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Die
Erfindung entspringt aus dem Gebiet der Leistungselektronik und
beschreibt ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines
Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gate-Elektrode (IGBT)
gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Ansprüche.
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IGBTs
werden vorzugsweise dann eingesetzt, wenn hohe Ströme geschaltet
werden müssen. Dies
ist insbesondere in der Antriebstechnik der Fall, wo der Antriebsregler
mittels einer Leistungsendstufe über
eine IGBT-Brückenschaltung
zum Beispiel die drei Phasen eines AC-Motors mit Strom versorgt. Das
Gate eines jeden IGBTs wird dabei über Impulse angesteuert, die
von einem PWM-Modulator stammen. Diese Gate-Ansteuerung übernimmt in der Regel ein sogenannter
Gate-Treiber, dessen charakteristische Daten einen wesentlichen
Einfluss auf die Ausgangssignale der Leistungsendstufe haben, insbesondere
auf Flankensteilheit und Verluste im Betrieb.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
196 10 895 A1 zeigt ein Verfahren zur Einschaltregelung
eines IGBTs und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die
Beschreibung offenbart die Ansteuerung zum Einschalten des IGBT-Gates
mittels einer Stromquelle anstelle der sonst üblichen Steuerspannung. Man
nutzt hierbei die Erkenntnis, dass zwischen Gatespannung und Laststrom
ein quadratischer Zusammenhang besteht, sobald die Gatespannung
größer als
die Thresholdspannung ist und kann damit unabhängig von einer lastseitigen
Messeinrichtung den Laststrom beeinflussen.
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Diese
Schrift wird für
die vorliegende Anmeldung als nächstkommender
Stand der Technik betrachtet.
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Das
Ausschalten eines IGBTs beispielsweise durch eine negative Gatespannung
bewirkt jedoch abhängig
von der Ansteuergeschwindigkeit ein mehr oder weniger großes lastseitiges
di/dt. Erhöht
man die Ansteuergeschwindigkeit zum Ein- bzw. Ausschalten des IGBTs,
so führt
dies zwar zu einer schnelleren Umschaltung zwischen leitendem und nicht
leitendem Zustand des IGBTs, gleichzeitig kann dies aber auch aufgrund
der stark induktiven Lasten, wie Motorwicklungen und Zuleitungen,
wegen des erhöhten
di/dt zu Überspannungen
führen,
welche die zulässigen
Höchstwerte
der verwendeten Bauteile und Komponenten überschreiten und damit zur
Zerstörung
oder Beschädigung
von Schaltung und Peripherie führen
können.
Verlangsamt man dagegen den Schaltvorgang, so verringert sich dadurch
zwar der Wert di/dt, zusätzlich
erhöhen
sich damit aber auch die Totzeiten im gesamten Regelkreis eines
beispielsweise Antriebsreglers, in den eine erfindungsgemäße IGBT-Brückenschaltung
eingebunden sein könnte.
Erhöhte
Totzeiten führen
zu einer Verschlechterung der Regelgüte und diese wiederum dazu,
dass evtl. Anforderungen eines zu regelnden Systems nicht mehr eingehalten
werden können.
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Diese
Problematik wird in der zitierten Schrift weder betrachtet noch
gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
anzugeben, um bei unveränderten
Schaltzeiten eine Reduzierung der Totzeiten bzw. Verbesserung der
Regelgüte
bei möglichst
geringen Schaltverlusten zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch
die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird zur Abschaltregelung, insbesondere zur Entladung der Gate-Kapazität, die Kollektor-Emitter-Spannung
von einer Überwachungseinrichtung überwacht,
wobei nach Maßgabe
einer Überwachungsvorschrift
der Abschaltvorgang über
eine erste und/oder eine zweite Abschaltvorrichtung bewirkt wird
und beide Abschaltvorrichtungen unterschiedlich Entladecharakteristika
aufweisen. Durch einen beeinflussbaren Abtransport der mittels der
Gate-Kapazität
gespeicherten Ladungsträger
wird mittels der unterschiedlichen Entladecharakteristika beider
zu- bzw. abschaltbaren Abschaltvorrichtungen der Abschaltvorgang
eines IGBTs steuerbar.
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So
wäre es
beispielsweise denkbar, den größten Anteil
der Ladungsträger über die
erste Abschaltvorrichtung zu beseitigen und damit eine möglichst
rasche Entladung der Gate-Kapazität zu gewährleisten
und gezielt über
die zusätzliche
Abschaltvorrichtung weitere Ladungsträger abzuführen. Mittels dieser gezielten
Entladung ließe
sich der Abschaltvorgang dann so gestalten, dass durch geeignete
Dimensionierung der verwendeten Komponenten die Anforderungen bzgl.
maximal zulässiger Spannungen
und Ströme
an über
die IGBTs versorgte Peripherie eingehalten werden können. Dies
könnte
beispielsweise die Spannungsfestigkeit einer Motorwicklung oder
einer Zuleitung zur leistungsmäßigen Versorgung
einer elektrischen Maschine sein.
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Verfährt man
so, dass zunächst
beide Abschaltvorrichtungen aktiv sind und anschließend eine der
beiden Abschaltvorrichtungen gemäß der Überwachungsvorschrift
deaktiviert wird, dann könnten Ladungsträger entsprechend
der unterschiedlichen Entladecharakteristika abgeführt werden.
Eine feinere Ausregelung wäre
damit möglich,
so dass sich auch Einschwingvorgänge
der Abschaltvorrichtungen weniger auf das Abschaltverhalten auswirken.
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Verfährt man
so, dass die Abschaltvorrichtungen gemäß der Überwachungsvorschrift alternierend
aktiv sind, werden die Ladungsträger
der Gate-Kapazität
ebenfalls systematisch abgeführt. Besonderer
Vorteil hierbei ist jedoch, dass abhängig von der Ansteuerphase
eine gezielte Wahl zwischen unterschiedlichen Entladecharakteristika
möglich
ist, während
in den vorherigen Fällen
zunächst
beide Entladecharakteristika ihre Wirkungen entfalten.
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Bildet
man die Überwachungseinrichtung
für die
Kollektor-Emitter-Spannung so aus, dass die Überwachungsvorschrift änderbar
ist und insbesondere die Überwachung
von Potentialänderungen
vorschreibt, so können
die Umschaltzeitpunkte abhängig
vom Verhalten der Kollektor-Emitter-Spannung definiert werden. Denkbar
wäre auch
eine schwellwertabhängige
Schaltung abhängig
vom Absolutwert der Kollektor-Emitter-Spannung.
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Besonders
vorteilhafte Auswirkungen hat die Erfindung, wenn die erste Abschaltvorrichtung
eine niederohmige und die zweite Abschaltvorrichtung eine stromgesteuerte
Entladecharakteristik aufweist. Damit kann einerseits eine sehr
rasche Abführing
von Ladungsträgem
aus der Gate-Kapazität,
aber auch eine steuerbare Abführung
realisiert werden.
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Bildet
man eine Abschaltvorrichtung so aus, dass das Verhalten der Abschaltvorrichtungen
in Bezug auf ihre Einschaltzeiten und/oder bezüglich ihres Ladungsträgerdurchsatzes
konfigurierbar ist, kann damit eine peripherieabhängige Entladekurve
leicht realisiert bzw. nachgebildet werden.
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Große Vorteile
hat das Verfahren, wenn die Abschaltvorrichtungen, insbesondere
auch bei einem lastseitigen Fehler, beispielsweise bei einem Kurzschluss,
ansprechen. Gerade hierbei können
sehr hohe Ströme
auftreten, die zur Zerstörung
oder Schädigung
von angeschlossenen Komponenten führen würden. Es kann somit einer Überbeanspruchung
der Komponenten aufgrund eines überhöhten Stromes
vorgebeugt werden, indem eine schnellstmögliche Abschaltung erfolgt,
die zusätzlich
auch unzulässige
Spannungsspitzen vermeidet.
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Die
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass Bestandteil der Abschaltregelung,
insbesondere während
der Entladung der Gate-Kapazität, eine
in die Gate-Ansteuerung eingebundene Entladeschaltung ist, welche
mittels eines ersten Zweiges eine niederohmige Entladung der Gate-Kapazität bewirkt
und mittels eines zweiten Zweiges eine Entladung mittels eines Steuerstromes
bewirkt, wobei die Zweige nach Maßgabe des Kollektor-Emitter-Spannungs-Verlaufes
aktiviert bzw. deaktiviert sind.
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Die
bereits genannten Vorteile lassen sich auch dadurch erreichen, dass
zunächst
beide Zweige aktiv sind und einer der beiden Zweige nach Maßgabe des
Kollektor-Emitter-Spannungs-Verlaufes
abgeschaltet wird oder beide Zweige nach Maßgabe des Kollektor-Emitter-Spannungs-Verlaufes
alternierend aktiv sind.
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Reagiert
man bei Auswertung des Kollektor-Emitter-Spannungs-Verlaufes auf
die Spannungsänderungen
anstelle von Spannungspegeln, kann relativ exakt der Zeitpunkt erfasst
werden, zu dem die Kollektor-Emitter-Spannung einen mehr oder weniger
stabilen Zustand erreicht hat. Man wird damit unabhängig von
den Absolutwerten. Wählt man
trotzdem eine Schwellwerterkennung und wäre der von der Schwellwerterkennung überwachte Schwellwert
der Kollektor-Emitter-Spannung zusätzlich noch einstellbar, könnten abhängig von
der Applikation einfach und schnell Adaptierungen vorgenommen und
auf den Umschaltzeitpunkt zwischen beiden Zweigen könnte leicht
Einfluss genommen werden.
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Ist
die Vorrichtung vorteilhafterweise so ausgebildet, dass der erste
Zweig eine Ein/Aus-Funktion mit minimalem Innenwiderstand realisiert
und der zweite Zweig eine konstante Ladungsträgerabfuhr gewährleistet,
kann man zunächst
schnell und effektiv die größte Anzahl
der Ladungsträger
von der Gate-Kapazität
absaugen, bevor eine gezielte stromgesteuerte Abfuhr erfolgt.
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Baut
man den ersten Zweig aus einem als Schalter ausgelegten Transistor
und den zweiten Zweig aus einem als Konstantstromquelle beschalteten
Transistor, so ist eine preiswerte Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung mittels
dem Fachmann bekannter Standardschaltungen und Standardkomponenten
möglich.
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Steuert
man die Zeitdauer, während
der die Zweige aktiviert bzw. deaktiviert sind, mittels einer Zeitsteuerung,
so ergeben sich noch mehr Freiheitsgrade bei der Anpassung an die
Peripherie. Eine preiswerte Zeitsteuerung wäre dadurch gekennzeichnet,
dass die Beeinflussung der Zeitdauer über die Zeitkonstante eines
RC-Gliedes erfolgt.
Zur Beeinflussung der Zeitkonstanten wäre die Verwendung variabler
Widerstände
und/oder Kondensatoren mit passend gewählten Toleranzen und ggf. Kompensationsschaltungen
zu empfehlen. Auch integrierte Schaltkreise oder eine softwaremäßige Ansteuerung sind
selbstverständlich
denkbar.
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Nachfolgend
wird die Erfindung skizzenhaft erläutert. Es zeigt 1 grob
schematisch eine Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Bipolartransistors mit isoliert
angeordneter Gate-Elektrode mittels eines Gate-Treibers. Es ist nur
ein IGBT einer komplementären
IGBT-Leistungsendstufe innerhalb einer Brückenschaltung dargestellt. 2 zeigt
eine Ausführungsform
einer Gate-Ansteuerung
zur Entladung der Gate-Kapazität als
etwas detaillierteres Prinzipschaltbild.
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Die
in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind
in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Gleiche Teile in den
Figuren tragen grundsätzlich
gleiche Bezugszeichen.
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1 zeigt
eine Brückenschaltung
von IGBTs mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform der
Ansteuervorrichtung 9 zur Durchführung des oben beschriebenen
Verfahrens. Diese Ansteuervorrichtung 9 beinhaltet folgende
Komponenten: Die Abschaltvorrichtungen 1, die Schwellwert-Überwachungseinrichtung 2,
den lastseitigen Anschluss 4 für eine über den Zwischenkreisbus 10 gespeiste
Last sowie einen IGBT 5 mit Kollektor 6, Emitter 7, Gate-Elektrode 8,
Gate-Treiber 3, Zeitglied 11 und den Gate-Widerstand 19.
Beim Abschalten wird die Gatespannung reduziert und beide Abschaltvorrichtungen 1 aktiv
geschaltet. In diesem Falle sind die Abschaltvorrichtungen als einfacher
Schalter bzw. als Stromquelle realisiert. Selbstverständlich sind auch
komplexere Realisierungsformen denkbar.
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Bei
Reduzierung der Gatespannung durch den Gate-Treiber 3 sinkt
durch Abführen
der Gateladung die Gatespannung zunächst bis zu einem bestimmten
Wert und verharrt dort (Plateauphase). Es werden Ladungsträger durch
beide Abschaltvorrichtungen 1 abgeführt und zwar zunächst durch
beide gleichzeitig. Dies hat den Vorteil, dass eine maximal mögliche Ladungsträgermenge
gleich zu Beginn abgesaugt werden kann und trotzdem die elektronischen
Schaltkreise der Abschaltvorrichtungen, insbesondere die Stromquelle,
genügend
Zeit zum Einschwingen haben.
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Wegen
der großen
Menge von Ladungsträgern
steigt die Kollektor-Emitter-Spannung anfangs nur langsam an, denn
die zwischen Kollektor und Gate wirkende Millerkapazität besitzt
einen relativ großen
Wert. Mit der sinkenden Anzahl von beweglichen Ladungsträgern steigt
die Kollektor-Emitter-Spannung dann schneller an. Dies ist ein Zeichen dafür, dass
ein großer
Prozentsatz der Ladungsträger
abgesaugt wurde.
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Dieser
Anstieg wird mittels der Spannungs-Überwachungseinrichtung 2 erfasst,
entweder wie schon beschrieben direkt (Absolutwertmessung) oder
indirekt (Deltamessung, d.h. Erfassung von Änderungen der Kollektor-Emitter-Spannung).
Erkennt die Spannungs-Überwachungseinrichtung 2 im
Falle einer Deltamessung, dass sich die Kollektor-Emitter-Spannung
nicht mehr ändert,
d.h. sich stabilisiert hat, so schaltet sie die als Schalter konzipierte
Abschaltvorrichtung 1 zunächst ab und es ist nur noch die
Stromquelle aktiv, damit die restlichen Ladungsträger kontrolliert
abgesaugt werden. Sobald die Gatespannung unter ihre Schwellspannung
sinkt, sperrt der MOS-Transistor
im IGBT. Spannungsspitzen beim Ausschalten können durch kaum vermeidbare
Streuinduktivitäten
im Laststrompfad entstehen.
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Mittels
der Erfindung wird die zu Beginn erwähnte Plateauphase, während dieser
viele Ladungsträger
abzuführen
sind, verkürzt
und das Schaltverhalten des IGBT beschleunigt. Totzeiten bei der
Stromregelung, beispielsweise mittels eines Antriebsreglers, verringern
sich.
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Die
noch aktive Stromquelle der zweiten Abschaltvorrichtung 1 sorgt
für eine
mehr oder weniger geregelte Abfuhr von Ladungsträgern während die als Schalter ausgeführte zweite
Abschaltvorrichtung 1 zunächst keine Regelung während des
Ladungsträgerabflusses
zulässt. Üblicherweise
wird man zur Realisierung der Abschaltvorrichtungen 1 Transistoren
mit entsprechender Beschaltung wählen,
es ist aber auch der Einsatz von integrierten Schaltungen möglich, die
ggf. mehr Komfort und Freiheit bzgl. Dimensionierung ihrer charakteristischen
Eigenschaften bieten.
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Um
das Schaltverhalten der als Schalter ausgelegten Ansteuervorrichtungen 1 zu
koordinieren, wird mittels einer Zeitsteuerung, beispielsweise eines RC-Gliedes,
die Einschaltdauer während
der Abschaltung des IGBTs festgelegt. Über komplexere Schaltkreise
wären hier
weitaus komfortablere Gestaltungsmöglichkeiten oder ein programmierbares Verhalten
denkbar.
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Das
Einschalten des IGBT erfolgt wiederum durch Anlegen einer positiven
Spannung an das Gate. Ein gebräuchlicher
Spannungswert liegt bei +15V.
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Nach
erneutem Einschalten folgt wieder das Abschalten des IGBTs und der
Vorgang beginnt erneut – wie
schon beschrieben – abzulaufen.
Es handelt sich also um einen periodischen Vorgang, der für den Normalbetrieb
des IGBTs (z.B. Bestromung eines Motors mittels einer als Brückenschaltung über die
Leistungsendstufe eines Antriebsreglers) relevant ist.
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Im
Fehlerfalle kann die Schaltung einen zuverlässigen Schutz der Peripherie
und der Bauteile vor einem hohen du/dt bzw. di/dt bieten, insbesondere
bei induktiven Verbrauchern. Weiterhin werden Störeinkopplungen vermindert, Überspannungen
an der Motorwicklung reduziert und Erdableitströme verringert.
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2 zeigt
folgende Komponenten: Die Gate-Widerstände 14a/b, den als
niederohmigen Schalter fungierenden Transistor 13, den
als Stromquelle beschalteten Transistor 12, die Ausgangsstufe 15 des
Gate-Treibers, das RC-Glied 16, den angesteuerten IGBT 5,
einen Optokoppler 18, die Rückführung 17 sowie zahlreiche
Bauteile als externe Beschaltung der ICs zur Herstellung von Arbeitspunkten und
zur Konfiguration gemäß der Datenblätter.
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Der
Optokoppler dient als Schnittstelle zwischen Steuerlogik und Leistungsteil
bei der Ansteuerung der Gate-Treiber-Ausgangsstufe 15 über PWM-Signale.
Um den IGBT 5 einzuschalten, wird der obere MOSFET der
Gate-Treiber-Ausgangsstufe 15 leitend geschaltet, so dass über den
Gate-Widerstand 14a die Gate-Kapazität des IGBTs geladen werden
kann, bis der IGBT einen Strom aus dem angeschlossenen Zwischenkreisbus,
zum Beispiel bei Verwendung als Endstufe für einen Antriebsregler, zieht.
Dieser Vorgang soll allerdings hier nicht weiter beleuchtet werden,
da sich die Erfindung schwerpunktmäßig mit dem Abschaltvorgang
beschäftigt. Zu
erwähnen
ist aber, dass während
des Einschaltvorganges die im Anschluss erläuterte Stromquelle 12 und
der Schalter 13 nicht aktiv sind. Der untere Transistor
der Gate-Treiber-Ausgangsstufe 15 wird leitend,
sobald die Stufe mit einer negativen Spannung angesteuert wird,
was dann bewirkt, dass das Gate des IGBT 5 über den
Gate-Widerstand 14b und den
Schalter 13 bzw. über
die Stromquelle 12 entladen werden kann. Bei Schalter 13 handelt
es sich in diesem Falle um einen MOSFET, der spannungsgesteuert
leitet oder sperrt.
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Bei
Ansteuerung der Gate-Treiber-Ausgangsstufe 15 mit einer
negativen Spannung bewirkt die vorhandene Schaltung, dass der Schalter 13 und die
Stromquelle 12 zunächst
gleichzeitig aktiviert werden. Gleichzeitig haben beide Vorrichtungen
genügend
Zeit ihre Arbeitspunkte zu stabilisieren und einzuschwingen.
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Ab
dem Startzeitpunkt der Entladung der Gate-Kapazität wird sich
die Kollektor-Emitter-Spannung
kontinuierlich verändern.
Dies ist bereits weiter oben bei 1 beschrieben.
Diese Veränderung wird über die
Rückkopplung 17 erfasst
und das hieraus resultierende Signal speist das RC-Glied 16.
Bei der Dimensionierung des RC-Gliedes ist zu beachten, dass ein
Kondensator hoher Spannungsfestigkeit verwendet wird (hier 3000
V). Typische Werte der rückgekoppelten
du/dt liegen bei 4.5 kV/usec. Abhängig von der Zeitkonstanten
der verwendeten RC-Kombination, die empirisch im Versuch ermittelt wurde,
ist die Aktivität
des Schalters 13 zeitlich limitiert und direkt von einer Änderung
(du/dt) der Kollektor-Emitter-Spannung abhängig. Sobald diese Spannung
konstant bleibt, schaltet der Schalter 13 ab und es ist
nur noch die Stromquelle 12 aktiv, was zu einer gezielten
Abfuhr der restlichen Ladungsträger
aus der Gate-Kapazität
führt.
Wenn ein neuer Einschaltimpuls durch den Optokoppler 18 folgt,
schaltet auch die Stromquelle 12 ab und die Gate-Kapazität wird wieder
geladen. Der geschilderte Vorgang beginnt dann von Neuem.
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- 1
- Abschaltvorrichtung
- 2
- Überwachungseinrichtung
- 3
- Gate-Treiberstufe
- 4
- Lastseitiger
Anschluss
- 5
- IGBT
- 6
- Kollektor
- 7
- Emitter
- 8
- Gate
- 9
- Ansteuervorrichtung
- 10
- Zwischenkreisbus
- 11
- Zeitglied
- 12
- Stromquelle
- 13
- Niederohmige
Abschaltvorrichtung
- 14
- Gate-Widerstand
- 15
- Gate-Treiber-Ausgangsstufe
- 16
- RC-Glied
- 17
- Dynamische
Rückkopplung
für die
Kollektor-Emitter-Spannung
- 18
- Optokoppler