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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schalten einer Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren.
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Bei Ausfall eines einzelnen Mosfets innerhalb einer B6-Brücke müssen Sicherheitsfunktionen gewährleisten, dass eine angetriebene Maschine in einen sicheren Zustand überführt werden kann. Die Symmetrierungswiderstände an den Gates der jeweiligen Mosfets sind dazu nur unzureichend geeignet. Um eine Entkopplung gewährleisten zu können, müssen diese Widerstände ausreichend groß gewählt werden. Nachteilig ist hierbei, dass ein schnelles bzw. anwendungsangepasstes Schaltverhalten im Normalfall, d. h. ohne Fehler, nicht möglich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es diesen Nachteil zu überwinden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Vorrichtung zum Schalten einer Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren umfasst eine Gatetreiberstufe, einen High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter. Die Gatetreiberstufe ist ausgangsseitig mit dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter elektrisch verbunden. Erfindungsgemäß ist zwischen dem High-Side-Schalter und jedem Halbleitertransistor eine Entkopplungsschaltung angeordnet, die eine Reihenschaltung eines ersten Widerstands, eines zweiten Widerstands und eines Kondensators umfasst, wobei eine Kapazität des Kondensators größer ist als eine Gate-Source-Kapazität des jeweiligen Halbleitertransistors. Eine Diode ist dabei parallel zum ersten Widerstand angeordnet und eine Kathode der Diode ist mit einem Emitter-Anschluss des High-Side-Schalters elektrisch verbunden.
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Der Vorteil ist hierbei, dass eine Rückkopplung eines fehlerhaften Halbleitertransistors in die Gatetreiberstufe verhindert wird und die Vorrichtung im Fehlerfall in einen sicheren Zustand, den sogenannten ON-Zustand, überführt werden kann. Dabei kann eine Fehlerreaktion zeitlich schnell eingeleitet werden. Mit anderen Worten die Vorrichtung schaltet ein, sodass Klemmen einer angeschlossenen elektrischen Maschine kurzgeschlossen werden. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass der Einfluß des Entkopplungsnetzwerks auf das reguläre Schaltverhalten minimal ist. Außerdem können die Schaltgeschwindigkeiten beim Einschalten und Ausschalten unterschiedlich appliziert werden, wobei der Einschaltvorgang und der Ausschaltvorgang voneinander entkoppelt sind. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass eine Gateschutzschaltung zwischen der Gatetreiberschaltung und der Entkopplungsschaltung lediglich einmal ausgeführt sein muss.
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In einer Weiterbildung ist ein dritter Widerstand parallel zur Reihenschaltung angeordnet, wobei der dritte Widerstand größer ist als eine Summe des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Halbleitertransistoren im Normalbetrieb über eine längere Zeitdauer eingeschaltet bzw. ausgeschaltet bleiben.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen dem Low-Side-Schalter und jeder Entkopplungsschaltung ein Ausschaltwiderstand angeordnet.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die Ausschaltdauer und die Einschaltdauer der Halbleitertransistoren unterschiedlich sind.
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In einer Weiterbildung ist der Ausschaltwiderstand kleiner als der erste Widerstand.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Ausschaltgeschwindigkeit und die Einschaltgeschwindigkeit unterschiedlich sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Halbleitertransistoren IGBTs oder MOSFETs.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schalten einer Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren umfasst das Erzeugen eines Signalpegels an einem Ausgang einer Gatetreiberstufe, wobei die Gatetreiberstufe ausgangsseitig mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter elektrisch verbunden ist, und das Schalten des High-Side-Schalters oder des Low-Side-Schalters in Abhängigkeit des Signalpegels. Das Verfahren umfasst weiterhin das Schalten der Vielzahl der parallelgeschalteten Halbleitertransistoren, wobei zwischen dem High-Side-Schalter und jedem Halbleitertransistor eine Entkopplungsschaltung angeordnet ist, wobei die Entkopplungsschaltung eine Reihenschaltung eines ersten Widerstands, eines zweiten Widerstands und eines Kondensators umfasst und die Kapazität des Kondensators größer ist als eine Gate-Source-Kapazität des jeweiligen Halbleitertransistors, wobei eine Diode parallel zum ersten Widerstand angeordnet ist und eine Kathode der Diode mit einem Emitter-Anschluss des High-Side-Schalters elektrisch verbunden ist, wobei zwischen dem Low-Side-Schalter und jeder Entkopplungsschaltung ein Ausschaltwiderstand angeordnet ist.
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Der Vorteil ist hierbei, dass ein fehlerhafter Halbleitertransistor vom Gatetreiberbaustein entkoppelt wird, wobei die Systemsicherheit gewährleistet wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zum Schalten einer Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren, und
- 2 ein Verfahren zum Schalten einer Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Schalten einer Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren 101 und 102. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Gatetreiberstufe 103, einen High-Side-Schalter 104, einen Low-Side-Schalter 111, einen Ausschaltwiderstand 110 und eine Entkopplungsschaltung. Die Gatetreiberstufe 103 ist ausgangsseitig mit dem High-Side-Schalter 104 und dem Low-Side-Schalter 111 elektrisch verbunden. Der High-Side-Schalter 104 ist beispielhaft als npn-Bipolartransistor und der Low-Side-Schalter als pnp-Bipolartransistor gezeigt. Es ist jeweils eine Entkopplungsschaltung zwischen dem High-Side-Schalter 104 und den einzelnen Halbleitertransistoren 101 und 102 angeordnet. Die Entkopplungsschaltung umfasst eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand 105, einem zweiten Widerstand 106 und einem Kondensator 107. Eine Kapazität des Kondensators 107 ist größer als eine Gate-Source-Kapazität des jeweiligen Halbleitertransistors 101 und 102. Ein dritter Widerstand 108 ist parallel zu der Reihenschaltung angeordnet und weist einen Widerstandswert auf, der größer ist als die Summe des ersten Widerstands 104 und des zweiten Widerstands 105. Zwischen dem Low-Side-Schalter 111 und den Entkopplungsschaltungen ist ein Ausschaltwiderstand 110 angeordnet, der dazu dient die Ausschaltzeit bzw. Ausschaltgeschwindigkeit einzustellen. Der Ausschaltwiderstand 110 ist kleiner als der erste Widerstand 104. Parallel zum ersten Widerstand 105 ist eine Diode 109 angeordnet. Dabei ist eine Kathode der Diode 109 mit einem Emitter-Anschluss des High-Side-Schalters 104 elektrisch verbunden. Das bedeutet die Diode 109 ist bei eingeschaltetem High-Side-Schalter 104 in Sperrrichtung gepolt bzw. geschaltet. Mit anderen Worten der Halbleiterschalter 101 und 102 wird über den ersten Widerstand 105, den zweiten Widerstand 106 und den Kondensator 107 eingeschaltet. Bei eingeschaltetem Low-Side-Schalter 111, d. h. der High-Side-Schalter 104 ist offen, ist die Diode 109 in Flussrichtung gepolt bzw. geschaltet. Die Halbleitertransistoren 101 und 102 sind beispielsweise als IGBTs oder MOSFETs ausgestaltet. Gezeigt sind hier beispielhaft zwei Halbleitertransistoren 101 und 102. Die Vorrichtung 100 ist jedoch dazu geeignet eine Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren anzusteuern, insbesondere zwölf, wobei die Vorrichtung 100 beispielsweise als Halbbrückenpfad einer B6-Brücke ausgestaltet ist.
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Die Vorrichtung 100 findet beispielsweise Anwendung in Invertern elektrischer Antriebe.
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2 zeigt ein Verfahren 200 zum Ansteuern einer Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleitertransistoren. Das Verfahren 200 startet mit einem Schritt 210, in dem ein Signalpegel an einem Ausgang einer Gatetreiberstufe ausgegeben bzw. bereitgestellt wird. Die Gatetreiberstufe ist ausgangsseitig mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter elektrisch verbunden. In einem folgenden Schritt 220 schaltet der High-Side-Schalter oder der Low-Side-Schalter in Abhängigkeit des Signalpegels. Entspricht der Signalpegel einem High-Signal, d. h. der vollen positiven Versorgungsspannung der Gatetreiberstufe, so schaltet der High-Side-Schalter ein, der Low-Side-Schalter bleibt offen. Entspricht der Signalpegel einem Low-Signal der Gatetreiberstufe, d. h. der vollen negativen Versorgungsspannung, so schaltet der Low-Side-Schalter ein, und der High-Side-Schalter aus, d. h. der High-Side-Schalter ist offen. In einem folgenden Schritt 230 werden eine Vielzahl der parallelgeschalteten Halbleitertransistoren geschaltet. Dabei ist zwischen dem Normalfall und dem Fehlerfall zu unterscheiden.
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Ist im Normalfall der High-Side-Schalter eingeschaltet, werden alle Halbleitertransistoren über ihre jeweilige Reihenschaltung des ersten Widerstands, des zweiten Widerstands und des Kondensators eingeschaltet. Über den dritten Widerstand wird nach dem Einschaltvorgang eine konstante Spannung an den Halbleitertransistoren aufrecht erhalten. Um die Halbleitertransistoren auszuschalten wird ein Low-Signal an den Ausgang der Gatetreiberstufe gelegt, sodass der High-Side-Schalter öffnet und der Low-Side-Schalter schließt. Die Halbleitertransistoren werden geöffnet, wobei ein Strom über den Kondensator, den zweiten Widerstand, die Diode und den Ausschaltwiderstand fließt.
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Im Fehlerfall, beispielsweise bei einem Kurzschluss eines der Halbleitertransistoren oder einem Abriss einer Zuleitung zu einem der Halbleitertransistoren, werden die verbliebenen, intakten Halbleitertransistoren angesteuert, sodass die Vorrichtung in einen sicheren Zustand überführt werden kann. Dazu werden beim Anliegen eines High-Signals an dem High-Side-Schalter die intakten Halbleitertransistoren über die jeweilige Reihenschaltung eingeschaltet und bleiben durch den jeweiligen dritten Widerstand in diesem Zustand. Der fehlerhafte Halbleitertransistor wird ebenfalls über seine zugehörige Reihenschaltung angesteuert. Da der Kondensator in Reihe zum defekten Halbleitertransistor ist, nimmt dieser die volle positive Versorgungsspannung auf. Würde die Versorgungsspannung am fehlerhaften Halbleitertransistor ohne Kondensator anliegen, hätte dies einen Kurzschluss der positiven Versorgung zur Folge, womit die parallelen Halbleitertransistoren nicht mehr ordnungsgemäß eingeschaltet werden könnten. Da die Kapazität des Kondensators aber wesentlich größer ist als die Gate-Source-Kapazität des fehlerhaften Halbleitertransistors wird der fehlerhafte Halbleitertransistor durch den Kondensator von der Gatetreiberstufe entkoppelt, sodass keine transienten Ströme in die Gatetreiberstufe fließen. Mit anderen Worten findet bei einem Schalterdefekt bzw. Halbleitertransistordefekt der Spannungsabfall dynamisch über den dritten Widerstand statt. Ein Knotenpunkt, der zwischen dem High-Side-Schalter und der Entkopplungsschaltung angeordnet ist, folgt dabei beim Einschalten des High-Side-Schalters dessen Spannungsverlaufs, sodass die restlichen parallelen, intakten Halbleitertransistoren wie gewohnt schalten können.
