DE102020215216A1 - Schaltanordnung zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung und Ansteuerschaltung - Google Patents

Schaltanordnung zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung und Ansteuerschaltung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1) zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung (30) mit mindestens zwei Leistungshalbleitern (TU, TL), wobei die Schaltungsanordnung (1) eine der Anzahl der Leistungshalbleiter (TU, TL) entsprechende Anzahl von Gate-Treibern (2) sowie mindestens einen lokalen Prozessor (3) aufweist, wobei der Prozessor (3) derart ausgebildet ist, über getrennte Ports (P1, P2) redundante Steuersignale für die Gate-Treiber (2) von einer übergeordneten Instanz zu empfangen und auszuwerten, wobei bei einer Abweichung der redundanten Steuersignale der Prozessor (3) eines der Steuersignale zur Ansteuerung der Gate-Treiber (2) auswählt, sowie eine Ansteuerschaltung (20) für Halbbrückenschaltungen (30).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung sowie eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern von mindestens zwei Halbbrückenschaltungen.
  • Halbbrückenschaltungen mit mindestens zwei Leistungshalbleitern kommen in den verschiedensten Einrichtungen zum Einsatz, beispielsweise in Wechselrichtern von Elektro- oder Hybridfahrzeugen oder in DC/DC-Wandlern bestimmter Bauform. Dabei dienen Gate-Treiber dazu, die Leistungshalbleiter anzusteuern. Dabei ist es bekannt, dass diese ihre Steuersignale von einer übergeordneten Steuereinheit bekommen.
  • Aus der EP 3 166 216 A1 ist es bekannt, dass eine übergeordnete Steuereinheit Steuersignale für Gate-Treiber erzeugt, wobei die Gate-Treiber aber mit einer eigenen lokalen elektronischen Einheit ausgebildet sind.
  • Aus der EP 2 445 110 A1 sind intelligente Gate-Treiber für parallel geschaltete Leistungshalbleiter bekannt, wobei die Gate-Treiber in einer Master-Slave oder einer Daisy-Chain-Struktur verbunden sein können.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung zu schaffen, die einen zuverlässigeren Betrieb der Halbbrückenschaltung ermöglicht. Ein weiteres technisches Problem ist die Schaffung einer verbesserten Ansteuerschaltung zum Ansteuern von mindestens zwei Halbbrückenschaltungen.
  • Die Lösung des technischen Problem ergibt sich durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Ansteuerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung mit mindestens zwei Leistungshalbleitern weist eine der Anzahl der Leistungshalbleiter entsprechende Anzahl von Gate-Treibern sowie mindestens einen lokalen Prozessor auf. Die Leistungshalbleiter bzw. genauer Leistungshalbleiterschalter sind beispielsweise MOSFETs oder IGBTs. Der Prozessor ist derart ausgebildet, über getrennte Ports redundante Steuersignale für die Gate-Treiber von einer übergeordneten Instanz zu empfangen und auszuwerten, wobei bei einer Abweichung der redundanten Steuersignale der Prozessor ein Steuersignal zur Ansteuerung der Gate-Treiber auswählt. Hierdurch wird die Betriebssicherheit erhöht und eine Ausfallwahrscheinlichkeit der Halbbrückenschaltung reduziert. Die Auswahl eines der beiden Steuersignale bei Ungleichheit der beiden an sich redundanten Steuersignale erfolgt mittels eines Votings. Dabei können a priori-Kenntnisse über Steuersignale zur Anwendung kommen und/oder aufgrund der vorangegangenen Steuersignale wird ein gegenwärtiges Steuersignal geschätzt, sodass dann das Steuersignal verwendet wird, was dichter am geschätzten Steuersignal liegt. Alternativ oder zusätzlich kann ein CRC-Check oder Ähnliches durchgeführt werden.
  • In einer Ausführungsform sind dem Prozessor ein Konfigurations-Modul und ein Kommunikations-Schnittstellenmodul vorgeschaltet, wobei das Konfigurations-Modul derart ausgebildet ist, zwischen einer redundanten Betriebsweise und einer Daisy-Chain-Betriebsweise umzuschalten, wobei das Kommunikations-Schnittstellenmodul die Daten (Steuergeräte) an die gewählte Betriebsweise anpasst. Hierdurch ergibt sich eine flexible Einsatzmöglichkeit der Schaltungsanordnung je nach Anwendungsfall. Dabei sei angemerkt, dass auch ohne Konfigurations-Modul ein Kommunikations-Schnittstellenmodul vorgeschaltet sein kann. Das Kommunikations-Schnittstellenmodul kann dabei ein separater Co-Prozessor sein oder aber in den Prozessor als Vorstufe integriert werden. Anschaulich bereitet das Kommunikations-Schnittstellenmodul die Steuersignale für den Prozessor auf (bei der redundanten Betriebsweise auf zwei separate physikalische Kanäle) oder bereitet einerseits die Steuersignale für und vom Prozessor auf (Daisy-Chain-Betriebsweise).
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung einen Analog-Digital-Wandler auf, der derart ausgebildet ist, verschiedene analoge Sensordaten der Halbleiterschaltung in einen seriellen digitalen Datenstrom zu wandeln. Somit können beispielsweise Spannungs-, Strom- und/oder Temperaturdaten der Halbbrückenschaltung dem Prozessor zugeführt werden. Der Analog-Digital-Wandler ist beispielsweise als Sigma-Delta-Wandler ausgebildet. Dabei können die Eingangsdaten des Analog-Digital-Wandlers vorher verstärkt werden und die Ausgangsdaten gefiltert und auf den Prozessor synchronisiert werden. Die Filterung und Synchronisation kann aber auch in den Prozessor integriert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung einen Gate-Treiber-Controller auf, der die eigentliche Ansteuerung der Gate-Treiber übernimmt. Vorzugsweise ist der Gate-Treiber-Controller derart ausgebildet, eine geschlossene Regelung der Gate-Treiberdurchzuführen. Hierzu werden beispielsweise die Spannungssignale an der Halbbrückenschaltung zum Gate-Treiber-Controller zurückgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Gate-Treiber-Controller durch den Prozessor oder eine übergeordnete Instanz konfigurierbar, sodass beispielsweise das Schaltverhalten angepasst werden kann. Beispielsweise kann das dU/dt- oder dl/dt-Verhalten eingestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler auf, der verschiedene Betriebsspannungen zur Verfügung stellt. Hierzu weist der DC/DC-Wandler beispielsweise mehrere getrennte Sekundärwicklungen auf. Somit kann sehr einfach die Betriebsspannung für die digitalen Komponenten (Prozessor, Kommunikations-Schnittstellenmodul) als auch die analogen Betriebsspannungen für die Gate-Treiber zur Verfügung gestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung eine konfigurierbare Gate-Spannungslevel-Einheit auf, mittels derer die Spannung für den Gate-Treiber-Controller an die verwendeten Halbleiterschalter (z.B. MOSFET oder IGBT) anpassbar ist.
  • Die Ansteuerschaltung zum Ansteuern von mindestens zwei Halbbrückenschaltungen umfasst in einer ersten Ausführungsform einen Sternprozessor und mindestens zwei Schaltungsanordnungen wie zuvor beschrieben, die mit dem Sternprozessor verbunden sind.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist die Ansteuerschaltung mindestens zwei Schaltungsanordnungen auf, die in Daisy-Chain-Betriebsweise konfiguriert sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung mit zwei Leistungshalbleitern,
    • 2 eine schematische Darstellung einer Ansteuerschaltung von Halbbrückenschaltungen mit einem Sternprozessor und
    • 3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerschaltung von Halbbrückenschaltungen in einer Daisy-Chain-Betriebsweise.
  • In der 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung 30 mit zwei Leistungshalbleitern TU und TL dargestellt, die als MOSFETs ausgebildet sind. Die der Vollständigkeit halber dargestellten Freilaufdioden sollen hier nicht näher erläutert werden. Die Schaltungsanordnung 1 weist entsprechend der Anzahl der Leistungshalbleiter TU, TL (bzw. genauer Leistungshalbleiterschalter) zwei Gate-Treiber 2 auf. Weiter weist die Schaltungsanordnung 1 einen lokalen Prozessor 3, ein Kommunikations-Schnittstellenmodul 4, ein Konfigurations-Modul 5, einen Gate-Treiber-Controller 6, einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 7, eine konfigurierbare Gate-Spannungslevel-Einheit 8, Verstärkerschaltungen 9, einen Analog-Digital-Wandler 10, einen Filter 11 und eine Synchronisierungseinheit 12 auf. Die Schaltungsanordnung 1 weist zwei serielle Datenschnittstellen S1, S2 auf. Je nach Betriebsweise liegen an den seriellen Datenschnittstellen S1, S2 redundante Steuersignale für die Gate-Treiber 2 an (redundante Betriebsweise) oder aber an der seriellen Datenschnittstelle S1 liegt ein Eingangs-Steuersignal für die Gate-Treiber 2 und an der seriellen Datenschnittstelle S2 liegt ein Ausgangs-Steuersignal für eine andere Schaltungsanordnung an (Daisy-Chain-Betriebsweise).
  • Die Festlegung, in welcher Betriebsweise die Schaltungsanordnung 1 arbeitet, wird mittels des Konfigurations-Moduls 5 festgelegt. Das Kommunikations-Schnittstellenmodul 4 bereitet entsprechend der Betriebsweise die Steuersignale für den Prozessor 3 auf bzw. in der Daisy-Chain-Betriebsweise zusätzlich für eine andere Schaltungsanordnung. Zu den Aufgaben des Kommunikations-Schnittstellenmoduls 4 gehören u.a. die Datenextraktion und Dateneinfügung (in der Daisy-Chain-Betriebsweise), eine Frame-Selektion und Kanal-Konfiguration. Der Prozessor 3 erzeugt dann aus den übermittelten Steuersignalen Steuersignale für den Gate-Treiber -Controller 6. In der redundanten Betriebsweise, wo also über die beiden seriellen Datenschnittstellen S1, S2 zwei redundante Steuersignale empfangen werden, erhält auch der Prozessor 3 an seinen Ports P1, P2 zwei redundante, aufbereitete Signale. Bei einer Abweichung der beiden Signale (z.B. aufgrund eines Übertragungsfehlers) führt der Prozessor 3 ein Voting durch, welches der beiden Signale zur Ansteuerung verwendet werden soll. Neben einem CRC-Check können auch Erwartungswerte berücksichtigt werden, wozu beispielsweise Signale aus der Vergangenheit berücksichtigt werden. Der Prozessor 3 kann darüber hinaus auch die Gate-Spannungslevel-Einheit 8 konfigurieren, sodass die von der Gate-Spannungslevel-Einheit 8 zur Verfügung gestellte analoge Spannung für die Gate-Treiber 2 zu den verwendeten Leistungshalbleitern TU, TL (z.B. MOSFET oder IGBT) passt. Die Gate-Treiber 2 steuern dann die Leistungshalbleiter TU, TL über Widerstände Rgon oder Rgoff an, wobei die Widerstände Rgon, Rgoff typischerweise „off-chip“ angebunden werden, also nicht in die Gate-Treiber 2 integriert sind.
  • Der Gate-Treiber-Controller 6 regelt die Spannung an den beiden Leistungshalbleitern TU, TL. Daher werden die Spannungen VCU, VEU, VCL, VEL an den jeweiligen Collektoren bzw. Emittern der Leistungshalbleiter TU, TL gemessen und zum Gate-Treiber-Controller 6 zurückgeführt. Der Gate-Treiber-Controller 6 kann dabei auch konfigurierbar ausgebildet sein, sodass das Schaltverhalten (dU/dt, dl/dt) der Leistungshalbleiter TU, TL einstellbar ist. So kann beispielsweise in bestimmten Betriebssituationen ein schnelleres oder langsameres Schalten gewünscht sein. Die Konfiguration des Gate-Treiber-Controllers 6 kann dabei durch den Prozessor 3 oder eine übergeordnete Instanz erfolgen.
  • Des Weiteren werden die Spannungen VCU, VEU, VCL und VEL an einen Verstärker 9 übertragen. Dabei ist weiter dargestellt, dass mittels eines Stromsensors 13 (z.B. in Form eines Shunts) der Strom, durch die Halbbrückenschaltung 30 gemessen und ebenfalls einen Verstärker 9 zugeführt wird. Zusätzlich können auch noch Temperaturwerte der Leistungshalbleiter TU, TL auf einen Verstärker geführt werden, was hier aber nicht dargestellt ist. Die verstärkten Messwerte werden dann durch den Analog-Digital-Wandler 10 (z.B. ein Sigma-Delta ADC) in einen seriellen digitalen Datenstrom gewandelt und anschließend im Filter 11 gefiltert. Der Filter 11 ist beispielsweise als Sinc3-Filter ausgebildet. In der nachfolgenden Synchronisierungseinheit 12 wird dieser serielle digitale Datenstrom umgepackt (resample) und gemittelt, sodass der Prozessor 3 mit seiner Clock synchronisierte Daten einlesen kann. Dabei sei angemerkt, dass der Filter 11 und die Synchronisierungseinheit 12 auch in den Prozessor 3 integriert werden können. Der galvanisch getrennte DC/DC-Wandler weist an seiner Eingangsseite beispielsweise eine Eingangsspannung von 12 V bis 48 V auf, die dann auf die Ausgangsseite hoch oder tief gesetzt wird (je nach Anzahl der Wicklungen auf der Sekundärseite). Dabei stellt der DC/DC-Wandler 7 eine Betriebsspannung für die digitalen Bausteine (z.B. Prozessor 3 und Kommunikations-Schnittstellenmodul 4) als auch die analogen Bausteine (z.B. Gate-Spannungslevel-Einheit 8) zur Verfügung.
  • In der 2 ist eine Ansteuerschaltung 2D für mehrere Halbbrückenschaltungen 30 dargestellt, denen jeweils eine Schaltungsanordnung 1 zugeordnet ist. Dabei sind die Schaltungsanordnungen 1 mit einem Sternprozessor 40 sternförmig verbunden. Die Schaltungsanordnungen 1 sind für den redundanten Betrieb konfiguriert (entweder fest oder über das Konfigurations-Modul 5, siehe 1). Der Sternprozessor 40 erhält von einer nicht dargestellten höheren Instanz zwei redundante Steuersignale A, B. Der Sternprozessor 40 teilt diese Steuersignale A, B auf und leitet die Teile an die einzelne Schaltungsanordnung 1, die für die jeweilige Schaltungsanordnung 1 bzw. deren Halbbrückenschaltung 30 bestimmt sind. Aufgrund der redundanten Steuersignale A, B sind die Schaltungsanordnungen 1 sehr fehlertolerant.
  • In der 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der die Schaltungsanordnungen 1 für eine Daisy-Chain-Betriebsweise konfiguriert wurden. Eine übergeordnete Instanz 50 übermittelt Steuerdaten für alle Schaltungsanordnungen 1 an die oberste Schaltungsanordnung 1, die die Daten an der seriellen Datenschnittstelle S1 empfängt. Die für die Ansteuerung benötigten Daten werden dann extrahiert und gegebenenfalls Messdaten in den Datenstrom eingefügt. Die oberste Schaltungsanordnung 1 überträgt dann die Steuerdaten (gegebenenfalls mit den eingefügten Messwerten) an die nächste Schaltungsanordnung 1 usw., bis schließlich die letzte Schaltungsanordnung 1 die Steuerdaten (und gegebenenfalls die Messwerte von allen Schaltungsanordnungen 1) wieder an die übergeordnete Instanz 50 zurücküberträgt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schaltungsanordnung
    2
    Gate-Treiber
    3
    Prozessor
    4
    Kommunikations-Schnittstellenmodul
    5
    Konfigurations-Modul
    6
    Gate-Treiber-Controller
    7
    DC/DC-Wandler
    8
    Gate-Spannungslevel-Einheit
    9
    Verstärkerschaltung
    10
    Analog-Digital-Wandler
    11
    Filter
    12
    Synchronisationseinheit
    20
    Ansteuerschaltung
    30
    Halbbrückenschaltung
    40
    Sternprozessor
    50
    Instanz
    TU, TL
    Leistungshalbleiter
    S1, S2
    serielle Datenschnittstelle
    P1, P2
    Ports
    A, B
    Steuersignale
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3166216 A1 [0003]
    • EP 2445110 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Schaltungsanordnung (1) zur Ansteuerung einer Halbbrückenschaltung (30) mit mindestens zwei Leistungshalbleitern (TU, TL), wobei die Schaltungsanordnung (1) eine der Anzahl der Leistungshalbleiter (TU, TL) entsprechende Anzahl von Gate-Treibern (2) sowie mindestens einen lokalen Prozessor (3) aufweist, wobei der Prozessor (3) derart ausgebildet ist, über getrennte Ports (P1, P2) redundante Steuersignale für die Gate-Treiber (2) von einer übergeordneten Instanz zu empfangen und auszuwerten, wobei bei einer Abweichung der redundanten Steuersignale der Prozessor (3) eines der Steuersignale zur Ansteuerung der Gate-Treiber (2) auswählt.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessor (3) ein Konfigurations-Modul (5) und ein Kommunikations-Schnittstellenmodul (4) vorgeschaltet sind, wobei das Konfigurations-Modul (5) derart ausgebildet ist, zwischen einer redundanten Betriebsweise und einer Daisy-Chain-Betriebsweise umzuschalten, wobei das Kommunikations-Schnittstellenmodul (4) die Daten an die gewählte Betriebsweise anpasst.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) einen Analog-Digital-Wandler (10) aufweist, der derart ausgebildet ist, verschiedene analoge Sensordaten der Halbbrückenschaltung (30) in einen seriellen digitalen Datenstrom zu wandeln.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) einen Gate-Treiber-Controller (6) aufweist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Treiber-Controller (6) derart ausgebildet ist, eine geschlossene Regelung der Gate-Treiber (2) durchzuführen.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Treiber-Controller (6) durch den Prozessor (3) oder eine übergeordnete Instanz konfigurierbar ist.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler (7) aufweist, der verschiedene Betriebsspannungen zur Verfügung stellt.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) eine konfigurierbare Gate-Spannungslevel-Einheit (8) aufweist.
  9. Ansteuerschaltung (20) zum Ansteuern von mindestens zwei Halbbrückenschaltungen (30), umfassend einen Sternprozessor (40) und mindestens zwei Schaltungsanordnungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Ansteuerschaltung (20) zum Ansteuern von mindestens zwei Halbbrückenschaltungen (30), umfassend mindestens zwei Schaltungsanordnungen (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Schaltungsanordnung (1) in eine Daisy-Chain-Betriebsweise konfiguriert sind.
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