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Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsstufe von verschiedenen Produkten in der Leistungselektronik. Diese Produkte bestehen aus Halbbrücken- oder Vollbrückenschalter Konfigurationen. Isolierte Treiber werden verwendet, um die Leistung/Performance von Leistungsschaltern zu steuern und zu überwachen, insbesondere erforderlich sind solche Treiber in Leistungssystemen, in denen das Schalten bei hohen Spannungen durchgeführt wird. Einige der bekannten Lösungen setzen verschiedene Realisierungen von isolierten Treiber ein, wobei einige integrierte Steuerungs- und Sicherheitsmerkmale vorsehen, Merkmale, die ein höheres Maß an Steuerungsmöglichkeiten der Schaltgeräte (z.B. Erkennung von Fehlern, Temperaturmessungen) bieten. Dieses Patent stellt eine neue Methode zur Isolierung der Treiber vor, die sowohl Isolationsmerkmale als auch Steuersignale für die angeschlossenen Hochspannungsvorrichtungen umfasst. Neben der Gewährleistung hoher galvanische Trennung zwischen der Steuerschaltung und dem Treiber stellt die vorgeschlagene Lösung auch eine Lösung dafür vor, wie die für den isolierten Treiber benötigte elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird. Beides, Übertragungsweg (Steuersignale), und Stromversorgungspfad von / zum Isolationstreiber ist durch eine gekoppelte Resonanzschaltung realisiert. Dieses neue Verfahren unter Verwendung von gekoppelten Resonanzkreisen liefert mehrere Vorteile im Vergleich zu bekannten Lösungen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Potentialbarriere dient dazu, zwei oder mehr Stromkreise, die auf unterschiedlichem Potential arbeiten zur Vermeidung eines unkontrollierten Schluss / Komponenten Spannungsdurchschläge zu trennen. Dies wird oft durch Verwendung von magnetisch gekoppelten Spulen, kapazitiv gekoppelten Leitungen oder Optokopplern realisiert. Die Stromversorgung für den Sekundärkreis muss auch isoliert oder spannungsseitig getrennt vom Primärkreis erfolgen, was in der Regel mit einem Transformator realisiert wird.
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Anwendungen der zuvor beschriebenen Isolation sind in Hochspannungsleistungselektronik Treiberschaltungen für Leistungsstufen zu finden. Die Primärseite der Leistungselektronik besteht in der Regel aus einer Mikrocontroller-Einheit, in der implementierte Algorithmen geeignete Steuersignale (PWM-Signale) erzeugen und der Sekundärseite, die den Treiber enthält, der zu Leistungsschaltern der Leistungsstufe verbunden ist. Eine Gate-Treiberschaltung ist für eine optimale Steuerung der Halbbrückenschalter ausgelegt. Der Treiber in einigen bekannten Lösungen wird auch als Monitor für die Leistungsschalter Parameter (z.B. Strom, Spannungs-Fähigkeiten und Temperatur) eingesetzt. Die Parameter werden überwacht, um die Leistungseinrichtung innerhalb des festgelegten sicheren Arbeitsbereichs SOA zu halten. Die Potentialbarriere hat maßgeblichen Einfluss auf die Sekundärseite hinsichtlich Schaltung, Zuverlässigkeit, Störfestigkeit, Emissionen und Kosten. Das Patent
US 2008/0068062 A1 stellt ein Verfahren zur Übertragung von Signalen von der Primärseite zur Sekundärseite über magnetisch gekoppelte Spulen vor. Es bietet auch Mittel zur Kontrolle der Treiber auf der Primärseite und Detektieren gesendeten Signale auf der Sekundärseite durch die integrierte Schaltung. Patent
GB 2 293 933 A beschreibt ein Verfahren zum Steuern der IGBT-Schalter mit transformergekoppelten FET-Treibern. Transformer bieten einen Mittelweg für den Transport von Energie und Signal an den IGBT-Schalter. Der Untergang dieses Ansatzes ist, dass das Schaltverhalten von IGBT, Temperatur, Überstromschutz, Kurzschlusserkennung, Drahtbrucherkennung nicht überwacht werden kann und somit die Möglichkeit der Umsetzung von Sicherheitsfunktionen sehr begrenzt ist.
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Patent
GB 2474476 A stellt Verfahren für die Übertragung von elektrischer Energie und Steuersignalen vor, die einen Ansatz mit kapazitiver Kopplung nutzen. Die kapazitive Kopplung wird durch die Verwendung von zwei oder mehr parallelen Leitermetallschichten realisiert. Der Hauptzweck dieser Lösung ist es, Signalpfade für digitale Rückkopplung von der Sekundärseite zur Primär-Treiberseite bereitzustellen. Diese Methode ist billiger und verbraucht weniger Strom im Vergleich zu herkömmlichen Kondensator-, Transformatoren- oder Optokoppler-Trennungen, wobei aber eine galvanisch getrennte Stromversorgung noch erforderlich ist.
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Patent
US 2010/0019808 A1 zeigt eine Treiberschaltung zum Steuern eines Leistungshalbleiterelements. Die Treiberschaltung steuert das Leistungshalbleiterelement mit schaltbaren hohen und niedrigen Widerstands-widerstand, der in Reihe mit dem Gate geschaltet wird, wodurch Stoßspannung und Schaltverluste verringert werden. Die Steuerschaltung schaltet hohen oder niedrigen Widerstand durch Überwachung der Leistungshalbleiterspannung. Wieder muss eine isolierte Stromversorgung separat realisiert werden.
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Das Papier von Raha Vafaei et al., "Experimentelle Untersuchung einer integrierten optischen Schnittstelle für Power MOSFET-Treiber" / “Experimental Investigation of an Integrated Optical Interface for Power MOSFET drivers”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 33, No. 2, Februar 2012 untersucht die Steuerung modifizierter MOSFET direkt mit Licht. Die Autoren präsentieren integrierte Foto-Empfänger innerhalb Leistungs-MOSFETs. Komplexe heterogene Herstellungsverfahren sind erforderlich, um Si-Leistungsvorrichtung zu ändern, um GaAs optischen Detektor zu erleichtern.
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Das Design erfordert auch eine leistungsstarke Laserquelle, um eine ausreichende Menge an Energie in relativ kurzer Zeit zu liefern, um ein Ein- und Ausschalten des Leistunsstufe mit Laserlicht sicherzustellen, was die Kosten der Lösung erhöht.
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Patent
EP 1 814 273 A2 zeigt Eingangs- und Ausgangstrennung mit Kombination von Optokopplern in einem Zweig und einer kapazitiven Kopplung in einem anderen Zweig der Eingabe und Ausgabe. Die Isolierung bietet nur das Routing der Signale über die Potentialbarriere. Die Lösung mit Optokoppler erfordert hohe Leistungsdichten, um eine annehmbare Laufzeitverzögerungen und eine ausreichende Qualität des übertragenen Signals vom Eingang zum Ausgang zu gewährleisten. Das erste Signal galvanische Trennung ist mit Optokoppler realisiert, und die zweite zusätzliche Signalübertragungsweg ist mit galvanischer Trennungskomponente (z.B. Kondensator) realisiert. Der zweite Übertragungspfad mit dem Kondensator wird hauptsächlich für die Übertragung des dynamischen Teil(s) des Signals genutzt, so daß hohe Stromdichten zur Versorgung des Optokoppler optimiert werden können.
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Patent
WO 2008/024839 A2 stellt eine integrierte bidirektionale kapazitive galvanische Trennung durch kapazitiv gekoppelte Differenzsignalleitung vor. Dieses Verfahren verbessert die Gleichtaktunterdrückung. Die kapazitive Kopplung kann in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden. Jede Art von Strukturen in der Nähe der Signalverbindungen können auch verwendet werden, um eine ordnungsgemäße differenzielle kapazitive Kopplung herzustellen oder einfach diese nur fein abzustimmen. Eine isolierte Stromversorgung wird benötigt.
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Patent
US 2012/0002377 A1 zeigt eine neue galvanische Trennung über einen Transformator der auf Silizium integriert ist. Es wird ein integrierter Transformator in integrierten Treiberschaltung selbst vorgeschlagen. Der integrierte Transformator liefert eine Potentialbarriere zwischen Primär- und Sekundärkreis. Eine geeignete Konstruktion der integrierten Schaltung wird benötigt, um die galvanische Trennung von Hochspannung zu gewährleisten. Besondere Aufmerksamkeit sollte hierauf verwendet werden, um etwaige Leckströme zu minimieren und den dielektrischen Durchschlag auf das Substrat zu verhindern. Quarz-Wafer werden in diesem Verfahren genutzt, um Durchschläge von der Hochspannungstransformatorwicklung auf das Substrat zu verhindern.
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Patent
EP 2 387 154 A1 zeigt eine Alternative für eine Potentialbarriere, die durch eine kapazitive H-Brücke erzeugt wird. Die vorgeschlagene Schaltung ist für MOSFET Steuerung gedacht. Keine Transistorparameter können mit dieser Schaltung überwacht werden. Problem der Lösung ist die Kondensatorwertdifferenz, die Gleichtaktstörungen erzeugt. Die vorgeschlagene Lösung eignet sich nur für die Übertragung von Signalimpulsen. Das Kapazitätsverhältnis und die absolute Kapazität der Kondensatoren in H-Brücke bestimmen die maximale Impulsdauer (Impulsbreite). Der Hauptvorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt in geringem elektrischen Energieverbrauch und niedrigem Preis (als Preis bedeutete den Vergleich von vier Standard-Kondensatoren im Vergleich zu den galvanischen Lösungen, egal ob mit optischen oder induktiven Isolierung). Die Lösung ermöglicht auch eine Raumoptimierung für die Realisierung auf der einen Seite und verspricht auf der anderen Seite auch eine längere Lebensdauer des Systems. Der Hauptnachteil bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist, daß die maximale "zulässigen" Pulsdauer der übertragenen Signale direkt von der H-Brückenkomponente Kapazitätsauswahl abhängt.
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Patent
US 7,535,303 B1 beschreibt ein Verfahren zum Bereitstellen von elektrischer Leistung für Lasten über zwei Anschlüsse mit Rückkopplungsschaltung. Der Antwort Kreis steuert die AC Spannung unter Last durch Erfassen der Spannung über einen Messkondensator. Die Spannung wird im wesentlichen bei der Resonanzfrequenz erhöht. Die Schaltung dämpft den Spannungsanstieg bei der Resonanzfrequenz und verringert so übermäßige Lastspannung. Die Schaltung bietet keine Signalübertragung.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2010 029 470 A1 schlägt ein Verfahren zur galvanischen Trennung unter Verwendung von zwei Magnetspulen auf einem isolierten, niedrige dielektrische Verluste aufweisenden Substrat vor. An jeder Magnetspule ist ein Impuls-Detektor angeschlossen. Eine neuartige kernlose Transformator Technologie (CLT) wird in Gate-Treibern verwendet und ist auf Silizium implementiert. Der vorgestellte Ansatz wird nur für eine galvanische Trennung der Steuersignale verwendet. Der Hauptnachteil des genannten Ansatzes ist das Fehlen der erforderlichen isolierten Stromquelle für den Treiber, die getrennt verwirklicht werden muss. Dies wird üblicherweise durch Verwendung von Trenntransformatoren erfolgen.
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Die Verwendung von piezoelektrischen Transformatoren ist auch als Alternative zu mit solchen Magnetkern bekannt [Dejan Vasic, François Costa, Emmanuel Sarraute “Piezoelectric Transformer for Integrated MOSFET and IGBT Gate Driver”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol Transformator bekannt. 21, No. 1, Januar 2006]. Ein piezoelektrischer Transformator der in dieser Veröffentlichung vorgestellt wird, wird verwendet, um eine Mikrocontroller Niederspannungsseite von Leistungsstufen Halbbrücke zusammen mit einer Lösung zu isolieren, wie man Energie von der Primär- zur Sekundärseite übertragen kann, um den Halbbrücken-Schalter zu steuern. Amplitudenmodulation mit der richtigen Trägerfrequenz wird für eine optimale Energieübertragung ausgewählt. Experimente bestätigen die vorgeschlagene Methode und zeigt ein gutes Schaltverhalten.
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Hintergrund der Erfindung
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Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bereitstellung einer Schnittstelle zwischen Niederspannungsmikrocontrollereinheit und Leistungskomponenten vorzuschlagen. Das Verfahren stellt dem Smart-Treiber die benötigte elektrische Leistung zur Verfügung und bietet auch eine Kommunikationsverbindung zwischen smart Treiber und Mikrocontroller. Das vorgeschlagene Verfahren optimiert die Produktionskosten, verringert die Anzahl der Komponenten, reduziert elektromagnetische Störungen und erhöht die Störfestigkeit der Endstufe.
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Der isolierte Treiber wird für Leistungsstufen in Hochspannungssystemen verwendet, da die Source des High-Side-Transistor der Halbbrücke zwischen hohen positiven Potential der Stromversorgung des Systems und schwebendem Potential (z.B. Phase eines 3-Phasen-Motor) verbunden sind. Die galvanische Trennung wird genutzt um die Niederspannungs-Mikrocontroller-Seite vor Schäden zu schützen, die während den Hochspannungsschaltvorgängen des Leistungstransistors in der Leistungsstufe auftreten können.
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Häufig werden schwebende Spannungsversorgung über den Netzteil-Trafo aufgebaut, was teuer ist, hinsichtlich der Hochspannungs schwierig zu handhaben ist, was auch oft zu Problemen bezüglich EMV führt. Schaltsignale vom Mikrocontroller an den smart Treiber werden über eine kapazitive Kopplung der Hochspannung, Magnetkopplung oder piezoelektrischen Effekt übertragen. Der Smart Treiber steuert das Schalten des Leistungstransistors und hat einige Sicherheitsfunktionen eingebaut.
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Ausführliche Beschreibung
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Ein gekoppelter LC-Schwingkreis stellt eine galvanische Trennung und eine Energieübertragung von der primären Niederspannungs-Steuerseite, zur sekundären Hochspannungs-Leistungsstufen-Seite her. Der Smart-Treiber bietet einen leistungsoptimierten Schalter Betrieb, Switch-Performance-Überwachung, Fehlererkennung, Überstromerkennung, Kurzschluß Stromerfassung sowie ein gutes Energiemanagement. Die Verwendung von teuren DC-DC-Wandler mit Transformator wird also vermieden. Die Erfindung wird nun genauer mit Hilfe der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beigefügten darstellenden Zeichnungen erläutert:
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1 Blockschema der vorgeschlagenen Erfindung, und
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2 Blockschema der Funktionen des Smart Driver.
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Die vorgeschlagene Lösung ist in 1 dargestellt und besteht aus drei Grundkomponenten:
- • Modulator / Demodulator, der das Mikrocontroller-Signal mit einer Trägerfrequenz f0, definiert durch L1, C1, moduliert und das Signal des smart Treibers demoduliert
- • Gekoppelte LC-Schaltung, die Mittel für eine galvanische Isolierung von Primärseite und Sekundärseite und die Energie- und Signalübertragung bietet.
- • Smart Treiber empfängt und demoduliert Signale vom Mikrocontroller und überträgt erworbenen Monitorinformationen an den Mikrocontroller. Er treibt auch Transistorschalter und überwacht deren Zustand.
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Der Modulator / Demodulator-Block erzeugt einen hochfrequenten Träger (zB 13,65MHz). Auf diesen Träger werden Niederfrequenzinformationen als Amplitudenmodulation (kleiner Modulationsindex ~ 3%) aufmoduliert. Das modulierte Signal wird an die erste Kommunikationsspule auf der Primärseite gegeben. Informationen werden über galvanisch getrennte, gekoppelte Induktionsspulen (zwei vertikal ausgerichtete Spulen die in zwei Leiterplattenlagen gelegt sind) gesendet. An der zweiten Spule des Schwingkreises wird das Signal empfangen und dem Smart Treiber zur Verfügung gestellt. Der Smart Treiber hat mehrere Funktionen integriert, die in dargestellt sind. Die erste Funktion ist die Demodulation des empfangenen Signals mit Hüllkurvendetektor und Filterung. Die zweite Funktion treibt einen externen Hochspannungs-high-side-Schalttransistor. Eine sehr wichtige Funktion ist die Lagerung von empfangener Energie in einem externen Kondensator CST, die für den Smart-Treiber-Betrieb benötigt wird. Die Spannung auf des Speicherkondensators CST kann höher sein, da der Smart-Treiber auch Spannungsregler enthält. Der Treiber braucht zwei Spannungspegel für den Betrieb – eine erste interne Treiberspannung Vddi im Bereich von 3,3 V bis 5 V, welche für den Betrieb der integrierten Schaltung benötigt wird, und eine zweite Spannung zum Schalten von Signalen für den Hochspannungs-Leistungstransistor Antriebs (z.B. 10V). Das Verhältnis der Leistungstransistor-Gate-Kapazität (z.B. 10 nF) zur Kapazität des externen Kondensators CST muss 100 oder mehr (z.B. 1 µF) betragen, um einen minimalen Amplitudenabfall während der Schaltvorgänge zu gewährleisten. Letzte wichtige Funktion ist das Zurücksenden von Überwachungsinformationen über den Status des Schalters zurück an die Mikrocontroller-Einheit. Die Kommunikation erfolgt ähnlich wie die frühere in der Gegenrichtung. Die Informationen werden nun als Impedanzschwankungen des smart Treibers Empfangs- / Sendeknoten abgebildet. Der Smart Treiber bietet auch viele andere Funktionen wie Überspannungsschutz, Überstromschutz, Übertemperaturüberwachung und Abschaltung usw.
