbst gegen Zerstörung schützt. Der Gatetreiber 102 versucht automatisch, die Steuerung des Ausgangssignals zurückzuerlangen, und es ist keine Maßnahme von einem zu der Gatetreiberschaltung 102 gehörenden Mikroprozessor erforderlich. Sobald das Kurzschlussereignis beseitigt ist, kann der Gatetreiber 102 mit seinem normalen Betrieb weitermachen.
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Wendet man sich nun 2 zu, werden in Zeitverlaufsdiagrammabschnitten 202, 204 und 206 drei Betriebsarten dargestellt.
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Der Zeitverlaufsdiagrammabschnitt 202 veranschaulicht einen Normalbetriebszustand, bei dem kein Kurzschluss vorliegt. Ein INP-Eingangssignal wird von einem Mikroprozessor, der sich auf der Gatetreiberschaltung 102 befindet, empfangen (am besten zu sehen in 3, und es wird unten ausführlicher beschrieben). Das INP-Eingangssignal zeigt ein normales Eingangssignal, das zwischen einem digitalen logischen High- und Low-Zustand hin- und herschaltet. Die entsprechende Spannungsausgabe V (TON/TOFF) an dem TON-Pin, die das INP-Signal widerspiegelt, ist ebenfalls gezeigt. Die entsprechende Stromausgabe I (TON) ist ebenfalls gezeigt, sie enthält einen Strompuls an den positiv werdenden Flanken des Ausgangsspannungssignals. Der Strompuls ist auf die kapazitive Natur des Gate-Eingangs des IGBT-Leistungsschalters 104 zurückzuführen.
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Der Zeitverlaufsdiagrammabschnitt 204 veranschaulicht ein Kurzschlussereignis während einer vollständigen EIN-Schaltphase. Während der definierten Zeit wird die Ausgangsspannung auf einen dem Kurzschlusszustand zugeordneten, kleinen Wert begrenzt, aber der Ausgangsstrom befindet sich für die Gesamtheit der definierten Zeit beim vollen Maximalwert. Während der gepulsten Betriebsart sind zwei Spannungspulse gezeigt und es sind zwei Maximalstrompulse gezeigt. In einem nachfolgenden Zeitraum wird der IGBT 104, z. B. durch die Wirkung des TOFF-Pins, ausgeschaltet. Bei dem gezeigten Beispiel wird der Kurzschlusszustand nachfolgend beseitigt, und sobald der TON-Pin versucht, den IGBT 104 einzuschalten, sind eine normale Spannungsstufe und ein entsprechender Maximalstrompuls gezeigt.
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Der Zeitverlaufsdiagrammabschnitt 206 veranschaulicht einen intermittierenden Kurzschluss während einer EIN-Schaltphase. Während der definierten Zeit wird die Ausgangsspannung auf einen dem Kurzschlusszustand zugeordneten, kleinen Wert begrenzt, aber der Ausgangsstrom befindet sich für die Gesamtheit der definierten Zeit beim vollen Maximalwert. Während der gepulsten Betriebsart ist nur ein kleiner Spannungspuls gezeigt, und es sind zwei Maximalstrompulse gezeigt. Der Kurzschlusszustand wird für den ersten Spannungspuls beibehalten. Nach dem ersten Spannungspuls ist der Kurzschlusszustand beseitigt und die Steuerung über den IGBT 104 wird automatisch zurückerhalten. Daher ist ein zweiter, normaler Spannungspuls mit einem zugehörigen Maximalstrompuls gezeigt. In einem nachfolgenden Zeitraum wird der IGBT 104, z. B. durch die Wirkung des TOFF-Pins, ausgeschaltet. Bei dem gezeigten Beispiel wurde der Kurzschlusszustand bereits beseitigt, und sobald der TON-Pin versucht, den IGBT 104 einzuschalten, sind eine normale Spannungsstufe und ein zugehöriger Maximalstrompuls gezeigt.
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Bei Ausgestaltungen kann das Schutzschema für die Gatetreiberschaltung 102 auf einen Hochstromausgang des Gatetreibers (TON/ TOFF/ CLAMP) angewandt werden. Für Ausgänge, die low-aktiv sind, können die Kurvenverläufe invertiert werden.
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Bezugnehmend auf 3 sind weitere Einzelheiten einer Ausgestaltung zum Implementieren der Gatetreiberschutzschaltung und des -verfahrens gezeigt. Die Ausgangsstufe 106 ist mit einem mit dem TON-Pin gekoppelten Ausgangstreiberteil 106A und einem Erfassungsteil (engl.: „sensing portion“) 106B mit einem mit dem TON-Pin gekoppelten Eingang gezeigt. Bei dem Beispiel von 3 enthält die Gatetreiberschaltung 102 eine Digitalschaltung wie beispielsweise einen Mikroprozessor oder eine andere Digitalschaltung 112 mit einer mit einem Zähler 118 gekoppelten Zustandsmaschine 114. Die Zustandsmaschine 114 enthält die vorliegende Information darüber, ob sich die Treiberschaltung 102 in der gepulsten Betriebsart befindet oder nicht. Ein UND-Gatter 116 empfängt das INP-Eingangssignal, das durch einen weiteren Mikroprozessor entweder auf oder außerhalb der Gatetreiberschaltung 102 erzeugt werden kann, und das Ausgangssignal der Zustandsmaschine 114. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 116 steuert die Ausgangsstufe 106A. Der Erfassungsteil 106B weist einen mit dem Ausgang der Ausgangsstufe 106A gekoppelten Eingang und einen mit einem Eingang der Zustandsmaschine 114 gekoppelten Ausgang auf.
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Der Erfassungsteil 106B kann dazu ausgebildet sein, an dem Gatetreiberausgang eine Betriebseigenschaft zu messen und den fehlerhaften Zustand zu detektieren, wenn sich die gemessene Betriebscharakteristik von einer erwarteten normalen Charakteristik unterscheidet. Der Erfassungsteil kann so implementiert sein, dass er den Ausgangsstrom der Ausgangsstufe 106A mit einem Shuntwiderstand (oder ähnlichen Stromerfassungsschaltungen oder -verfahren) erfasst, die Flankensteilheit (engl.: „slew rate“) der Spannungsänderung des Ausgangssignals überwacht, oder überwacht, dass die Ausgangsspannung definierte Pegel in einer definierten Zeit erreicht. Hierauf basierend kann der Erfassungsteil den anormalen Zustand detektieren, wenn der Ausgangsstrom länger als eine erwartete Zeitdauer fließt, die Flankensteilheit geringer als eine erwartete Flankensteilheit ist, oder die Ausgangsspannung die definierten Pegel in der definierten Zeit nicht erreicht. Obwohl der Ausgangs-PIN TON gezeigt ist, können die anderen Pins CLAMP und TOFF ebenfalls verwendet werden. Ausgestaltungen können nur einen derartigen Pin oder alle drei Pins verwenden.
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Die Dauer des Auftretens des Kurzschlusses kann durch einen digitalen Zähler 118 gemessen werden, oder kann als Analogschaltung, die die gemessene Zeit mit einer analogen Verzögerungszeit vergleicht, implementiert werden. Der Zähler 118 wird verwendet, um in die gepulste Betriebsart zu schalten (verschachtelter (engl.: „interleaved“) Tri-State + aktives Ansteuern), wenn die gemessene Dauer über einen gegebenen Schwellenwert (der den schlechtesten Fall für die Treibererwärmung repräsentiert) liegt, und bleibt in der gepulsten Betriebsart, solange der Ausgang EIN ist und der Kurzschluss noch detektiert wird (was, wie vorangehend beschrieben, eine thermische Selbstzerstörung verhindert). Die Gesamtheit der digitalen Logikschaltung 112 kann teilweise durch eine äquivalente analoge Logik ersetzt werden (z. B. können bei einer Ausgestaltung anstelle von Zählern RC-Verzögerungen verwendet werden).
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Ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Schalten eines Gatetreibers in eine gepulste Betriebsart für die Dauer des Überstromzustands gemäß Ausgestaltungen ist in 4 gezeigt. Das Flussdiagramm 400 beginnt mit Schritt 402, indem eine „EIN-Spannung“ an den Ausgangspin einer Gatetreiberschaltung, die mit einem Leistungsschalter wie beispielsweise einem IGBT-Modul gekoppelt ist, angelegt wird, und der Ausgangspin wird wie vorangehend beschreiben überwacht oder erfasst. Der Entscheidungsblock 406 stellt fest, ob ein Kurzschlusszustand vorliegt oder nicht? Falls nicht, geht der normale Betrieb bei Schritt 416 weiter. Wenn ein Kurzschlusszustand vorliegt, wird die „EIN-Spannung“ bei Schritt 408 fortgeführt. Der Entscheidungsblock 410 stellt fest, ob die fortgeführte „EIN-Spannung“ ein vorgegebenes Zeitlimit übersteigt oder nicht. Falls nicht, wird die „EIN-Spannung“ fortgeführt. Sofern das vorgegebene Zeitlimit überschritten wird, wird bei Schritt 412 die Pulsbetriebsart aufgenommen. Der Entscheidungsblock 414 stellt fest, ob der Kurzschlusszustand beseitigt wurde oder nicht. Falls nicht, dann wird die Pulsbetriebsart fortgesetzt. Falls der Kurzschlusszustand beseitigt wurde, wird bei Schritt 416 dank der in 3 gezeigten Beispielschaltung der Normalbetrieb automatisch aufgenommen.
