DE112017006414B4

DE112017006414B4 - Gate-Treibersystem

Info

Publication number: DE112017006414B4
Application number: DE112017006414.7T
Authority: DE
Inventors: Takuya YABUMOTO
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: CN110089016B; CN110089016A; US20190363711A1; JPWO2018116621A1; DE112017006414T5; US10680607B2; JP6615385B2; WO2018116621A1

Abstract

Gate-Treibersystem, das ein Treibersignal an eine Halbleiter-Schalteinrichtung (802) überträgt, und das Folgendes aufweist:- eine Wechselrichterschaltung (101) zum Zuführen von Hochfrequenzenergie inklusive einer Grundwellen-Komponente und mehreren harmonischen Komponenten, die jeweils unterschiedliche Frequenzen haben;- eine Energie-Übertragungsschaltung (100), die mit der Wechselrichterschaltung (101) verbunden ist und die Hochfrequenzenergie überträgt, die von der Wechselrichterschaltung (101) ausgegeben wird;- Energie-Empfangsschaltungen (200, 300, 400) zum individuellen Empfangen der Grundwellen-Komponente und der mehreren harmonischen Komponenten der Hochfrequenzenergie, die von der Energie-Übertragungsschaltung (100) übertragen wird; und- eine Steuerschaltung (803) zum Erzeugen eines Treibersignals für die Halbleiter-Schalteinrichtung (802) auf der Basis der mehreren harmonischen Komponente der Hochfrequenzenergie, die von den Energie-Empfangsschaltungen (200, 300, 400) empfangen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gate-Treibersystem, das einer Halbleiter-Schalteinrichtung eine Gate-Treiberleistung und ein Gate-Signal zuführt.
Stand der Technik
Heutzutage werden Leistungsumrichter, wie z. B. Wechselrichterschaltungen in verschiedenen Arten von elektrischen Vorrichtungen verwendet, um die Anforderungen an das Energiesparen usw. zu erfüllen. Ein Gate-Treibersystem wird verwendet, um eine Halbleiter-Schalteinrichtung ein- oder auszuschalten, die in einem Leistungsumrichter verwendet wird. Das Gate-Treibersystem steuert die Halbleiter-Schalteinrichtung, indem es ihr ein Gate-Signal zuführt, um sie ein- oder auszuschalten, und zwar in Ansprechen auf ein Steuersignal von einer Steuerschaltung.
Unter dem Blickwinkel, beispielsweise Fehlfunktionen zwischen Schaltungen auf der Eingangsseite und Schaltungen auf der Ausgangsseite zu vermeiden, werden Gate-Treiberschaltungen vom Isoliertyp verwendet. Eine von solchen vorgeschlagenen Gate-Treiberschaltungen vom Isoliertyp weist eine Technologie zum Übertragen von Gate-Treiberleistung und Gate-Einschalt-/Ausschaltsignalen auf eine kontaktlose Weise auf, und zwar durch Elektromagnetfeld-Resonanzkopplung (siehe beispielsweise das Patentdokument 1).
Das Patentdokument 2 offenbart eine Antriebseinheit, die ein EIN-Signal und ein AUS-Signal zum Ansteuern einer steuerbaren elektrischen Schalteinrichtung erzeugt, beispielsweise eines Transistors, eines Feldeffekttransistors, eines Gate-Ausschaltthyristors oder dergleichen. Ein EIN/AUS-Steuersignal wird mit Hochfrequenzenergie von Oszillatorschaltungen erzeugt und einer Treiberschaltung über eine elektromagnetische Kopplung zugeführt. Die Treiberschaltungsseite verwendet eine Frequenzdiskriminatorschaltung und eine Wiederherstellungsschaltung, um das EIN/AUS-Steuersignal wiederherzustellen. Die Hochfrequenzenergie wird von einer Energiewandlerschaltung mit Gleichrichterschaltung und Glättungsschaltung erhalten.
Das Patentdokument 3 offenbart eine Schaltelement-Treiberschaltung vom elektrisch isolierten Typ, die eine AC Spannung über einen Transformator liefert, wobei ein Schaltelement durch eine Steuerelektroden-Treiberschaltung angesteuert wird, wobei die Frequenz oder die Amplitude der AC Spannung moduliert wird, und zwar in Abhängigkeit von dem erforderlichen EIN/AUS-Betrieb des Schaltelements. Dabei wird die AC-Ausgangsspannung von dem Transformator gleichgerichtet, um eine DC Versorgungsspannung zu erhalten, die kontinuierlich der Steuerelektroden-Treiberschaltung zugeführt wird. Die Steuerelektroden-Treiberschaltung detektiert den Zustand der AC Spannung und steuert das Schaltelement entsprechend.
Literaturverzeichnis
Patentdokumente

Patentdokument 1: Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung:
WO 2015 / 029 363 A1
Patentdokument 2: JP S62- 189 813 A
Patentdokument 3: US 2004 / 0 232 971 A1

Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Bei dem oben erwähnten herkömmlichen Gate-Treibersystem ist ein Resonanzkoppler vonnöten, um die jeweilige Gate-Treiberleistung, ein Gate-Einschaltsignal und ein Gate-Ausschaltsignal zu übertragen, so dass sich das Problem von Schaltungen mit großen Ausmaßen ergibt.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das oben erwähnte Problem zu lösen und ein Gate-Treibersystem zu verwirklichen, das eine Gate-Treiberleistung, ein Gate-Einschaltsignal und ein Gate-Ausschaltsignal auf kontaktlose Weise übertragen kann, wobei dessen Größe bzw. Ausmaß klein ist.
Lösung der Probleme
Das Gate-Treibersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Gate-Treibersystem, das ein Treibersignal an eine Halbleiter-Schalteinrichtung überträgt, und es weist Folgendes auf: eine Wechselrichterschaltung zum Zuführen von Hochfrequenzenergie, inklusive einer Grundwellen-Komponente und mehreren harmonischen Komponenten, die jeweils unterschiedliche Frequenzen haben; eine Energie-Übertragungsschaltung, die mit der Wechselrichterschaltung verbunden ist und die Hochfrequenzenergie überträgt, die von der Wechselrichterschaltung ausgegeben wird; Energie-Empfangsschaltungen zum individuellen Empfangen der Grundwellen-Komponente und der mehreren harmonischen Komponenten der Hochfrequenzenergie, die von der Energie-Übertragungsschaltung übertragen wird; und eine Steuerschaltung zum Erzeugen eines Treibersignals für die Halbleiter-Schalteinrichtung auf der Basis der mehreren harmonischen Komponente der Hochfrequenzenergie, die von den Energie-Empfangsschaltungen empfangen wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gate-Treibersystems sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Vorteile der Erfindung
Das Gate-Treibersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist dazu imstande, eine Gate-Leistung und Gate-Einschalt-/Ausschaltsignale auf kontaktlose Weise zu übertragen, und dessen Größe kann verringert werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine primäre Konfiguration eines Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Konfiguration des Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Konfiguration des Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, das Verbindungen zwischen dem Gate-Treibersystem gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und damit zusammenhängenden Einrichtungen zeigt.
5 ist ein Diagramm, das Rechteck-Spannungspulse zeigt, die Ausgangssignale aus einer Wechselrichterschaltung des Gate-Treibersystems sind, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Graph, der die Relation zwischen harmonischen Komponenten der Rechteck-Spannungspulse, die Ausgangssignale der Wechselrichterschaltung des Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung sind, und δ zeigt.
7 ist ein Timing-Diagramm, das Wellenformen an Bereichen des Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und den Übergang zwischen dem Einschaltzustand und dem Ausschaltzustand zeigt.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine primäre Konfiguration eines Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines weiteren Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Timing-Diagramm, das die Übergangszeit zwischen dem Einschaltzustand und dem Ausschaltzustand zeigt, in dem Gate-Treibersystem gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ausfuhrungsform 1
Ein Gate-Treibersystem gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine primäre Konfiguration eines Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 1 zeigt. In 1 weist das Gate-Treibersystem Folgendes auf: Eine Energie-Übertragungsschaltung 100, eine Empfangsschaltung 200 für Gate-Treiber-Energie, eine Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische und eine Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische.
Hier ist jedes von m und n eine Ganzzahl von Eins oder größer, und es gilt m ≠ n. Das Gate-Treibersystem ist mit einer Halbleiter-Schalteinrichtung verbunden, die in 1 nicht dargestellt ist, und es führt ein Treibersignal einer Treiberschaltung der Halbleiter-Schalteinrichtung zu.
In 1 weist die Energie-Übertragungsschaltung 100 eine Wechselrichterschaltung 101 und eine Energie-Übertragungsspule 102 auf. Die Wechselrichterschaltung 101 wandelt die Energie, die von einer Energieversorgung eingegeben wird, die in 1 nicht dargestellt ist, in Hochfrequenzenergie um, die eine Grundwellen-Komponente und mehrere harmonische Komponenten aufweist.
Es sei angemerkt, dass die Hochfrequenzenergie AC-Energie ist, die mehrere Frequenzkomponenten einschließt. Hierbei ist die Grundwellen-Komponente der Hochfrequenzenergie eine Komponente, die zum Zuführen der Gate-Treiberleistung an die Halbleiter-Schalteinrichtung beitragen soll, und sie hat die gleiche Frequenz wie die Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung 101. Die mehreren harmonischen Komponente sind Komponenten, die zur Einschalt-/Ausschaltsteuerung der Halbleiter-Schalteinrichtung beitragen, und sie haben Frequenzen von höherer Ordnung der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung 101, d. h. Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung 101 sind.
Die Energie-Übertragungsspule 102 wird anschließend mit der Wechselrichterschaltung 101 verbunden, um die von der Wechselrichterschaltung 101 ausgegebene Hochfrequenzenergie an die Empfangsschaltung 200 für Gate-Treiber-Energie, die Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische und die Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische zu übertragen.
Die Empfangsschaltung 200 für Gate-Treiber-Energie ist eine Grundwellen-Empfangsschaltung zum Empfangen der Energie der Grundwelle, und sie weist eine erste Energie-Empfangsspule 201, einen ersten Kondensator 202, eine Gleichrichterschaltung 203 und eine Gate-Treiberleistung-Zuführungsschaltung 204 auf. Die erste Energie-Empfangsspule 201 empfängt die Grundwellen-Komponente der Hochfrequenzenergie, die von der Energie-Übertragungsspule 102 übertragen wird. Die erste Energie-Empfangsspule 201 muss zumindest die Grundwellen-Komponente empfangen. Sie kann auch andere harmonische Komponenten empfangen.
Der erste Kondensator 202 ist parallel zur ersten Energie-Empfangsspule 201 geschaltet, und der Kapazitätswert des ersten Kondensators wird so eingestellt, dass die erste Energie-Empfangsspule 201 und der erste Kondensator 202 auf der Grundfrequenz in Resonanz sein können. Die Gleichrichterschaltung 203 ist anschließend mit dem ersten Kondensator 202 verbunden, so dass die Hochfrequenzenergie gleichgerichtet wird, die von der ersten Energie-Empfangsspule 201 empfangen wird. Die Gate-Treiberleistung-Zuführungsschaltung 204 ist anschließend mit der Gleichrichterschaltung 203 verbunden, so dass sie ein Gate-Signal an die Gateschaltung der Halbleiter-Schalteinrichtung zuführt, die in 1 nicht dargestellt ist.
Die Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische weist eine zweite Energie-Empfangsspule 301, einen zweiten Kondensator 302 und eine Gleichrichterschaltung 303 auf. Die Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische ist eine Schaltung, die dazu imstande ist, die m-te harmonische Komponente aus den Frequenzkomponenten der Hochfrequenzenergie zu empfangen, die von der Energie-Übertragungsspule 102 übertragen wird. Mit anderen Worten: Die zweite Energie-Empfangsspule 301 und der zweite Kondensator werden so eingestellt, dass sie bei der m-ten Harmonischen der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung 101 in Resonanz sind, und so, dass sie bei der n-ten Harmonischen nicht in Resonanz sind, was später noch beschrieben wird.
Der zweite Kondensator 302 ist anschließend mit der zweiten Energie-Empfangsspule 301 verbunden und bildet mit der zweiten Energie-Empfangsspule 301 einen Resonanzkreis. Die Gleichrichterschaltung 303 ist mit dem zweiten Kondensator 302 verbunden und richtet die Hochfrequenz-Wellenenergie gleich, die von der zweiten Energie-Empfangsspule 301 empfangen wird, so dass sie den Gleichstrom über den Ausgangsanschluss ausgibt. Die zweite Energie-Empfangsspule 301 und der zweite Kondensator 302 sind so eingestellt, dass sie mit der m-ten Harmonischen der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung 101 in Resonanz sind.
Auf ähnliche Weise wie die Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische weist die Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische eine dritte Energie-Empfangsspule 401, einen dritten Kondensator 402 und eine Gleichrichterschaltung 403 auf. Die Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische ist eine Schaltung, die dazu imstande ist, die n-te harmonische Komponente aus der Hochfrequenzenergie zu empfangen, die von der Energie-Übertragungsspule 102 übertragen wird.
Mit anderen Worten: Die dritte Energie-Empfangsspule 401 ist so eingestellt, dass sie bei der n-ten Harmonischen der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung 101 in Resonanz ist, aber dass sie bei der m-ten Harmonischen nicht in Resonanz ist. Der dritte Kondensator 402 ist anschließend mit der dritten Energie-Empfangsspule 401 verbunden, so dass er einen Resonanzkreis mit der dritten Energie-Empfangsspule 401 bildet, und der Kapazitätswert des dritten Kondensators ist so eingestellt, dass dieser Resonanzkreis auf der n-ten Harmonischen in Resonanz sein kann.
Die Gleichrichterschaltung 403 ist mit dem dritten Kondensator 402 verbunden und richtet die Hochfrequenz-Wellenenergie gleich, die von der dritten Energie-Empfangsspule empfangen wird, so dass sie den Gleichstrom aus dem Ausgangsanschluss ausgibt. Die dritte Energie-Empfangsspule 401 und der dritte Kondensator 402 sind so eingestellt, dass sie mit der n-ten Harmonischen der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung 101 in Resonanz sind.
In einem Komparator 500 für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung ist dessen eines Eingangsende mit dem Ausgangsende der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische verbunden, und dessen anderes Eingangsende ist mit dem Ausgangsende der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische verbunden. Der Komparator für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung vergleicht die Ausgangssignale (beispielsweise, die Spannung) aus den Energie-Empfangsschaltungen und gibt die größere davon aus.
Obwohl die Energie-Übertragungsschaltung 100 des Gate-Treibersystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie oben gezeigt, eine Konfiguration hat, wo die Wechselrichterschaltung 101 und die Energie-Übertragungsspule 102 direkt miteinander verbunden sind, ist es auch möglich, dass ein Kondensator 103 enthalten ist, der in Reihe mit der Energie-Übertragungsspule 102 geschaltet ist, wie in 2 gezeigt.
Auch gemäß 1 und 2 ist das Ausgangsende auf der Niedrigpotentialseite der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische und das Ausgangsende auf der Niedrigpotentialseite der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische so verbunden, dass sie auf dem gleichen elektrischen Potential sind. Wie in 3 gezeigt, kann jedoch eine Konfiguration verwendet werden, bei welcher der Absolutwert der Ausgabe aus der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische und der Absolutwert der Ausgabe aus der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische miteinander verglichen werden.
Bei der Konfiguration des Gate-Treibersystems, das in 3 gezeigt ist, ist ein Trennverstärker 304 mit dem Ausgangsende der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische verbunden, und ein Trennverstärker 404 ist mit dem Ausgangsende der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische verbunden. Die Ausgänge des Trennverstärkers 304 und des Trennverstärkers 404 sind mit den Eingangsenden des Komparators für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung verbunden.
4 ist ein Diagramm, das die umgebenden Verbindungen zeigt, mit welchen die oben erwähnte Konfiguration implementiert ist. Die Wechselrichterschaltung 101 ist mit einer DC-Spannungsquelle 801 verbunden, und der Ausgang des Komparators 500 für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung ist mit einer Treiberschaltung 803 einer Halbleiter-Schalteinrichtung 802 verbunden, wie z. B. einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und einem Feldeffekttransistor (FET). Die Treiberschaltung 803 ist eine Steuerschaltung, die ein Treibersignal der Halbleiter-Schalteinrichtung 802 auf der Basis der Ausgabe aus dem Komparator 500 erzeugt. Die Ausgabe der Gate-Treiberleistung-Zuführungsschaltung 204 ist mit der Treiberschaltung 803 verbunden.
Als Nächstes wird der Betrieb des Gate-Treibersystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Zunächst wandelt die Wechselrichterschaltung 101, in welche DC-Energie aus der DC-Energieversorgung eingegeben wird, DC-Energie in AC-
Energie um, die aus deren Ausgangsanschluss ausgegeben werden soll. Rechteck-Spannungspulse, die aus der Wechselrichterschaltung 101 ausgegeben werden sollen, und deren harmonische Komponenten werden beschrieben. Die Wechselrichterschaltung 101 gibt Rechteckpulse aus, wie in 5 gezeigt.
Wenn die Energieversorgungsspannung, die an den Eingang der Wechselrichterschaltung 101 angelegt wird, mit E bezeichnet ist, eine Zeitdauer, über die die Wechselrichterschaltung 101 deren Ausgangsspannung E beibehält, mit δ [°] bezeichnet ist und die Winkelfrequenz mit ω bezeichnet ist, dann werden die Rechteck-Spannungspulse, die aus der Wechselrichterschaltung 101 ausgegeben werden sollen, durch die folgende Formel (1) dargestellt.
[Formel 1] $V_{i n v} = \begin{matrix} 4 \\ π \end{matrix} E \sum_{n - 1}^{ω} \begin{matrix} {(- 1)}^{n - 1} \\ 2 n - 1 \end{matrix} sin \begin{matrix} (2 n - 1) δ \\ 2 \end{matrix} sin [(2 n - 1) ω t]$
Formel (1) zeigt, dass die Rechteck-Spannungspulse, die aus der Wechselrichterschaltung 101 ausgegeben werden, harmonische Komponenten mit ungerader Ordnung enthalten, und zwar zusätzlich zu der Komponente der Treiberfrequenz (Grundwellenfrequenz) f_inv (= ω / 2π) der Wechselrichterschaltung. Es ist auch erkennbar, dass die harmonischen Komponenten ungerader Ordnung durch die Dauer δ gesteuert werden können, während welcher die Ausgangsspannung E beibehalten wird, die aus dem Wechselrichter ausgegeben wird, und dass eine spezifische harmonische Komponente bei der spezifischen Dauer δ zu Null wird. 6 zeigt die Amplituden der harmonischen Komponente einhergehend mit δ [°], wie aus Formel (1) erhalten. Wenn z.B. δ = 120° ist, dann wird die dritte harmonische Komponente Null.
Als Nächstes wird die Energieübertragung von der Energie-Übertragungsschaltung 100 an die Empfangsschaltung 200 für Gate-Treiber-Energie beschrieben. Die Energie, die aus der DC-Spannungsquelle 801 in die Energie-Übertragungsschaltung 100 eingegeben wird, wird in AC-Energie umgewandelt, und zwar mit der Treiberfrequenz f_inv der Wechselrichterschaltung 101, die der Energie-Übertragungsspule 102 zugeführt wird. Indem veranlasst wird, dass ein Strom in der Energie-Übertragungsspule 102 bei der Grundwellenfrequenz f_inv fließt, wird ein Hochfrequenz-Magnetfeld mit der Grundwellenfrequenz f_inv um die Energie-Übertragungsspule 102 herum erzeugt.
Dann wird das Hochfrequenz-Magnetfeld mit der ersten Energie-Empfangsspule 201 verkettet, so dass dadurch eine induzierte elektromotorische Kraft bei der Grundwellenfrequenz f_inv in der ersten Energie-Übertragungsspule 201 erzeugt wird, so dass die Energie auf kontaktlose Weise übertragen wird. Die Hochfrequenzenergie, die von der ersten Energie-Empfangsspule 201 empfangen wird, wird von der Gleichrichterschaltung 203 gleichgerichtet, so dass die Energie der Gate-Treiberleistung-Zuführungsschaltung 204 zugeführt wird.
Als Nächstes wird der Betrieb zum Übertragen eines Einschaltsignals an das Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung 802 unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben. 7 ist ein Timing-Diagramm, das die Wellenformen an Bereichen und den Übergang zwischen dem Einschaltzustand und dem Ausschaltzustand zeigt. Wenn ein Einschaltsignal an das Gate übertragen wird, so wird die Rechteckpuls-Spannung der Wechselrichterschaltung 101 so gesteuert, dass δ = θ_m ist, wo die m-te harmonische Komponente Null wird.
Zu dieser Zeit gibt es in dem Hochfrequenz-Magnetfeld, das um die Energie-Übertragungsspule 102 herum erzeugt wird, die Treiberfrequenz-Komponente f_inv der Wechselrichterschaltung 101, sowie harmonische Komponenten exklusive der m-ten harmonischen Komponente. Dadurch, dass diese Treiberfrequenz-Komponente die Grundwellen-Komponente der Hochfrequenzenergie ist, wird die Gate-Treiberleistung von der Energie-Übertragungsspule 102 zur Empfangsschaltung 200 für Gate-Treiber-Energie zugeführt.
Auch wird mit der n-ten harmonischen Komponente Energie von der Energie-Übertragungsspule 102 zur Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische zugeführt. Andererseits gilt: Da die m-te harmonische Komponente so eingestellt ist, dass sie Null ist, wird die zur Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische übertragene Leistung Null sein, oder sie wird kleiner werden als die Leistung, die der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische zugeführt wird.
In 7 stellen die Graphen in der zweiten Reihe die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische und die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische dar. In einem Zeitraum, während dessen der Betrieb unter der δ-Bedingung durchgeführt wird, die die m-te Harmonische zu Null macht, ist die Ausgabe aus der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische größer als die Ausgabe aus der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische.
Das Ausgangsende der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische und das Ausgangsende der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische sind mit dem Komparator 500 für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung verbunden, der die Größen der Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische und der Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische vergleicht.
Die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische ist größer als die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische, so dass der Komparator für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung einen hohen Pegel (ein) ausgibt. In 7 stellt der Graph in der dritten Reihe die Ausgabe des Komparators für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung dar.
Als Nächstes wird der Betrieb zum Übertragen eines Ausschaltsignals an das Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung 802 beschrieben. Wenn das Ausschaltsignal an das Gate übertragen wird, wird der Rechteck-Spannungspuls der Wechselrichterschaltung 101 gesteuert, so dass δ = θ_n ist, wo die n-te harmonische Komponente Null wird. Zu diesem Zeitpunkt gibt es in dem Hochfrequenz-Magnetfeld, das um die Energie-Übertragungsspule 102 herum erzeugt wird, die Treiberfrequenz-Komponente f_inv der Wechselrichterschaltung 101 sowie harmonische Komponenten exklusive der n-ten harmonischen Komponente.
Ähnlich wie bei dem Fall der Übertragung des Einschaltsignals, wird dadurch, dass die Treiberfrequenz-Komponente die Grundwellen-Komponente der Hochfrequenzenergie ist, die Gate-Treiberleistung von der Energie-Übertragungsspule 102 an die Empfangsschaltung 200 für Gate-Treiber-Energie zugeführt. Auch wird mit der m-ten harmonischen Komponente Energie von der Energie-Übertragungsspule 102 zur Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische zugeführt. Andererseits gilt: Da die n-te harmonische Komponente im Wesentlichen Null ist, wird die zur Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische übertragene Leistung Null sein, oder sie wird kleiner werden als die Leistung, die der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische zugeführt wird. Die Größen der Ausgabe aus der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische und der Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische werden verglichen.
Die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische ist größer als die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische, so dass der Komparator 500 für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung einen niedrigen Pegel (aus) ausgibt. Der Graph in der dritten Reihe in 7 zeigt den Übergang des Ausschaltzustands auf seiner rechten Seite von der Mitte. Durch die obigen Vorgänge ist es möglich, die Gate-Treiberleistung, das Gate-Einschaltsignal und das Gate-Ausschaltsignal auf kontaktlose Weise zu übertragen.
Als Nächstes werden die Vorteile des Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Gate-Treibersystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Gate-Treiberleistung, das Gate-Einschaltsignal und das Gate-Ausschaltsignal unter Verwendung einer einzelnen Energie-Übertragungsspule übertragen, und es benötigt keine Modulationsschaltungen. Dies ermöglicht es, dass das Gate-Treibersystem kleiner gemacht wird, wobei die Energieübertragung auf eine kontaktlose Weise ausgeführt wird.
Außerdem können das Einschaltsignal und das Ausschaltsignal von der Wellenform des Rechteck-Spannungspulses für die Wechselrichterschaltung 101 gesteuert werden, und folglich werden andere Schaltungen zum Überlagern von Signalen oder für deren Verarbeitung nicht benötigt. Dies ermöglicht die Kostenverringerung des Gate-Treibersystems. Da der Einschalt-/Ausschaltzustand des Gates bestimmt wird, indem die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung für n-te Harmonische und die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung für m-te Harmonische verglichen werden, ist es möglich, den Einschalt-/Ausschaltzustand selbst in dem Fall zu bestimmen, in welchem die Absolutwerte der von beiden Schaltungen empfangenen Energie variieren.
Selbst wenn sich die relative Position zwischen der Energie-Übertragungsspule und der Energie-Empfangsschaltung ändert, beeinflusst dies nicht die Funktion zum Übertragen von Gate-Signalen. Dies erweitert den Freiheitsgrad beim Positions-Entwurf. Aus dem gleichen Grund kann eine Positionsveränderung während der Energieübertragung toleriert werden.
Ausführungsform 2
Ein Gate-Treibersystem, das in Ausführungsform 2 beschrieben wird, hat eine Konfiguration, bei welcher es zusätzlich zu dem in Ausführungsform 1 gezeigten Gate-Treibersystem eine Einheit zum Schützen der Einrichtung gegen Überstrom aufweist. 8 zeigt die Konfiguration des Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 2. Eine Komponente in 8, die das gleiche Bezugszeichen trägt wie diejenige in 1 oder 4, ist eine Komponente, die die gleiche oder eine äquivalente ist wie in 1 oder 4. Daher wird deren Beschreibung weggelassen.
In dem in 8 gezeigten Gate-Treibersystem ist ein Schnell-Abschaltelement 600 mit dem Ausgangsende der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische verbunden. Auch ist das Gate oder die Basis des Schnell-Abschaltelements 600 mit einer Überstrom-Detektionsschaltung 700 verbunden, die den Strom überwacht, der durch die Halbleiter-Schalteinrichtung 802 fließt. Die Überstrom-Detektionsschaltung 700 kann einen Shunt-Widerstand oder einen Stromtransformator aufweisen.
Die Konfiguration der Überstrom-Detektionsschaltung ist nicht auf eine spezifische beschränkt, solange die Überstrom-Detektionsschaltung ein Signal ausgeben kann, wenn der Strom, der durch die Halbleiter-Schalteinrichtung 802 fließt, zu einem Überstrom wird, oder - genauer gesagt - einen im Voraus definierten Stromwert überschreitet.
Als Nächstes wird der Betrieb des Gate-Treibersystems gemäß Ausführungsform 2 beschrieben. Da der Betrieb zum Übertragen der Gate-Treiberleistung und die Vorgänge zum Übertragen von Einschalt-/Ausschaltsignalen die gleichen sind wie diejenigen in Ausführungsform 1, wird deren Beschreibung weggelassen.
Wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung 802 betrieben wird, fließt gelegentlich ein Überstrom durch die Halbleiter-Schalteinrichtung 802, so dass die Halbleiter-Schalteinrichtung 802 beschädigt wird. Eine Einheit zum Vermeiden einer solchen Beschädigung infolge von Überstrom ist dann vonnöten. Für den Fall, dass ein IGBT als die Halbleiter-Schalteinrichtung 802 verwendet wird, weist das Gate-Treibersystem eine Überstrom-Detektionsschaltung 700 für den Emitteranschluss des IGBT auf, wie in 8 gezeigt. Wenn die Überstrom-Detektionsschaltung 700 einen Überstrom detektiert, sendet sie ein Signal an das Schnell-Abschaltelement 600, das mit dem Ausgangsende der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische verbunden ist.
Dann nimmt das Schnell-Abschaltelement 600 den Einschaltzustand an, so dass die Ausgangsspannung der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische den niedrigen Pegel annimmt. Durch diese Vorgänge kann das Gate-Signal „aus“ annehmen, und zwar unmittelbar nach der Überstrom-Detektion, ohne auf das Ausschaltsignal von Seiten der Energieübertragung zu warten. Dies ermöglicht es, die Halbleiter-Schalteinrichtung 802 zu schützen.
Obwohl hier eine Konfiguration beschrieben ist, bei welcher das Schnell-Abschaltelement 600 in der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische bereitgestellt ist, ist es möglich - wie in 9 gezeigt - das Schnell-Abschaltelement 600 zur Verfügung zu stellen, das mit dem Ausgangsende des Komparators 500 für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung verbunden ist. Wenn die Überstrom-Detektionsschaltung 700 einen Überstrom detektiert, kann in diesem Fall das Gate-Signal „aus“ annehmen, und zwar unmittelbar nach der Überstrom-Detektion, indem veranlasst wird, dass das Schnell-Abschaltelement 600 in den Ausschaltzustand umschaltet. Dadurch wird es ermöglicht, die Halbleiter-Schalteinrichtung 802 vor der Zerstörung zu schützen.
Als Nächstes wird der Vorteil des Gate-Treibersystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Das Gate-Treibersystem gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung benötigt einen gewissen Zeitraum für das Gate-Signal, um zwischen den Einschalt-/Ausschaltzuständen umzuschalten. 10 zeigt die Umschaltzeit vom Einschaltzustand in den Ausschaltzustand. In dem Fall, in welchem das Gate-Signal von eingeschaltet zu ausgeschaltet umgeschaltet wird, wird δ des Rechteck-Spannungspulses, der aus der Wechselrichterschaltung 101 ausgegeben wird, von δ = θ_m, wo die m-te harmonische Komponente Null ist, zu δ = θ_n geändert, wo die n-te harmonische Komponente Null ist.
Im Ansprechen auf ein Verändern der Wellenform des Rechteck-Spannungspulses, der aus der Wechselrichterschaltung 101 ausgegeben wird, nimmt die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 300 für m-te Harmonische nach einer gewissen Verzögerung den hohen Pegel an, und die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 400 für n-te Harmonische nimmt nach einer gewissen Verzögerung den niedrigen Pegel an. Dadurch wird veranlasst, dass die Ausgabe aus dem Komparator für Einschalt-/Ausschalt-Bestimmung vom hohen zum niedrigen Pegel übergeht, so dass das Gate-Signal so umgeschaltet wird, dass es ausgeschaltet ist.
Wie oben beschrieben, gibt es eine gewisse Ansprechverzögerung der Schaltungen auf der Energie-Empfangsseite ausgehend von einem Ausschaltbefehl, der auf Seiten der Energieübertragung abgesetzt wird. Daher kann das Absetzen des Ausschalt-Befehls nach dem Detektieren des Überstroms zu spät zum Ausschalten des Gates sein. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Gate-Treiberleistung stets im Einschaltzustand oder im Ausschaltzustand zugeführt. Daher können die Überstrom-Detektion und der Gate-Ausschaltvorgang schnell durchgeführt werden, und zwar nur auf der Energie-Empfangsseite, ohne dass Vorgänge auf der Energie-Übertragungsseite notwendig wären.
Bezugszeichenliste

100: Energie-Übertragungsschaltung
101: Wechselrichterschaltung
102: Energie-Übertragungsspule
103: Kondensator
200: Empfangsschaltung für Gate-Treiber-Energie (Grundwellen-Empfangsschaltung)
201: erste Energie-Empfangsspule
202: erster Kondensator
203: Gleichrichterschaltung
204: Gate-Treiberleistung-Zuführungsschaltung
300: Energie-Empfangsschaltung für m-te Harmonische
301: zweite Energie-Empfangsspule
302: zweiter Kondensator
303: Gleichrichterschaltung
400: Energie-Empfangsschaltung für n-te Harmonische
401: dritte Energie-Empfangsspule
402: dritter Kondensator
403: Gleichrichterschaltung
500: Komparator
600: Schnell-Abschaltelement
700: Überstrom-Detektionsschaltung
801: DC Spannungsquelle
802: Halbleiter-Schalteinrichtung
803: Treiberschaltung

Claims

Gate-Treibersystem, das ein Treibersignal an eine Halbleiter-Schalteinrichtung (802) überträgt, und das Folgendes aufweist: - eine Wechselrichterschaltung (101) zum Zuführen von Hochfrequenzenergie inklusive einer Grundwellen-Komponente und mehreren harmonischen Komponenten, die jeweils unterschiedliche Frequenzen haben; - eine Energie-Übertragungsschaltung (100), die mit der Wechselrichterschaltung (101) verbunden ist und die Hochfrequenzenergie überträgt, die von der Wechselrichterschaltung (101) ausgegeben wird; - Energie-Empfangsschaltungen (200, 300, 400) zum individuellen Empfangen der Grundwellen-Komponente und der mehreren harmonischen Komponenten der Hochfrequenzenergie, die von der Energie-Übertragungsschaltung (100) übertragen wird; und - eine Steuerschaltung (803) zum Erzeugen eines Treibersignals für die Halbleiter-Schalteinrichtung (802) auf der Basis der mehreren harmonischen Komponente der Hochfrequenzenergie, die von den Energie-Empfangsschaltungen (200, 300, 400) empfangen wird.
Gate-Treibersystem nach Anspruch 1, wobei die Wechselrichterschaltung (101) die Hochfrequenzenergie inklusive einer Treiberfrequenz-Komponente der Wechselrichterschaltung (101) als die Grundwellen-Komponente zuführt, wobei die Hochfrequenzenergie - wenn m und n ganze Zahlen sind, die gleich groß wie oder größer als Eins sind und die voneinander verschieden sind - eine m-te harmonische Komponente der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung (101) und eine n-te harmonische Komponente der Treiberfrequenz-Komponente der Wechselrichterschaltung (101) als die mehreren harmonischen Komponenten aufweist, wobei die Energie-Empfangsschaltungen (200, 300, 400) Folgendes aufweisen: - eine Grundwellen-Empfangsschaltung (200), die eine erste Energie-Empfangsspule (201) und einen ersten Kondensator (202) aufweist, die so eingestellt sind, dass sie auf der Grundwellenfrequenz in Resonanz sind; - eine Energie-Empfangsschaltung (300) für m-te Harmonische, die eine zweite Energie-Empfangsspule (301) und einen zweiten Kondensator (302) aufweist, die so eingestellt sind, dass sie auf der m-ten Harmonischen der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung (101) in Resonanz sind; und - eine Energie-Empfangsschaltung (400) für n-te Harmonische, die eine dritte Energie-Empfangsspule (401) und einen dritten Kondensator (402) aufweist, die so eingestellt sind, dass sie auf der n-ten Harmonischen der Treiberfrequenz der Wechselrichterschaltung (101) in Resonanz sind, und - wobei die Steuerschaltung (803) einen Komparator (500) aufweist zum Vergleichen von Spannungen der Hochfrequenzenergie, die von der Energie-Empfangsschaltung (300) für m-te Harmonische und der Energie-Empfangsschaltung (400) für n-te Harmonische empfangen werden, und das Treibersignal zum Steuern des Ein- oder Ausschaltens der Halbleiter-Schalteinrichtung (802) auf der Basis des Vergleichsergebnisses mittels des Komparators (500) erzeugt.
Gate-Treibersystem nach Anspruch 2, wobei wenn die Wechselrichterschaltung (101) die Halbleiter-Schalteinrichtung (802) einschaltet, die Wechselrichterschaltung (101) eine Zeitdauer ihrer Ausgangsspannung so steuert, dass sie für die m-te harmonische Komponente der Hochfrequenzenergie Null ist, wobei die notwendige Dauer der Zeit um Voraus durch ein Konzept festgelegt ist, und wenn die Wechselrichterschaltung (101) die Halbleiter-Schalteinrichtung (802) ausschaltet, die Wechselrichterschaltung (101) eine Zeitdauer ihrer Ausgangsspannung so steuert, dass sie für die n-te harmonische Komponente der Hochfrequenzenergie Null ist, wobei die notwendige Dauer der Zeit um Voraus durch das Konzept festgelegt ist, und
Gate-Treibersystem nach Anspruch 3, wobei die Energie-Empfangsschaltung (300) für m-te Harmonische und die Energie-Empfangsschaltung (400) für n-te Harmonische deren jeweilige Gleichrichterschaltungen (303, 403) aufweisen, wobei eines der Ausgangsenden der Gleichrichterschaltung (303) der Energie-Empfangsschaltung (300) für m-te Harmonische mit einem der Ausgangsenden der Gleichrichterschaltung (403) der Energie-Empfangsschaltung (400) für n-te Harmonische verbunden ist und das gleiche elektrische Potential hat.
Gate-Treibersystem nach Anspruch 4, das ferner einen Schnell-Abschalt-Schalter (600) aufweist, der mit einem Ausgangsende der Gleichrichterschaltung (403) der Energie-Empfangsschaltung (400) für n-te Harmonische verbunden ist.
Gate-Treibersystem nach Anspruch 2, das ferner einen Schnell-Abschalt-Schalter (600) aufweist, der mit einem Ausgangsende des Komparators (500) verbunden ist.
Gate-Treibersystem nach Anspruch 5 oder 6, das ferner eine Überstrom-Detektionsschaltung (700) für die Halbleiter-Schalteinrichtung (802) aufweist, deren Ausgang mit einem Gate oder einer Basis des Schnell-Abschalt-Schalters (600) verbunden ist.