DE102022004447A1

DE102022004447A1 - Elektrogerät mit einer Treiberschaltung zur Versorgung eines Steuereingangs eines steuerbaren ersten Halbleiterschalters

Info

Publication number: DE102022004447A1
Application number: DE102022004447.1A
Authority: DE
Inventors: Klaus Marahrens; Josefine Dukar
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023110384A1

Abstract

Elektrogerät mit einer Treiberschaltung zur Versorgung eines Steuereingangs eines steuerbaren ersten Halbleiterschalters, insbesondere eines Feldeffekt-gesteuerten Halbleiterschalters,wobei der von der Treiberschaltung zum Steuereingang führende Einschaltstrompfad, insbesondere der Treiberschaltung, eine Induktivität aufweist,insbesondere wobei keine Induktivität in dem vom Steuereingang zur Treiberschaltung führenden Ausschaltstrompfad angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrogerät mit einer Treiberschaltung zur Versorgung eines Steuereingangs eines steuerbaren ersten Halbleiterschalters.
Es ist allgemein bekannt, dass der Steuereingang eines Leistungshalbleiters von einer Treiberschaltung ansteuerbar ist.
Aus der CN 1 03 986 315 B ist als nächstliegender Stand der Technik eine zwei Halbbrücken aufweisende, zeitgesteuert zu betreibende Treiberschaltung für einen IGBT bekannt.
Aus der DE 11 2012 007 247 T5 ist eine Ansteuerschaltung für ein Schaltelement bekannt.
Aus der WO 2021 / 074 387 A1 einstellbarer Hybridschalter für Leistungsumrichter bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verlustleistungen bei einem Elektrogerät zu verringern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Elektrogerät nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Elektrogerät sind, dass es mit einer Treiberschaltung zur Versorgung eines Steuereingangs eines steuerbaren ersten Halbleiterschalters, insbesondere eines Feldeffekt-gesteuerten Halbleiterschalters, ausgebildet ist,
insbesondere wobei ein Laststrom, insbesondere ein Laststrom von mehr als 10 Ampere, vom ersten steuerbaren Halbleiterschalter schaltbar und/oder steuerbar ist,
wobei der von der Treiberschaltung zum Steuereingang führende Einschaltstrompfad, insbesondere der Treiberschaltung, eine Induktivität aufweist,
insbesondere wobei keine Induktivität in dem vom Steuereingang zur Treiberschaltung führenden Ausschaltstrompfad angeordnet ist.
Von Vorteil ist dabei, dass beim Einschalten, insbesondere während der Kollektor-Emitter bzw. Drain-Source-Spannungsänderung am ersten steuerbaren Halbleiterschalter, des Leistungshalbleiters, also des ersten steuerbaren Halbleiterschalters, der Aufladestrom durch die Induktivität konstant ist und somit die insbeosndere intrinsische Kapazität am Steuereingang des Halbleiterschalters nur mit einem konstanten Strom beladbar ist. Auf diese Weise ist die Dauer des Miller-Plateaus laststromunabhängig, also im Wesentlichen unabhängig von dem vom ersten Halbleiterschalter zu schaltenden Laststrom. Dadurch sind die Strom- und Spannungsverläufe vorteilhafterweise derart, dass beim Einschalten weniger Verlustleistung erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße Schaltverhalten wird also durch einen Schwingkreis in physikalisch gegebener und somit sicherer Weise gesteuert im Gegensatz zum zeitgesteuerten, insbesondere rechnergesteuerten Schaltverhalten des Standes der Technik.
Der Ausschaltstrompfad weist keine als Bauelement ausgeführte Induktivität auf. Ein geringer Induktivitätswert der elektrischen Leitungen ist physikalische bedingt vorhanden, aber um Größenordnungen kleiner als der Induktivitätswert des gesamten Einschaltstrompfads, da dieser die als Bauelement ausgeführte Induktivität aufweist. Im Folgenden wird unter Induktivität die als Bauelement ausgeführte Induktivität verstanden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität derart dimensioniert, dass die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt im Bereich des Miller-Plateaus, insbesondere des steuerbaren ersten Halbleiterschalters, unabhängig vom Laststrom, insbesondere vom vom steuerbaren ersten Halbleiterschalter zu steuernden Laststrom, ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Induktivität die Spannungsänderungsgeschwindigkeit begrenzt beziehungsweise über den Laststrombereich stabilisiert und somit derartige Spannungsverläufe und Stromverläufe bewirkt werden, dass die Verlustleistung vermindert ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Induktivität ein Widerstand R_ON, insbesondere ein Ohm'scher Widerstand, parallel zugeschaltet, insbesondere wobei der Widerstand R_ON als Bauelement ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass kein rein induktives Verhalten im Einschaltstrompfad bewirkt ist und somit Schwingneigung verhindert ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Treiberschaltung eine Halbbrücke auf, welche in ihrem oberen Zweig einen ersten Schalter, insbesondere und die Induktivität, und in ihrem unteren Zweig einen zweiten Schalter aufweist,
insbesondere wobei der obere Zweig eine aus dem ersten Schalter und einem ersten Widerstand gebildete Reihenschaltung aufweist,
insbesondere wobei der untere Zweig eine aus dem ersten Schalter und einem zweiten Widerstand gebildete Reihenschaltung aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass die Treiberschaltung einfach und kostengünstig herstellbar ist, insbesondere da die Induktivität als kostengünstiges Bauteil ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Anschluss, insbesondere Emitter oder Source, des ersten Schalters über den erste Widerstand R_ON und den zum ersten Widerstand R_ON in Reihe geschalteten zweiten Widerstand R_OFF mit einem Anschluss, insbesondere Kollektor oder Drain, des zweiten Schalters verbunden,
insbesondere wobei wobei dem ersten Widerstand R_ON die Induktivität L_ON parallel zugeschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die beiden Schalter mit keinem ihrer Anschlüsse direkt elektrisch miteinander verbunden sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem ersten steuerbaren Halbleiterschalter ein zweiter steuerbarer Halbleiterschalter, insbesondere ein Feldeffekt-gesteuerter Halbleiterschalter, zugeschaltet. Von Vorteil ist dabei, dass große Ströme schaltbar sind, da der Laststrom auf die Halbleiterschalter aufgeteilt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der vom Steuereingang zur Treiberschaltung führende Ausschaltstrompfad einen Ohm'schen Widerstand auf, insbesondere also keine Induktivität. Von Vorteil ist dabei, dass keine Strombegrenzung im Ausschaltpfad realisiert ist und somit ein schnelles Ausschalten ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem ersten steuerbaren Halbleiterschalter ein zweiter steuerbarer Halbleiterschalter parallel zugeschaltet,
wobei der erste steuerbare Halbleiterschalter synchron zum zweiten steuerbaren Halbleiterschalter angesteuert wird. Von Vorteil ist dabei, dass größere Ströme schaltbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Treiberschaltung aus einer Gleichspannung versorgt, deren oberes Potential mit dem Drain-Anschluss oder Kollektoranschluss des ersten Schalters verbunden ist,
wobei das untere Potential mit dem Source-Anschluss oder Emitter-Anschluss des zweiten Schalters verbunden ist,
insbesondere wobei der erste Schalter ein Feldeffekttransistor ist und/oder wobei der zweite Schalter ein Feldeffekt-Transistor ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine zusätzliche Kapazität vom Steuereingang des ersten steuerbaren Halbleiterschalter zu dessen Source bzw. Emitter vorgesehen,
und/oder
eine zusätzliche Kapazität ist vom Steuereingang des zweiten steuerbaren Halbleiterschalter zu dessen Source bzw. Emitter vorgesehen. Somit ist die Stromzeitänderung vorteiligerweise dimensionierbar und dadurch ein gewünschtes Schaltverhalten auch in Zusammenwirkung mit der Induktivität erreichbar. Eine Zeitsteuerung beim Einschalten ist nicht notwendig, sondern das Einschalten erfolgt in physikalisch gegebener Weise.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist eine elektronische Schaltung eines ersten erfindungsgemäßen Elektrogeräts schematisch dargestellt.

Wie in 1 dargestellt, wird ein steuerbarer Halbleiterschalter V1, der ein Feldeffekt-gesteuerter Hableiterschalter ist, insbesondere ein IGBT oder ein MOSFET, von einer Treiberschaltung angesteuert.
Die Treiberschaltung weist eine Halbbrücke aus zwei Schaltern (T1, T2), insbesondere Transistoren oder Feldeffekttransistoren, auf, wobei dem ersten Schalter T1 eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R_ON und einer vorzugsweise als Bauelement ausgeführten Induktivität L_ON in Reihe zugeschaltet ist. Dem zweiten Schalter T2 ist ein Widerstand R_OFF in Reihe zugeschaltet. Der Mittelabgriff ist zwischen der Parallelschaltung und dem Widerstand R_OFF angeordnet und speist über einen Widerstand RP1 den Steuereingang des ersten steuerbaren Halbleiterschalters V1. Vorzugsweise ist der Widerstand RP1 als interner Gatewiderstand realisierbar, so dass ein reales Bauteil sogar einsparbar ist.
Zum Einschalten wird der erste Schalter T1 leitend und verbindet somit ein oberes Potential einer Gleichspannung über die Parallelschaltung und den Widerstand RP1 mit dem Steuereingang des ersten steuerbaren Halbleiterschalters. Somit weist der Einschaltpfad die Parallelschaltung und den Widerstand RP1 auf. Der zweite Schalter T2 bleibt sperrend.
Zum Ausschalten wird der erste Schalter T1 geöffnet und der zweite Schalter T2 wird leitend, so dass der Steuereingang des ersten steuerbaren Halbleiterschalters V1 über den Widerstand RP1 und den Widerstand R_OFF mit dem unteren Potential der Gleichspannung verbunden wird.
Die Treiberschaltung weist also im Einschaltpfad den ersten Schalter T1 auf, dessen durchgeleiteter Strom, insbesondere Ausgangsstrom, im leitenden Zustand des ersten Schalters T1 über eine Parallelschaltung der Induktivität L_ON und einen ohmschen Widerstand R_ON geführt wird und dann über den weiteren Widerstand RP1 dem Steuereingang des steuerbaren Halbleiterschalters V1 zugeführt wird.
Der gestrichelte Pfad in 1 deutet einen zusätzlich parallel zum ersten steuerbaren Schalter V1 vorgesehenen steuerbaren Schalter V2 an, so dass größere Leistungen schaltbar sind.
Im Ausschaltpfad ist keine Induktivität, sondern nur die Reihenschaltung der Ohm'schen Widerstände RP1 und R_OFF vorgesehen, da das erfindungsgemäße stromquellenartige Ansteuern nur beim Einschalten von Vorteil ist.
Der steuerbare Halbleiterschalter V1 weist eine Gate-Drain-Kapazität beziehungsweise Basis-Kollektor-Kapazität auf, die als Miller-Kapazität bezeichnet wird.
Beim Einschalten lädt der Steuerstrom zunächst die Gate-Source-Kapazität beziehungsweise Basis-Emitter-Kapazität auf bis eine Schwellenspannung, insbesondere Threshold-Spannung, erreicht ist, ab welcher der Laststrom zu fließen beginnt. Der Laststrom fließt dann vom Drain zum Source-Anschluss beziehungsweise vom Kollektor- zum Emitter-Anschluss des steuerbaren Halbleiterschalters V1. Während dieses Zeitbereichs der Einschaltphase wird die Drain-Source-Spannung beziehungsweise Kollektor-Emitter-Spannung reduziert. Wenn der steuerbare Halbleiterschalter V1 den Laststrom vollständig führt, reduziert sich durch das weitere Einschalten die Drain-Source-Spannung beziehungsweise Kollektor-Emitter-Spannung.
Wichtig ist, dass ab dem Überschreiten der Schwellenspannung, insbesondere sobald der steuerbare Halbleiterschalter V1 den Laststrom vollständig führt, die Miller-Kapazität beladen wird. Bei verschiedenen Lastströmen wäre bei Nichtvorhandensein der Induktivität im Einschaltpfad die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt verschieden, weil verschieden hohe Spannungen bei verschiedenen Lastströmen vorhanden sind, insbesondere, weil, infolge der laststromabhängigen Höhe der Gatespannung während des Millerplateaus, der in das Gate fließende Treiberstrom damit laststromabhängig ist.
Erfindungsgemäß ist aber im Einschaltpfad die Induktivität L_ON angeordnet, deren stromquellenartiges Verhalten den Steuerstrom im Wesentlichen konstant hält. Die Millerkapazität des ersten steuerbaren Halbleiterschalters V1 wird also nur mit einem im Wesentlichen konstanten Strom beladen, so dass die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt ebenso konstant ist, also unabhängig von der Höhe des Laststroms.
Erfindungsgemäß ist also trotz des eigentlich laststromabhängigen Spannungspegels des Miller-Plateaus die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt unabhängig vom Laststrom.
Die Induktivität L_ON ist derart dimensioniert, dass die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt unabhängig vom Laststrom ist und zwar in einem möglichst großen Bereich des Laststroms, insbesondere also nicht nur um den Nennstrom herum, sondern möglichst im Bereich von 20% bis 100% des Nennstroms.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird eine zusätzliche Kapazität vom Steuereingang des jeweiligen ersten steuerbaren Halbleiterschalter zu dessen Source bzw. Emitter vorgesehen. Dies ermöglicht eine Einstellung der Stromzeitänderung.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt dem Beladen der Miller-Kapazität ein Umladen der Miller-Kapazität ausgeführt.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind entsprechend dem gestrichelten Pfad in 1 mehrere zusätzlich parallele zum ersten steuerbaren Schalter V1 vorgesehene steuerbare Schalter V2 vorgesehen, so dass größere Leistungen schaltbar sind.
Bezugszeichenliste

T1: erster Schalter
T1: zweiter Schalter
V1: erster steuerbarer Halbleiterschalter
V2: zweiter steuerbarer Halbleiterschalter
L_ON: Induktivität
R_ON: Ohm'scher Widerstand im Einschaltstrompfad
R_OFF: Ohm'scher Widerstand im Ausschalstrompfad
RP1: Widerstand insbesondere Vorwiderstand
RP2: Widerstand insbesondere Vorwiderstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 103986315 B [0003]
DE 112012007247 T5 [0004]

Claims

Elektrogerät mit einer Treiberschaltung zur Versorgung eines Steuereingangs eines steuerbaren ersten Halbleiterschalters, insbesondere eines Feldeffekt-gesteuerten Halbleiterschalters, insbesondere wobei ein Laststrom, insbesondere ein Laststrom von mehr als 10 Ampere, vom ersten steuerbaren Halbleiterschalter schaltbar und/oder steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Treiberschaltung zum Steuereingang führende Einschaltstrompfad, insbesondere der Treiberschaltung, eine Induktivität L_ON, insbesondere eine als Bauelement ausgeführte Induktivität oder Spule, aufweist, insbesondere wobei der Induktivitätswert des gesamten, von der Treiberschaltung zum Steuereingang führenden Einschaltstrompfads größer ist, insbesondere mindestens hundertfach größer ist, als der Induktivitätswert des gesamten, vom Steuereingang zur Treiberschaltung führenden Ausschaltstrompfads, insbesondere wobei keine Induktivität in dem vom Steuereingang zur Treiberschaltung führenden Ausschaltstrompfad angeordnet ist.
Elektrogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität derart dimensioniert ist, dass die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt im Bereich des Miller-Plateaus, insbesondere des steuerbaren ersten Halbleiterschalters, unabhängig vom Laststrom, insbesondere vom vom steuerbaren ersten Halbleiterschalter zu steuernden Laststrom, ist, und/oder dass die Induktivität L_ON derart dimensioniert ist, dass die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dU/dt, also die Änderungsgeschwindigkeit der Kollektor-Emitter-Spannung bei Ausführung des ersten Halbleiterschalters als IGBT oder die Änderungsgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung bei Ausführung des ersten Halbleiterschalters als Feldeffekttransistor, im Bereich des Miller-Plateaus des steuerbaren ersten Halbleiterschalters unabhängig vom vom steuerbaren ersten Halbleiterschalter zu steuernden Laststrom ist.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktivität ein Widerstand R_ON, insbesondere ein Ohm'scher Widerstand, parallel zugeschaltet ist, insbesondere wobei der Widerstand R_ON als Bauelement ausgeführt ist.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung eine Halbbrücke aufweist, welche in ihrem oberen Zweig einen ersten Schalter, insbesondere und die Induktivität, und in ihrem unteren Zweig einen zweiten Schalter aufweist, insbesondere wobei der obere Zweig eine aus dem ersten Schalter und einem ersten Widerstand R_ON gebildete Reihenschaltung aufweist, wobei dem ersten Widerstand R_ON die Induktivität L_ON parallel zugeschaltet ist, insbesondere wobei der untere Zweig eine aus dem zweiten Schalter und einem zweiten Widerstand R_OFF gebildete Reihenschaltung aufweist, insbesondere wobei der erste Widerstand R_ON, der zweite Widerstand R_OFF und die Induktivität L_ON jeweils als zueinander separate Bauelemente ausgeführt sind.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss, insbesondere Emitter oder Source, des ersten Schalters über den erste Widerstand R_ON und den zum ersten Widerstand R_ON in Reihe geschalteten zweiten Widerstand R_OFF mit einem Anschluss, insbesondere Kollektor oder Drain, des zweiten Schalters verbunden ist, insbesondere wobei dem ersten Widerstand R_ON die Induktivität L_ON parallel zugeschaltet ist.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung weniger als vier Schalter aufweist, insbesondere nämlich genau den ersten und den zweiten Schalter aufweist.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung einen einzigen oberen Zweig aufweist, in welchem der erste Schalter angeordnet ist, insbesondere als einziger Schalter im oberen Zweig, und dass die Treiberschaltung einen einzigen unteren Zweig aufweist, in welchem der zweite Schalter angeordnet ist, insbesondere als einziger Schalter im unteren Zweig.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten steuerbaren Halbleiterschalter ein zweiter steuerbarer Halbleiterschalter, insbesondere ein Feldeffekt-gesteuerter Halbleiterschalter, zugeschaltet ist, insbeosndere parallel zugeschaltet ist, insbesondere so, dass jeder der beiden steuerbaren Halbleiterschalter jeweils einen Anteil des Laststroms steuert und/oder schaltet.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Steuereingang zur Treiberschaltung führende Ausschaltstrompfad einen Ohm'schen Widerstand aufweist, insbesondere also keine Induktivität aufweist.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten steuerbaren Halbleiterschalter ein zweiter steuerbarer Halbleiterschalter parallel zugeschaltet ist, wobei der erste steuerbare Halbleiterschalter synchron zum zweiten steuerbaren Halbleiterschalter angesteuert wird.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung aus einer Gleichspannung versorgt wird, deren oberes Potential mit dem Drain-Anschluss oder Kollektoranschluss des ersten Schalters verbunden ist, wobei das untere Potential mit dem Source-Anschluss oder Emitter-Anschluss des zweiten Schalters verbunden ist, insbesondere wobei der erste Schalter ein Feldeffekttransistor ist und/oder wobei der zweite Schalter ein Feldeffekt-Transistor ist.
Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Kapazität vom Steuereingang des ersten steuerbaren Halbleiterschalter zu dessen Source bzw. Emitter vorgesehen ist, und/oder eine zusätzliche Kapazität vom Steuereingang des zweiten steuerbaren Halbleiterschalter zu dessen Source bzw. Emitter vorgesehen ist.