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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter,
der das Einschalt/Ausschalt-Verhältnis
von Halbleiterschaltelementen steuert und einer Last von einer Stromversorgung
eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung liefert. Insbesondere
betrifft die Erfindung einen Stromrichter der eine Fehlfunktion der
Halbleiterschaltelemente vermeidet.
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6 ist
ein Blockschaltbild eines herkömmlichen
Stromrichters in Form eines Abwärts-Stromrichters.
Der in 6 gezeigte Stromrichter
enthält eine
Gleichstromquelle 1, eine Stromquelle 2, eine Steuerschaltung 3,
eine Lastschaltung 4, MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) 5 und 6 als
Halbleiterschaltelemente, eine Diode 7, einen Kondensator 8 und
Widerstände 9 und 10.
Die Lastschaltung 4 ist eine nicht potentialgetrennte Schaltung,
die über
eine Drossel eine Last speist, oder eine potentialgetrennte Schaltung,
die über
einen Transformator und einen Gleichrichter eine Last speist. Die
Steuerschaltung 3 treibt und steuert den MOSFET 5 auf
der Seite hohen Potentials und den MOSFET 6 auf der Seite
niedrigen Potentials. Der Kondensator 8 ist zwischen die Stromversorgungsanschlüsse des
Teils der Steuerschaltung 3 geschaltet, der den MOSFET 5 steuert. Bei
diesem herkömmlichen
Stromrichter steuert die Steuerschaltung 3 das Einschalt/Ausschalt-Verhältnis des
MOSFETs 5 und dasjenige des MOSFETs 6 und liefert
eine Gleichspannung von der Gleichstromquelle 1 an die
Last. Da die Arbeitsweise des Stromrichters allgemein bekannt ist,
soll sie hier nicht im einzelnen beschrieben werden. Näher erläutert werden
sollen nur die Vorgänge,
die bei diesem herkömmlichen
Stromrichter ausgeführt
werden, bis der MOSFET 5 zu schalten beginnt.
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Wenn die Steuerschaltung 3 den
MOSFET 6 einschaltet, wird die Reihenschaltung aus Diode 7 und
Kondensator 8 parallel an die Stromquelle 2 angeschlossen.
Als Folge davon lädt
sich der Kondensator 8 aus der Stromquelle 2 auf.
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Dann wird der MOSFET 6 wieder
ausgeschaltet. Wenn die Spannung am Kondensator 8 höher ist
als der zur Ansteuerung erforderliche Wert des MOSFETs 5 (nachfolgend
als Gateschwellenspannung bezeichnet), wenn die Steuerschaltung 3 den MOSFET 5 einschalten
will, wird der MOSFET 5 eingeschaltet. Wenn die Spannung
am Kondensator 8 niedriger als die Gateschwellenspannung
ist, wird der MOSFET 5 nicht eingeschaltet. Statt dessen
wird der Kondensator 8 weiter aufgeladen, wenn der MOSFET 6 erneut
eingeschaltet wird. Die Steuerschaltung 3 erreicht eine
gewisse Spannung, die zur Ansteuerung des MOSFETs 5 ausreicht,
durch ein sogenanntes Ladungspumpen des Kondensators 8, was
durch wiederholtes Einschalten und Ausschalten des MOSFETs 6 erfüllt wird.
Auf diese Weise beginnt der Stromrichter die Schaltvorgänge zur
Lieferung elektrischer Energie an die Last.
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MOSFETs haben üblicherweise parasitäre Kapazitäten, wie
etwa eine. Eingangskapazität,
eine Ausgangskapazität
und eine Sperrkapazität
(reverse transfer capacitance). 7 zeig
das Ersatzschaltbild der MOSFETs unter Berücksichtigung ihrer parasitären Kapazitäten. In 7 sind lediglich die Gleichstromquelle 1 sowie
die MOSFETs 5 und 6 gezeigt.
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In 7 stellen
Kondensatoren 11 und 14 die Kapazität CGD zwischen Gate und Drain dar, die Kondensatoren 12 und 15 die
Kapazität
CGS
zwischen Gate
und Source und die Kondensatoren 13 und 16 die
Kapazität
CDS zwischen Drain und Source. Die Eingangskapazität CiSS der MOSFETs ergibt sich zu Ciss ≈ CGS + CGD. Die Ausgangskapazität CoSS der MOSFETs ergibt sich zu CoSS ≈ CDS + CGD. Da der Kondensator 8 nicht
unmittelbar nach Betriebsbeginn der Steuerschaltung 3,
während
der MOSFET 6 eingeschaltet ist, ausreichend aufgeladen
wird, kann der MOSFET 5 in dieser Periode nicht arbeiten.
Während der
MOSFET 5 nicht arbeiten kann bleibt die Impedanz an seinem
Ausgang hoch.
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Sobald der MOSFET 6 mit
hoher Geschwindigkeit eingeschaltet wird, das heißt sobald
die Spannung zwischen Drain und Source sich mit einer hohen Änderungsrate
(dv/dt) ändert,
fließt
ein Ladestrom CiGD × (dv/dt) in die Gate-Source-Kapazität CiGS des MOSFETs 5, und die Spannung
zwischen Gate und Source des MOSFETs 5 steigt an. Sobald die
ansteigende Spannung zwischen Source und Gate die Gateschwellenspannung
erreicht, schaltet der MOSFET 5 fehlerhaft ein, das heißt ein fehlerhaftes
Einschalten des MOSFETs 5 tritt auf. Wenn der MOSFET 5 in
dieser Weise fehlerhaft eingeschaltet wird, fließt ein Kurzschlußstrom von
der Gleichstromquelle 1 durch die MOSFETs 5 und 6.
Dieser Kurzschlußstrom
kann zu einem Durchbruch der MOSFETs 5 und 6 führen. Zur
Vermeidung dieses Problems ist ein Widerstand 9 zwischen
Gate und Source des MOSFETs 5 eingesetzt, und ein Widerstand 10 ist
zwischen Gate und Source des MOSFETs 6 eingesetzt, um die
Impedanz zwischen Gate und Source des MOSFETs 5 und diejenige
zwischen Gate und Source des MOSFETs 6 zu verringern und zu
verhindern, daß die
Spannung zwischen Gate und Source des MOSFETs 5 und diejenige
zwischen Gate und Source des MOSFETs 6 ansteigt. Somit verhindern
die Widerstände 9 und 10 ein
fehlerhaftes Einschalten des MOSFETs 5.
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Wenn ein Widerstand zwischen Gate
und Source des Halbleiterschaltelements geschaltet wird, muß der Widerstandswert
um so niedriger sein, je höher
das dv/dt des Halbleiterschaltelements ist. Ein niedrigerer Widerstands
verursacht jedoch Verluste in der Treiberschaltung (nachfolgend
als Treiberverluste bezeichnet) und beeinträchtigt den Wandlungswirkungsgrad
des Stromrichters. Dies steht der Erfüllung der immer stärker werdenden
Nachfrage nach schneller schattenden MOSFETs entgegen.
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Angesichts des voranstehenden ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichterschaltung
zu schaffen, bei der die Treiberverluste für die Halbleiterschaltelemente
verringert sind und der Wandlungswirkungsgrad verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
elektrischen Stromrichter gemäß Patentanspruch
1 bzw. 7 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Vorteile und Merkmale der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 ein
Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 ein
Zeitdiagramm zur Erläuterung
der Arbeitsweise einer Unterspannungs-Sperrschaltung,
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4 ein
Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5 ein
Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
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6 ein
Blockschaltbild eines herkömmlichen
Stromrichters, und
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7 ein
Ersatzschaltbild der MOSFETs mit ihren parasitären Kapazitäten.
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1 zeigt
das Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Der Stromrichter dieses ersten Ausführungsbeispiels enthält Schaltungen 17 und 18 zur Verhinderung
eines Fehlschaltens. Diese Schaltungen zur Verhinderung eines Fehlschaltens
werden nachfolgend als "Schutzschaltung" bezeichnet. Da der Schaltungsaufbau
des Stromrichters des ersten Ausführungsbeispiels im übrigen dem
des in 6 gezeigten Stromrichters ähnlich ist,
sollen lediglich die Unterschiede zwischen den beiden Schaltungen erläutert werden.
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Die Schutzschaltungen 17 und 18 in 1 umfassen eine Parallelschaltung
aus einem Kondensator und einem Widerstand und eine mit dieser Parallelschaltung
in Reihe geschaltete Diode. Wenn die Steuerschaltung 3 den
MOSFET 6 einschaltet, fließt ein Strom, der die nicht
gezeigte Eingangskapazität Ciss
des MOSFETs 5 auflädt.
Da Strom sowohl durch den Kondensator in der Schutzschaltung 17 als
auch durch die Kapazität
CGS zwischen Gate und Source des MOSFETs 5 in
der durch einen Pfeil in 1 angedeuteten
Richtung fließt,
wird verhindert, daß die Spannung
zwischen Gate und Source des MOSFETs 5 ansteigt. Damit
wird ein Fehlschalten des MOSFETs 5 verhindert.
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In ähnlicher Weise wie gerade beschrieben, wird
ein Fehlschalten des MOSFETs 6 durch Aufteilung des Stroms
zur Aufladung der parasitären
Kapazität
einerseits und des Kondensators der Schutzschaltung 18 andererseits
verhindert, wenn die Gleichstromquelle 1 beginnt elektrische
Leistung abzugeben. Wenn die Steuerschaltung 3 die MOSFETs 5 und 6 einschaltet,
werden die Kondensato ren in den Schutzschaltungen 17 und 18 weiter
aufgeladen. Die Dioden in den Schutzschaltungen 17 und 18 verhindern,
daß in
den Kondensatoren der Schutzschaltungen gespeicherte Ladung zur
Seite der Steuerschaltung 3 oder zur Seite der MOSFETs 5 und 6 abfließt. Durch
Einstellen der Entladungszeitkonstante, die durch Kondensator und
Widerstand in den Schutzschaltungen 17 und 18 bestimmt
ist, in solcher Weise, daß sie
sehr viel länger
ist als die Schaltperiode, beginnen Ströme von der Steuerschaltung 3 zu den
Schutzschaltungen 17 und 18 zu fließen, wenn die
Spannung zum Einschalten die Summe der Kondensatorspannung und der
Durchlaßspannung
der Diode übersteigt.
Damit werden Treiberverluste verringert. Zenerdioden anstelle der
normalen Dioden in den Schutzschaltungen 17 und 18 können denselben Effekt
haben. Die Reihenfolge von Diode und Parallelschaltung aus Kondensator
und Widerstand in den Schutzschaltungen 17 und 18 in 1 kann umgekehrt sein.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Der in 2 gezeigte
Stromrichter enthält
Schutzschaltungen 19 und 20, die Unterspannungs-Sperrschaltungen
(UVLO) 21 und bzw. 22 enthalten, wie sie üblicherweise
zur Steuerung von ICs für
Stromrichter eingesetzt werden.
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3 ist
ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der
Arbeitsweise der Unterspannungs-Sperrschaltungen. Gemäß Darstellung
in 3 beginnt solch eine
Unterspannungs-Sperrschaltung (21 bzw. 22) Spannung
auszugeben, wenn die Eingangsspannung eine erste Referenzspannung
Va überschreitet, und
stoppt die Spannungsausgabe, wenn die Eingangsspannung eine zweite
Referenzspannung Vb unterschreitet.
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Durch Verbinden dieser Sperrschaltungen 21 und 22 mit
der Stromquelle 2 gemäß Darstellung in 2 derart, daß die Steuerschaltung 3 nicht
arbeitet, wenn die Sperrschaltungen 21 und 22 keine Spannung
abgeben, wird eine Fehlfunktion der Steuerschaltung 3 verhindert,
wenn die Spannung der Stromquelle 2 niedrig ist. Die Sperrschaltung 21 liegt parallel
zum Kondensator 8, so daß sie an den Transistor 24 eine
Spannung niedrigen Pegels anlegt, bis die Spannung am Kondensator 8 einen
zum Treiben des MOSFETs 5 ausreichenden gewissen Wert erreicht
hat. Wenn die Steuerschaltung 3 den MOSFET 6 einschaltet,
fließt
ein Ladestrom, der die Eingangskapazität CiSS des
MOSFETs 5 auflädt.
Dadurch, daß der
Ladestrom zum Transistor 24 fließt, wird verhindert, daß die Spannung
zwischen Gate und Source des MOSFETs 5 ansteigt.
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Sobald die Spannung am Kondensator 8 den Wert
erreicht, der zur Ansteuerung des MOSFETs 5 erforderlich
ist, gibt die Sperrschaltung 21 eine Ausgangsspannung hohen
Pegels ab, wodurch der Transistor 24 gesperrt wird. Damit
wird jeder Stromfluß im Transistor 24 verhindert,
sobald der MOSFET 5 begonnen hat zu schalten, wodurch die
Schaltverluste verringert werden.
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Da die Abläufe bei der Schutzschaltung 20 unmittelbar,
nachdem die Stromquelle 1 eingeschaltet wurde und der MOSFET 6 zu
schalten begonnen hat, die gleichen sind wie diejenigen bei der
Schutzschaltung 19 mit der Ausnahme, daß die Schutzschaltung 20 den
Spannungspegel der Stromquelle 2 erfaßt (anstelle derjenigen über dem
Kondensator 8 wie dies bei der Schutzschaltung 19 der
Fall ist) braucht die Arbeitsweise der Schutzschaltung 20 nicht
weiter erläutert
zu werden.
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Obwohl beim dargestellten Ausführungsbeispiel
Bipolartransistoren als Halbleiterschaltelemente in den Schutzschaltungen 19 und 20 vorgesehen sind,
können
MOSFETs und dergleichen andere Halbleiterschaltelemente alternativ
in den Schutzschaltungen 19 und 20 eingesetzt
werden. Obwohl außerdem
die Stromrichter des ersten Ausführungsbeispiels
und des zweiten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit MOSFETs als Halbleiterschaltelemente beschrieben
wurden, werden mit dem alternativen Einsatz von IGBTs (Bipolartransistoren
mit isoliertem Gate) ähnliche
Wirkungen erzielt.
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4 ist
ein Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Bei diesem Stromrichter handelt es sich um ein typisches
Beispiel eines Aufwärts-Stromrichter. Wie
aus 4 ersichtlich, enthält der Stromrichter
dieses dritten Ausführungsbeispiels
eine Gleichstromquelle 1, eine Stromquelle 2,
eine Steuerschaltung 3, eine Lastschaltung 4,
einen MOSFET 25 als Halbleiterschaltelement, eine Schutzschaltung 26, eine
Drossel 27 und eine Diode 28. Die Steuerschaltung 3 steuert
das Einschalt/Ausschalt-Verhältnis
des MOSFETs 25 zur Speisung von Gleichspannung aus der
Gleichstromquelle 1 zu einer Last. Obwohl die Arbeitsabläufe in diesem
Stromrichter bis zu dem Moment, wo der MOSFET 5 zu schalten
beginnt, nachfolgend beschrieben werden, brauchen die gesamten Steuervorgängen, die
von der Steuerschaltung 3 ausgeführt werden, nicht weiter erläutert zu
werden, da sie üblich
sind.
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Wenn die Gleichstromquelle 1 eine
Gleichspannung abgibt bzw. eingeschaltet wird, fließt über die
Drossel 27 und den MOSFET 25 ein Ladestrom, der
die parasitäre
Kapazität
des MOSFETs 25 auflädt.
Da sich dieser zum Laden der parasitären Kapazität des MOSFETs 25 vorhandene
Strom aufteilt und ein Teil zur Kapazität in der Schutzschaltung 26 fließt, wird
verhindert, daß die
Spannung zwischen Gate und Source des MOSFETs 25 ansteigt
und damit verhindert, daß der
MOSFET 25 fehlerhaft eingeschaltet wird. Nachdem der MOSFET 25 begonnen
hat zu schalten, erlaubt der Stromrichter dieses dritten Ausführungsbeispiels
eine Verringerung der Treiberverluste in gleicher Weise wie beim
ersten Ausführungsbeispiel.
Die Reihenfolge von Diode und Parallelschaltung aus Kondensator
und Widerstand in der Schutzschaltung 26 in 4 kann umgekehrt sein.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild eines Stromrichters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Der Stromrichter dieses vierten Ausführungsbeispiels ist eine Abwandlung
desjenigen des dritten Ausführungsbeispiels
von 4.
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Anstelle der Schutzschaltung 26 in 4 wird bei dem Stromrichter
des vierten Ausführungsbeispiels
eine Schutzschaltung 29 aus einer Unterspannungs-Sperrschaltung 30 und
einem Transistor 31 verwendet, wie sie in Verbindung mit 2 bereits beschrieben wurde.
Da die grundsätzliche
Funktionsweise, die Funktionen und Wirkungen des Stromrichters des
vierten Ausführungsbeispiels
gleich sind wie jene der Stromrichter des dritten bzw. des zweiten Ausführungsbeispiels,
erübrigt
sich eine weitergehende Erläuterung.
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Der Stromrichter gemäß der Erfindung
ermöglicht
es zu verhindern, daß Halbleiterschaltelemente
fehlerhaft schalten, indem beim Arbeitsbeginn des Stromrichters
der Ladestrom, der die parasitäre Kapazität der Halbleiterschaltelemente
auflädt,
zu Schaltungen umgelenkt wird, die verhindern, daß die Halbleiterschaltelemente
fehlerhaft schalten (Schutzschaltungen). Der Stromrichter gemäß der Endung, der
den Stromfluß in
die Schutzschaltungen) verhindert, nachdem eines der Schaltelemente
zu schalten begonnen hat, ermöglicht
es, die Treiberverluste zu verringern und damit den Wandlungswirkungsgrad zu
erhöhen