DE102021107464A1

DE102021107464A1 - Isolierte Gate-Treiberschaltung und Verfahren zum Betreiben der isolierten Gate-Treiberschaltung

Info

Publication number: DE102021107464A1
Application number: DE102021107464.9A
Authority: DE
Inventors: Lukas Hüssen; Muh-Dey Wei; Renato Negra
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2022-09-29
Also published as: WO2022200248A9; WO2022200248A1; EP4315608A1; US20240186996A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine isolierte Gate-Treiberschaltung (2) zum Treiben eines Gate-Anschlusses einer Halbleiterschaltungsvorrichtung (6), mit einem Niederspannungsteil (3) und einem Hochspannungsteil (5), die galvanisch voneinander durch eine isolierte Kopplungsstrecke (4) getrennt sind, und der Niederspannungsteil (3) ausgebildet ist, ein Signal an den Hochspannungsteil (5) zu übertragen, der eine Endstufe (12) aufweist, die ausgebildet ist, den Gate-Anschluss der Halbleiterschaltungsvorrichtung (6) in Abhängigkeit eines dem Signal zugrundeliegenden Schaltsignals zu treiben, wobei die isolierte Gate-Treiberschaltung (2) ausgebildet ist, eine Energieversorgung der Endstufe (12) und ein Eingangssignal der Endstufe (12) basierend auf dem über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signal bereitzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine isolierte Gate-Treiberschaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gate-Treiberschaltung.
Bekannte Leistungselektronik setzt auf isolierte Gate-Treiberschaltungen für die Realisierung zahlreicher Anwendungen, z. B. Solar- oder Windenergiegewinnung, Leistungswandler in Elektrofahrzeugen oder Haushaltsgeräten. Die isolierter Gate-Treiberschaltung ist eine entscheidende Komponente in leistungselektronischen Systemen zum Treiben von leistungselektronischen Halbleiterschaltungsvorrichtungen, wie z.B. Galliumnitrid-Feldeffekttransistoren im Anreicherungsmodus (eGaN FETs), Siliciumcarbid Metall-Oxid-Halbleiter-FETs (SiC-MOS-FETs) oder auch Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs). In zahlreichen leistungselektronischen Schaltungen sind entsprechende Source-Anschlüsse bzw. Emitter-Anschlüsse der Halbleiterschaltungsvorrichtungen nicht mit Masse verbunden.
Stattdessen liegen die Source-Anschlüsse bzw. Emitter-Anschlüsse auf einem erdfreien Hochspannungspotential (englisch: floating), das vom Arbeitspunkt der Schaltung abhängt. Die Differenz zwischen Masse und diesem Hochspannungspotential kann mehrere Kilovolt betragen. Um solche Halbleiterschaltungsvorrichtungen zu treiben, werden die isolierten Gate-Treiberschaltungen eingesetzt. Die isolierten Gate-Treiberschaltungen gewährleisten einen korrekten Schaltbetrieb und sorgen gleichzeitig für eine galvanische und sicherheitstechnische Trennung zwischen der das Schaltsignal bereitstellenden Niederspannungsseite und der mit dem Hochspannungspotential verbundenen Hochspannungsseite.
Dazu verwenden herkömmliche isolierte Gate-Treiberschaltungen jedoch Transformatoren und Optokoppler, die sperrig und kostspielig sind. Außerdem ist die Betriebstemperatur von Optokopplern begrenzt. Somit ist die Leistungselektronik auch in der Leistung begrenzt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen oder mehrerer dieser Nachteile zu beseitigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Konkret wird die Aufgabe durch eine isolierte Gate-Treiberschaltung zum Treiben eines Gate-Anschlusses einer Halbleiterschaltungsvorrichtung gelöst. Die isolierte Gate-Treiberschaltung hat einen Niederspannungsteil und einen Hochspannungsteil. Der Niederspannungsteil und der Hochspannungsteil sind galvanisch voneinander durch eine isolierte Kopplungsstrecke getrennt. Der Niederspannungsteil ist ausgebildet, ein Signal an den Hochspannungsteil zu übertragen. Der Hochspannungsteil hat eine Endstufe. Die Endstufe ist ausgebildet, den Gate-Anschluss der Halbleiterschaltungsvorrichtung in Abhängigkeit eines dem Signal zugrundeliegenden Schaltsignals zu treiben. Die isolierte Gate-Treiberschaltung ist ferner ausgebildet, eine Energieversorgung der Endstufe und ein Eingangssignal der Endstufe basierend auf dem über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signal bereitzustellen. Die Energieversorgung und das Eingangssignal können unabhängig voneinander bereitgestellt werden.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Bauraum isolierter Gate-Treiberschaltungen reduziert werden kann und gleichzeitig Kosten eingespart werden können. Ebenso kann eine solche isolierte Gate-Treiberschaltung bei höheren Temperaturen betrieben werden. Somit kann die isolierte Gate-Treiberschaltung dafür sorgen, dass durch die Leistungselektronik eine höhere Leistung bei gleichbleibendem Bauraum bereitgestellt werden kann. Diese Vorteile können insbesondere dadurch erzielt werden, dass zum einen auf sperrige Transformatoren und zum anderen auf kostspielige Optokoppler verzichtet wird.
Der Niederspannungsteil kann ein niedrigeres Referenzpotential aufweisen als der Hochspannungsteil. Zum Beispiel kann der Niederspannungsteil geerdet sein (Referenzpotential ist mit Masse verbunden) und der Hochspannungsteil ein erdfreies Referenzpotential aufweisen.
Bei der isolierten Kopplungsstrecke kann es sich um einen Pfad handeln, der einen Abstand zwischen dem Hochspannungsteil und dem Niederspannungsteil festlegt. Durch die isolierte Kopplungsstrecke kann zum einen eine galvanische Trennung zwischen dem Hochspannungsteil und dem Niederspannungsteil erfolgen. Zum anderen kann die isolierte Kopplungsstrecke explizit zur, vorzugsweise unidirektionalen, Kommunikation von dem Niederspannungsteil zu dem Hochspannungsteil genutzt werden. Hierfür können der Niederspannungsteil und der Hochspannungsteil jeweilige Kommunikationsschnittstellen zum drahtlosen Übertragen des Signals aufweisen. Die Kommunikationsschnittstellen können Spulen, Antennen oder Hohlleiter sein. Die Kommunikationsschnittstellen können sich gegenüberliegen, abgetrennt durch die isolierte Kopplungsstrecke. Somit können sich die Kommunikationsschnittstellen an, vorzugsweise direkt, gegenüberliegenden Seiten der isolierten Kopplungsstrecke befinden.
Der Ausdruck „Energieversorgung“ kann hierin auch als Strom - bzw. Spannungsversorgung verstanden werden, insbesondere Gleichstrom bzw. Gleichspannung.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zum Beispiel kann das Signal über ein und dieselbe Kopplungsstrecke (ein Kanal) übertragen werden. An dem Niederspannungsteil und dem Hochspannungsteil kann explizit genau eine Kommunikationsschnittstelle zum Übertragen des Signals vorgesehen sein. Eine Nebeneinanderanordnung von Schnittstellen an dem Niederspannungsteil und/oder dem Hochspannungsteil können entfallen.
Gegenüber herkömmlichen isolierten Gate-Treiberschaltungen lassen sich separate Elemente und dadurch auch Platz einsparen. Herkömmliche isolierte Gate-Treiberschaltungen übertragen nämlich die Leistung räumlich getrennt von dem Schaltsignal über unterschiedliche Kopplungsstrecken (mehrere Kanäle). Eine räumlich getrennte Übertragung von für unterschiedliche Funktionen vorgesehenen Signalen kann hierin explizit entfallen.
Der Hochspannungsteil kann einen Gleichrichter aufweisen. Der Gleichrichter kann ausgebildet sein, durch Gleichrichten zumindest eines Teils des über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signals, eine Gleichspannung zu erzeugen und der Endstufe bereitzustellen. Die Endstufe kann im Betrieb der Halbleiterschaltungsvorrichtung direkt vorgeschaltet sein. Hierbei kann die Endstufe zwei Anschlüsse aufweisen. Einer der Anschlüsse kann für den Anschluss an den Gate-Anschluss der Halbleiterschaltungsvorrichtung vorgesehen sein. Ein anderer Anschluss kann einer Masse des Niederspannungsteils entsprechen und für den Anschluss an einen Source-Anschluss bzw. Emitter-Anschluss der Halbleiterschaltungsvorrichtung vorgesehen sein.
Der Hochspannungsteil kann eine Demodulationsvorrichtung aufweisen. Die Demodulationsvorrichtung kann ausgebildet sein, durch Demodulation, zumindest eines (anderen) Teils des über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signals, das das Schaltsignal wiederspiegelnde Eingangssignal der Endstufe zu erzeugen und der Endstufe bereitzustellen.
Der Gleichrichter und die Demodulationsvorrichtung können ausgebildet sein, die Endstufe basierend auf ein und demselben Signal zusammen zu betreiben. Die zum Betreiben der Endstufe benötigte Leistung und die als Eingangssignal der Endstufe benötigte Information können in demselben, über ein und dieselbe Kopplungsstrecke übertragenen, Signal enthalten sein.
Dadurch kann eine separate Energieversorgung des Hochspannungsteils entfallen.
Die Kopplungsstrecke kann ausgangsseitig einen Signalteiler, vorzugsweise einen Wilkinson-Teiler oder einen Richtkoppler, aufweisen. Der Signalteiler kann ausgebildet sein, das über die Kopplungsstrecke übertragene Signal aufzuteilen. Die Aufteilung kann in den einen und den anderen Teil des über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signals erfolgen. Der eine und der andere Teil können im Wesentlichen gleiche Signalanteile, insbesondere Signalleistungen, aufweisen, zum Beispiel mit einer zumindest halbierten Signalleistung im Vergleich zu dem über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signal. Alternativ können der eine und der andere Teil verschiedene Signalanteile, insbesondere Signalleistungen, aufweisen. Zum Beispiel kann eine Signalleistung des einen Teils größer als die Signalleistung des anderen Teils sein, zum Beispiel größer als 10-mal, oder größer als 100-mal oder größer als 1000-mal. Somit kann ein größerer Signalanteil an den Gleichrichter als an die Demodulationsvorrichtung geliefert werden. Hierdurch kann das Signal zur Energieversorgung effektiv genutzt werden. Der Signalteiler kann, zum Beispiel direkt, zwischen der isolierten Kopplungsstrecke und dem Gleichrichter und/oder der Demodulationsvorrichtung angeordnet sein. Somit kann die Kopplungsstrecke einen Signalpfad bilden, der durch den Signalteiler in zwei Signalpfade aufgetrennt wird.
Hierdurch lassen sich die Energieversorgung der Endstufe und das Eingangssignal einfacher bereitstellen. Dies hat ebenso den Vorteil, dass der Aufbau des Hochspannungsteils vereinfacht werden kann.
Das Signal kann ein digital moduliertes Signal sein. Vorzugsweise kann das Signal ein Mehrfach-Amplitudenumtastungs- (M-ASK) Hochfrequenzsignal oder ein Frequenzumtastungs- (FSK) Hochfrequenzsignal sein. Noch bevorzugter kann das Signal ein 2-ASK Hochfrequenzsignal oder ein binäres FSK (BFSK) Hochfrequenzsignal sein.
Dies hat den Vorteil, dass eine Signalrückkopplung von dem Hochspannungsteil auf den Niederspannungsteil die Funktionstüchtigkeit der isolierten Gate-Treiberschaltung weniger beeinflusst.
Das Schaltsignal kann zwei Zustände aufweisen. Die zwei Zustände, vorzugsweise AN und AUS, zum Beispiel 1 und 0 in binärer Form, können in dem 2-ASK Hochfrequenzsignal durch zwei sich unterscheidende Amplituden abgebildet sein. Die zwei Zustände, vorzugsweise AN und AUS, zum Beispiel 1 und 0 in binärer Form, können in dem BFSK Hochfrequenzsignal durch zwei sich unterscheidende Frequenzen abgebildet sein.
Insbesondere beruht ein Funktionsprinzip hierin auf differentiellen Änderungen von Parametern des digital modulierten Signals. Die in dem digital modulierten Signal enthaltenen differentiellen Änderungen können das Schaltsignal abbilden.
Das Eingangssignal der Endstufe kann somit unabhängig von absoluten Werten sein. Das Ausgangssignal der Endstufe kann als Steuersignal zum Treiben des Gate-Anschlusses der Halbleiterschaltungsvorrichtung verstanden werden.
Der Niederspannungsteil kann einen Schaltsignalgeber aufweisen. Der Schaltsignalgeber kann ausgebildet sein, das Schaltsignal zu erzeugen. Das Schaltsignal kann einen Soll-Schaltzustand der Halbleiterschaltungsvorrichtung darstellen. Der Soll-Schaltzustand kann einem AN/AUS Signal entsprechen, zum Beispiel 1 und 0 in binärer Form.
Der Niederspannungsteil kann ferner einen Hochfrequenzsignalgeber aufweisen. Der Hochfrequenzsignalgeber kann ausgebildet sein, ein Hochfrequenzsignal zu erzeugen. Das Hochfrequenzsignal kann eine Trägerfrequenz des Signals haben.
Der Niederspannungsteil kann ferner einen Modulations-Signalgenerator aufweisen. Der Modulations-Signalgenerator kann ausgebildet sein, das Signal basierend auf einer Kombination des Hochfrequenzsignals und des Schaltsignals zu erzeugen. Das Signal, insbesondere das digital modulierte Signal, kann somit Signalanteile des Hochfrequenzsignals und des Schaltsignals enthalten bzw. kombinieren.
Somit kann eine einfache Verschaltung am Niederspannungsteil bereitgestellt werden.
Der Modulations-Signalgenerator kann für einen Klasse E oder Klasse D Betrieb ausgebildet sein. Der Gleichrichter kann für einen Klasse E Betrieb ausgebildet sein. Ferner kann der Gleichrichter ein Dioden-Gleichrichter, eine Brückengleichrichterschaltung oder ein invertierender Klasse E Gleichrichter sein. Die Endstufe kann ein linearer Verstärker sein, zum Beispiel der Klasse AB. Die Demodulationsvorrichtung kann ein Differenzverstärker sein oder als solche ausgebildet sein.
Hierdurch kann Verlustleistung eingespart werden.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer isolierten Gate-Treiberschaltung gelöst. Vorzugsweise handelt es sich dabei um die oben beschriebene isolierte Gate-Treiberschaltung. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Niederspannungsteils und eines Hochspannungsteils. Der Niederspannungsteil ist galvanisch von dem Hochspannungsteil durch eine isolierte Kopplungsstrecke getrennt. Das Verfahren umfasst ferner ein drahtloses Übertragen eines Signals, von dem Niederspannungsteil zu dem Hochspannungsteil über die isolierte Kopplungsstrecke. Das Verfahren umfasst ferner das Treiben des Gate-Anschlusses der Halbleiterschaltungsvorrichtung in Abhängigkeit eines dem Signal zugrundeliegenden Schaltsignals durch eine Endstufe des Hochspannungsteils. Das Verfahren umfasst ferner ein Bereitstellen einer Energieversorgung der Endstufe und eines Eingangssignals der Endstufe basierend auf dem über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signal. Dieser Schritt des Bereitstellens der Energieversorgung der Endstufe und des Eingangssignals der Endstufe kann unabhängig voneinander an der Endstufe, basierend auf ein und demselben über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signal, ausgeführt werden.
Somit hat die Erfindung den Vorteil, dass der Bauraum isolierter Gate-Treiberschaltungen reduziert werden kann und gleichzeitig Kosten eingespart werden können.
Die Fortschritte bei Halbleiterschaltungsvorrichtungen haben zu einer höheren Temperaturfähigkeit der Halbleiterschaltungsvorrichtungen mit kleinerem Formfaktor geführt. Dies bedeutet eine höhere Leistungsfähigkeit von einzelnen Halbleiterschaltungsvorrichtungen. Aber auch höhere Schaltfrequenzen können mit hohem Wirkungsgrad in leistungselektronischen Wandlern, wie Brückenschaltungen, aufgrund geringerer Gate-Kapazitäten der Halbleiterschaltungsvorrichtungen erreicht werden.
Durch das schnellere Schaltvermögen der Halbleiterschaltungsvorrichtungen steigen die Spannungs- und Stromtransienten in der leistungselektronischen Gesamtschaltung. Dies stellt eine Herausforderung für die isolierte Gate-Treiberschaltung dar, da diese Transienten über die parasitäre Koppelkapazität der Isolation zwischen Hochspannungsteil und Niederspannungsteil einkoppeln können. Dies kann zu Verzerrungen und sogar zum Ausfall des Niederspannungsteils führen.
Hierzu können in dem oben genannten Verfahren drahtlose Koppelstrukturen, wie zum Beispiel Spulen (induktive Kopplung), Antennen oder Hohlleiter, an gegenüberliegenden Seiten der Kopplungsstrecke verwendet werden, um das Signal drahtlos über die Kopplungsstrecke zu übertragen. Im Gegensatz zu transformatorbasierter Isolation, die von Natur aus eine vergleichsweise große Koppelkapazität zwischen der Primärspule (Niederspannungsteil) und Sekundärspule (Hochspannungsteil) hat, kann die Koppelkapazität bei drahtlosen Koppelstrukturen geringer ausfallen. Hohlleiter haben den Vorteil, dass nur Signale ober- und unterhalb von Grenzfrequenzen übertragen werden und somit Störsignale außerhalb der durch die Grenzfrequenzen gebildeten Bandbreite effektiv gedämpft werden können. Die Trägerfrequenz des Signals kann so festgelegt sein, dass sie innerhalb der Grenzfrequenzen der Hohlleiter liegt.
Drahtlose Leistungsübertragung (WPT; englisch: wireless power transmission) zum Beispiel mittels der induktiven Kopplung zwischen dem Niederspannungsteil und dem Hochspannungsteil kann auch energie- und platzsparend sein kann. Dagegen ist eine Leistungsübertragung mittels transformatorbasierten DC/DC-Wandlern oder Optokopplern zwar energieeffizient, aber nicht sehr Platz- bzw. kosteneffizient, da Transformatoren sperrig sind und Optokoppler optische Übertragungsfasern als Isolatoren verwenden, die in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt und vergleichsweise teuer sind, sowie hohen Temperaturen schlecht standhalten können.
Hohe Temperaturen stellen allgemein eine Gefahr für die Lebensdauer von Transformatoren, Optokopplern und Lichtwellenleitern dar. Davon können drahtlose Koppelstrukturen, wie zum Beispiel Spulen, Antennen oder Hohlleiter, ebenfalls weniger betroffen sein.
Insbesondere wird gemäß dem oben genannten Verfahren keine optische und/oder transformatorbasierte Leistungsübertragung bzw. Signalübertragung verwendet. Ein Vorteil des oben genannten Verfahrens ist auch, dass die Übertragung des Schaltsignals keine zu der Leistungsübertragung separaten Schaltungselemente erfordert. Leistungs- und Schaltsignalübertragung erfolgt insbesondere in einem.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine isolierte Gate-Treiberschaltung mit gleichzeitiger drahtloser Informations- und Leistungsübertragung. In einem oder mehreren Beispielen wird eine Architektur bereitgestellt, die eine einzige drahtlose Sende-Empfangs-Strecke verwendet, die im Gigahertz (GHz)-Frequenzbereich mit Wellenformung arbeitet, und sowohl die Leistung für den Gate-Treiber als auch Gate-Steuersignale gleichzeitig überträgt. Dadurch kann gleichzeitig ein platz-, energie- und kosteneffizienter Betrieb realisiert werden. Außerdem kann die parasitäre Koppelkapazität minimal gehalten und der Hochtemperaturbetrieb ermöglicht werden.
Insbesondere können Ausführungsformen auf Halbleiter-Leistungsbauelemente, Automobilanwendungen, Stromnetze, Umrichter, Wechselrichter oder Motorsteuerungen gerichtet sein.
In einem Beispiel wird ein wellenförmig moduliertes Signal im GHz-Bereich erzeugt, das über einen einzigen Hochfrequenz-Koppelkanal, nämlich die Kopplungsstrecke, an einen Gleichrichter, zum Bereitstellen einer Gleichspannung bzw. eines Gleichstroms, und eine Demodulationsvorrichtung, zum Bereitstellen eines Schaltsignals, weitergeleitet wird. Die sich daraus ergebende Spannung bzw. der sich daraus ergebende Strom und das Schaltsignal werden der Gate-Treiberstufe als Endstufe der Gate-Treiberschaltung zum Schalten der daran anzuschließenden oder angeschlossenen Halbleiterschaltungsvorrichtung zugeführt.
Die hierin verwendete Wellenformtechnik/Wellenformung kann zum Beispiel die Modulation des Schaltsignals durch Amplitudenumtastung (ASK) oder Frequenzumtastung (FSK) sein.
Die Leistung des modulierten Signals kann so ausgelegt sein, dass sie über der Leistung liegt, die der Hochspannungsteil zum Betrieb benötigt. Ferner kann die Leistung des modulierten Signals so ausgelegt sein, dass sie über der Leistung liegt, die für das Treiben der Halbleiterschaltungsvorrichtung benötigt wird. Hierdurch kann Leistung zum Betreiben von Zusatzschaltungen, zum Beispiel Schaltungen zur Überwachung verschiedener Parameter der Halbleiterschaltungsvorrichtung, zur Verfügung gestellt werden. Die Leistung des modulierten Signals kann abhängig von der Schaltfrequenz der Halbleiterschaltungsvorrichtung sein. Somit kann die Leistung des modulierten Signals an das Schaltsignal bzw. die darin enthaltene Schaltfrequenz angepasst sein. Die Leistung des modulierten Signals kann durch Einstellen der Amplitudenpegel angepasst werden. Eine Demodulation des Signals kann so ausgestaltet sein, dass sie sprunghafte Änderungen der Amplitude bzw. der Frequenz für ASK bzw. FSK berücksichtigt, aber unabhängig von absoluten Werten des Signals ist.
Mehrfach-ASK, Mehrfach-FSK und Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) können hierin als Wellenformtechnik eingesetzt werden, um bestimmte Funktionen zu ermöglichen, wie z. B. die Unterstützung mehrerer Halbleiterschaltungsvorrichtungen mit OFDM-Modulation.
Somit kann ein weiterer Aspekt eine Brückenschaltung mit mehreren Halbleiterschaltungsvorrichtungen umfassen. Entsprechende Gate-Anschlüsse der Halbleiterschaltungsvorrichtungen können mit der Gate-Treiberschaltung, wie oben beschrieben, verbunden sein. Dabei kann das digital modulierte Signal ein OFDM-Hochfrequenzsignal sein. Hierbei kann das digital modulierte Signal mehrere Träger aufweisen. Dabei kann ein Träger das für den Gate-Anschluss einer entsprechenden Halbleiterschaltungsvorrichtungen vorgesehene Schaltsignal enthalten. Hierbei können sich die in den Trägern enthaltenen Schaltsignale voneinander unterscheiden. Somit können unterschiedliche Träger mit unterschiedlichen Schaltsignalen versehen sein. Es kann weiterhin eine einzelne, nämlich ein und dieselbe, Kopplungsstrecke verwendet werden.
Das Prinzip des Wellenformens bietet viele Möglichkeiten und Vorteile im Vergleich zu anderen Ansätzen herkömmlicher Technik und unterstützt je nach Anforderung hohe Effizienz oder hohe Robustheit. Ein oder mehrere Hochfrequenzfilter können ferner in der isolierten Gate-Treiberschaltung angeordnet sein, um Rauschen und/oder elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu unterdrücken und damit die Robustheit zu erhöhen. Ein erstes Hochfrequenzfilter kann zum Beispiel direkt vor der Demodulationsvorrichtung angeordnet sein, zum Beispiel zwischen dem Signalteiler und der Demodulationsvorrichtung. Ein zweites Hochfrequenzfilter kann zum Beispiel direkt nach dem Modulations-Signalgenerator angeordnet sein, zum Beispiel zwischen dem Modulations-Signalgenerator und der Schnittstelle zwischen dem Niederspannungsteil und der Kopplungsstrecke.
In einem oder mehreren Beispielen kann die isolierten Gate-Treiberschaltung aufgrund des einzelnen Hochfrequenz-Koppelkanals platzsparender als der Stand der Technik realisiert werden. Der Hochfrequenz-Koppelkanal bei GHz-Frequenzen hat den einzigartigen Vorteil einer minimalen Koppelkapazität zwischen der Nieder- und Hochspannungsseite, wodurch die transiente Kopplung reduziert wird. Die hierin beschriebene isolierte Gate-Treiberschaltung kann bei hohen Temperaturen betrieben werden, da alle Komponenten mit Hochtemperaturbauteilen realisiert werden können. Ferner kann die isolierte Gate-Treiberschaltung mit der Halbleiterschaltungsvorrichtung auf demselben Die, also einem Halbleiter-Chip, vollständig integriert sein.
Zusammenfassend können ein oder mehrere folgende Vorteile durch die hierin vorgestellt isolierte Gate-Treiberschaltung erreicht werden: ultrakompakte Größe, schnelle Schaltgeschwindigkeit und niedrige Pulsweitenmodulations- (PWM) Arbeitszyklen, Robustheit, Hochtemperaturbetrieb, und niedrigere Kosten, da keine optischen Fasern verwendet werden.
Es ist dem Fachmann klar, dass die hierin dargelegten Erklärungen unter Verwendung von Hardwareschaltungen, Softwaremitteln oder einer Kombination davon implementiert sein/werden können. Die Softwaremittel können im Zusammenhang stehen mit programmierten Mikroprozessoren oder einem allgemeinen Computer, einer ASIC (Englisch: Application Specific Integrated Circuit; zu Deutsch: anwendungsspezifische integrierte Schaltung) und/oder DSPs (Englisch: Digital Signal Processors; zu Deutsch: digitale Signalprozessoren).
Beispielsweise kann der Hochspannungsteil und der Niederspannungsteil teilweise als ein Computer, eine Logikschaltung, ein FPGA (Field Programmable Gate Array; zu Deutsch: im Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnung), ein Prozessor (beispielsweise umfassend einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller (µC) oder einen Vektorprozessor), ein Core (zu Deutsch: Kern, kann in dem Prozessor integriert sein beziehungsweise von dem Prozessor verwendet werden) und/oder eine CPU (Englisch: Central Processing Unit; zu Deutsch: zentrale Prozessoreinheit; wobei mehrere Prozessorkerne möglich sind) realisiert sein.
In weiteren Beispielen kann der Hochspannungsteil und der Niederspannungsteil teilweise als eine FPU (Englisch: Floating Point Unit; zu Deutsch: Gleitkommaprozessoreinheit), eine NPU (Englisch: Numeric Processing Unit; zu Deutsch: Numerische Prozessoreinheit), und/oder eine ALU (Englisch: Arithmetic Logical Unit; zu Deutsch: arithmetisch-logische Einheit) realisiert sein.
In einer noch weiteren beispielhaften Ausgestaltung kann der Hochspannungsteil und der Niederspannungsteil teilweise als ein Koprozessor (zusätzlicher Mikroprozessor zur Unterstützung eines Hauptprozessors (CPU)), eine GPGPU (Englisch: General Purpose Computation on Graphics Processing Unit; zu Deutsch: Allzweck-Berechnung auf Grafikprozessoreinheit(en)), ein Parallelrechner (zum gleichzeitigen Ausführen, unter anderem auf mehreren Hauptprozessoren und/oder Grafikprozessoren, von Rechenoperationen) und/oder ein DSP realisiert sein.
Der Hochspannungsteil und der Niederspannungsteil sollen hierin allerdings nicht auf das Vorgenannte beschränkt sein.
Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die Gate-Treibervorrichtung beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf das Verfahren zum Betreiben der Gate-Treibervorrichtung zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf das Verfahren zum Betreiben der Gate-Treibervorrichtung beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die Gate-Treibervorrichtung zutreffen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
In diesen zeigen

1 eine schematische Darstellung einer leistungselektronischen Schaltung mit einer Gate-Treiberschaltung; und
2 eine schematische Darstellung verschiedener Signalformen.

In 1 ist eine leistungselektronische Schaltung 1 schematisch gezeigt. Die leistungselektronische Schaltung 1 hat eine Gate-Treiberschaltung 2 mit Niederspannungsteil 3 und einem über eine Kopplungsstrecke 4 beabstandeten Hochspannungsteil 5. Der Hochspannungsteil ist mit der zu treibenden Halbleiterschaltungsvorrichtung 6 verbunden. Alle Elemente der leistungselektronischen Schaltung 1 können auf demselben Die, also einem Halbleiter-Chip, angeordnet sein.
Die Kopplungsstrecke 4 kann ein Isolationsmaterial enthalten oder eine Luft-Luft-Schnittstelle sein. Der Abstand d zwischen dem Niederspannungsteil 3 und dem Hochspannungsteil 5 ist exemplarisch gezeigt. Hierbei kann sich die Kopplungsstrecke 4 zwischen entsprechenden Spulen, Antennen oder Hohlleitern des Niederspannungsteils 3 und des Hochspannungsteils 5 befinden. Die Kopplungsstrecke 4 dient insbesondere zum drahtlosen unidirektionalen Übertragen eines digital modulierten Signals zwischen dem Niederspannungsteil 3 und dem Hochspannungsteil 5.
Das digital modulierte Signal wird am Niederspannungsteil 3 erzeugt. Hierfür sind ein Schaltsignalgeber 7 zum Bereitstellen eines Schaltsignals und ein Hochfrequenzsignalgeber 8 zum Bereitstellen eines Hochfrequenzsignals vorgesehen. Ferner ist ein Modulations-Signalgenerator 9 vorgesehen, der das digital modulierte Signal durch entsprechende Verknüpfung des Hochfrequenzsignals mit dem Schaltsignal erzeugt, um es über die Kopplungsstrecke 4 an den Hochspannungsteil 5 drahtlos zu übertragen. Der Modulations-Signalgenerator 9 kann zum Beispiel als Verstärker ausgebildet sein.
Im Fall eines ASK modulierten Signals (siehe hierzu 2, ASK moduliertes Signal f_ASK) kann der Schaltsignalgeber 7 mit der Versorgungsspannungselektrode (zum Beispiel Drain im Falle eines FETs oder Kollektor im Falle eines Bipolartransistors) des Modulations-Signalgenerators 9 verbunden sein. Der Schaltsignalgeber 7 ist dabei ausgestaltet, die Versorgungsspannung des Modulations-Signalgenerators 9 entsprechend dem Schaltsignal f_s (AN/Aus entspricht 1/0 in binärer Form) zu variieren (siehe Signalamplituden V₁ und V₂ in 2). Hierbei ist der Hochfrequenzsignalgeber 8 mit der Steuerelektrode (zum Beispiel Gate im Falle des FETs oder Basis im Falle eines Bipolartransistors) des Modulations-Signalgenerators 9 verbunden. Der Hochfrequenzsignalgeber 8, zum Beispiel ein lokaler Oszillator, ist dabei ausgestaltet, ein mit einer Trägerfrequenz versehenes Signal zum Modulieren des durch den Schaltsignalgeber 7 bereitgestellten Schaltsignals bereitzustellen. Das so erzeugte ASK modulierte Signal f_ASK kann von der Versorgungsspannungselektrode des Modulations-Signalgenerators 9, zum Beispiel über einen zwischen der Versorgungsspannungselektrode des Modulations-Signalgenerators 9 und der Kopplungsstrecke 4 geschalteten Kondensator, zur Übertragung über die Kopplungsstrecke 4 weitergeleitet werden.
Im Fall eines FSK modulierten Signals (siehe hierzu 2, BFSK moduliertes Signal f_BFSK) kann eine vorbestimmte Versorgungsspannung (siehe Versorgungsspannung VRF in 2) mit der Versorgungsspannungselektrode (zum Beispiel Drain im Falle eines FETs oder Kollektor im Falle eines Bipolartransistors) des Modulations-Signalgenerators 9 verbunden sein. Der Schaltsignalgeber 7 ist dabei zusammen mit dem Hochfrequenzsignalgeber 8 ausgestaltet, ein frequenzmoduliertes Hochfrequenzsignal entsprechend dem Schaltsignal (siehe 2, Schaltsignal f_s) und der Trägerfrequenz bereitzustellen. Ein Ausgang dieser Verschaltung aus Schaltsignalgeber 7 und Hochfrequenzsignalgeber 8 ist mit der Steuerelektrode (zum Beispiel Gate im Falle des FETs oder Basis im Falle eines Bipolartransistors) des Modulations-Signalgenerators 9 verbunden. Hierbei wird das frequenzmodulierte Hochfrequenzsignal an die Steuerelektrode des Modulations-Signalgenerators 9 gegeben. Das so erzeugte FSK modulierte Signal f_BFSK kann von der Versorgungsspannungselektrode des Modulations-Signalgenerators 9, zum Beispiel über einen zwischen der Versorgungsspannungselektrode des Modulations-Signalgenerators 9 und der Kopplungsstrecke 4 geschalteten Kondensator, zur Übertragung über die Kopplungsstrecke 4 weitergeleitet werden.
Das digital modulierte Signal wird in beiden oben genannten Fällen am Hochspannungsteil 5, nach der Übertragung durch den Niederspannungsteil 3, empfangen. Hierfür sind eine Demodulationsvorrichtung 10, zum Demodulieren des digital modulierten Signals, und ein Gleichrichter 11, zum Gleichrichten des digital modulierten Signals, vorgesehen. Ferner ist eine Endstufe 12 vorgesehen, die das Treibersignal aus dem gleichgerichteten Signal als Energieversorgung der Endstufe und aus dem demodulierten Signal als Eingangssignal der Endstufe erzeugt, um die Halbleiterschaltungsvorrichtung 6 zu treiben.
In beiden oben exemplarisch beschriebenen Fällen für ASK und FSK Modulation ergibt sich eine an der Gate-Source-Strecke (FET) bzw. Gate-Emitter-Strecke (IGBT) der Halbleiterschaltungsvorrichtung 6 anliegende Spannung f_Gate, die das Schaltsignal f_s widerspiegelt (siehe 2). V_GS stellt hierbei die zum Treiben der Halbleiterschaltungsvorrichtung 6 nötige Gate-Source bzw. Gate-Emitter Spannung dar.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Figuren dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste

1: Leistungselektronische Schaltung
2: Gate-Treiberschaltung
3: Niederspannungsteil
4: Kopplungsstrecke
5: Hochspannungsteil
6: Halbleiterschaltungsvorrichtung
7: Schaltsignalgeber
8: Hochfrequenzsignalgeber
9: Modulations-Signalgenerator
10: Demodulationsvorrichtung
11: Gleichrichter
12: Endstufe
d: Abmessung
fs: Schaltsignal
fBFSK: ASK moduliertes Signal
fASK: BFSK moduliertes Signal
fGate: Gate-Source Spannung / Gate-Emitter Spannung
V1, V2: Signalamplituden
VRF: Versorgungsspannung
VGS: Gate-Source Spannung / Gate-Emitter Spannung

Claims

Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) zum Treiben eines Gate-Anschlusses einer Halbleiterschaltungsvorrichtung (6), mit einem Niederspannungsteil (3) und einem Hochspannungsteil (5), die galvanisch voneinander durch eine isolierte Kopplungsstrecke (4) getrennt sind, und der Niederspannungsteil (3) ausgebildet ist, ein Signal an den Hochspannungsteil (5) zu übertragen, der eine Endstufe (12) aufweist, die ausgebildet ist, den Gate-Anschluss der Halbleiterschaltungsvorrichtung (6) in Abhängigkeit eines dem Signal zugrundeliegenden Schaltsignals zu treiben, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierte Gate-Treiberschaltung (2) ausgebildet ist, eine Energieversorgung der Endstufe (12) und ein Eingangssignal der Endstufe (12) basierend auf dem über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signal bereitzustellen.
Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal über ein und dieselbe Kopplungsstrecke übertragen wird.
Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsteil (5) einen Gleichrichter (11) aufweist, der ausgebildet ist, durch Gleichrichten zumindest eines Teils des über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signals, eine Gleichspannung zu erzeugen und der Endstufe (12) bereitzustellen; der Hochspannungsteil (5) eine Demodulationsvorrichtung (10) aufweist, die ausgebildet ist, durch Demodulation zumindest eines Teils des über die isolierte Kopplungsstrecke übertragenen Signals das das Schaltsignal wiederspiegelnde Eingangssignal der Endstufe (12) zu erzeugen und der Endstufe (12) bereitzustellen; und der Gleichrichter (11) und die Demodulationsvorrichtung (10) ausgebildet sind, die Endstufe (12) basierend auf ein und demselben Signal zusammen zu betreiben.
Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsstrecke ausgangsseitig einen Signalteiler aufweist, der ausgebildet ist, das über die Kopplungsstrecke übertragene Signal aufzuteilen.
Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal ein digital moduliertes Signal ist, vorzugsweise ein Mehrfach-Amplitudenumtastungs-, M-ASK, Hochfrequenzsignal oder ein Frequenzumtastungs-, FSK, Hochfrequenzsignal, noch bevorzugter ein 2-ASK Hochfrequenzsignal oder ein binäres FSK, BFSK, Hochfrequenzsignal.
Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal zwei Zustände aufweist, die in dem 2-ASK Hochfrequenzsignal durch zwei sich unterscheidende Amplituden abgebildet sind oder in dem BFSK Hochfrequenzsignal durch zwei sich unterscheidende Frequenzen abgebildet sind.
Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederspannungsteil (3) einen Schaltsignalgeber (7) aufweist, der ausgebildet ist, das Schaltsignal zu erzeugen, das einen Soll-Schaltzustand der Halbleiterschaltungsvorrichtung (6) darstellt; der Niederspannungsteil (3) einen Hochfrequenzsignalgeber (8) aufweist, der ausgebildet ist, ein Hochfrequenzsignal zu erzeugen, das eine Trägerfrequenz des Signals aufweist; und der Niederspannungsteil (3) einen Modulations-Signalgenerator (9) aufweist, der ausgebildet ist, das Signal basierend auf einer Kombination des Hochfrequenzsignals und des Schaltsignals zu erzeugen.
Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulations-Signalgenerator (9) für einen Klasse E Betrieb oder Klasse D Betrieb und der Gleichrichter (11) für einen Klasse E Betrieb ausgebildet sind.
Isolierte Gate-Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe (12) ein linearer Verstärker ist, vorzugsweise der Klasse AB.
Verfahren zum Betreiben einer isolierten Gate-Treiberschaltung (2), vorzugsweise einer isolierten Gate-Treiberschaltung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Bereitstellen eines Niederspannungsteils (3) und eines Hochspannungsteils (5), die galvanisch voneinander durch eine isolierte Kopplungsstrecke (4) getrennt sind; Drahtloses Übertragen eines Signals, von dem Niederspannungsteil (3) zu dem Hochspannungsteil (5) über die isolierte Kopplungsstrecke; Treiben, durch eine Endstufe (12) des Hochspannungsteils (5), des Gate-Anschlusses der Halbleiterschaltungsvorrichtung (6) in Abhängigkeit eines dem Signal zugrundeliegenden Schaltsignals; gekennzeichnet durch Bereitstellen einer Energieversorgung der Endstufe (12) und eines Eingangssignals der Endstufe (12) basierend auf dem über die isolierte Kopplungsstrecke (4) übertragenen Signal.