DE10317374B4

DE10317374B4 - Steuerschaltung für Leistungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10317374B4
Application number: DE10317374A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Nishi-Fukuoka Hiyama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: JP3983622B2; DE10317374A1; JP2004072942A; US6680630B1

Abstract

Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung, umfassend:
mehrere niederspannungsseitige Schaltelemente (5, 6, 7), um eine Inverterschaltung (1) zu bilden, wobei ein Anschluss der mehreren niederspannungsseitigen Schaltelemente (5, 6, 7) jeweils an eine Last (23) angeschlossen ist, und ein anderer Anschluss an eine Niederspannungsleitung (N) der Inverterschaltung (1) angeschlossen ist;
mehrere hochspannungsseitige Schaltelemente (2, 3, 4), um die Inverterschaltung (1) zu bilden, wobei ein Anschluss der mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) jeweils an eine Last (23) angeschlossen ist, und der andere Anschluss an eine Hochspannungsleitung (P) der Inverterschaltung (1) angeschlossen ist;
mehrere hochspannungsseitige Steuerschaltkreise (30), um jeweils die mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) anzusteuern, wobei die mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise (30) jeweils eine integrierte Hochspannungsschaltung (31) beinhalten; und
mehrere niederspannungsseitige Steuerschaltkreise (50), um jeweils die mehreren niederspannungsseitigen Schaltelemente (5, 6, 7) anzusteuern, wobei die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise (50) jeweils eine erste Niederspannungsstromversorgungsleitung, eine zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung, eine erste Hochspannungsstromversorgungsleitung...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung. Im Spezielleren bezieht sie sich auf eine Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung, die Fehlfunktion oder Ausfall verhindert und gleichzeitig deren verkleinerte Auslegung und deren Kostensenkung ermöglicht.
Beschreibung des Stands der Technik
8 ist ein Schaltbild, das eine Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung im Stand der Technik darstellt. Eine Dreiphasen-Inverterschaltung 100 in 8 umfasst hochspannungsseitige Schaltelemente 101, 103 und 105, und niederspannungsseitigen Schaltelemente 102, 104 und 106. Die Dreiphasen-Inverterschaltung 100 umfasst darüber hinaus Dioden 107, 109 und 111, die jeweils mit den hochspannungsseitigen Schaltelementen 101, 103 und 105 parallel geschaltet sind, und Dioden 108, 110 und 112, die jeweils mit den niederspannungsseitigen Schaltelementen 102, 104 und 106 parallel geschaltet sind.
Die hochspannungsseitigen Schaltelemente 101, 103 und 105 und die niederspannungsseitigen Schaltelemente 102, 104 und 106 erhalten jeweils Strom, den ihnen eine Stromversorgung 113 liefert. Verbindungsleitungen zur Verbindung der hochspannungsseitigen Schaltelemente 101, 103, 105 mit den niederspannungsseitigen Schaltelementen 102, 104, 106 haben jeweilige Selbstinduktivitäten, wie in 8 durch die Bezugszahlen 114 bis 121 angegeben ist. Die hochspannungsseitigen Schaltelemente 101, 103 und 105 und die niederspannungsseitigen Schaltelemente 102, 104 und 106 sind jeweils IGBTs (Isolierschicht-Bipolartransistoren).
Eine Last wie ein Dreiphasenmotor 122 ist an die Dreiphasen-Inverterschaltung 100 angeschlossen. Ein hochspannungsseitiger Steuerschaltkreis ist jeweils an die hochspannungsseitigen Schaltelemente 101, 103 und 105 angeschlossen, und ein niederspannungsseitiger Steuerschaltkreis ist jeweils an die niederspannungsseitigen Schaltelemente 102, 104 und 106 angeschlossen. In 8 sind nur ein an das hochspannungsseitige Schaltelement 101 angeschlossener Steuerschaltkreis 200 und ein an das niederspannungsseitige Schaltelement 102 angeschlossener Steuerschaltkreis 300 gezeigt. Diejenigen Steuerschaltungen, die an die hochspannungsseitigen Schaltelemente 103 und 105 bzw. die niederspannungsseitigen Schaltelemente 104 und 106 angeschlossen sind, wurden weggelassen. Die Inverterschaltung, der hochspannungsseitige Steuerschaltkreis und der niederspannungsseitige Steuerschaltkreis bilden eine Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung.
Der an das hochspannungsseitige Schaltelement 101 angeschlossene hochspannungsseitige Steuerschaltkreis 200 umfasst eine Emitterfolgerschaltung, eine integrierte Hochspannungsschaltung 201, und eine Stromversorgung 202 und Kondensatoren 203 und 204, um diese Schaltungen anzusteuern. Ein NPN-Transistor (spannungsführungsseitiger Emitterfolgertransistor) 205 und ein PNP-Transistor (nicht spannungsfüh rungsseitiger Emitterfolgertransistor) 206 bilden die Emitterfolgerschaltung des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises 200. Emitteranschlüsse der Transistoren 205 und 206 sind jeweils an Widerstände 207 und 208 und dann gemeinsam an den Gateanschluss des hochspannungsseitigen Schaltelements 101 angeschlossen. Der Kondensator 203 ist zwischen einem hochspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss Vb und einem hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs in der integrierten Hochspannungsschaltung 201 angeschlossen, und der Kondensator 204 ist zwischen einem niederspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss Vcc und einem niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss in der integrierten Hochspannungsschaltung 201 angeschlossen. Ein Eingangsanschluss IN der integrierten Hochspannungsschaltung 201 empfängt ein Steuersignal Hi-IN von dem hochspannungsseitigen Schaltelement, das darin eingegeben wird. Das Steuersignal Hi-IN wird von einem Ausgangsanschluss OUT der integrierten Hochspannungsschaltung 201 an die Emitterfolgerschaltung ausgegeben.
Auf ähnliche Weise umfasst der an das niederspannungsseitige Schaltelement 102 angeschlossene niederspannungsseitige Steuerschaltkreis 300 eine Emitterfolgerschaltung, eine integrierte Hochspannungsschaltung 301, und eine Stromversorgung 302 und Kondensatoren 303, 304, um diese Schaltungen anzusteuern. Ein NPN-Transistor 305 und ein PNP-Transistor 306 bilden die Emitterfolgerschaltung des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises 300. Emitteranschlüsse der Transistoren 305 und 306 sind jeweils an Widerstände 307 und 308 und dann gemeinsam an den Gateanschluss des niederspannungsseitigen Schaltelements 102 angeschlossen. Der Kondensator 303 ist zwischen einem hochspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss Vb und einem hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs in der Integrierte Hochspannungsschaltung 301 vorgesehen, und der Kondensator 304 ist zwischen einem niederspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss Vcc und einem niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss in der integrierten Hochspannungsschaltung 301 angeschlossen. Die Kondensatoren 204 und 304 sind an eine Stromversorgung 309 angeschlossen. Ein Eingangsanschluss IN der integrierten Hochspannungsschaltung 301 empfängt ein Steuersignal Low-IN vom niederspannungsseitigen Schaltelement, das darin eingegeben wird. Das Steuersignal Low-IN wird von einem Ausgangsanschluss OUT der integrierten Hochspannungsschaltung 301 an die Emitterfolgerschaltung ausgegeben.
Wie in 8 gezeigt, ist die integrierte Hochspannungsschaltung 201 bzw. 301 auch noch mit Klemmdioden 209 und 310 ausgestattet. Eine Anode der Klemmdioden 209 bzw. 310 ist an den niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss und eine Kathode ist an den hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs anschlossen. Wie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. JP 10-42575 A1 (1998) offenbart, wirken die Klemmdioden 209 und 310 so, dass sie die integrierten Hochspannungsschaltungen 201 und 301 vor einem negativen Stoßpotential schützen (das im Folgenden als negative Stoßspannung bezeichnet wird.) Solch eine negative Stoßspannung entsteht durch die Änderung des Stroms gegenüber Zeit (di/dt) und die Selbstinduktivitäten 114 bis 121 der Verbindungsleitungen, wenn die hochspannungsseitigen Schaltelemente 101, 103 und 105 oder die niederspannungsseitigen Schaltelemente 102, 104 und 106 zum Ansteuern der Last geschaltet werden.
Dennoch kann es sein, dass die Klemmdioden 209 und 310 nicht wirksam genug sind, um die integrierte Hochspannungsschaltung 201 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises bzw. die integrierte Hochspannungsschaltung 301 des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises ausreichend zu schützen. Als Gegenmaßnahme ist dazu bei der in 8 gezeigten Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung ein Widerstand 400 zwischen dem Emitteranschluss des niederspannungsseitigen Schaltelements 104 und der Stromversorgung 309 angeordnet. Wenn die negative Stoßspannung entsteht, wird negativer Stoßstrom, der in den Klemmdioden 209 und 310 fließt, begrenzt, so dass die integrierten Hochspannungsschaltungen 201 und 301 geschützt werden können. Eine solche Technik ist in der PCT-Veröffentlichung Nr. WO 01/59918 offenbart.
Wenn nur das hochspannungsseitige Schaltelement 101 und das niederspannungsseitige Schaltelement 104 im EIN-Zustand sind, und das hochspannungsseitige Schaltelement 101 in den AUS-Zustand geschaltet ist, entsteht die negative Stoßspannung in der in 8 gezeigten Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung, deren Einzelheiten unten angegeben werden.
Wenn sich nur das hochspannungsseitige Schaltelement 101 und das niederspannungsseitige Schaltelement 104 im EIN-Zustand befinden, fließt Strom, der vom positiven Pol der Stromversorgung 113 geliefert wird, in dieser Reihenfolge durch das hochspannungsseitige Schaltelement 101, die Selbstinduktivität 114, die Last 122, die Selbstinduktivität 117, das niederspannungsseitige Schaltelement 104 und die Selbstinduktivität 121. Dann kehrt der Strom zum negativen Pol der Stromversorgung 113 zurück.
Wenn als Nächstes das hochspannungsseitige Schaltelement 101 in den AUS-Zustand geschaltet wird, verfolgt der Strom, der durch die Last 122 fließt, den anderen Pfad. Und zwar fließt der Strom in dieser Reihenfolge durch die Last 122, die Selbstinduktivität 117, das niederspannungsseitige Schaltelement 104, die Selbstinduktivität 120, die Diode 108, die Selbstinduktivität 115 und die Last 122. Im Verlauf dieses Stromflusses erzeugen die Selbstinduktivitäten 114, 115, 120 und 121 der Verbindungsleitungen die negative Stoßspannung.
Wenn eine solche negative Stoßspannung entsteht, wird an den niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss und den hochspannungs seitigen Referenzanschluss Vs in der integrierten Hochspannungsschaltung 201 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises 200 Spannung angelegt. Diese Spannung ist die Summe induzierter Spannungen der Selbstinduktivitäten 114, 115 und 120 und der Vorwärtsspannung der Diode 108. Dann wird die Klemmdiode 209 in den AUS-Zustand geschaltet, wodurch Vorwärtsspannung der Klemmdiode 209 zwischen dem niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss und dem hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs in der integrierten Hochspannungsschaltung 201 angelegt wird, die mit der Klemmdiode 209 parallel geschaltet sind.
Wie aus 8 ersichtlich, ist darüber hinaus der Widerstand 400 auf dem Pfad zwischen dem niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss und dem hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs in der integrierten Hochspannungsschaltung 201 vorgesehen. Der durch die Klemmdiode 209 fließende Strom wird dadurch begrenzt. Deshalb kann die negative Stoßspannung vom Widerstand 400 begrenzt werden, wodurch die Vorwärtsspannung der Klemmdioden 209 auf einen Pegel begrenzt werden kann, der keine Funktionsstörung und keinen Ausfall der Integrierte Hochspannungsschaltung 201 verursacht. Wenn der Widerstandswert des Widerstands 400 zunimmt, wird der Spannungsabfall im Widerstand 400 größer. Die Vorwärtsspannung der Klemmdiode 209 kann entsprechend begrenzt werden.
Gemäß der in 8 gezeigten Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung, können die integrierte Hochspannungsschaltung 201 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises und die integrierte Hochspannungsschaltung 301 des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor der negativen Stoßspannung geschützt werden, die von den Selbstinduktivitäten 114 bis 121 der Verbindungsleitungen erzeugt wird. Dennoch sollten im in 8 gezeigten niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis für die niederspannungsseitigen Schaltelemente 102, 104 und 106 die Stromversorgungen 302 und 309 für jedes der Elemente 102, 104 und 106 vorgesehen sein, was zu einem Kostenanstieg bei der Stromversorgung führt. Für eine kleinere Auslegung und eine Kostensenkung des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises für jedes der niederspannungsseitigen Schaltelemente 102, 104 und 106, sollten die Stromversorgungen 302 und 309 zusammengefasst werden, und die integrierte Hochspannungsschaltung 301 sollte beseitigt werden.
Weiterhin ist aus der EP 1 143 604 A1 eine Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung bekannt, welche folgende Elemente umfasst: mehrere niederspannungsseitige Schaltelemente, mehrere hochspannungsseitige Schaltelemente, mehre hochspannungsseitige Steuerschaltkreise, um die mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente anzusteuern, wobei die Steuerschaltkreise jeweils eine integrierte Hochspannungsschaltung beinhalten und mehrere niederspannungsseitige Steuerschaltkreise, um die mehreren niederspannungsseitigen Schaltelemente anzusteuern. Ferner ist es aus der EP 1 143 604 A1 bekannt, die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise aus einer einzigen Stromversorgung zu speisen, wobei die Treiberstufen jeweils mittels eines Kondensators abgestützt sind. Letztendlich ist es aus der EP 1 143 604 A1 bekannt, den Gate-Vorwiderstand eines jeden Halbleiterschalters im Gate-Mittelstromkreis so zu platzieren, dass er sich zwischen dem Emitter des Halbleiterschalters und dem niederspannungsseitigen Versorgungsanschluß der Treiberstufe befindet.
Ähnlicher Stand der Technik ist aus „International Rectifier: "Control Integrated Circuits" (Designers' Manual), published by International Rectifier, 233 Kansas St., EI Segundo, California 90245, Copyright 1996: Datasheet No. PD-6.019F: IR2130" bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung bereitzustellen, die einen hochspannungsseitigen Steuerschaltkreis und einen niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis umfasst. Genauer ausgedrückt ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Hochspannungsschaltung des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor negativer Stoßspannung zu schützen, die von einer Selbstinduktivität einer Verbindungsleitung erzeugt wird, während im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis keine integrierte Hochspannungsschaltung benötigt wird, um eine kleinere Auslegung und eine Kostensenkung bei der Steuerschaltung zu bewerkstelligen.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung mehrere niederspannungsseitige Schaltelemente, die eine Inverterschaltung bilden sollen, mehrere hochspannungsseitige Schaltelemente, die die Inverterschaltung bilden sollen, mehrere hochspannungsseitige Steuerschaltkreise, und mehrere niederspannungsseitige Steuerschaltkreise. Ein Anschluss der mehreren niederspannungsseitigen Schaltelemente ist jeweils an eine Last, und der andere Anschluss an eine Niederspannungsleitung der Inverterschaltung angeschlossen. Jeweils ein Anschluss der hochspannungsseitigen Schaltelemente ist an die Last, und der andere Anschluss an die Hoch spannungsleitung der Inverterschaltung angeschlossen. Die mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise steuern jeweils die mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente an. Die mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise umfassen jeweils eine integrierte Hochspannungsschaltung. Die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise steuern jeweils die mehreren niederspannungsseitigen Schaltelemente an. Die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise umfassen jeweils eine erste Niederspannungsstromversorgungsleitung, eine zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung, eine erste Hochspannungsstromversorgungsleitung, und eine zweite Hochspannungsstromversorgungsleitung, die jeweils an die integrierte Hochspannungsschaltung angeschlossen sind. Die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise umfassen jeweils eine erste Stromversorgung, einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, ein erstes Strombegrenzungselement und zweite Strombegrenzungselemente. Die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise sind gemeinsam an die erste Stromversorgung angeschlossen. Der erste Kondensator ist über die erste Niederspannungsstromversorgungsleitung und die erste Hochspannungsstromversorgungsleitung an die erste Stromversorgung angeschlossen. Der zweite Kondensator ist über die zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung und die zweite Hochspannungsstromversorgungsleitung an die erste Stromversorgung angeschlossen. Das erste Strombegrenzungselement ist zwischen einem Knoten zwischen der ersten Niederspannungsstromversorgungsleitung und dem ersten Kondensator und der zweiten Niederspannungsstromversorgungsleitung vorgesehen. Die zweiten Strombegrenzungselemente sind jeweils auf der zweiten Niederspannungsstromversorgungsleitung und der zweiten Hochspannungsstromversorgungsleitung vorgesehen, um die erste Stromversorgung und den zweiten Kondensator miteinander zu verbinden.
Die Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung umfasst das erste Strombegrenzungselement, das zwischen der ersten Stromversor gung, an die die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise angeschlossen sind, und dem niederspannungsseitigen Schaltelement vorgesehen ist. Ferner sind die zweiten Strombegrenzungselemente auf den Verbindungsleitungen vorgesehen, um jeweils die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise und die integrierte Hochspannungsschaltung miteinander zu verbinden. Deshalb kann die integrierte Hochspannungsschaltung des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor negativer Stoßspannung geschützt werden. Da darüber hinaus die Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung keine integrierte Hochspannungsschaltung im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis benötigt, kann eine kleinere Auslegung und eine Kostensenkung bewerkstelligt werden.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltbild einer Dreiphasen-Inverterschaltung und einer Steuerschaltung derselben nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Schaltbild einer Dreiphasen-Inverterschaltung und einer Steuerschaltung derselben nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; die 3 und 4 sind jeweils Schaltbilder einer Dreiphasen-Inverterschaltung und einer Steuerschaltung derselben nach einer Abwandlung der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Schaltbild einer Dreiphasen-Inverterschaltung und einer Steuerschaltung derselben nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Schaltbild einer Dreiphasen-Inverterschaltung und einer Steuerschaltung derselben nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Schaltbild einer Dreiphasen-Inverterschaltung und einer Steuerschaltung derselben nach einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 ist ein Schaltbild der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung aus dem Stand der Technik.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste bevorzugte Ausführungsform
1 ist ein Schaltbild einer Dreiphasen-Inverterschaltung und einer Steuerschaltung derselben nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine in 1 gezeigte Dreiphasen-Inverterschaltung umfasst hochspannungsseitige Schaltelemente 2, 3 und 4, und niederspannungsseitige Schaltelemente 5, 6 und 7. Die Dreiphasen-Inverterschaltung 1 umfasst ferner Dioden 8, 9 und 10, die jeweils mit den hochspannungsseitigen Schaltelementen 2, 3 und 4 parallel geschaltet sind, und Dioden 11, 12 und 13, die jeweils mit den niederspannungsseitigen Schaltelementen 5, 6 und 7 parallel geschaltet sind. In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Inverterschaltung nicht unbedingt eine Dreiphasenschaltung. Alternativ kann sie eine einphasige oder auch eine mehrphasige Schaltung sein.
Die hochspannungsseitigen Schaltelemente 2, 3 und 4, und die niederspannungsseitigen Schaltelemente 5, 6 und 7 bekommen jeweils Strom von einer Stromversorgung 14 geliefert. Verbindungsleitungen zum Verbinden der hochspannungsseitigen Schaltelemente 2, 3, 4 und der niederspannungsseitigen Schaltelemente 5, 6, 7, weisen jeweils Selbstinduktivitäten auf, wie in 1 durch die Bezugszahlen 15 bis 22 angegeben ist. Die hochspannungsseitigen Schaltelemente 2, 3 und 4, und die niederspannungsseitigen Schaltelemente 5, 6 und 7 sind als IGBTs (Isolierschicht-Bipolartransistoren) gezeigt. Alternativ können sie jeweils aber auch ein MOSFET sein.
Der jeweilige Kollektoranschluss der hochspannungsseitigen Schaltelemente 2, 3 und 4 ist an eine Hochspannungsleitung P angeschlossen, deren jeweiliger Emitteranschluss ist an eine Last wie einen Dreiphasenmotor 23 angeschlossen, und deren jeweiliger Gateanschluss ist an einen hochspannungsseitigen Steuerschaltkreis angeschlossen. Darüber hinaus ist der jeweilige Emitteranschluss der niederspannungsseitigen Schaltelemente 5, 6 und 7 an eine Niederspannungsleitung N angeschlossen, deren jeweiliger Kollektoranschluss ist an eine Last wie einen Dreiphasenmotor 23 angeschlossen, und deren jeweiliger Gateanschluss ist an einen niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis angeschlossen.
In 1 sind nur ein an das hochspannungsseitige Schaltelement 2 angeschlossener hochspannungsseitiger Steuerschaltkreis 30 und ein an das niederspannungsseitige Schaltelement 5 angeschlossener niederspannungsseitiger Steuerschaltkreis 50 gezeigt. Die jeweils an die hochspannungsseitigen Schaltelemente 3 und 4 bzw. die niederspannungsseitigen Schaltelemente 6 und 7 angeschlossenen Steuerschaltungen wurden weggelassen. Die Inverterschaltung, der hochspannungsseitige Steuerschaltkreis und der niederspannungsseitige Steuerschaltkreis bilden eine Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung.
Der an das hochspannungsseitige Schaltelement 2 angeschlossene hochspannungsseitige Steuerschaltkreis 30 umfasst eine Emitterfolgerschaltung, eine integrierte Hochspannungsschaltung 31, und eine Stromversorgung 32 und Kondensatoren 33, 34, um diese Schaltungen anzusteuern. Ein NPN-Transistor (spannungsführungsseitiger Emitterfolgertransistor) 35 und ein PNP-Transistor (nicht spannungsführungsseitiger Emitterfolgertransistor) 36 bilden die Emitterfolgerschaltung des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises 30. Emitteranschlüsse der Transistoren 35 und 36 sind jeweils an Widerstände 37 und 38 und dann gemeinsam an den Gateanschluss des hochspannungsseitigen Schaltelements 2 angeschlossen. Der Widerstand 37 ist ein Gate-Einschaltwiderstand (spannungsführungsseitiger Gatewiderstand), und der Widerstand 38 ist ein Gate-Ausschaltwiderstand (nicht spannungsführungsseitiger Gatewiderstand).
Der Kondensator 33 ist zwischen einem hochspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss Vb und einem hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 vorgesehen, und der Kondensator 34 ist zwischen einem niederspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss Vcc und einem niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 vorgesehen. Ein Eingangsanschluss IN der integrierten Hochspannungsschaltung 31 empfängt ein Steuersignal Hi-IN des hochspannungsseitigen Schaltelements, das darin eingegeben wird. Das Steuersignal Hi-IN wird von einem Ausgangsanschluss OUT der integrierten Hochspannungsschaltung 31 an die Emitterfolgerschaltung ausgegeben. Die integrierte Hochspannungsschaltung 31 ist darüber hinaus mit einer Klemmdiode 39 mit einer Anode versehen, die mit dem niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss parallel geschaltet ist, und mit einer Kathode, die mit dem hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs parallel geschaltet ist.
Eine Emitterfolgerschaltung, ein Eingangspuffer 51, und eine Stromversorgung 52 und Kondensatoren 53, 54 zum Ansteuern dieser Schaltungen bilden den an das niederspannungsseitige Schaltelement 5 angeschlossenen niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis 51. Die Stromversorgung 52 ist nicht eigens für jedes der niederspannungsseitigen Schaltelemente 5, 6 und 7 ausgelegt, sondern ist eine gemeinsame Stromversorgung für diese. Ein NPN-Transistor 55 und ein PNP-Transistor 56 bilden die Emitterfolgerschaltung des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises 50. Der Emitteranschluss des PNP-Transistors 56 ist an einen Widerstand 57 angeschlossen.
Emitteranschlüsse des NPN-Transistors 55 und des PNP-Transistors 56 sind gemeinsam an den Gateanschluss des niederspannungsseitigen Schaltelements 5 angeschlossen. Der Eingangspuffer 51 empfängt ein Steuersignal Low-IN des niederspannungsseitigen Schaltelements, das darin eingegeben wird. Das Steuersignal Low-IN wird an jeden Basisanschluss des NPN-Transistors 55 und des PNP-Transistors 56 zur Ausbildung der Emitterfolgerschaltung ausgegeben.
Ein positiver Pol des Kondensators 53 ist über eine erste Hochspannungsstromversorgungsleitung an den positiven Pol der Stromversorgung 52 angeschlossen, und ein negativer Pol ist über eine erste Niederspannungsstromversorgungsleitung an den negativen Pol der Stromversorgung 52 angeschlossen. Der Kollektoranschluss des NPN-Transistors 55 ist an die erste Hochspannungsstromversorgungsleitung angeschlossen. Ein positiver Pol des Kondensators 54 ist über eine zweite Hochspannungsstromversorgungsleitung an den positiven Pol der Stromversorgung 52 angeschlossen, und ein negativer Pol ist über eine zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung G an den negativen Pol der Stromversorgung 52 angeschlossen. Der Eingangspuffer 51 ist darüber hinaus an die zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung G und die zweite Hochspannungsstromversorgungsleitung angeschlossen.
Ein Widerstand 58 ist als Strombegrenzungselement (erstes Strombegrenzungselement) zwischen dem Knoten zwischen dem negativen Pol des Kondensators 53 und der ersten Niederspannungsstromversorgungsleitung und der zweiten Niederspannungsstromversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises 50 vorgesehen. Der Kollektoranschluss des NPN-Transistors 55 ist an den positiven Pol des Kondensators 53 angeschlossen, und der Kollektoranschluss des PNP-Transistors 56 ist an die zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises 50 angeschlossen. In manchen Fällen sind der negative Pol des Kondensators 53 und der negative Pol der Stromversorgung 52, ohne den Widerstand 58 zu durchlaufen, miteinander verbunden. Eine solche Verbindung soll einen Verlust am Widerstand 58 während des Ladens des Kondensators 53 mit elektrischem Strom aus der Stromversorgung 52 vermeiden.
Der niederspannungsseitige Steuerschaltkreis 50 der ersten bevorzugten Ausführungsform besitzt keinen Widerstand 307, wie in 8 gezeigt ist. Der Widerstand 307 wirkt als Gate-Einschaltwiderstand des niederspannungsseitigen Schaltelements. In der ersten bevorzugten Ausführungsform ersetzt der Widerstand 58 den Widerstand 307, wie in 8 gezeigt ist, als Gate-Einschaltwiderstand des niederspannungsseitigen Schaltelements 5.
Der Kondensator 54 ist an den Eingangspuffer 51 angeschlossen. Widerstände 59 und 60 als Strombegrenzungselemente (zweite Strombegrenzungselemente) sind auf der zweiten Hochspannungsstromversorgungsleitung bzw. der zweiten Niederspannungsstromversorgungsleitung G vorgesehen, die jeweils zwischen dem Eingangspuffer 51 und der Stromversorgung 52 ausgebildet sind. Die Widerstände 59 und 60 sind so eingestellt, dass sie einen ausreichend größeren Widerstandswert haben als der Widerstand 58. Der Eingangsanschluss des Eingangspuffers 51 empfängt das Steuersignal Low-IN des niederspannungsseitigen Schaltelements, das darin eingegeben wird.
Die niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise nach der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwenden kennzeichnenderweise eine gemeinsame Stromversorgung und bedürfen keiner integrierten Hochspannungsschaltung, deren Einzelheiten noch beschrieben werden. In 8 ist die Stromversorgung 302 vorgesehen, um auf die integrierte Hochspannungsschaltung 301 anzusprechen. Im Gegensatz dazu besteht, da der Eingangspuffer 51 in 1 anstelle der integrierten Hochspannungsschaltung 301 vorgesehen ist, kein Bedarf nach der Stromversorgung 302. Darüber hinaus wird die Stromversorgung 52 als gemeinsame Stromversorgung der niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise der jeweiligen niederspannungsseitigen Schaltelemente verwendet, wodurch nur eine Stromversorgung benötigt wird.
Allerdings führt die Verwendung der Stromversorgung 52 als gemeinsamer Stromversorgung der niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise dazu, dass ein Stromkreis ausgebildet wird durch die Verbindungsleitungen der niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise und die Verbindungsleitungen der niederspannungsseitigen Schaltelemente 5, 6 und 7, die an die zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung G angeschlossen sind. Solch ein Stromkreis führt zu einer Funktionsstörung eines niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises, die durch Stoßstrom hervorgerufen wird, der beispielsweise auf der auf der Verbindungsleitung des anderen niederspannungsseitigen Schaltelements vorgesehenen Selbstinduktivität entsteht.
Da der Eingangspuffer eine Stoßspannung nicht bewältigen kann, kann ein Problem wie eine Funktionsstörung auftreten, indem die integrierte Hochspannungsschaltung einfach durch den Eingangspuffer im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis ersetzt wird. Alternativ kann eine optisch isolierte Steuervorrichtung wie ein Optokoppler, der Stoßspannung steuern kann, verwendet werden. Allerdings sind die Teile einer solchen Vorrichtung teuer.
Als Gegenmaßnahme dazu, sind im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis 50 der ersten bevorzugten Ausführungsform die Widerstände 59 und 60 zwischen dem Eingangspuffer 51 und der Stromversorgung 52 vorgesehen, wodurch es unwahrscheinlich wird, dass Stoßstrom in den niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis 50 fließt. Im Ergebnis kann ein mögliches Problem, das im Eingangspuffer 51 auftritt, wie z.B. eine Funktionsstörung, durch die Widerstände 59 und 60 verhindert werden. Aus den bisher genannten Gründen wurde die integrierte Hochspannungsschaltung 301 im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis 50 der ersten bevorzugten Ausführungsform durch den Eingangspuffer 51 ersetzt, und die Stromversorgung 52 wird als gemeinsame Stromversorgung verwendet, und es wird keine Stromversorgung 302 benötigt. Die niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise der ersten bevorzugten Ausführungsform verwenden nämlich untereinander eine gemeinsame Stromversorgung und benötigen keine integrierte Hochspannungsschaltung.
Darüber hinaus kann bei der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung nach der ersten bevorzugten Ausführungsform die integrierte Hochspannungsschaltung 31 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises auch vor negativer Stoßspannung geschützt werden, die durch die Selbstinduktivität der Verbindungsleitung entsteht, deren Einzelheiten noch beschrieben werden. Die negative Stoßspannung, die an der Dreiphasen-Inverterschaltung 1 entsteht, fließt in die zweite Nieder spannungsversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises 50, läuft dann durch den Widerstand 58 und die erste Niederspannungsversorgungsleitung, und fließt in die Klemmdiode 39. Da die Widerstände 59 und 60 einen ausreichend größeren Widerstandswert haben als der Widerstand 58, fließt die negative Stoßspannung niemals entlang des Pfads, der keinen Widerstand 58 darauf aufweist, in die Klemmdiode 39.
Der negative Stoßstrom, der in die Klemmdiode 39 fließen soll, wird am Widerstand 58 so begrenzt, dass die Vorwärtsspannung der Klemmdiode 39 auf einen Pegel begrenzt wird, der keine Funktionsstörung und keinen Ausfall der integrierten Hochspannungsschaltung 31 hervorruft. Und zwar wirkt der Widerstand 58 genau so wie der in 8 gezeigte Widerstand aus dem Stand der Technik. Deshalb kann auch in der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung nach der ersten bevorzugten Ausführungsform die integrierte Hochspannungsschaltung 31 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor der negative Stoßspannung geschützt werden, die durch die Selbstinduktivitäten 15 bis 22 der Verbindungsleitungen entsteht.
Wie beschrieben, kann nach der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform die integrierte Hochspannungsschaltung 31 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor der negativen Stoßspannung geschützt werden, die durch die Selbstinduktivitäten 15 bis 22 der Verbindungsleitungen entsteht. Da darüber hinaus die erste bevorzugte Ausführungsform keine integrierte Hochspannungsschaltung im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis benötigt, wird eine kleinere Auslegung und eine Kostensenkung bei der Steuerschaltung bewerkstelligt.
Im Hinblick auf Leistungsverlust und Schaltcharakteristik des niederspannungsseitigen Schaltelements umfasst jedoch die erste bevorzugte Ausführungsform nicht den wie in 8 vorgesehenen Widerstand 307, sondern den Widerstand 58, der zwischen dem negativen Pol des Kondensators 53 und der zweiten Niederspannungsversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises vorgesehen ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Der in 8 gezeigte Widerstand 307 kann vorgesehen sein, und der Widerstand 58 kann sich an jeder Stelle auf der Verbindungsleitung befinden, die den negativen Pol des Kondensators 53 direkt mit dem negativen Pol der Stromversorgung 52 verbindet. Anstelle der Emitterfolgerschaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform, kann darüber hinaus eine Sourcefolgerschaltung, die aus einem MOSFET besteht, oder ein an Masse angeschlossener Emitter einer Bipolarschaltung auf die vorliegende Erfindung angewandt werden.
Zweite bevorzugte Ausführungsform
2 ist ein Schaltbild der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie derjenige der ersten bevorzugten Ausführungsform. Im Folgenden soll nur der Aufbau erläutert werden, der sich von demjenigen der ersten bevorzugten Ausführungsform unterscheidet, und der gemeinsame Aufbau soll weggelassen werden.
Der hochspannungsseitige Referenzanschluss Vs in der in 2 gezeigten integrierten Hochspannungsschaltung 31 ist an den Kollektoranschluss des PNP-Transistors 36 und den Emitteranschluss des hochspannungsseitigen Schaltelements 2 über einen Widerstand 71 als Strombegrenzungselement (drittes Strombegrenzungselement) angeschlossen. Ein positiver Pol eines Kondensators 72 ist an den Kollektoranschluss des PNP-Transistors 35 angeschlossen, und ein negativer Pol ist an den Kollektoranschluss des PNP-Transistors 36 angeschlossen. Der Kondensator 72 ist an der Stelle angeordnet, die derjenigen der Stromversorgung 32 von 1 entspricht. Ein negativer Pol der Stromversorgung 32 ist an den hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 über einen Widerstand 73 als Strombegrenzungselement (drittes Strombegrenzungselement) angeschlossen, und ein positiver Pol ist an den hochspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss Vb in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 über einen Widerstand 74 als Strombegrenzungselement (drittes Strombegrenzungselement) angeschlossen.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform tritt beim Auftreten der negativen Stoßspannung nur der Widerstand 58 in Aktion, um den Strom zu begrenzen, der in die Klemmdiode 39 fließt. Dennoch wirkt der Widerstand 58 auch als spannungsführungsseitiger Gatewiderstand des niederspannungsseitigen Schaltelements 5. Aufgrund dessen sollte der Widerstandswert des Widerstands 58 auf einen Pegel gesteuert werden, der es dem Widerstand 58 ermöglicht, als Gate-Einschaltwiderstand des niederspannungsseitigen Schaltelements 5 zu wirken. Und zwar, weil, wenn der Gate-Einschaltwiderstand zunimmt, die Abschaltgeschwindigkeit des niederspannungsseitigen Schaltelements 5 abnimmt, was zu einer Zunahme der Schaltversluste führt.
Von daher wird der Widerstandswert des Widerstands 58 so gesteuert, dass er keine Zunahme beim Schaltverlust hervorruft. Ist umgekehrt der Widerstandswert des Widerstands 58 zu klein, kann in die Klemmdiode 39 fließender Strom nicht ausreichend begrenzt werden. In diesem Fall kann eine Funktionsstörung oder ein Ausfall der integrierten Hochspannungsschaltung 31 hervorgerufen werden.
Zusätzlich zum Widerstand 58, sind die Widerstände 71, 73 und 74 als Strombegrenzungselemente auf der Seite der Kathode der Klemmdiode 39 in der zweiten bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, um den negativen Stoßstrom zu begrenzen, der in die Klemmdiode 39 fließt. Nach der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung der zweiten bevorzugten Ausführungsform kann die integrierte Hochspannungsschaltung 31 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor der negativen Stoßspannung geschützt werden, die durch die Selbstinduktivität der Verbindungsleitung entsteht. Da darüber hinaus die zweite bevorzugte Ausführungsform keine integrierte Hochspannungsschaltung im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis benötigt, wird eine kleinere Auslegung und eine Kostensenkung bei der Steuerschaltung bewerkstelligt. Weiter darüber hinaus sorgt der Aufbau mit den Widerständen 71, 73 und 74 für Flexibilität beim Widerstandswert des Widerstands 58 hinsichtlich der Steuerung des negativen Stoßstroms. Im Ergebnis kann der Widerstandswert des Widerstands 58 optimiert werden, um Schaltverlust zu verringern.
Im Hinblick auf Leistungsverlust und Schaltcharakteristik des niederspannungsseitigen Schaltelements, umfasst auch die zweite bevorzugte Ausführungsform keinen wie in 8 vorgesehenen Widerstand 307, sondern umfasst den Widerstand 58 zwischen dem negativen Pol des Kondensators 53 und der zweiten Niederspannungsversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Der in 8 gezeigte Widerstand 307 kann vorgesehen sein, und der Widerstand 58 kann sich an jeder Stelle auf der Verbindungsleitung befinden, die den negativen Pol des Kondensators 53 direkt mit dem negativen Pol der Stromversorgung 52 verbindet. Anstelle der Emitterfolgerschaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform, kann darüber hinaus eine Sourcefolgerschaltung, die aus einem MOSFET besteht, oder ein an Masse angeschlossener Emitter einer Bipolarschaltung auf die vorliegende Erfindung angewandt werden.
3 ist ein Schaltbild der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach einer Abwandlung der zweiten bevorzugten Ausführungsform. In der in 3 gezeigten Schaltung, ist der Kondensator 72 von 2 nicht vorgesehen. Der positive Pol der Stromversorgung 32 ist an den hochspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss Vb in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 über den Widerstand 74 angeschlossen, und deren negativer Pol ist an den Emitteranschluss des hochspannungsseitigen Schaltelements 2 angeschlossen.
Ähnlich dem Aufbau der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist es beim Aufbau nach der in 3 gezeigten Abwandlung aber immer noch möglich, den negativen Stoßstrom zu begrenzen, der in die Klemmdiode 39 fließt, wodurch die integrierte Hochspannungsschaltung 31 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor der negativen Stoßspannung geschützt werden kann, die durch die Selbstinduktivität der Verbindungsleitung entsteht. Nach dieser Abwandlung ist darüber hinaus die Anzahl an Bauteilen gesenkt, so dass eine Kostensenkung bewerkstelligt wird. Die in 3 gezeigte Abwandlung lässt sich auf die dritte bzw. fünfte bevorzugte Ausführungsform anwenden, die später noch beschrieben wird.
4 ist ein Schaltbild der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach einer weiteren Abwandlung der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Wie in 4 gezeigt, ist der spannungsführungsseitige Gatewiderstand 37 (viertes Strombegrenzungselement), der für den Emitteranschluss des NPN-Transistors 35 vorgesehen ist, auf die Stelle zwischen dem negativen Pol des Kondensators 72 (dritter Kondensator) und dem Emitteranschluss des hochspannungsseitigen Schaltelements 2 verschoben.
Ähnlich dem Aufbau der zweiten bevorzugten Ausführungsform, ist es im Aufbau nach der in 4 gezeigten Abwandlung immer noch möglich, den in die Klemmdiode 39 fließenden negativen Stoßstrom zu begrenzen, wodurch die integrierte Hochspannungsschaltung 31 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor der negativen Stoßspannung geschützt werden kann, die durch die Selbstinduktivität der Verbindungsleitung entsteht. Nach dieser Abwandlung kann darüber hinaus der Stoßstrom, der in den Kondensator 72 fließt, begrenzt werden, ohne die Schaltcharakteristik des hochspannungsseitigen Schaltelements 2 zu beeinträchtigen. Die in 4 gezeigte Abwandlung lässt sich auf die dritte, vierte und fünfte Ausführungsform anwenden, die später noch beschrieben wird.
Dritte bevorzugte Ausführungsform
5 ist ein Schaltbild der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach der dritten bevorzugten Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie derjenige der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Im Folgenden soll nur der Aufbau erläutert werden, der sich von demjenigen der zweiten bevorzugten Ausführungsform unterscheidet, und der gemeinsame Aufbau soll weggelassen werden.
In 5 ist der niederspannungsseitige Stromversorgungsanschluss Vcc in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 an den positiven Pol des Kondensators 54 angeschlossen, ohne durch den Widerstand 59 zu laufen, und der niederspannungsseitige Referenzanschluss Vss ist an den negativen Pol des Kondensators 54 angeschlossen, ohne durch den Widerstand 60 zu laufen. Und zwar ist in der dritten bevorzugten Ausführungsform der niederspannungsseitige Referenzanschluss Vss direkt an die zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises angeschlossen.
Nach einem solchen Aufbau fließt beim Auftreten der negativen Stoßspannung der negative Stoßstrom in die Klemmdiode 39, ohne manchmal durch den Widerstand 58 zu laufen. Im Spezielleren kann der negative Stoßstrom über die zweite Niederspannungsversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises und in den niederspannungsseitigen Referenzanschluss Vss in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 fließen. Selbst wenn der in die Klemmdiode 39 fließende Strom den Widerstand 58 umgeht, kann er von den Widerständen 71, 73 und 74 begrenzt werden, die auf der Seite der Kathode der Klemmdiode 39 vorgesehen sind.
Nach der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung der dritten bevorzugten Ausführungsform kann die integrierte Hochspannungsschaltung 31 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises vor negativer Stoßspannung geschützt werden, die durch die Selbstinduktivität der Verbindungsleitung entsteht. Da darüber hinaus die dritte bevorzugte Ausführungsform keine integrierte Hochspannungsschaltung im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis benötigt, ist eine kleinere Auslegung und eine Kostensenkung bei der Steuerschaltung bewerkstelligt.
Die dritte bevorzugte Ausführungsform ist insofern vorteilhaft als, da der niederspannungsseitige Referenzanschluss Vss in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 und der negative Pol des Kondensators 54 direkt verbunden sind, der niederspannungsseitige Referenzanschluss Vss in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 und die zweite Niederspannungsversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises 50 dasselbe Potential haben können. Deshalb kann der hochspannungsseitige Steuerschaltkreis 30 mit der integrierten Hochspannungsschaltung 31 und der niederspannungsseitige Steuerschaltkreis 50 auf ein und demselben Chip integriert werden. Im Ergebnis ist die kleinere Auslegung der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung noch stärker gefördert.
Im Hinblick auf Leistungsverlust und Schaltcharakteristik des niederspannungsseitigen Schaltelements, umfasst auch die dritte bevorzugte Ausführungsform keinen wie in 8 vorgesehenen Widerstand 307, sondern umfasst den Widerstand 58 zwischen dem negativen Pol des Kondensators 53 und der zweiten Niederspannungsversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Der in 8 gezeigte Widerstand 307 kann vorgesehen sein, und der Widerstand 58 kann sich an jeder Stelle auf der Verbindungsleitung befinden, die den negativen Pol des Kondensators 53 direkt mit dem negativen Pol der Stromversorgung 52 verbindet. Anstelle der Emitterfolgerschaltung der dritten bevorzugten Ausführungsform, kann darüber hinaus eine Sourcefolgerschaltung, die aus einem MOSFET besteht, oder ein an Masse angeschlossener Emitter einer Bipolarschaltung auf die vorliegende Erfindung angewandt werden.
Vierte bevorzugte Ausführungsform
6 ist ein Schaltbild der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach der vierten bevorzugten Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie derjenige der dritten bevorzugten Ausführungsform. Im Folgenden soll nur der Aufbau erläutert werden, der sich von demjenigen der dritten bevorzugten Ausführungsform unterscheidet, und der gemeinsame Aufbau soll weggelassen werden.
Wie in 6 gezeigt, ist darüber hinaus eine Umgehungsdiode 80 vorgesehen. Die Kathode der Umgehungsdiode 80 ist an den negativen Pol der Stromversorgung 32 angeschlossen, und deren Anode ist an den Kollektoranschluss des PNP-Transistors 36 angeschlossen. Unter Umgehung der Widerstände 71 und 73, verbindet die Umgehungsdiode 80 den negativen Pol der Stromversorgung 32 und den Kollektoranschluss des PNP-Transistors 36.
Wenn das hochspannungsseitige Schaltelement 2 angesteuert werden soll, sollte der Kondensator 72 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises 30 geladen sein. Um den Kondensator 72 zu laden, beginnt Strom aus dem positiven Pol der Stromversorgung 32 zu fließen, läuft durch die Kondensatoren 72 und die Widerstände 71, 73, und kehrt dann zum negativen Pol der Stromversorgung 32 zurück. Auf diesem Pfad wird durch die Widerstände 71 und 73 in der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung der dritten bevorzugten Ausführungsform ein Leistungsverlust verursacht. Der so verursachte Leistungsverlust ist in etwa so hoch wie die Gateansteuerleistung des hochspannungsseitigen Schaltelements 2, was zu einem Verlust mit einem signifikantem Leistungsbetrag als Joulesche Wärme führt.
Nach der vierten bevorzugten Ausführungsform kann der zuvor erwähnte Pfad durch die Anwesenheit der Umgehungsdiode 80 die Widerstände 71 und 73 umgehen. Im Ergebnis entsteht beim Laden des Kondensators 72 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises 30 kein Leistungsverlust durch die Widerstände 71 und 73.
Nach der vierten bevorzugten Ausführungsform treten die Widerstände 58, 71, 73 und 74 als Strombegrenzungselemente auch in Aktion, um den negativen Stoßstrom zu begrenzen, der in die Klemmdiode 39 fließt. Nach der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung der vierten bevorzugten Ausführungsform, ist die integrierte Hochspannungsschal tung 31 des hochspannungsseitigen Steuerschaltkreises somit vor der negativen Stoßspannung geschützt, die durch die Selbstinduktivität der Verbindungsleitung entsteht. Da darüber hinaus die vierte bevorzugte Ausführungsform keine integrierte Hochspannungsschaltung im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis benötigt, ist eine kleinere Auslegung und eine Kostensenkung bei der Steuerschaltung bewerkstelligt.
Im Hinblick auf Leistungsverlust und Schaltcharakteristik des niederspannungsseitigen Schaltelements, umfasst auch die vierte bevorzugte Ausführungsform keinen wie in 8 vorgesehenen Widerstand 307, sondern umfasst den Widerstand 58 zwischen dem negativen Pol des Kondensators 53 und der zweiten Niederspannungsversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Der in 8 gezeigte Widerstand 307 kann vorgesehen sein, und der Widerstand 58 kann sich an jeder Stelle auf der Verbindungsleitung befinden, die den negativen Pol des Kondensators 53 direkt mit dem negativen Pol der Stromversorgung 52 verbindet. Anstelle der Emitterfolgerschaltung der vierten bevorzugten Ausführungsform, kann darüber hinaus eine Sourcefolgerschaltung, die aus einem MOSFET besteht, oder ein an Masse angeschlossener Emitter einer Bipolarschaltung auf die vorliegende Erfindung angewandt werden.
Fünfte bevorzugte Ausführungsform
7 ist ein Schaltbild der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach der fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der Dreiphasen-Inverterschaltung und deren Steuerschaltung nach der fünften bevorzugten Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie derjenige der vierten bevorzugten Ausführungsform. Im Folgenden soll nur der Aufbau erläutert werden, der sich von demjenigen der vierten bevorzugten Ausführungsform unterscheidet, und der gemeinsame Aufbau soll weggelassen werden.
Wie in 7 gezeigt, ist darüber hinaus ein Widerstand 90 als Strombegrenzungselement (fünftes Strombegrenzungselement) zwischen dem Basisanschluss des PNP-Transistors 36 und dem Ausgangsanschluss OUT in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 vorgesehen. Ferner ist ein Transistor 91 mit einem Basisanschluss vorgesehen, der an den hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs angeschlossen ist, einem Kollektoranschluss, der an den Basisanschluss des PNP-Transistos 36 angeschlossen ist, und einem Emitteranschluss, der an den Kollektoranschluss des PNP-Transistor 36 angeschlossen ist. In 7 ist der Transistor 91 als MOSFET gezeigt. Alternativ kann er ein Bipolartransistor sein.
Als Nächstes werden die Funktionsweisen des Widerstands 90 und des Transistors 91 erläutert. Wenn kein Eingangssignal zur integrierten Halbleiterschaltung 31 vorhanden ist, beträgt die Ausgangsspannung der Emitterfolgerschaltung 0 V. Da die Emitterfolgerschaltung aus dem NPN-Transistor 35 und dem PNP-Transistor 36 besteht, und das Eingangssignal zu diesen hinsichtlich des Kollektors des PNP-Transistors 36 0 V beträgt, ist auch die Ausgangsspannung der Emitterfolgerschaltung 0 V. Im Ergebnis ist das hochspannungsseitige Schaltelement 2 abgeschaltet.
Wenn allerdings der bei der Inverterschaltung 1 entstandene negative Stoßstrom in die Klemmdiode 39 fließt, erhält auch der Widerstand 71 einen Teil des negativen Stoßstroms, der in diesen fließt. Im Ergebnis tritt ein Spannungsabfall im Widerstand 71 auf, der eine Abnahme der Kollektorspannung des PNP-Transistors 36 hervorruft. Das Eingangssignal zur Emitterfolgerschaltung entspricht der Summe der Ausgangsspannung der integrierten Hochspannungsschaltung 31 und der Kollektorspannung des PNP-Transistors 36, und deshalb wird die Spannung, die dem Betrag des Spannungsabfalls im Widerstand 71 entspricht, aus der Emitterfolgerschaltung ausgegeben. Der Anstieg der Ausgangsspannung der Emitterfolgerschaltung verursacht eine Funktionsstörung im hochspannungsseitigen Schaltelement 2. Beispielsweise kann die Abschaltzeitdauer des hochspannungsseitigen Schaltelements 2 verlängert sein, oder das Schaltelement 2 kann vom AUS- in den EIN-Zustand geschaltet werden. Eine solche Funktionsstörung des hochspannungsseitigen Schaltelements 2 führt zu einem Anstieg beim Schaltverlust.
In der fünften bevorzugten Ausführungsform sind der Widerstand 90 und der Transistor 91 vorgesehen. Wenn der Spannungsabfall im Widerstand 71 auftritt, wird der Transistor 91 deshalb in den EIN-Zustand geschaltet, wodurch auch der PNP-Transistor 36 in den EIN-Zustand geschaltet wird. Wenn der NPN-Transistor 35 durch den Spannungsabfall im Widerstand 71 in den EIN-Zustand geschaltet wird, wird die Spannung der Emitterfolgerschaltung durch den Unterschied der Emitterspannung zwischen dem NPN-Transistor 35 und dem PNP-Transistor 36 bestimmt, der niedriger ist als der Spannungsabfall im Widerstand 71. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Emitterspannung des PNP-Transistors 36 der Summe der Kollektorspannung des Transistors 91 und der Basis-Emitterspannung des PNP-Transistors 36. Darüber hinaus entspricht die Emitterspannung des NPN-Transistors 35 der Summe der Ausgangsspannung der integrierten Hochspannungsschaltung 31, der Kollektorspannung des PNP-Transistors 36, und der Basis-Emitterspannung des NPN-Transistors 35.
Die Basisanschlüsse des NPN-Transistors 35 und des PNP-Transistors 36 sind durch den Widerstand 90 voneinander getrennt, und deshalb hat der EIN-Zustand des Transistors 91 keine Auswirkung auf den NPN-Transistor 35. Der Widerstand 90 funktioniert so, dass er einen großen Strom daran hindert, in den Ausgangsanschluss OUT und den hochspannungsseitigen Referenzanschluss Vs in der integrierten Hochspannungsschaltung 31 zu fließen.
Wie beschrieben, ist es durch das Vorsehen des Widerstands 90 und des Transistors 91 möglich, die Ausgangsspannung der Emitterfolgerschaltung zu reduzieren, wenn der PNP-Transistor 36 im EIN-Zustand ist. Im Ergebnis kann die Ausgangsspannung der Emitterfolgerschaltung niedriger sein als die Gateschwellenspannung des hochspannungsseitigen Schaltelements 2, wodurch eine Funktionsstörung im hochspannungsseitigen Schaltelement 2 wie eine verlängerte Abschaltzeitdauer oder ein Schalten vom EIN- in den AUS-Zustand verhindert werden kann. Indem die Widerstandswerte der Widerstände 37 und 38 bestimmt werden, kann die Ausgangsspannung der Emitterfolgerschaltung effektiv niedriger sein als die Gateschwellenspannung des hochspannungsseitigen Schaltelements 2.
Nach der fünften bevorzugten Ausführungsform funktionieren die Widerstände 58, 71, 73 und 74 als Strombegrenzungselemente auch so, dass sie den negativen Stoßstrom begrenzen, der in die Klemmdiode 39 fließt. Nach der Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung der fünften bevorzugten Ausführungsform, wird die integrierte Hochspannungsschaltung 31 somit vor der negativen Stoßspannung geschützt, die durch die Selbstinduktivität der Verbindungsleitung entsteht. Da darüber hinaus die fünfte bevorzugte Ausführungsform keine integrierte Hochspannungsschaltung im niederspannungsseitigen Steuerschaltkreis benötigt, ist eine kleinere Auslegung und eine Kostensenkung bei der Steuerschaltung bewerkstelligt.
Im Hinblick auf Leistungsverlust und Schaltcharakteristik des niederspannungsseitigen Schaltelements umfasst die fünfte bevorzugte Ausführungsform nicht den wie in 8 vorgesehenen Widerstand 307, sondern umfasst den Widerstand 58 zwischen dem negativen Pol des Kondensators 53 und der zweiten Niederspannungsstromversorgungsleitung G des niederspannungsseitigen Steuerschaltkreises. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Der in 8 gezeigte Widerstand 307 kann vorgesehen sein, und der Widerstand 58 kann an jeder Stelle auf der Verbindungsleitung angeordnet sein, die den negativen Pol des Kondensators 53 und den negativen Pol der Stromversorgung 52 verbindet.
Obwohl die Erfindung ausführlich aufgezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend. Selbstverständlich können zahlreiche Abwandlungen und Varianten angedacht werden, ohne dass dabei der Rahmen der Erfindung verlassen würde.

Claims

Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung, umfassend: mehrere niederspannungsseitige Schaltelemente (5, 6, 7), um eine Inverterschaltung (1) zu bilden, wobei ein Anschluss der mehreren niederspannungsseitigen Schaltelemente (5, 6, 7) jeweils an eine Last (23) angeschlossen ist, und ein anderer Anschluss an eine Niederspannungsleitung (N) der Inverterschaltung (1) angeschlossen ist; mehrere hochspannungsseitige Schaltelemente (2, 3, 4), um die Inverterschaltung (1) zu bilden, wobei ein Anschluss der mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) jeweils an eine Last (23) angeschlossen ist, und der andere Anschluss an eine Hochspannungsleitung (P) der Inverterschaltung (1) angeschlossen ist; mehrere hochspannungsseitige Steuerschaltkreise (30), um jeweils die mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) anzusteuern, wobei die mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise (30) jeweils eine integrierte Hochspannungsschaltung (31) beinhalten; und mehrere niederspannungsseitige Steuerschaltkreise (50), um jeweils die mehreren niederspannungsseitigen Schaltelemente (5, 6, 7) anzusteuern, wobei die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise (50) jeweils eine erste Niederspannungsstromversorgungsleitung, eine zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung, eine erste Hochspannungsstromversorgungsleitung und eine zweite Hochspannungsstromversorgungsleitung umfassen, die jeweils an die integrierte Hochspannungsschaltung (31) angeschlossen sind, wobei die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise (50) jeweils umfassen: eine erste Stromversorgung (52), an die die mehreren niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise (50) gemeinsam angeschlossen sind; einen ersten Kondensator (53), der über die erste Niederspannungsstromversorgungsleitung und die erste Hochspannungsstromversorgungsleitung an die erste Stromversorgung (52) angeschlossen ist; einen zweiten Kondensator (54), der über die zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung und die zweite Hochspannungsstromversorgungsleitung an die erste Stromversorgung (52) angeschlossen ist; ein erstes Strombegrenzungselement (58), das zwischen einem Knoten zwischen der ersten Niederspannungsstromversorgungsleitung und dem ersten Kondensator (53), und der zweiten Niederspannungsstromversorgungsleitung angeschlossen ist; und zweite Strombegrenzungselemente (59, 60), die jeweils auf der zweiten Niederspannungsstromversorgungsleitung und der zweiten Hochspannungsstromversorgungsleitung zur Verbindung der ersten Stromversorgung (52) und dem zweiten Kondensator (54) vorgesehen sind.
Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Strombegrenzungselement (58) als Gate-Einschaltwiderstand für jedes der mehreren niederspannungsseitigen Schaltelemente (5, 6, 7) wirkt.
Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaitkreise (30) jeweils dritte Strombegrenzungselemente (71, 73, 74) umfassen, die auf Verbindungsleitungen zur Verbindung der integrierten Hochspannungsschaltung (31) und der mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) vorgesehen sind, wobei die mehreren dritten Strombegrenzungselemente (71, 73, 74) so funktionieren, dass sie Stoßstrom begrenzen, der an der Inverterschaltung (1) entsteht.
Steuerschaltung für eine Leistungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die mehreren dritten Strombegrenzungselemente (71, 73, 74) auf Verbindungsleitungen vorgesehen sind, eine der Verbindungsleitungen zwischen einem hochspannungsseitigen Referenzanschluss (Vs) in der integrierten Hochspannungsschaltung (31) und dem einem Anschluss jeweils der mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) ausgebildet ist, eine weitere der Verbindungsleitungen zwischen einem negativen Pol einer zweiten Stromversorgung (32) zum Ansteuern jeweils der hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise (30) und dem hochspannungsseitigen Referenzanschluss (Vs) ausgebildet ist, und wobei eine weitere der Verbindungsleitungen zwischen einem hochspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss (Vb) in der integrierten Hochspannungsschaltung (31) und einem positiven Pol der zweiten Stromversorgung (32) ausgebildet ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 4, wobei die mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise (30) jeweils umfassen: einen dritten Kondensator (72), der zwischen dem positiven Pol der zweiten Stromversorgung (32) und dem einem Anschluss jeweils der mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) vorgesehen ist; und ein viertes Strombegrenzungselement (37), das zwischen dem dritten Kondensator (72) und dem einen Anschluss jeweils der mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) vorgesehen ist, wobei das vierte Strombegrenzungselement (37) als spannungsführungsseitiger Gatewiderstand für jedes der mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) wirkt.
Steuerschaltung nach Anspruch 4, wobei die mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise (30) jeweils noch eine Umgehungsdiode (80) mit einer Anode umfassen, die an den einen Anschluss jeweils der mehreren hochspannungsseitigen Schaltelemente (2, 3, 4) angeschlossen ist, und mit einer Kathode, die an den negativen Pol der zweiten Stromversorgung (32) angeschlossen ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 6, wobei die integrierte Hochspannungsschaltung (31) einen niederspannungsseitigen Referenzanschluss (Vss) und einen niederspannungsseitigen Stromversorgungsanschluss (Vcc) aufweist, die jeweils an die zweite Niederspannungsstromversorgungsleitung und die zweite Hochspannungsstromversorgungsleitung jeweils der niederspannungsseitigen Steuerschaltkreise (50) angeschlossen sind, ohne durch die zweiten Strombegrenzungselemente (59, 60) zu laufen.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise (30) darüber hinaus jeweils umfassen: ein fünftes Strombegrenzungselement (90), das zwischen einem Basisanschluss eines PNP-Transistors (36) und einem Ausgangsanschluss (OUT) in der integrierten Hochspannungsschaltung (31) vorgesehen ist, wobei der PNP-Transistor (36) eine Emitterfolgerschaltung jeweils der mehreren hochspannungsseitigen Steuerschaltkreise (30) bildet; und einen Transistor (91) mit einem Basisanschluss, der an den hochspannungsseitigen Referenzanschluss (Vs) in der integrierten Hochspannungsschaltung (31) angeschlossen ist, einem Kollektoranschluss, der an den Basisanschluss des PNP-Transistors (36) angeschlossen ist, und einem Emitteranschluss, der an einen Kollektoranschluss des PNP-Transistors (36) angeschlossen ist.