DE102021208765A1 - Clamping circuit for a semiconductor switching element in an inverter; Inverter with such a clamp circuit - Google Patents
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Abstract
Klemmschaltung (10) für ein Halbleiterschaltelement (16) in einem Inverter, wobei der Inverter zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet, um einen von einer DC-Gleichspannungsquelle bereitgestellten Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, wobei die Klemmschaltung (10) dazu ausgebildet ist, einen Steueranschluss (17) des Halbleiterschaltelementes (16) mit einem Bezugspotentialanschluss (19) des Halbleiterschaltelementes (16) kurzzuschließen, um durch parasitäre Kapazitäten des Inverters verursachten Spannungsschwankungen am Halbleiterschaltelement (16) entgegenzuwirken, wobei der Inverter zusätzlich einen Treiberbaustein (12) aufweist, der dazu ausgebildet ist, Steuersignale zum Ansteuern des Halbleiterschaltelementes (16) zu erzeugen und diese an den Steueranschluss (17) des Halbleiterschaltelementes (16) zu leiten, wobei die Klemmschaltung (10) vom Treiberbaustein (12) räumlich getrennt angeordnet ist.Clamping circuit (10) for a semiconductor switching element (16) in an inverter, the inverter being designed to power an electric drive in an electric vehicle or hybrid vehicle in order to convert a direct current provided by a DC direct voltage source into an alternating current, the clamping circuit (10) thereto is designed to short-circuit a control connection (17) of the semiconductor switching element (16) to a reference potential connection (19) of the semiconductor switching element (16) in order to counteract voltage fluctuations at the semiconductor switching element (16) caused by parasitic capacitances of the inverter, the inverter additionally having a driver component (12) which is designed to generate control signals for driving the semiconductor switching element (16) and to conduct these to the control connection (17) of the semiconductor switching element (16), the clamping circuit (10) being arranged spatially separate from the driver module (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zu Detektion eines Kurzschlusses eines in einem Inverter verbauten Halbleiterschaltelementes. Der Inverter dient zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung einen Inverter mit einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a method and a device for detecting a short circuit in a semiconductor switching element installed in an inverter. The inverter is used to power an electric drive in an electric vehicle or hybrid vehicle. Furthermore, the invention relates to an inverter with such a device.
Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Inverter geschaltet.Purely electric vehicles and hybrid vehicles are known in the prior art, which are driven exclusively or in support of one or more electric machines as drive units. In order to supply the electric machines of such electric vehicles or hybrid vehicles with electric energy, the electric vehicles and hybrid vehicles include electric energy stores, in particular rechargeable electric batteries. These batteries are designed as DC voltage sources. However, the electrical machines usually require an AC voltage. Therefore, power electronics with a so-called inverter are usually connected between a battery and an electric machine of an electric vehicle or a hybrid vehicle.
Derartige Inverter umfassen üblicherweise Halbleiterschaltelemente, die typischerweise aus Transistoren gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente in unterschiedlichen Integrationsgraden bereitzustellen, nämlich entweder als diskrete Einzelschalter mit einem geringen Integrationsgrad, jedoch hoher Skalierbarkeit, als Leistungsmodule mit einem hohen Integrationsgrad, jedoch geringer Skalierbarkeit, sowie als Halbbrücken, die hinsichtlich Integrationsgrad und Skalierbarkeit zwischen Einzelschaltern und Halbbrücken rangieren. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside-Schaltposition (nachfolgend: „Highside“) mit einem höheren elektrischen Potential und eine Lowside-Schaltposition (nachfolgend: „Lowside“) mit einem niedrigeren elektrischen Potential. Die Highside und die Lowside können jeweils einen oder mehrere Einzelschalter/Halbleiterschaltelemente umfassen, die parallelgeschaltet sind.Such inverters typically include semiconductor switching elements typically formed of transistors. It is known to provide the semiconductor switching elements in different degrees of integration, namely either as discrete individual switches with a low degree of integration but high scalability, as power modules with a high degree of integration but low scalability, and as half-bridges, which in terms of degree of integration and scalability between individual switches and half-bridges rank Each half-bridge includes a high-side switch position (hereinafter: "highside") with a higher electrical potential and a low-side switch position (hereinafter: "lowside") with a lower electrical potential. The high side and the low side can each include one or more individual switches/semiconductor switching elements that are connected in parallel.
Je nach Ausbildung der Halbleiterschaltelemente kann dann durch eine Strom- oder Spannungsbeaufschlagung der Halbleiterschaltelemente diese stromleitend bzw. stromsperrend geschaltet werden. Vorzugsweise werden auf diese Weise die Halbleiterschaltelemente gemäß einer Pulsbreitenmodulation (Engl.: Pulse-Width-Modulation, PWM) geschaltet, um einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf der Phasenströme zu ermöglichen. Auf diese Weise kann ein eingangsseitiger Gleichstrom in einen mehrphasigen Ausgangsstrom (Wechselstrom) mit mehreren Phasenströmen umgewandelt werden, mit dem ein Elektroantrieb (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs bzw. Hybridfahrzeugs bestromt wird.Depending on the design of the semiconductor switching elements, these can then be switched to conduct or block current by applying current or voltage to the semiconductor switching elements. In this way, the semiconductor switching elements are preferably switched in accordance with a pulse width modulation (PWM) in order to enable a sinusoidal time characteristic of the phase currents. In this way, a direct current on the input side can be converted into a multi-phase output current (alternating current) with a plurality of phase currents, with which an electric drive (electric machine) of an electric vehicle or hybrid vehicle is supplied with current.
In Invertersystemen sind bekannterweise parasitäre Elemente vorhanden. Sie können in Form von parasitären Kapazitäten zwischen einem Steueranschluss (Gate-Anschluss) und einem gesteuerten Anschluss (Drain-Anschluss) der Halbleiterschaltelemente (etwa IGBT oder MOSFET) existieren. Solche parasitären Kapazitäten führen beim Schalten der Halbleiterschaltelemente zu Spannungsschwankungen, insbesondere Spannungsüberhöhungen. Diese Spannungsschwankungen stellen insbesondere bei den Invertersystemen, denen als Basismaterial sogenannte Halbleiter mit großen Bandlücken (Engl.: Wide Bandgap Semiconductors) zugrunde liegen und die sich durch ihre kurze Schaltzeiten auszeichnen, eine Störung für den regulären Betrieb des Inverters dar. Es kann unter Umständen zu einem Brückenkurzschluss kommen, bei dem die Highside mit der Lowside kurzgeschlossen ist und die Funktionalität des Inverters stark beeinträchtigt wird.Parasitic elements are known to be present in inverter systems. They can exist in the form of parasitic capacitances between a control terminal (gate terminal) and a controlled terminal (drain terminal) of the semiconductor switching elements (e.g. IGBT or MOSFET). Such parasitic capacitances result in voltage fluctuations, in particular voltage overshoots, when the semiconductor switching elements are switched. These voltage fluctuations represent a disruption to the regular operation of the inverter, particularly in the case of inverter systems which are based on so-called wide bandgap semiconductors as their base material and which are characterized by their short switching times a bridge short circuit in which the high side is short circuited to the low side and the functionality of the inverter is severely impaired.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Klemmschaltung bereitzustellen, bei der die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.It is an object of the invention to provide a clamp circuit in which the above disadvantages are at least partially overcome.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Klemmschaltung und den Inverter gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.According to the invention, this object is achieved by the clamping circuit and the inverter according to the independent patent claims. Advantageous refinements and developments of the invention emerge from the dependent patent claims.
Die Erfindung betrifft das Gebiet des Inverters zum Bestromen eines elektrischen Antriebs in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Der Inverter umfasst mehrere Halbbrücken, die jeweils einer der Stromphasen des ausgangsseitigen, mehrphasigen Wechselstroms entsprechen. Beispielsweise umfasst der Inverter drei Halbbrücken, wobei jede Halbbrücke einer zugehörigen Stromphase des dreiphasigen Ausgangsstroms zugeordnet ist. Der Ausgangsstrom ist ein Wechselstrom, der basierend auf einem eingangsseitigen Gleichstrom mittels gezielter Schaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente erzeugt wird. Die Halbbrücken umfassen jeweils eine Highside und eine Lowside. Die Highside und die Lowside umfassen jeweils ein oder mehrere parallel verschaltete Halbleiterschaltelemente. Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise auf einem Substrat angebracht. Die Halbleiterschaltelemente bilden eine Schalteranordnung.The invention relates to the field of inverters for powering an electric drive in an electric vehicle or a hybrid vehicle. The inverter includes a plurality of half-bridges, each corresponding to one of the power phases of the output multi-phase alternating current. For example, the inverter includes three half-bridges, each half-bridge being associated with an associated current phase of the three-phase output current. The output current is an alternating current, which is generated based on a direct current on the input side by means of targeted switching operations of the semiconductor switching elements. The half bridges each include a high side and a low side. The high side and the low side each include one or more semiconductor switching elements connected in parallel. The semiconductor switching elements are preferably mounted on a substrate. The semiconductor switching elements form a switch arrangement.
Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise als Transistoren, etwa IGBTs oder MOSFETs, ausgebildet. Die Halbleiterschaltelemente weisen jeweils einen Steueranschluss (z.B. Gate-Anschluss) zum Einprägen eines Steuersignals auf, um das jeweilige Halbleiterschaltelement zwischen einem geschlossenen bzw. leitenden Zustand und einem offenen bzw. sperrenden Zustand zu schalten. Die Halbleiterschaltelemente weisen jeweils einen gesteuerten Anschluss (z.B. Drain-Anschluss) und einen Bezugspotentialanschluss (z.B. Source-Anschluss) zum Durchschicken eines Basisstroms bzw. Transistorstroms auf.The semiconductor switching elements are preferably in the form of transistors, such as IGBTs or MOSFETs, educated. The semiconductor switching elements each have a control connection (eg gate connection) for impressing a control signal in order to switch the respective semiconductor switching element between a closed or conducting state and an open or blocking state. The semiconductor switching elements each have a controlled connection (eg drain connection) and a reference potential connection (eg source connection) for sending through a base current or transistor current.
Schaltungstechnisch umfasst der Inverter neben der Schalteranordnung einen Treiberbaustein, der eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen umfasst, mit denen beispielsweise eine Leiterplatte bestückt ist. Die elektronischen Bauteile dienen dazu, Steuersignale zu generieren und an den Steueranschluss der Halbleiterschaltelemente zu übertragen, um Schaltvorgänge bei den Halbleiterschaltelementen zwischen dem sperrenden Zustand und dem leitenden Zustand zu ermöglichen. Zusätzlich umfasst die Inverterschaltung eine Klemmschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Steueranschluss zumindest eines der Halbleiterschaltelemente mit dem Bezugspotentialanschluss des Halbleiterschaltelementes kurzzuschließen (bzw. zu „klemmen“), um den durch parasitäre Kapazitäten (sogenannte Miller-Kapazitäten) des Inverters verursachten Spannungsschwankungen entgegenzuwirken. Erfindungsgemäß ist die die Klemmschaltung vom Treiberbaustein getrennt angeordnet. Dies bedeutete, dass die Klemmschaltung nicht Teil des Treiberbausteins, sondern eine von diesem separate Schaltungsanordnung ist. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen der Klemmschaltung und den Halbleiterschaltelementen verringert, sodass die aufgrund parasitärer Kapazitäten auftretenden Spannungsschwankungen, insbesondere Spannungsüberhöhungen (bzw. „Spikes“) wirksamer zum Bezugspotential, welches in der Regel ein von einer Masse bereitgestelltes Erdpotential ist, abgeleitet werden können. Brückenkurzschlüsse lassen sich somit besonders wirksam reduzieren. Die Funktionalität des Inverters wird daher verbessert.In terms of circuitry, the inverter includes, in addition to the switch arrangement, a driver module which includes a large number of electronic components with which a printed circuit board is fitted, for example. The electronic components are used to generate control signals and to transmit them to the control connection of the semiconductor switching elements in order to enable switching operations in the semiconductor switching elements between the blocking state and the conducting state. In addition, the inverter circuit includes a clamping circuit which is designed to short-circuit (or "clamp") the control terminal of at least one of the semiconductor switching elements to the reference potential terminal of the semiconductor switching element in order to counteract the voltage fluctuations caused by parasitic capacitances (so-called Miller capacitances) of the inverter. According to the invention, the clamping circuit is arranged separately from the driver module. This meant that the clamping circuit is not part of the driver module, but is separate circuitry from it. In this way, the distance between the clamping circuit and the semiconductor switching elements is reduced, so that the voltage fluctuations that occur due to parasitic capacitances, in particular voltage increases (or "spikes"), can be derived more effectively to the reference potential, which is usually a ground potential provided by a ground . Bridge short circuits can thus be reduced particularly effectively. The functionality of the inverter is therefore improved.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Klemmschaltung einen Klemmtransistorschaltungsblock umfassend einen Klemmtransistor und einen Aktivierungsschaltungsblock zum Aktivieren des Klemmtransistors auf. Der Klemmtransistor ist zwischen dem Steueranschluss und dem Bezugspotentialanschluss des Halbleiterschaltelementes geschaltet und damit in der Lage, einen Kurzschluss zwischen dem Steueranschluss und dem Bezugspotentialanschluss herbeizuführen, um Spannungsschwankungen bzw. -überhöhungen zur Masse abzuleiten.According to one embodiment, the clamping circuit has a clamping transistor circuit block comprising a clamping transistor and an activation circuit block for activating the clamping transistor. The clamping transistor is connected between the control connection and the reference potential connection of the semiconductor switching element and is therefore able to bring about a short circuit between the control connection and the reference potential connection in order to discharge voltage fluctuations or excess voltage increases to ground.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Aktivierungsschaltungsblock einen Komparator auf, der dazu ausgebildet ist, eine Steuerspannung des Halbleiterschaltelementes mit einer vorbestimmten Referenzspannung zu vergleichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis einen leitenden Zustand des Klemmtransistors zu aktivieren. Auf diese Weise kann mittels einer präzisen Messung der Steuerspannung des Halbleiterschaltelementes und eines Vergleichs des Messergebnisses mit der Referenzspannung der Betriebszustand des Klemmtransistors gesteuert werden. Das Einstellen des Kurzschlusses bzw. des Miller-Clampings erfolgt besonders zuverlässig. Vorzugsweise ist der Komparator dazu ausgebildet, einen zwischen einem Steueranschluss und einem Bezugspotentialanschluss des Klemmtransistors geschalteten Signalinverter mit einer ersten Aktivierungsspannung in einen leitenden Zustand zu versetzen, wenn die Steuerspannung des Halbleiterschaltelementes höher als die vorbestimmte Referenzspannung ist. Weiter vorzugsweise ist der Komparator ferner dazu ausgebildet, den Signalinverter mit einer zweiten Aktivierungsspannung, die niedriger als die erste Aktivierungsspannung liegt, in einen sperrenden Zustand zu versetzen, wenn die Steuerspannung des Halbleiterschaltelementes niedriger als die vorbestimmte Referenzspannung ist.According to a further embodiment, the activation circuit block has a comparator which is designed to compare a control voltage of the semiconductor switching element with a predetermined reference voltage and to activate a conductive state of the clamping transistor depending on the result of the comparison. In this way, the operating state of the clamping transistor can be controlled by means of a precise measurement of the control voltage of the semiconductor switching element and a comparison of the measurement result with the reference voltage. The short circuit or Miller clamping is set particularly reliably. The comparator is preferably designed to switch a signal inverter connected between a control connection and a reference potential connection of the clamping transistor into a conductive state with a first activation voltage if the control voltage of the semiconductor switching element is higher than the predetermined reference voltage. More preferably, the comparator is also designed to put the signal inverter into a non-conducting state with a second activation voltage that is lower than the first activation voltage if the control voltage of the semiconductor switching element is lower than the predetermined reference voltage.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Aktivierungsschaltungsblock zwei zueinander parallelgeschaltete Komparatoren auf. Die Verwendung zweier parallelverschalteten Komparatoren erhöht die Signalstärke der Aktivierungsspannung, sodass der Steueranschluss des Signalinverters wirksamer geladen werden kann. Dies bewirkt ein einfacheres Schalten des Signalinverters.According to a further embodiment, the activation circuit block has two comparators connected in parallel with one another. The use of two comparators connected in parallel increases the signal strength of the activation voltage, so that the control terminal of the signal inverter can be charged more efficiently. This results in easier switching of the signal inverter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Klemmschaltung einen Deaktivierungsschaltungsblock zum Deaktivieren des Klemmtransistors auf, wobei der Deaktivierungsschaltungsblock einen Signalinverter aufweist, der zwischen dem Steueranschluss und dem Bezugspotentialanschluss des Klemmtransistors geschaltet ist. Vorzugsweise ist dem Signalinverter eine Zener-Diode vorgeschaltet ist, die dazu ausgebildet ist, den Signalinverter zu sperren, solange eine vom Spannungsgenerator bereitgestellte, vor einem Gate-Widerstand des Halbleiterschaltelementes gemessene Gate-Spannung eine voreingestellte Schwellspannung nicht überschreitet. Die Gate-Spannung, die vorm Gate-Widerstand des Halbleiterschaltelementes gemessen ist, entspricht der Steuerspannung des Halbleiterschaltelementes in Echtzeit. Wenn die Steuerspannung des Halbleiterschaltelementes aufgrund der im Inverter inhärenten Miller-Kapazitäten Überhöhungen aufweist, können diese Spannungsüberhöhungen beim Überschreiten der voreingestellten Schwellspannung zum verzögerungsfreien Schalten des Signalinverters in den leitenden Zustand führen. Mit dieser Maßnahme können Verzögerungen zwischen der Erzeugung der Aktivierungsspannung durch den Komparator/die Komparatoren und dem entsprechenden Schalten des Klemmtransistors/der Komparatoren wirksam umgangen werden.In accordance with a further embodiment, the clamping circuit has a deactivation circuit block for deactivating the clamping transistor, the deactivation circuit block having a signal inverter which is connected between the control connection and the reference potential connection of the clamping transistor. A Zener diode is preferably connected upstream of the signal inverter, which is designed to block the signal inverter as long as a gate voltage provided by the voltage generator and measured across a gate resistor of the semiconductor switching element does not exceed a preset threshold voltage. The gate voltage, which is measured in front of the gate resistance of the semiconductor switching element, corresponds to the control voltage of the semiconductor switching element in real time. If the control voltage of the semiconductor switching element exhibits excesses due to the Miller capacitances inherent in the inverter, these voltage excesses can be delayed when the preset threshold voltage is exceeded cause the signal inverter to switch into the conductive state without causing any damage. With this measure, delays between the generation of the activation voltage by the comparator/comparators and the corresponding switching of the clamping transistor/comparators can be effectively avoided.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is explained below by way of example using the embodiments shown in the figures.
Es zeigen:
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1 ein schematisches Schaltbild eines Inverters mit einer Schalteranordnung, einem Treiberbaustein und einer externen Klemmschaltung; -
2 ein schematisches Schaltbild des Inverters, wobei die Schalteranordnung detailliert gezeigt ist; -
3 ein schematisches Schaltbild der Klemmschaltung, die einen Klemmtransistorschaltungsblock, einen Aktivierungsschaltungsblock und einen Deaktivierungsschaltungsblock umfasst.
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1 a schematic circuit diagram of an inverter with a switch arrangement, a driver module and an external clamping circuit; -
2 a schematic circuit diagram of the inverter, wherein the switch arrangement is shown in detail; -
3 Figure 12 is a schematic circuit diagram of the clamp circuit including a clamp transistor circuit block, an enable circuit block, and a disable circuit block.
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.Identical objects, functional units and comparable components are denoted by the same reference symbols across the figures. These objects, functional units and comparable components are designed to be identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly states otherwise.
Erfindungsgemäß ist die die Klemmschaltung 10 vom Treiberbaustein getrennt angeordnet. Dies bedeutete, dass die Klemmschaltung nicht Teil des Treiberbausteins 12, sondern eine von diesem separate Schaltungsanordnung ist. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen der Klemmschaltung 10 und den Halbleiterschaltelementen verringert, sodass die aufgrund parasitärer Kapazitäten auftretenden Spannungsschwankungen, insbesondere Spannungsüberhöhungen (bzw. „Spikes“) wirksamer zum Bezugspotential, welches in der Regel ein von einer Masse bereitgestelltes Erdpotential ist, abgeleitet werden können.According to the invention, the clamping
Der Klemmtransistor 25 wird zwischen einem leitenden Zustand und einem sperrenden Zustand betrieben, indem entsprechende Steuersignale von der Haupt- und Nebenversorgungsleitung 22, 24 an den Steueranschluss 26 übertragen werden. Im leitenden Zustand des Klemmtransistors 25 fließt ein Durchlassstrom durch den Klemmtransistor 25, sodass der Steueranschluss 17 des Halbleiterschaltelementes 16 mit dessen Bezugspotentialanschluss 19 kurzgeschlossen wird. In diesem Fall wird ein Miller-Clamping hierdurch bewirkt, sodass ein Brückenkurzschluss, nämlich ein Kurzschluss zwischen der Highside und der Lowside, der auf parasitäre Kapazitäten der Schalteranordnung 14 zurückzuführen ist, verhindert wird. Im sperrenden Zustand des Klemmtransistors 25 wird der Durchlassstrom gesperrt, sodass kein Kurzschluss zwischen dem Steueranschluss 17 und dem Bezugspotentialanschluss 19 des Halbleiterschaltelementes 16 stattfindet.The clamping
Es ist essentiell, dass das Miller-Clamping nicht willkürlich, sondern nur zu geeigneten Zeitpunkten aktiv ist. Um dies zu gewährleisten, verwendet die erfindungsgemäße Klemmschaltung 10 den Aktivierungsschaltungsblock 102. Der Aktivierungsschaltungsblock 102 umfasst einen Signalinverter 33, der einerseits mit dem Steueranschluss 26 des Klemmtransistors 25 und andererseits mit der Masse 20 elektrisch verbunden ist. Der Signalinverter 33 ist dazu ausgebildet, Steuersignale zu empfangen und in einen leitenden oder einen sperrenden Zustand geschaltet zu werden. Im leitenden Zustand des Signalinverters 33 wird der Steueranschluss 26 des Klemmtransistors 25 mit dem Bezugspotentialanschluss 28 des Klemmtransistors 25 bzw. der Masse 20 kurzgeschlossen. Im Fall eines solchen Kurzschlusses werden Steuersignale aus der Nebenversorgungsleitung 24 nicht bis an den Steueranschluss 26 übertragen, sondern direkt zur Masse 20 abgeleitet. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Klemmtransistor 25 zwecks Miller-Clampings geschaltet wird. Im sperrenden Zustand wird dieser Kurzschluss verhindert, sodass Steuersignale aus der Nebenversorgungsleitung 24 an den Steueranschluss 26 übertragen werden, um den Klemmtransistor 25 zum Aktivieren des Miller-Clampings geschaltet wird.It is essential that Miller clamping is not active at random but only at appropriate times. To ensure this, the clamping
Ein erster Komparator 38 und ein zweiter Komparator 39 sind im Aktivierungsschaltungsblock 102 vorgesehen, um den Signalinverter 33 zwischen den beiden obigen Betriebszuständen zu schalten. Jeder der beiden Komparatoren 38, 39 weist einen positiven Signaleingang 41, 44 und einen negativen Signaleingang 42, 43 sowie einen Signalausgang 45, 46 auf. In den positiven Signaleingang 41, 44 wird eine Steuerspannung bzw. eine Gate-Spannung des Halbleiterschaltelementes 16 eingegeben. Die Steuerspannung wird aus einem Steuersignalgenerator 34, 35 entnommen, wobei ein Vorwiderstand 29d, 29e zur Spannungsteilung zwischen dem positiven Signaleingang 41, 44 und dem Steuersignalgenerator 34, 35 geschaltet ist. Eine Referenzspannungsdiode 50, die an eine Referenzsignalleitung 40 angeschlossen ist, ist dazu ausgebildet, eine Referenzspannung zu erzeugen und zum negativen Signaleingang 42, 43 zu senden. Im ersten und zweiten Komparator 38, 39 wird die Steuerspannung mit der Referenzspannung verglichen. Wenn die Steuerspannung kleiner als die Referenzspannung ist, wird am Signalausgang 45, 46 jeweils eine erste Aktivierungsspannung für den Signalinverter 33 erzeugt, mit dem der Signalinverter 33 im offenen bzw. nicht leitenden Zustand betrieben wird. In diesem Fall kann der Versorgungsstrom aus der Nebenversorgungsleitung 24 bis zum Steueranschluss 26 des Klemmtransistors 25 hindurch fließen, ohne durch den Signalinverter 33 zur Masse abgeleitet zu werden. Der Klemmtransistor 25 kann daher im leitenden Zustand betrieben werden, sodass der Kurzschluss zwischen dem Steueranschluss 17 und dem Bezugspotentialanschluss 19 des Halbleiterschaltelementes 16 zwecks Miller-Clampings aktiviert ist. Wenn die Steuerspannung größer als die Referenzspannung ist, wird am Signalausgang 45, 46 jeweils eine zweite Aktivierungsspannung, die höher als die erste Aktivierungsspannung ist, für den Signalinverter 33 erzeugt, mit dem der Signalinverter 33 im geschlossenen bzw. leitenden Zustand betrieben wird. In diesem Fall kann der Versorgungsstrom aus der Nebenversorgungsleitung 24 nicht bis zum Steueranschluss 26 des Klemmtransistors 25 hindurch fließen, sondern wird durch den Signalinverter 33 zur Masse abgeleitet. Der Klemmtransistor 25 kann daher nicht im leitenden Zustand betrieben werden, sodass der Kurzschluss zwischen dem Steueranschluss 17 und dem Bezugspotentialanschluss 19 des Halbleiterschaltelementes 16 deaktiviert ist. Zwecks Limitierens des Steuerstroms sind zwischen dem der Nebenversorgungsleitung 24 und dem Signalausgang 45, 46 ein Widerstand 29c und eine Diode 31b geschaltet, wobei gleichzeitig ein weiterer Widerstand 29h vor dem Signalinverter 33 geschaltet ist. Mittels der beiden parallelgeschalteten Komparatoren 38, 39 kann der Steueranschluss des Signalinverters 33 schneller elektrisch geladen werden, um den Signalinverter 33 wirksamer und schneller zu schalten.A
Mehrere Kondensatoren 23b,c sind zwischen der Referenzsignalleitung 40 und der Masse 20 geschaltet und dienen als Filter für die Referenzspannung, insbesondere um Störsignale aus der Referenzspannung zu beseitigen und die Referenzspannung zu glätten. Zusätzlich sind mehrere Widerstände 29f,g zwischen dem Steuersignalgenerator 34, 35 und der Masse 20 geschaltet, die zur Spannungsteilung der Steuerspannung dienen.A plurality of
Bauartbedingt können zwischen der Erzeugung der Aktivierungsspannung durch die Komparatoren 38, 39 und dem entsprechenden Schalten des Klemmtransistors 25 Verzögerungen auftreten. Um diesen Verzögerungen entgegenzuwirken und ein mit den Verzögerungen einhergehendes verspätetes Miller-Clamping (bzw. dessen Beenden) zu vermeiden, wird der Deaktivierungsschaltungsblock 103 verwendet. Im Deaktivierungsschaltungsblock 103 wird ein weiterer Signalinverter 37 eingesetzt, dem eine Deaktivierungsspannung aus einem Spannungsgenerator 36 eingespeist wird. Die Deaktivierungsspannung entspricht der Steuerspannung bzw. Gate-Spannung des Halbleiterschaltelementes 16, wobei die Deaktivierungsspannung eine vor dem Gate-Widerstand des Halbleiterschaltelementes 16 gemessene Gate-Spannung ist, die nicht verzögerungsbehaftet ist. Zwischen dem Spannungsgenerator 36 und dem Signalinverter 37 ist eine Zener-Diode 51 und ein Gate-Widerstand 29j geschaltet. Die Zener-Diode 51 sperrt den Signalinverter 37, solange die Deaktivierungsspannung eine voreingestellte Schwellspannung nicht überschreitet. Wenn die Deaktivierungsspannung die voreingestellte Schwellspannung überschreitet, wird die Zener-Diode 51 leitend, sodass die Deaktivierungsspannung den Signalinverter in einen leitenden Zustand schaltet. In diesem Zustand wird der Steueranschluss 26 des Klemmtransistors 25 mit der Masse 20 kurzgeschlossen. Die Schwellspannung wird abhängig vom Gate-Widerstand des Halbleiterschaltelementes 16 gewählt. Ein sogenannter Pull-Down-Widerstand 29k ist zusätzlich zwischen dem Gate-Widerstand 29j und der Masse 20 geschaltet.Depending on the design, delays can occur between the generation of the activation voltage by the
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Klemmschaltungclamping circuit
- 1111
- zweiter DC-Spannungseingangsecond DC voltage input
- 1212
- Treiberbausteindriver block
- 1313
- erster DC-Spannungseingangfirst DC voltage input
- 1414
- Schalteranordnungswitch arrangement
- 1515
- Treiberausgangdriver output
- 1616
- Halbleiterschaltelementsemiconductor switching element
- 1717
- Steueranschlusscontrol port
- 1818
- gesteuerter Anschlusscontrolled connection
- 1919
- Bezugspotentialanschlussreference potential connection
- 2020
- MasseDimensions
- 2222
- Hauptversorgungsleitungmain supply line
- 23a-c23a-c
- Kondensatorcapacitor
- 2424
- Nebenversorgungsleitungsecondary supply line
- 2525
- Klemmtransistorclamping transistor
- 2626
- Steueranschlusscontrol port
- 2727
- gesteuerter Anschlusscontrolled connection
- 2828
- Bezugspotentialanschlussreference potential connection
- 29a-k29a-k
- WiderstandResistance
- 31 a-b31 ab
- Diodediode
- 3333
- Signalinvertersignal inverter
- 34, 3534, 35
- Steuersignalgeneratorcontrol signal generator
- 3636
- Spannungsgeneratorvoltage generator
- 3737
- Signalinvertersignal inverter
- 3838
- erster Komparatorfirst comparator
- 3939
- zweiter Komparatorsecond comparator
- 4040
- Referenzsignalleitungreference signal line
- 41, 4441, 44
- positiver Signaleingangpositive signal input
- 42, 4342, 43
- negativer Signaleingangnegative signal input
- 45, 4645, 46
- Signalausgangsignal output
- 5050
- Referenzspannungsdiodereference voltage diode
- 5151
- Zener-Diodezener diode
- 101101
- Klemmtransistorschaltungsblockclamping transistor circuit block
- 102102
- Aktivierungsschaltungsblockactivation circuit block
- 103103
- Deaktivierungsschaltungsblockdisable circuit block
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021208765.5A DE102021208765A1 (en) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | Clamping circuit for a semiconductor switching element in an inverter; Inverter with such a clamp circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021208765.5A DE102021208765A1 (en) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | Clamping circuit for a semiconductor switching element in an inverter; Inverter with such a clamp circuit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021208765A1 true DE102021208765A1 (en) | 2023-02-16 |
Family
ID=85039945
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021208765.5A Pending DE102021208765A1 (en) | 2021-08-11 | 2021-08-11 | Clamping circuit for a semiconductor switching element in an inverter; Inverter with such a clamp circuit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021208765A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014108576A1 (en) | 2014-06-18 | 2015-12-24 | Sma Solar Technology Ag | Driver circuit with Miller-Clamping functionality for power semiconductor switch, power semiconductor switch and inverter bridge |
US20210057978A1 (en) | 2019-08-21 | 2021-02-25 | Ford Global Technologies, Llc | Automotive power converter with rail-powered clamping circuitry |
-
2021
- 2021-08-11 DE DE102021208765.5A patent/DE102021208765A1/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014108576A1 (en) | 2014-06-18 | 2015-12-24 | Sma Solar Technology Ag | Driver circuit with Miller-Clamping functionality for power semiconductor switch, power semiconductor switch and inverter bridge |
US20210057978A1 (en) | 2019-08-21 | 2021-02-25 | Ford Global Technologies, Llc | Automotive power converter with rail-powered clamping circuitry |
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