DE112018007618T5

DE112018007618T5 - Leistungsvorrichtungstreibergerät und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112018007618T5
Application number: DE112018007618.0T
Authority: DE
Inventors: Koichi Taguchi; Shoji Saito
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2021-01-28
Also published as: JP6977876B2; WO2019220544A1; JPWO2019220544A1; CN112088481A; US20200358362A1; US11563380B2

Abstract

Eine Steuereinheit (4) erzeugt ein Steuersignal. Eine Schaltvorrichtung (2) führt einen Schaltvorgang in Übereinstimmung mit dem Steuersignal aus und erzeugt eine Primärseiteneingangsspannung aus einer Versorgungsspannung. Ein Transformator (1) wandelt die Primärseiteneingangsspannung in eine Sekundärseitenausgangsspannung. Eine Treiberschaltung (7) steuert eine Leistungsvorrichtung (8) in Übereinstimmung mit der Sekundärseitenausgangsspannung an. Die Steuereinheit (4) beinhaltet eine Tabelle, welche eine Korrespondenzbeziehung zwischen Versorgungsspannungen und Vorgabewerten von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufführt, bezieht sich auf die Tabelle und erzeugt das Steuersignal, welches einen Vorgabewert aufweist, der mit der Versorgungsspannung korrespondiert.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsvorrichtungstreibergerät und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Hintergrund
Für Leistungsvorrichtungen werden eine höhere Funktionalität, eine höhere Genauigkeit und eine höhere Dichte gefordert. Selbst in einem IPM, in welchem eine Leistungsvorrichtung und ein Steuersubstrat integriert sind, ist eine weitere Verdichtung des Steuersubstrats zusammen mit einer Verdichtung der Leistungsvorrichtung erforderlich. Beispiele für Mittel zur Verdichtung des Steuersubstrats umfassen eine Integration, welche diskrete Teile in einen ASIC oder einen Mikrocontroller aufnimmt. Es bestehen Mittel zur Aufnahme eines dedizierten Energieversorgungs-ICs in den Mikrocontroller, zum Integrieren dieser in eine digitale Energieversorgung, um dadurch eine höhere Integration und eine höhere Funktionalität der Energieversorgungsgeräte zu erreichen (siehe z. B. PLT 1).
Zitierliste
Patentliteratur
PTL 1: JP 2009-195095 A
Zusammenfassung
Technisches Problem
Herkömmliche isolierende digitale Energieversorgungsgeräte verwenden einen Optokoppler oder eine Transformatorhilfswicklung, um eine Sekundärseitenausgangsspannung rückzukoppeln. Die Anforderung an eine solche Peripherieschaltung würde zu einem Problem hinsichtlich einer Kostenzunahme führen.
Die vorliegende Erfindung wurde umgesetzt, um das oben beschriebene Problem zu lösen und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungsvorrichtungstreibergerät und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereitzustellen, welche in der Lage sind, eine Kostenzunahme zu vermeiden.
Lösung des Problems
Ein Leistungsvorrichtungstreibergerät gemäß der vorliegenden Offenbarung weist auf: eine Steuereinheit, welche eine Steuersignal erzeugt; eine Schaltvorrichtung, welche einen Schaltvorgang in Übereinstimmung mit dem Steuersignal ausführt und eine Primärseiteneingangsspannung aus einer Versorgungsspannung erzeugt; einen Transformator, welcher die Primärseiteneingangsspannung in eine Sekundärseitenausgangsspannung wandelt; und eine Treiberschaltung, welche eine Leistungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Sekundärseitenausgangsspannung ansteuert, wobei die Steuereinheit eine Tabelle aufweist, welche eine Korrespondenzbeziehung zwischen Versorgungsspannungen und Vorgabewerten von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufführt, sich auf die Tabelle bezieht und das Steuersignal erzeugt, welches einen Vorgabewert aufweist, der mit der Versorgungsspannung korrespondiert.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die Steuereinheit bezieht sich in der vorliegenden Offenbarung auf die Tabelle, welche eine Korrespondenzbeziehung zwischen Versorgungsspannungen und Vorgabewerten von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufführt, erzeugt Steuersignale, welche Vorgabewerte aufweist, die mit der Versorgungsspannung korrespondieren und erzeugt eine Primärseiteneingangsspannung des Transformators aus der Versorgungsspannung in Übereinstimmung mit den Steuersignalen. Dies beseitigt die Notwendigkeit einer Peripherieschaltung, welche die Sekundärseitenausgangsspannung des Transformators rückkoppelt, und daher ist es möglich, eine Kostenzunahme zu verhindern.
Figurenliste

1 ist ein Schaltbild, welches ein Leistungsvorrichtungstreibergerät gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
2 ist ein Diagramm, welches die Tabelle gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
3 ist ein Flussdiagramm, welches Vorgänge der Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
4 ist ein Schaltbild, welches ein Leistungsvorrichtungstreibergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
5 ist ein Diagramm, welches eine Tabelle gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Leistungsvorrichtungstreibergerät und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden mit Bezug zu den Figuren beschrieben. Die gleichen Komponenten werden mittels der gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und deren wiederholte Beschreibung kann ausgelassen sein.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Schaltbild, welches ein Leistungsvorrichtungstreibergerät gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. Eine Primärseitenspule eines Transformators 1 und eine Schaltvorrichtung 2 sind zwischen einem Energieversorgungsanschluss und einem Masseanschluss in Reihe geschaltet. Ein Kondensator 3 ist parallel zur Primärseitenspule des Transformators 1 geschaltet.
Eine Steuereinheit 4 empfängt eine Versorgungsspannung und erzeugt ein Steuersignal. Das von der Steuereinheit 4 ausgegebene Steuersignal wird in ein Gate der Schaltvorrichtung 2 eingespeist. Die Schaltvorrichtung 2 führt Schaltvorgänge in Übereinstimmung mit dem Steuersignal aus und erzeugt eine Primärseiteneingangsspannung des Transformators 1 aus der Versorgungsspannung. Der Transformator 1 wandelt die Primärseiteneingangsspannung in eine Sekundärseitenausgangsspannung.
Ein Kondensator 5 ist parallel zu einer Sekundärseitenspule des Transformators 1 geschaltet. Die Sekundärseitenausgangsspannung des Transformators 1 wird über eine Diode 6 einer Treiberschaltung 7 zugeführt. Die Treiberschaltung 7 steuert eine Leistungsvorrichtung 8 in Übereinstimmung mit der Sekundärseitenausgangsspannung an. Die Leistungsvorrichtung 8 ist ein IGBT oder ein Leistungs-MOS-Transistor oder dergleichen. In einem Fall einer Unregelmäßigkeit wie einem Sekundärseitenausgangskurzschluss, wird ein Fehlersignal von der Treiberschaltung 7 ausgegeben. Dieses Fehlersignal wird in die Steuereinheit 4 auf der Primärseite über eine isolierende Vorrichtung 9 wie einen Optokoppler eingespeist.
Die Steuereinheit 4 umfasst eine Tabelle, in welcher eine Korrespondenzbeziehung zwischen Versorgungsspannungen und Vorgabewerten von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufgeführt sind. Die Steuersignale sind Pulsweitenmodulationssignale. Die Vorgabewerte der Steuersignale sind Tastverhältnisse des Pulsweitenmodulationssignals. 2 ist ein Diagramm, welches die Tabelle gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Die Steuereinheit 4 bezieht sich auf die Tabelle in 2 und erzeugt ein Steuersignal welches ein Tastverhältnis aufweist, das mit einer Versorgungsspannung korrespondiert. Dadurch ist es möglich, eine gewünschte Sekundärseitenausgangsspannung zu erhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit 4 durch eine Verarbeitungsschaltung wie eine CPU realisiert wird, welche ein Programm ausführt, das in einem Speicher oder einem System-LSI gespeichert ist. Darüber hinaus kann die oben beschriebene Funktion durch eine Mehrzahl von Verarbeitungsschaltungen ausgeführt werden, die in Kooperation betrieben werden.
3 ist ein Flussdiagramm, welches Vorgänge der Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Zunächst empfängt die Steuereinheit 4 eine Versorgungsspannung (Schritt S1). Als Nächstes bezieht sich die Steuereinheit 4 auf die Tabelle (Schritt S2) und bestimmt ein Tastverhältnis eines Steuersignals, welches mit der Versorgungsspannung korrespondiert (Schritt S3), und gibt das Steuersignal, welches das Tastverhältnis aufweist, aus (Schritt S4). Als Nächstes empfängt die Steuereinheit 4 ein Fehlersignal, welches von der Sekundärseite zur Primärseite immer dann übertragen wird, wenn das Tastverhältnis des Steuersignals bestimmt wird (Schritt S5). Die Steuereinheit 4 bestimmt die Anwesenheit oder die Abwesenheit des Fehlersignals (Schritt S6), und beendet die Ausgabe des Steuersignals im Falle einer Unregelmäßigkeit, aufgrund welcher das Fehlersignal übertragen wird, um das Leistungsvorrichtungstreibergerät zu schützen (Schritt S7).
Die Steuereinheit 4 bezieht sich in der vorliegenden Ausführungsform wie oben beschrieben auf die Tabelle, welche eine Korrespondenzbeziehung zwischen Versorgungsspannungen und Vorgabewerten von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufführt, erzeugt Steuersignale, welche Vorgabewerte aufweisen, die mit der Versorgungsspannung korrespondieren und erzeugt eine Primärseiteneingangsspannung des Transformators 1 aus der Versorgungsspannung in Übereinstimmung mit den Steuersignalen. Dies beseitigt die Notwendigkeit einer Peripherieschaltung, welche die Sekundärseitenausgangsspannung des Transformators 1 rückkoppelt, und daher ist es möglich, eine Kostenzunahme zu verhindern. Da ferner keine Rückkopplungsverarbeitungszeit erzeugt wird, wird ein Ansprechverhalten ebenfalls verbessert.
In dem Leistungsvorrichtungstreibergerät sind eine Versorgungsspannung und eine Treiberlast der Leistungsvorrichtung 8 große Schwankungsfaktoren der Sekundärseitenausgangsspannung. Insbesondere bezüglich einer fahrzeugmontierten Antriebsenergieversorgung liegt eine Schwankungsbreite der Versorgungsspannung in der Größenordnung von 8 bis 16 V und es liegt keine drastische Schwankung der Versorgungsspannung vor. Daher kann selbst die Steuerung unter Verwendung einer Tabelle wie im Fall der vorliegenden Ausführungsform Schwankungen der Versorgungsspannung handhaben. Indem in Anbetracht einer Abnahme der Ausgangsspannung während der Ansteuerung der Leistungsvorrichtung eine relativ höhere Ausgangsspannung im Vorfeld festgelegt wird, ist es darüber hinaus möglich, Schwankungen der Treiberlast der Leistungsvorrichtung zu handhaben.
Zweite Ausführungsform
4 ist ein Schaltbild, welches ein Leistungsvorrichtungstreibergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht. In der ersten Ausführungsform werden der Steuereinheit 4 lediglich Versorgungsspannungen zugeführt, während in der vorliegenden Ausführungsform auch eine Trägerfrequenz, welche eine Treiberlastinformation der Leistungsvorrichtung 8 ist, zugeführt wird. 5 ist ein Diagramm, welches eine Tabelle gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. In der Tabelle sind Versorgungsspannungen, Trägerfrequenzen von Leistungsvorrichtungen und Tastverhältnisse von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufgeführt. Die Steuereinheit 4 bezieht sich auf die Tabelle in 5 und erzeugt ein Steuersignal, welches ein Tastverhältnis aufweist, das mit der Versorgungsspannung und der Trägerfrequenz der Leistungsvorrichtung korrespondiert. Dies ermöglicht es, Ausgangslastschwankungen zu handhaben. Die anderen Komponenten und Effekte sind ähnlich jenen der ersten Ausführungsform.
Die Tabellen in den ersten und zweiten Ausführungsformen sind auf Basis experimenteller Ergebnisse festgelegt. In einem Überprüfungsschritt während der Herstellung des Leistungsvorrichtungsgerätes, kann die Sekundärseitenausgangsspannung jedoch überprüft werden, während die der Steuereinheit 4 zugeführte Versorgungsspannung verändert wird, und die Tabelle kann derart festgelegt sein, dass die Sekundärseitenausgangsspannung einer gewünschten Spannung entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, Schwankungen von Charakteristiken in den Komponenten zu beseitigen und ein genaueres Energieversorgungsgerät zu realisieren.
Die Leistungsvorrichtung 8 ist nicht auf eine aus Silizium ausgebildete Vorrichtung beschränkt, stattdessen kann sie aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke ausgebildet sein, der eine breitere Bandlücke aufweist, als die von Silizium. Der Halbleiter mit der breiten Bandlücke ist zum Beispiel ein Siliziumkarbid, ein Galliumnitrid-basiertes Material, oder Diamant. Eine aus einem solchen Halbleiter mit einer breiten Bandlücke ausgebildete Leistungsvorrichtung 8 weist eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe erlaubte Stromdichte auf, und kann folglich miniaturisiert werden. Die Verwendung einer solchen miniaturisierten Leistungsvorrichtung 8 ermöglicht die Miniaturisierung und Hochintegration des Halbleitermoduls, in welches die Leistungsvorrichtung 8 eingebettet wird. Da die Leistungsvorrichtung 8 ferner eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, kann eine Abstrahllamelle eines Kühlkörpers miniaturisiert werden und ein wassergekühlter Teil kann luftgekühlt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung des Halbleitermoduls führt. Da die Leistungsvorrichtung 8 darüber hinaus einen geringen Leistungsverlust und einen hohen Wirkungsrad aufweist, kann ein Halbleitermodul mit einem hohen Wirkungsgrad erzielt werden.
Bezugszeichenliste

1: Transformator
2: Schaltvorrichtung
4: Steuereinheit
7: Treiberschaltung
8: Leistungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2009195095 A [0003]

Claims

Leistungsvorrichtungstreibergerät aufweisend: • eine Steuereinheit, welche eine Steuersignal erzeugt; • eine Schaltvorrichtung, welche einen Schaltvorgang in Übereinstimmung mit dem Steuersignal ausführt und eine Primärseiteneingangsspannung aus einer Versorgungsspannung erzeugt; • einen Transformator, welcher die Primärseiteneingangsspannung in eine Sekundärseitenausgangsspannung wandelt; und • eine Treiberschaltung, welche eine Leistungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Sekundärseitenausgangsspannung ansteuert, • wobei die Steuereinheit eine Tabelle beinhaltet, welche eine Korrespondenzbeziehung zwischen Versorgungsspannungen und Vorgabewerten von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufführt, sich auf die Tabelle bezieht und das Steuersignal erzeugt, welches einen mit der Versorgungsspannung korrespondierenden Vorgabewert aufweist.
Leistungsvorrichtungstreibergerät nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit das Steuersignal ohne eine Rückkopplung der Sekundärseitenausgangsspannung erzeugt.
Leistungsvorrichtungstreibergerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei • das Steuersignal ein Pulsweitenmodulationssignal ist, und • die Tabelle eine Korrespondenzbeziehung zwischen Versorgungsspannungen und Tastverhältnissen von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufführt.
Leistungsvorrichtungstreibergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei • die Tabelle Versorgungsspannungen, Treiberlastinformationen von Leistungsvorrichtungen und Vorgabewerte von Steuersignalen zum Erhalten einer gewünschten Sekundärseitenausgangsspannung aufführt, und • sich die Steuereinheit auf die Tabelle bezieht und das Steuersignal erzeugt, welches einen Vorgabewert aufweist, der mit der Versorgungsspannung und der Treiberlastinformation der Leistungsvorrichtung korrespondiert.
Verfahren zur Herstellung des Leistungsvorrichtungstreibergerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sekundärseitenausgangsspannung überwacht wird, während die an der Steuereinheit anliegende Versorgungsspannung verändert wird, und wobei die Tabelle derart festgelegt wird, dass die Sekundärseitenausgangsspannung einer gewünschten Spannung entspricht.