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Die Erfindung betrifft ein Hochleistungsschaltmodul zur direkten Pulsenergiespeisung und ein Verfahren zur Spannungsbeaufschlagung eines Hochleistungsschaltmoduls.
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In vielen Systemen der Lasertechnik, lonenquellen und lonenoptiken müssen mit hohen Spannungen Laststrecken mit Hochleistungsschaltmodulen direkt geschaltet werden. Die Last von diesen Hochleistungsschaltmodulen muss in sehr kurzer Zeit, insbesondere unter 40ns, in einen niederohmigen Zustand gebracht werden, um schnell und effizient hohe Ströme einspeisen oder Kapazitäten direkt umladen zu können. Beispiele sind der Gasentladungskanal eines transversal elektrisch angeregten Gasentladungslasers, beispielsweise CO2-Lasers, zur Erzeugung von Lichtpulsen geringer Breite, die Ansteuerung von Pockels-Zellen zur Lichtmodulation und Einrichtungen zur Steuerung von lonen-Flugbahnen in Time-of-Flight-Spektrometern. Die Schaltvorgänge müssen sehr schnell und hochpräzise ablaufen, es müssen Folgefrequenzen bis zu 10 kHz und mehr ermöglicht werden.
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Solche Hochleistungsschaltmodule umfassen eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Schaltstufen, die exakt gleichzeitig geschaltet werden müssen. Jede Schaltstufe umfasst einen Halbleiterschalter als Schaltelement.
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Eine neue Generation von schnellen Halbleiterschaltern (sogenannte breitbandige Materialien (beispielsweise GaN: Galliumnitrid oder SiC: Siliziumcarbid)) erlaubt es, einen Schaltprozess bereits bei einer sehr niedrigen Gate Spannung von ca. 3 V auszulösen. Dabei besitzen solche Halbleiterschalter typischerweise eine kleine Gate-Emitter-Kapazität (typisch sind 300pF). Bisherige Halbleiterschalter aus Silizium sahen dagegen eine Schaltspannung im Bereich von ca. 8 - 20 V und eine hohe Gate-Emitter-Kapazität vor. Die niedrige Schwellenspannung und die kleine Gate-Emitter-Kapazität können zu Problemen beim erstmaligen Einschalten der Hochspannung am Hochleistungsschaltmodul führen. Hierzu sind folgende Zusammenhänge relevant.
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Bei einem Hochfahren der Hochspannung wird diese typischerweise durch ein Hochspannungselement wie ein Netzteil auf einen vorgegebenen Maximalwert hochgefahren. Beim Hochfahren der Gesamthochspannung an einem Hochleistungsschaltmodul mit einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Schaltstufen und dem daran anschließenden Sperrzustand bis zum gewollten Einschaltaugenblick ist es erforderlich, dass alle in Reihe geschalteten Halbleiterschalter zu keinem Zeitpunkt eine Schwellenspannung erreichen. Erst wenn sich eine ausreichende Spannung an der Last und somit parallel zum Schalter aufgebaut hat, erfolgt ein Triggerpuls, der den Schaltvorgang einleitet. Dementsprechend ist es zu vermeiden, dass einzelne Schaltelemente vorzeitig schalten. Diese Gefahr ist aufgrund der geringen Schwellenspannung von z.B. 3V und einer kleinen Gate-Emitter-Kapazität moderner Halbleiterschalter jedoch gegeben. Durch das Layout und die gesamte Schaltungsumgebung kann die Schwellenspannung an einigen Stufen unerwünscht erreicht werden, für welchen Fall die Symmetrie der Schaltung zerstört und sogar die Gefahr der Beschädigung einzelner Schaltstufen besteht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochleistungsschaltmodul zur direkten Pulsenergiespeisung eines Verbrauchers sowie ein Verfahren zum Hochfahren bzw. zur Gesamtspannungsbeaufschlagung eines Hochleistungsschaltmoduls zur Verfügung zu stellen, die ein frühzeitiges Schalten einzelner Halbleiterschalter insbesondere beim Hochfahren des Hochleistungsschaltmoduls vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Hochleistungsschaltmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach stellt die vorliegende Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt ein Hochleistungsschaltmodul zur direkten Pulsenergiespeisung eines Verbrauchers zur Verfügung. Das Hochleistungsschaltmodul umfasst eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Schaltstufen, wobei jede Schaltstufe einen Halbleiterschalter mit Kollektoranschluss, Emitteranschluss und Steueranschluss umfasst, wobei der Halbleiterschalter abhängig von der am Steueranschluss anliegenden Spannung einen eingeschalteten Zustand, in dem zwischen dem Kollektoranschluss und dem Emitteranschluss ein Strom fließt, und einen ausgeschalteten Zustand, in dem zwischen dem Kollektoranschluss und dem Emitteranschluss kein Strom fließt, aufweist. Das Hochleistungsschaltmodul umfasst des Weiteren ein auf die Halbleiterschalter einwirkendes Treibernetzwerk, das am Steueranschluss des Halbleiterschalters eine Spannung anlegt, wobei der eingeschaltete Zustand auftritt, wenn die am Steueranschluss durch das Treibernetzwerk angelegte Spannung einen Schwellenwert übersteigt oder unterschreitet.
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Weiter ist eine Last vorgesehen, die parallel zu der Reihenschaltung der Schaltstufen geschaltet ist. Die Last entlädt sich im eingeschalteten Zustand der Halbleiterschalter über die Reihenschaltung der Schaltstufen. Das Hochleistungsschaltmodul umfasst ferner ein Hochspannungs-Netzteil, das die Last mit einer Hochspannung beaufschlagt.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass das Hochleistungsschaltmodul dazu vorgesehen und ausgebildet ist, dass beim Hochfahren des Hochleistungsschaltmoduls die an die Last angelegte Hochspannung (d.h. die Gesamtspannung über dem Hochleistungsschaltmodul) innerhalb eines Zeitintervalls von Null auf einen Maximalwert hochgefahren wird, wobei das Zeitintervall eine Länge aufweist, die zwischen 5 % und 90 % der Periode zwischen zwei Einschaltzuständen des Hochleistungsschaltmoduls beträgt.
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Die Erfindung beruht damit auf dem Gedanken, sicherzustellen, dass beim Hochfahren des Hochleistungsschaltmoduls in keiner der Schaltstufen ungewollt die Schwellenspannung erreicht wird, bei der das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand übergeht. Dies wird durch ein zeitlich gestrecktes Hochfahren der Hochspannung erreicht. Die Hochspannung wird portionsweise aufgebaut. Durch ein zeitliches Strecken des Hochfahrens der Hochspannung wird es ermöglicht, dass sich in jeder Schaltstufe die Kollektor-Emitter-Spannung am Halbleiterschalter nur langsam aufbaut und die Gate-Emitter-Spannung sicher den Schwellenwert nicht erreicht. Eine sichere Betriebsweise bei Elementen mit niedriger Schwellenspannung und kleiner Gate-Emitter-Kapazität wird auf diese Weise in einfacher Weise gewährleistet.
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Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Hochspannungs-Netzteil dazu ausgebildet ist, die Hochspannung treppenförmig von Null auf einen Maximalwert hochzufahren. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Hochspannungs-Netzteil entsprechende Steuerbefehle in Form von sich ändernden Stellgrößen von einem Steuergerät erhält. Im Steuergerät werden die jeweiligen Stellgrößen beispielsweise durch eine Steuersoftware vorgegeben und/oder berechnet. Dabei sehen Ausgestaltungen vor, dass die Steuersoftware die Stellgrößen anhand einer Wunschschaltfrequenz fw und einer Wunsch-Gesamthochspannung UGw berechnet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein solches Steuergerät mit Steuersoftware als Teil des Hochspannung-Netzteils angesehen werden.
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Beispielsweise erfolgt das Hochfahren der Hochspannung in drei bis sieben Stufen. Ein treppenförmiges Hochfahren ist mit dem Vorteil verbunden, dass sich in jeder Schaltstufe die Kollektor-Emitter-Spannung und die Gate-Emitter-Spannung portionsweise einstellen können.
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Jedoch ist der erfindungsgemäß zeitlich gestreckte Anstieg der Hochspannung nicht auf ein treppenförmiges Ansteigen begrenzt. Andere Ausgestaltungen sehen vor, dass die Hochspannung linear, parabolisch oder exponentiell von Null auf einen Maximalwert hochgefahren wird.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Zeitintervall, in dem die an die Last angelegte Hochspannung von Null auf einen Maximalwert hochgefahren wird, eine Länge aufweist, die zwischen 10 % und 20 % der Periode zwischen zwei Einschaltzuständen des Hochleistungsschaltmoduls beträgt. Ein Einschaltzustand des Hochleistungsschaltmoduls ist dabei ein Zustand, in dem sämtliche Halbleiterschalter der Schaltstufen sich im eingeschalteten Zustand befinden. Die Länge der Periode zwischen zwei Einschaltzuständen wird typischerweise als Schaltfrequenz per Software vorgegeben. Das Zeitintervall, innerhalb dessen die Spannung hochgefahren wird, ist kleiner als die Periodendauer. In Ausgestaltungen beträgt dieses Zeitintervall zwischen 10 % und 20 % der Periodendauer. Dabei ist zu beachten, dass die Periodendauer und die Schaltfrequenz vorgegeben werden und nicht von dem genannten Zeitintervall, innerhalb dessen die Spannung hochgefahren wird, beeinflusst werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Hochleistungsschaltmodul dazu ausgebildet ist, dass die Last sich im eingeschalteten Zustand der Halbleiterschalter über die Reihenschaltung der Schaltstufen entlädt und im ausgeschalteten Zustand der Halbleiterschalter in jeder Schaltstufe über Teilströme die Gate-Emitter-Spannung der Halbleiterschalter in Richtung eines Sperrens der Halbleiterschalter beeinflusst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Schaltstufe derart ausgebildet ist, dass Teilströme der Schaltstufe an einem Widerstand eine Spannung zwischen Steueranschluss und Emitteranschluss des Halbleiterschalters aufbauen, die den Halbleiterschalter sperrt.
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Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass Teilströme in jeder Schaltstufe an einem Widerstand eine Spannung zwischen Steueranschluss und Emitteranschluss des Halbleiterschalters aufbauen, die in Bezug auf den Emitter der Stufe negativ ist, wenn der Halbleiterschalter mit negativer Spannung am Gateanschluss gesperrt und mit positiver Spannung eingeschaltet ist, oder die in Bezug auf den Emitter der Stufe positiv ist, wenn der Halbleiterschalter mit positiver Spannung am Gateanschluss gesperrt und mit negativer Schaltung eingeschaltet ist. Damit wird gewährleistet, dass der Halbleiterschalter bzw. das Schaltelement sicher sperrt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Halbleiterschalter jeder Schaltstufe dazu ausgebildet ist, ab einer Schwellenspannung von 3 V den eingeschalteten Zustand anzunehmen. Es werden somit Halbleiterschalter eingesetzt, die eine vergleichsweise geringe Schwellenspannung aufweisen. Bei den Halbleiterschaltern handelt es sich beispielsweise um SiC-MOSFETs oder GaN-MOSFETs, also sogenannte Wide-Bandgap-Halbleiter, die bei höheren Frequenzen als Silizium arbeiten können.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Hochleistungsschaltmodul dazu ausgebildet ist, nicht nur beim Hochfahren, sondern nach jedem Einschaltzustand die an die Last angelegte Hochspannung innerhalb eines Zeitintervalls von Null auf einen Maximalwert hochzufahren, wobei das Zeitintervall eine Länge aufweist, die zwischen 5 % und 90 % der Periode zwischen zwei Einschaltzuständen des Hochleistungsschaltmoduls beträgt. Gemäß dieser Erfindungsvariante erfolgt das zeitverzögerte Hochfahren der Hochspannung nicht nur beim ersten Einschalten des Hochleistungsschaltmoduls (dem Initialisierungsvorgang), sondern daran anschließend bei sämtlichen Schaltvorgängen. Dies stellt in gleicher Weise wie beim Initialisierungsvorgang sicher, dass beim Aufbau der Hochspannung die Schaltstufen vor einem vorzeitigen Schalten geschützt sind.
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In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gesamtspannungsbeaufschlagung eines Hochleistungsschaltmoduls, das eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Schaltstufen aufweist, wobei eine Last, die parallel zu der Reihenschaltung der Schaltstufen geschaltet ist, durch ein Hochspannungs-Netzteil mit einer Hochspannung beaufschlagt wird. Dabei ist vorgesehen, dass beim initialen Anlegen einer Hochspannung an das Hochleistungsschaltmodul die Hochspannung innerhalb eines Zeitintervalls von Null auf einen Maximalwert hochgefahren wird, wobei das Zeitintervall eine Länge aufweist, die zwischen 5 % und 90 % der Periode zwischen zwei Einschaltzuständen des Hochleistungsschaltmoduls beträgt.
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Die in Bezug auf das Hochleistungsschaltmodul erläuterten Vorteile und Ausführungsbeispiele gelten für das Verfahren in entsprechender Weise.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines kaskadierbaren Hochleistungsschaltmoduls zur direkten Pulsenergiespeisung, welches eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Schaltstufen aufweist, wobei die an eine Last angelegte Hochspannung innerhalb eines Zeitintervalls stufenweise hochfahrbar ist;
- 2a den Hochspannungsverlauf über dem Hochleistungsschaltmodul der 1 in Abhängigkeit von der Zeit gemäß dem Stand der Technik;
- 2b den Hochspannungsverlauf über dem Hochleistungsschaltmodul der 1 in Abhängigkeit von der Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3a den Hochspannungsverlauf über einer Schaltstufe des Hochleistungsschaltmoduls der 1 in Abhängigkeit von der Zeit gemäß dem Stand der Technik;
- 3b den Hochspannungsverlauf über einer Schaltstufe des Hochleistungsschaltmoduls der 1 in Abhängigkeit von der Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 4a den Gate-Spannungsverlauf an einem Halbleiterschalter einer Schaltstufe des Hochleistungsschaltmoduls der 1 vor einem Einschalten des Halbleiterschalters in Abhängigkeit von der Zeit gemäß dem Stand der Technik;
- 4b den Gate-Spannungsverlauf an einem Halbleiterschalter einer Schaltstufe des Hochleistungsschaltmoduls der 1 vor einem Einschalten des Halbleiterschalters in Abhängigkeit von der Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- 5 den Hochspannungsverlauf über dem Hochleistungsschaltmodul der 1 in Abhängigkeit von der Zeit über eine Mehrzahl von Schaltperioden gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 zeigt ein Hochleistungsschaltmodul 1, das eine Mehrzahl von identisch ausgebildeten Schaltstufen 10 umfasst, wobei in der 1 drei solcher Schaltstufen 10 dargestellt sind.
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Nachfolgend wird zunächst der strukturelle Aufbau des Hochleistungsschaltmoduls 1 grundsätzlich beschrieben. Anschließend wird auf die mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Besonderheiten eingegangen.
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Jede Schaltstufe 10 weist einen Halbleiterschalter Tn auf. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Darstellung der 1 den einzelnen Bauelementen wie zum Beispiel dem Halbleiterschalter Tn eine Zahl 1, 2, ...n zugefügt ist, die die jeweilige Schaltstufe indiziert. Der Einfachheit halber wird in dieser Beschreibung nur das jeweilige Bauteil mit der Zahl „n“ genannt. Der Index n steht für jede beliebige Stufe, da die Vorgänge identisch in jeder Stufe n sind. Sofern in der 1 zwei Indices verwendet werden, steht der zweite Index für die Stufe, für die die genannte Größe funktionelle Relevanz aufweist.
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Jeder Halbleiterschalter Tn umfasst einen Steueranschluss G, einen Kollektoranschluss C und einen Emitteranschluss E. Die Spannung am Steueranschluss G wird durch ein Treiber-Netzwerk 11 eingestellt, das schematisch dargestellt und in an sich bekannter Weise ausgebildet ist. Über das Treiber-Netzwerk 11 bzw. Treiberströme ITn, die am Steueranschluss G anliegen, wird der Halbleiterschalter Tn eingeschaltet und ausgeschaltet.
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Jeder Halbleiterschalter Tn weist real vorhandene Aufbaukapazitäten (parasitäre Kapazitäten) auf, die keine gesonderten Bauteile darstellen, jedoch in der Darstellung der 1 zum besseren Verständnis als eigene Bauteile dargestellt sind. Hierbei handelt es sich um eine Miller-Kapazität CMn und um eine Gate-Emitter-Kapazität CGen. Die Miller-Kapazität ist die Aufbaukapazität des Halbleiterschalters Tn zwischen Kollektor und Steueranschluss bzw. Gate, die den Strom I1n in den Gate Kreis einkoppelt.
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Weiter umfasst die Schaltstufe 10 eine Reihenschaltung von drei Kapazitäten, einer ersten Kapazität Cn(n+1), einer Symmetrisierkapazität Chn und einer weiteren Kapazität Cnn. Die erste Kapazität Cn(n+1) und die Symmetrisierkapazität Chn sind dabei parallel zum Halbleiterschalter Tn zwischen Kollektoranschluss C und Emitteranschluss E geschaltet. Die Schaltstufen 10 umfasst des Weiteren eine Reihenschaltung von drei Widerständen Rn(n+1), Rhn und Rnn, an denen die Spannungen Un(n+1), Uhn und Unn abfallen. Von einem gemeinsamen Potenzialpunkt Pn teilen sich dabei drei Teilströme I1n, I2n und I3n auf, wobei der Teilstrom I1n durch die Halbleiterschalter Tn, der Teilstrom I3n durch die Reihenschaltung der Kapazitäten Cn(n+1), Chn und Cnn und der Teilstrom I2n durch die Reihenschaltung der Widerstände Rn(n+1), Rhn und Rnn fließt.
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Die Spannungsversorgung des Hochspannungsmoduls erfolgt über eine Hochspannungsquelle 40. Bei der Hochspannungsquelle 40 handelt es sich um ein Hochspannungs-Netzteil (durch ein kreisförmiges Symbol dargestellt). Das Hochspannungs-Netzteil 40 ist mit der Gesamthochspannung UG und ihrer Polarität angedeutet, wobei der Pfeil von Plus nach Minus geht. Das Hochspannungs-Netzteil 40 erhält von einem Steuergerät 41 eine Stellgröße ST. Die Stellgröße ST berechnet das Steuergerät 41 aus zwei Eingangsgrößen UGw und fw, wobei UGw eine Wunschspannung und fw eine Wunsch Schaltfrequenz darstellt, die per Software eingegeben wird.
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Das Hochspannungs-Netzteil 40 stellt eine Gleichspannung bzw. Gesamthochspannung UG bereit, wobei an jeder von n Schaltstufen 10 eine Teilspannung bzw. Stufenspannung UCEn = UG/n anliegt, die einen Bruchteil der Spannung der Hochspannungsquelle 40 darstellt. Die Stufenspannung UCEn ist die Spannung, die zwischen Kollektor C und Emitter E des jeweiligen Schaltelementes Tn liegt und gleich UG/n ist, wobei UG/n gleich Uhn+Un(n+1) ist. Die Spannung pro Stufe setzt sich somit immer aus dem Hochspannungsanteil Uhn (der erste Index „h“ steht für Hochspannung"), der beispielsweise im Bereich zwischen 1,2 kV und 1,7 kV liegt, und dem Niederspannungsanteil Un(n+1) („der erste Index „n“ steht für Niederspannung), der beispielsweise im Bereich zwischen -10 V und -3 V liegt, zusammen. Dieser Niederspannungsanteil ist die negative Vorspannung für das Schaltelement T(n+1) der nächsten Stufe am Gate, wenn eine beliebige Stufe n betrachtet wird.
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Die über jeder Schaltstufe 10 anliegende Spannung liegt beispielsweise im Kilovolt-Bereich. Das Hochleistungsschaltmodul ist dazu vorgesehen und ausgebildet, aus der Hochspannungsquelle 40 eine ohmsche, induktive oder kapazitive Last zu betreiben.
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So umfasst das Hochleistungsschaltmodul 1 des Weiteren als Last beispielsweise eine Lastkapazität CL. Die Lastkapazität CL wird durch die Hochspannungsquelle 40 geladen. Ein Laststrom des Hochleistungsschaltmoduls 1 fließt aus der Lastkapazität CL, wenn das Hochleistungsschaltmodul 1 einschaltet. Bei synchronem Schalten der Halbleiterschalter Tn fließt der Laststrom über Leitungen 16, die jeweils Kollektoranschluss C und Emitteranschluss E der Halbleiterschalter Tn zweier benachbarter Schaltstufen 10 direkt verbinden, durch das komplette Hochleistungsschaltmodul 1. Er ist dabei in allen Stufen gleich. Um eine Hochstromentladung mit extrem kurzer Pulsdauer zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Halbleiterschalter Tn jeder Stufe 10 exakt synchron geschaltet werden.
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Die 1 betrachtet allerdings den Zustand, in dem das Hochleistungsschaltmodul ausgeschaltet ist bzw. sich die einzelnen Halbleiterschalter Tn im ausgeschalteten Zustand befinden (nachfolgend auch als Sperrzustand bezeichnet). Im Sperrzustand baut sich eine Hochspannung über der Lastkapazität CL und dem Hochspannungsschaltmodul 1 insgesamt auf.
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Beim initialen Anlegen der Hochspannung UG fließt der Gesamtstrom IG, der sich für den betrachteten Fall (Sperrzustand beim Hochfahren der Hochspannung) in den Potential-Punkten Pn in die Teilströme I1n, I2n und I3n aufteilt.
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Der Strom I2n baut am Widerstand Rnn eine Spannung Unn zwischen Gate und Emitter auf, die in Bezug auf jeden Emitter der Stufe n negativ ist und damit den Halbleiterschalter Tn in jeder Stufe sicher sperrt. Der Wert der Spannung Unn ist klein und liegt beispielsweise zwischen -3V bis -10V. Außer in der Stufe 1 ist dieser Strom I2n auch in den restlichen den Stufen des Hochleistungsschaltmoduls unter anderem für das Sperren des Halbleiterschalters erforderlich. Die Stufe 1 weist dagegen eine separate externe Spannungsquelle Ukl, die nur für die Stufe 1 eine sichere negative Spannung zum Sperren des Halbleiterschalters T1 in der gleichen Höhe liefert, wie sie in den restlichen Stufen für die Halbleiterschalter Tn bereitgestellt wird.
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Weiter sorgt der gleiche Strom I2n dafür, dass sich an den Widerständen Rhn eine Stufenspannung einstellt, die den maximalen Wert der Kollektor-Emitter-Spannung UCE bewirkt (dabei sind z.B. 1,2kV bis 1,7kV sind für schnelle Schaltelemente vorgesehen). Die Kapazität Chn ist eine Symmetrisierkapazität, die im Wesentlichen beim dynamischen Vorgang für die Gleichmäßigkeit der Spannungsverhältnisse sorgt. Sie ist statisch ebenso auf übliche Schaltelementwerte geladen (auf 1,2kV bis 1,7kV bzw. genau genommen auf ungefähr 1,2kV bis 1,7kV, denn die Kapazität Cnn ist auf die Werte 3V bis 10V geladen, so dass Chn 1,2kV bis 1,7kV minus 3V bis 10V aufweist).
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Die Kapazität Chn wird samt der Kapazität Cnn mit dem Strom I3n statisch aufgeladen. Die Kapazität Cnn stabilisiert die Spannung am Widerstand Rnn. Es handelt sich um eine Stabilisierungskapazität, die dafür sorgt, dass die Spannung nicht springen kann.
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Es wird angemerkt, dass bei der betrachteten Schaltung vorausgesetzt wird, dass die Halbleiterschalter mit negativer Spannung am Gate bzw. Steueranschluss gesperrt und mit positiver Spannung am Gate eingeschaltet werden. Bei Halbleiterschaltern, bei denen es anders verhält, sind die beschriebenen Vorgänge mit einem anderen Vorzeichen gegeben. So können alternativ Halbleiterschalter eingesetzt werden, die sich mit negativer Spannung einschalten und mit positiver Spannung ausschalten.
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Nachfolgend wird ein Verfahren betrachtet, das sicherstellt, dass beim Hochfahren der Gesamthochspannung an der Kaskade der Schaltstufen von einem Wert von 0V auf eine maximale Hochspannung UGmax einzelne Schaltstufen nicht mit dem Strom I1n eingeschaltet werden. Besonders bei Schaltelementen mit einer geringen Gate-Emitter-Kapazität und einer geringen Schwellenspannung der Steuerspannung ist dies von Bedeutung.
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Allgemein gilt, dass die Induktivität Ln, die in Reihe zum Widerstand Rgn geschaltet ist, verhindert, dass sich schnell eine negative Vorspannung im Gate-Kreis aufbaut. Eine negative Vorspannung sorgt dafür, dass der Halbleiterschalter Tn sicher gesperrt bleibt. Die Miller-Kapazität CMn andererseits bewirkt, dass eine positive Änderung der Gate-Emitter-Spannung begünstigt wird, verursacht durch den Strom 11 n. Beide, Ln und CMn, sind störende oder auch parasitäre Elemente.
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In der Schaltung der 1 verhindert die Induktivität Ln einen sofortigen Stromsprung, der den Steueranschluss G der Stufen sofort negativ vorspannen würde. Diese Induktivität Ln ist immer vorhanden und kann nicht beliebig reduziert werden. Es handelt sich um eine Aufbauinduktivität. Sie kann, da sie die negative Vorspannung am Steueranschluss G verzögert, für Halbleiterschalter mit kleiner Gate-Emitter-Kapazität und mit kleiner Schwellenspannung am Steueranschluss G kritisch insofern sein, als der Halbleiterschalter bei nicht ausreichend negativer Vorspannung am Steueranschluss G in den eingeschalteten Zustand übergehen kann.
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Denn der Strom I1n, der zeitlich abschnittsweise und meist aufbaubedingt schneller (steiler) als der Strom I2n ansteigt, koppelt über die Miller-Kapazität CMn in den Steuerpfad mit der kleinen Gate-Emitter-Kapazität CGen ein und hebt das Gate-Potential in Bezug auf den Emitter positiv an. Die Gate-Emitter-Kapazität benötigt nur eine kleine Ladung, um die Gate-Emitter-Spannung UGen auf die ebenso kleine Schwellenspannung Uth anzuheben. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist der Strom I1n klein zu halten, um einen sicheren Abstand zur Schwellenspannung beim initialen Anlegen der Hochspannung in jeder Stufe n zu garantieren.
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Dies wird dadurch erreicht, dass der Gesamtstrom IG klein ist. Dies wiederum wird dadurch erreicht, dass die Hochspannung nicht plötzlich, sondern über ein Zeitintervall und in diesem beispielsweise stufenweise auf die Hochspannung UG hochgefahren wird. So baut sich in jeder Schaltstufe 10 die Kollektor-Emitter-Spannung UCEn (Stufenspannung) ebenso portionsweise auf. Es wird gleichzeitig sichergestellt, dass in jeder Stufe n die Spannung UGen sicher den Schwellenwert Uth nicht erreicht, denn infolge der Induktivität Ln ist die Wirkung vom Strom I1n beim Initialanlegen der Hochspannung dominanter als die vom Strom I2n. So wird die Spannung UGen für kurze Zeit beim initialen Anlegen der Hochspannung positiv, ohne aber Uth zu erreichen. Es wird ein sicherer Betrieb des Hochleistungsschaltmoduls bei Halbleiterschaltern mit kleiner Gate-Emitter-Kapazität und kleiner Schwellenspannung der Steuerspannung sichergestellt. Die genannten Eigenschaften besitzen beispielsweise Halbleiterschalter wie SiC- und GaN-MOSFETs.
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Die beschriebenen Vorgänge sind in den 2a bis 4b verdeutlicht, wobei die 2a den Hochspannungsverlauf über dem Hochleistungsschaltmodul 1, die 3a den zugehörigen Hochspannungsverlauf über einer beliebigen Schaltstufe 10 und die 4a den zugehörigen Gate-Spannungsverlauf an einem Halbleiterschalter Tn einer Schaltstufe 10 jeweils gemäß dem Stand der Technik darstellen. Dagegen zeigen die 2b den Hochspannungsverlauf über dem Hochleistungsschaltmodul 1, die 3b den zugehörigen Hochspannungsverlauf über einer Schaltstufe 10 und die 4b den zugehörigen Gate-Spannungsverlauf an einem Halbleiterschalter Tn einer Schaltstufe 10 jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die in den 2a, 3a und 4a dargestellten Verläufe nicht denen eines funktionierenden Schalters entsprechen, sondern solche sind, die auftreten würden, wenn bei schnellen Halbleiterschaltern mit kleiner Gate-Emitter-Kapazität keine Ausgestaltung gemäß den 2b, 3b und 4b erfolgt.
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Bei einem sofortigen, sprunghaften Anlegen der gesamten Hochspannung gemäß der 2a besteht die Gefahr, dass der Steueranschluss G eines Halbleiterschalters Tn die Schwellenspannung Uth erreicht. Dies führt gemäß der 3a zu Spannungseinbrüchen an einzelnen Schaltstufen 10, die mit dem Wert dU visualisiert sind. Dies bedeutet, dass die Spannungseinbrüche der Stufe n die anderen Stufen übernehmen müssen. Auf diese Weise wird irgendwann der Fall erreicht, in dem diese anderen Stufen ihre Kollektor-Emitter-Spannung UCEn nicht mehr sperren können. In der 3a ist dies nach dem zweiten Erreichen von Uth der Fall.
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Noch schlimmer ist die Situation, wenn in mehreren Stufen Uth synchron erreicht würde. In diesem Fall werden die restlichen Stufen sofort einer Spannung UCEn ausgesetzt, die sie nicht sperren können, da sofort mehrere Spannungseinbrüche von noch sperrenden Stufen übernommen werden müssen.
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In jedem Fall baut sich die Spannung UG ungewollt ab bzw. bricht zusammen, siehe Flanke X in der 2a, da das Hochspannungs-Netzteil 40 eine endliche Leistung hat, um die Hochspannung aufbauen zu können. Nach diesem Prozess sind mehrere Stufen oder alle defekt. Das Hochleistungsschaltmodul 1 kann keine Hochspannung UG mehr sperren.
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Gemäß der 2b wird die Hochspannung UG dagegen in einem Zeitintervall ta schrittweise bzw. portionsweise hochgefahren, wobei sukzessive die Spannungswerte UG1, UG2, ... UGn durchfahren werden. Die Kollektor-Emitter-Spannungen UCEn in den Schaltstufen 10 bauen sich ebenso portionsweise auf. Die Gate-Emitter-Spannung UGEn der einzelnen Schaltstufen erreicht zu keinem Zeitpunkt den Schwellenwert Uth, sinkt vielmehr auf den durch die Spannung Unn (siehe 1) vorgegebenen negativen Wert.
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Eine robuste Funktion bei Halbleiterschaltern mit einer geringen Gate-Emitter-Kapazität und einer geringen Schwellenspannung wird somit gewährleistet.
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Die vorliegende Erfindung sieht somit vor, beim Einsatz von Schaltelementen mit einer geringen Gate-Emitter-Kapazität und einer geringen Schwellenspannung an der Steuerelektrode das Hochfahren der Hochspannung beim initialen Anlegen von 0V auf eine Maximalspannung UGmax stufenweise durchzuführen. Dies erfolgt durch eine entsprechende Steuerung des Hochspannungs-Netzteils 40, das die Spannung UG bereitstellt, beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Steuersoftware.
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Eine solche Steuersoftware berechnet im Steuergerät 41 (siehe 1) aus der Wunschschaltfrequenz fw die Periode T und aus UGw die Spannung UG. Die vom Steuergerät 41 an das Hochspannung-Netzteil 40 bereitgestellte Stellgröße ST bewirkt die qualitativ visualisierten Treppchen in den 2b und damit die Verläufe gemäß den 3b und 4b.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass ein Netzteil immer eine Stellgröße aufweist. Das beschriebene Verfahren ist dabei vom konkret verwendeten Netzteil unabhängig. Ein Netzteil ist grundsätzlich in der Lage, bestimmte Spannungen bereitzustellen und beispielsweise zunächst eine Spannung von 2 kV, dann eine Spannung von 4 kV etc. bis einer Spannung von zum Beispiel 12 kV bereitzustellen, statt sofort auf eine Spannung von 12 kV zu springen.
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Eine Implementierung kann beispielsweise über einen Drehschalter erfolgen. Bei einem Drehen des Schalters um 360° wird sofort eine Spannung von 12 kV erzeugt. Bei einem Drehen des Schalters lediglich um 60° wird eine Spannung von 2 kV erzeugt. Die Stellgröße ST weist dann einen ersten Wert ST1 auf. Bei einem Drehen des Drehschalters um weitere 60° wird die Spannung um weitere 2 kV auf 4 kV erhöht, etc. Die Stellgröße weist bis zum Winkel von 360° Werte ST1 bis ST6 auf.
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Gleichzeitig wird darauf hingewiesen, dass die Steuerung des Hochspannungs-Netzteils 40 über eine Stellgröße ebenfalls nur ein Ausführungsbeispiel darstellt. Alternativ könnte die Steuerung des Hochspannungs-Netzteil 40 beispielsweise über eine kleine Spannung erfolgen (zum Beispiel zwischen 1V und 12V), die eine proportionale Hochspannung zwischen 1 kV und 12 kV erzeugt.
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Es ist möglich, dass das beschriebene stufenweise Anlegen der Hochspannung nicht nur beim initialen Hochfahren bzw. beim allerersten Einschalten, sondern bei jedem Aufbau der Hochspannung nach einem Schaltvorgang, wenn das Hochleistungsschaltmodul seinen Zustand von leitend nach sperrend wechselt, vorgenommen wird. Das stufenweise Hochfahren ist dabei während der steigenden Flanke der Gesamthochspannung UG anzuwenden.
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Die Anzahl und Höhe der einzelnen Stufen beim Hochfahren der Hochspannung ist derart festzulegen, dass zu keinem Zeitpunkt in der Kaskade der Schaltstufen die Schwellenspannung Uth der Steuerspannung UGen erreicht wird. Es wird darauf hingewiesen, dass das sukzessive Hochfahren der Hochspannung keinen Einfluss auf die Schaltfrequenz f der Anwendung hat.
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Die 5 visualisiert beispielhaft den stufenweisen Aufbau der Hochspannung von 0V auf die Maximalspannung UGmax im schaltenden Betrieb für drei Schaltvorgänge, wobei zwei Schaltvorgänge die Periodendauer T voneinander entfernt sind. T gibt also den zeitlichen Abstand zwischen zwei Schaltvorgängen an. Der stufenweise Aufbau der Hochspannung nimmt dagegen das Zeitintervall tan in Anspruch, das kleiner ist als die Periodendauer T: ta<T. In Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass das Zeitintervall tan eine zeitliche Länge aufweist, die zwischen 10 % und 20 % der Periode T zwischen zwei Schaltvorgängen bzw. Einschaltzuständen des Hochleistungsschaltmoduls beträgt, d.h. die Zeit ta ist um das 5-fache bis 10-fache kleiner als die Periodendauer T: ta/T ≈ 0,1-0,2. Jedoch können auch andere Verhältnisse realisiert sein, solange ta<T ist.
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Beispielsweise ist ta=10µs, wenn in der Anwendung mit 10kHz geschaltet wird. Beispielsweise ist ta=1µs, wenn mit 100kHz geschaltet wird. Dabei verarbeitet das Hochspannungs-Netzteil 40 die Eingabe der Wunschschaltfrequenz fw und der Wunschspannung Uw und steuert mit der Stellgröße das Netzteil so, dass der Maximalwert der Hochspannung UGmax stufenweise erreicht wird, so dass in keiner der Schaltstufen die Schwellenspannung Uth erreicht wird.
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Die Periodendauer T und damit die Schaltfrequenz f werden von dem stufenweisen Hochfahren der Hochspannung UG nicht beeinflusst.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Anstieg der Hochspannung nicht treppenförmig erfolgen muss. Der Anstieg kann alternativ beispielsweise linear, parabolisch oder exponentiell erfolgen.
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Das beschriebene Verfahren kann grundsätzlich auch bei Halbleiterschaltern mit höherer Schwellenspannung Uth beispielsweise im Bereich von ca. 8 - 20 V und/oder hoher Gate-Emitter-Kapazität CGE eingesetzt werden, solange gilt, dass ta<T ist. Es ist zwar bei solchen Halbleiterschaltern nicht unbedingt erforderlich, jedoch auch nicht nachteilig.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
