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Technisches Gebiet
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Die hier diskutierten Ausführungsformen beziehen sich auf ein Stromversorgungsmodul mit einer eingebauten Ansteuerschaltung und insbesondere auf ein Stromversorgungsmodul mit einer eingebauten Ansteuerschaltung, die ein Halbleiterschaltelement zur Leistungsumsetzung, wie z. B. einen Motoransteuerungs-Wechselrichter oder einen DC-DC-Umsetzer, und eine Ansteuerschaltung, die das Schaltelement ansteuert, integriert.
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Stand der Technik
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Mit Motoransteuerungs-Wechselrichtern wird ein Stromversorgungsmodul verwendet, das mehrere Kombinationen aus einer Halbbrückenschaltung, die aus zwei in Reihe verbundenen Schaltelementen besteht, und eine Ansteuerschaltung, die das Ein-Aus der Schaltelemente steuert, enthält.
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5 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel der Struktur eines Stromversorgungsmoduls darstellt, das in einem Dreiphasenmotor-Ansteuerungswechselrichter verwendet wird. 6 stellt Schaltwellenformen dar, die erhalten werden, wenn ein Schaltelement des unteren Zweigs abgeschaltet wird. 6(A) stellt Schaltwellenformen dar, die zur Zeit eines Normalbetriebs erhalten werden, und 6(B) stellt Schaltwellenformen dar, die zur Zeit eines anomalen Betriebs erhalten werden.
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Ein in 5 dargestelltes Stromversorgungsmodul 100 ist ein Leistungswandler, der einem Dreiphasenmotor 200 Wechselstrom zuführt. Dementsprechend enthält das Stromversorgungsmodul 100 drei Halbbrückenschaltungen für die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase. Eine U-Phasen-Halbbrückenschaltung besteht aus den Schaltelementen 101 und 102. Eine V-Phasen-Halbbrückenschaltung besteht aus den Schaltelementen 103 und 104. Eine W-Phasen-Halbbrückenschaltung besteht aus den Schaltelementen 105 und 106. Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und eine Freilaufdiode, die mit Kollektor- und Emitteranschlüssen des IGBT antiparallel dazu verbunden sind, sind als jedes der Schaltelemente 101 bis 106 verwendet. Ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) kann als jedes der Schaltelemente 101 bis 106 verwendet sein.
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Ein Kollektoranschluss des Schaltelements 101, das in dem oberen Zweig der U-Phasen-Halbbrückenschaltung enthalten ist, ist mit einem P-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Der P-Anschluss ist mit einem Anschluss der positiven Elektrode VDC(+) einer Gleichstromquelle verbunden. Ein Emitteranschluss des Schaltelements 101 ist mit einem Kollektoranschluss des Schaltelements 102, das in dem unteren Zweig der U-Phasen-Halbbrückenschaltung enthalten ist, und einem U-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Der U-Anschluss ist mit einem U-Phasen-Anschluss des Dreiphasenmotors 200 verbunden.
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Ein Kollektoranschluss des Schaltelements 103, das in dem oberen Zweig der V-Phasen-Halbbrückenschaltung enthalten ist, ist mit dem P-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Ein Emitteranschluss des Schaltelements 103 ist mit einem Kollektoranschluss des Schaltelements 104, das in dem unteren Zweig der U-Phasen-Halbbrückenschaltung enthalten ist, und einem V-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Der V-Anschluss ist mit einem V-Phasen-Anschluss des Dreiphasenmotors 200 verbunden.
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Ein Kollektoranschluss des Schaltelements 105, das in dem oberen Zweig der W-Phasen-Halbbrückenschaltung enthalten ist, ist mit dem P-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Ein Emitteranschluss des Schaltelements 105 ist mit einem Kollektoranschluss des Schaltelements 106, das in dem unteren Arm der W-Phasen-Halbbrückenschaltung enthalten ist, und einem W-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Der W-Anschluss ist mit einem W-Phasen-Anschluss des Dreiphasenmotors 200 verbunden.
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Ein Gate-Anschluss des Schaltelements 101, das in dem oberen U-Phasenzweig enthalten ist, ist mit einem OUT-Anschluss eines oberen Ansteuerschaltungszweigs 111 verbunden. Der Emitteranschluss des Schaltelements 101 ist mit einem VS-Anschluss des oberen Ansteuerschaltungszweigs 111 verbunden.
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Ein Gate-Anschluss des Schaltelements 103, das in dem oberen V-Phasenzweig enthalten ist, ist mit einem OUT-Anschluss eines oberen Ansteuerschaltungszweigs 112 verbunden. Der Emitteranschluss des Schaltelements 103 ist mit einem VS-Anschluss des oberen Ansteuerschaltungszweigs 112 verbunden.
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Ein Gate-Anschluss des Schaltelements 105, das in dem oberen W-Phasenzweig enthalten ist, ist mit einem OUT-Anschluss eines oberen Ansteuerschaltungszweigs 113 verbunden. Der Emitteranschluss des Schaltelements 105 ist mit einem VS-Anschluss des oberen Ansteuerschaltungszweigs 113 verbunden.
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Ein Gate-Anschluss des Schaltelements 102, das in dem unteren U-Phasenzweig enthalten ist, ist mit einem UOUT-Anschluss eines unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 verbunden. Ein Emitteranschluss des Schaltelements 102 ist mit einem NU-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden.
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Ein Gate-Anschluss des Schaltelements 104, das in dem unteren V-Phasenzweig enthalten ist, ist mit einem VOUT-Anschluss des unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 verbunden. Ein Emitteranschluss des Schaltelements 104 ist mit einem NV-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden.
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Ein Gate-Anschluss des Schaltelements 106, das in dem unteren W-Phasenzweig enthalten ist, ist mit einem WOUT-Anschluss der unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 verbunden. Ein Emitteranschluss des Schaltelements 106 ist mit einem NW-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden.
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Der NU-Anschluss, der NV-Anschluss und der NW-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 sind außerhalb des Stromversorgungsmoduls 100 zusammengelegt und sind mit einem Anschluss eines Stromdetektionsnebenschlusswiderstands 121 verbunden. Der andere Anschluss des Nebenschlusswiderstands 121 ist mit einem negativen Elektrodenanschluss VDC(-) der Gleichstromquelle verbunden. Darüber hinaus ist der eine Anschluss des Nebenschlusswiderstands 121 mit einem Anschluss eines Widerstands 122 verbunden. Der andere Anschluss des Widerstands 122 ist mit einem Anschluss eines Kondensators 123, einem Kathodenanschluss einer Diode 124 und einem IS-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Der andere Anschluss des Kondensators 123 ist mit Masse einer Leiterplatte, auf der das Stromversorgungsmodul 100 montiert ist, verbunden. Ein Anodenanschluss der Diode 124 ist mit der Masse der Leiterplatte verbunden. Der IS-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 ist mit einem IS-Anschluss des unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 verbunden.
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Darüber hinaus ist der andere Anschluss des Nebenschlusswiderstands 121 über eine Masseverdrahtung 125 der Leiterplatte mit einem COM-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Der COM-Anschluss des Stromversorgungsmoduls 100 ist mit der Masse der Leiterplatte verbunden. In dem Stromversorgungsmodul 100 ist der COM-Anschluss mit GND-Anschlüssen der oberen Ansteuerschaltungszweige 111, 112 und 113 und einem GND-Anschluss des unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 verbunden.
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Zusätzlich weist das Stromversorgungsmodul 100 einen IN(HU)-Anschluss, einen IN(HV)-Anschluss, einen IN(HW)-Anschluss, einen IN(LU)-Anschluss, einen IN(LV)-Anschluss und einen IN(LW)-Anschluss auf, an denen das Stromversorgungsmodul 100 ein Steuersignal von einer oberen Steuereinheit empfängt. Der IN(HU)-Anschluss ist mit einem IN-Anschluss des oberen Ansteuerschaltungszweigs 111 verbunden. Der IN(HV)-Anschluss ist mit einem IN-Anschluss des oberen Ansteuerschaltungszweigs 112 verbunden. Der IN(HW)-Anschluss ist mit einem IN-Anschluss des oberen Ansteuerschaltungszweigs 113 verbunden. Der IN(LU)-Anschluss, der IN(LV)-Anschluss und der IN(LW)-Anschluss sind mit einem UIN-Anschluss, einem VIN-Anschluss bzw. einem WIN-Anschluss des unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 verbunden.
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Mit dem Stromversorgungsmodul 100 steuert der obere Ansteuerschaltungszweig 111, 112 oder 113 das Ein-Aus des Schaltelements 101, 103 oder 105 durch ein Steuersignal, das in den IN(HU)-Anschluss, den IN(HV)-Anschluss oder den IN(HW)-Anschluss eingegeben wird. Ähnlich steuert, wenn ein Steuersignal in den IN(LU)-Anschluss, den IN(LV)-Anschluss oder den IN(LW)-Anschluss eingegeben wird, der untere Ansteuerschaltungszweig 114 das Ein-Aus des Schaltelements 102, 104 oder 106.
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Wenn eines der Schaltelemente 102, 106 und 106 durch den unteren Ansteuerschaltungszweig 114 eingeschaltet wird, fließt ein Strom, der durch das Schaltelement 102, 104 oder 106 fließt, über den Nebenschlusswiderstand 121 zu dem negativen Elektrodenanschluss VDC(-) der Gleichstromquelle. Zu dieser Zeit wird der Strom, der durch das Schaltelement 102, 104 oder 106 fließt, durch den Nebenschlusswiderstand 121 in ein Spannungssignal umgesetzt und zu dem unteren Ansteuerschaltungszweig 114 rückgekoppelt. Der untere Ansteuerschaltungszweig 114 überwacht das Spannungssignal, das zu dem IS-Anschluss rückgekoppelt ist, und detektiert einen Überstrom und einen Kurzschluss des Schaltelements 102, 104 oder 106.
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Das Stromversorgungsmodul 100 detektiert auf diese Weise einen Überstrom und einen Kurzschluss des Schaltelements 102, 104 oder 106 des unteren Zweigs durch die Verwendung des Nebenschlusswiderstands 121. Dementsprechend sind der NU-Anschluss, die NV-Anschlüsse und der NW-Anschluss, die masseseitige Anschlüsse der Schaltelemente 102, 104 bzw. 106 des unteren Zweigs sind, und der COM-Anschluss, der ein masseseitiger Anschluss der Ansteuerschaltungen 111, 112 und 113 des oberen Zweigs sind, und der untere Ansteuerschaltungszweig 114 nicht innerhalb des Stromversorgungsmoduls 100 sondern außerhalb des Stromversorgungsmoduls 100 verbunden. Diese Verbindung wird durch die Masseverdrahtung 125 hergestellt, die um das Stromversorgungsmodul 100 auf der Leiterplatte geführt und gebildet ist. Als ein Ergebnis enthält die Ansteuerimpedanz des unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 die Gate-Emitter-Impedanz des Schaltelements 102, 104 oder 106, die Impedanz des Nebenschlusswiderstands 121, die Impedanz der Masseverdrahtung 125 und die Impedanz einer internen Verdrahtung zwischen dem COM-Anschluss und dem GND-Anschluss des unteren Ansteuerschaltungszweigs 114.
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Die Masseverdrahtung 125 ist im Vergleich mit einer internen Verdrahtung des unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 lang. Das heißt, die Impedanz der Masseverdrahtung 125 enthält viele Widerstandskomponenten, Kapazitätskomponenten und Induktivitätskomponenten. Als ein Ergebnis ist die Ansteuerimpedanz des unteren Ansteuerschaltungszweigs 114 hoch. Der Einfluss der Masseverdrahtung 125 wird mit einem Anstieg der Schaltfrequenz des Schaltelements 102, 104 oder 106 stärker. Darüber hinaus gibt es eine Tendenz, wenn ein Strom, der durch das Schaltelement 102, 104 oder 106 fließt, ansteigt, dass durch den Einfluss der Masseverdrahtung 125 eine parasitäre Oszillation einer Gate-Spannung (Gate-Emitter-Spannung) auftritt. Ein Fall, in dem keine parasitäre Oszillation auftritt, das heißt, wo normaler Betrieb ausgeführt wird, und ein Fall, in dem parasitäre Oszillation auftritt, das heißt wo anomaler Betrieb ausgeführt wird, werden jetzt unter Verwendung der in den 6(A) und 6(B) dargestellten Schaltwellenformen beschrieben.
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In 6(A) oder 6(B) sind eine Gate-Emitter-Spannung Vge, ein Kollektorstrom Ic und eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce des Schaltelements 102, 104 oder 106 durch eine gestrichelte Linie, eine dünne Linie bzw. eine dicke Linie angegeben.
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Wenn das Schaltelement 102, 104 oder 106 eingeschaltet wird und ein Strom mit einem Wert kleiner als oder gleich einem Nennstromwert fließt, ändert sich die Gate-Emitter-Spannung Vge, der Kollektorstrom Ic oder die Kollektor-Emitter-Spannung Vce nicht signifikant, wie in 6(A) dargestellt ist. Zu dieser Zeit ist der Einfluss der Masseverdrahtung 125 klein. Die Gate-Emitter-Spannung Vge fällt, um das Schaltelement 102, 104 oder 106 auszuschalten. Zu dieser Zeit nimmt der Kollektorstrom Ic ab und wird stabil. Zusätzlich steigt zu dieser Zeit die Kollektor-Emitter-Spannung Vce an und wird stabil.
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Andererseits gibt es einen Fall, in dem dann, wenn das Schaltelement 102, 106 oder 106 eingeschaltet wird, ein Zustand, in dem Strom mit einem Wert größer als ein Nennstromwert fließt, wiederholt wird. In einem solchen Fall kann die parasitäre Oszillation der Gate-Emitter-Spannung Vge, die in 6(B) dargestellt ist, plötzlich zu einer Zeit auftreten, zu der das Schaltelement 102, 104 oder 106 ausgeschaltet wird. Falls diese parasitäre Oszillation auftritt, dann wird ein Zustand, in dem das Schaltelement 102, 104 oder 106 fälschlicherweise eingeschaltet wird, in einer Zeitspanne entstehen, für die das Schaltelement 102, 104 oder 106 in einem Auszustand sein soll, und das Schaltelement 102, 104 oder 106 kann in einer kurzen Zeitspanne unterbrechen. Selbst wenn ein Strom, der einen Wert größer als der Nennstromwert aufweist, fließt, wenn das Schaltelement 102, 104 oder 106 eingeschaltet wird, werden die in 6(A) dargestellten Schaltwellenformen erhalten zu der Zeit des Schaltens einen Zyklus vor dem Auftreten der parasitären Oszillation, die in 6(B) dargestellt ist.
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Eine Technik zum Unterdrücken der vorstehenden parasitären Oszillation einer Gate-Spannung ist bekannt (siehe beispielsweise PTL1). Mit PTL1 wird parasitäre Oszillation beispielsweise auf die folgende Weise unterdrückt. Frequenzabhängige Widerstandselemente werden zwischen einem Source-Ausgangsanschluss einer Ansteuerschaltung und einem Gate-Anschluss eines Schaltelements und zwischen einem Sync-Ausgangsanschluss der Ansteuerschaltung und dem Gate-Anschluss des Schaltelements angeordnet. Der ansteigende Betrieb und der abfallende Betrieb des Schaltelements werden individuell optimiert.
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Entgegenhaltungsliste
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Patentliteratur
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PTL1: Japanisches offengelegtes Patent Veröffentlichungs-Nr. 2016-197821
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Falls jedoch parasitäre Oszillation durch die in PTL1 offenbarte Technik unterdrückt wird, werden zwei frequenzabhängige Widerstandselemente für jedes Schaltelement benötigt. Zusätzlich ist die Größe eines frequenzabhängigen Widerstandselements selbst groß. Als ein Ergebnis wird die Größe eines Stromversorgungsmoduls selbst größer.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das vorstehende Problem gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Stromversorgungsmodul mit einer eingebauten Ansteuerschaltung zu schaffen, die parasitäre Oszillation einer Gate-Spannung zu einer Ausschaltzeit, die durch einen Strom, der durch ein Schaltelement fließt und einen Wert größer als einen Nennstromwert aufweist, verursacht wird, unterdrückt, ohne die Größe zu vergrößern.
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Lösung der Aufgabe
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Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, wird ein Stromversorgungsmodul mit einer eingebauten Ansteuerschaltung geschaffen, die eine Halbbrückenschaltung, die ein erstes Schaltelement, das in einem oberen Zweig enthalten ist, und ein zweites Schaltelement, das in einem unteren Zweig enthalten ist, aufweist, einen oberer Ansteuerschaltungszweig, der das erste Schaltelement ansteuert, und unterer Ansteuerschaltungszweig, der das zweite Schaltelement ansteuert, enthält. Das Stromversorgungsmodul mit der eingebauten Ansteuerschaltung enthält einen leistungsseitigen Masseanschluss auf einer Masseseite des zweiten Schaltelements, einen Masseanschluss auf einer ersten Seite der Ansteuerschaltung, der über eine gewöhnliche Masseverdrahtung mit dem leistungsseitigen Masseanschluss verbunden ist, einen Masseanschluss auf einer zweiten Seite der Ansteuerschaltung, der über eine Masseverdrahtung, die einen Dumping-Widerstand enthält, mit dem leistungsseitigen Masseanschluss verbunden ist, eine Stromdetektionsschaltung, die einen Strom detektiert, der durch das zweite Schaltelement fließt, und eine Masseumschaltsteuerschaltung, die Umschalten gemäß einem Stromwert, der durch die Stromdetektionsschaltung detektiert wird, ausführt, um einen Masseanschluss des unteren Schaltelementzweigs mit dem Masseanschluss auf der ersten Seite der Ansteuerschaltung oder dem Masseanschluss auf der zweiten Seite der Ansteuerschaltung zu verbinden.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Mit dem Stromversorgungsmodul mit der eingebauten Ansteuerschaltung, die die vorstehende Struktur aufweist, wird die Ansteuerimpedanz hoch, wenn ein Strom, der einen Wert größer als ein Nennstromwert aufweist, durch das Schaltelement fließt. Dadurch wird der Wert eines Stroms, der durch das Schaltelement fließt, gehalten. Dementsprechend wird parasitäre Oszillation zu einer Ausschaltzeit unterdrückt.
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, die zusammen mit den begleitenden Zeichnungen gegeben ist, die bevorzugte Ausführungsformen als ein Beispiel der vorliegenden Erfindung angeben, offensichtlich.
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Figurenliste
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- [1] 1 ist ein Schaltplan, der einen Teil eines intelligenten Stromversorgungsmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
- [2] 2 stellt eine Änderung des Schaltverlusts zu einer Ausschaltzeit in Bezug auf einen Kollektorstrom eines Schaltelements dar.
- [3] 3 stellt Schaltwellenformen eines Schaltelements zu einer Ausschaltzeit dar, wobei 3(A) Schaltwellenformen darstellt, die in einem Fall erhalten werden, wenn der Dumping-Widerstand nicht enthalten ist, und 3(B) Schaltwellenformen darstellt, die in einem Fall erhalten werden, wenn ein Dumping-Widerstand enthalten ist.
- [4] 4 ist ein Schaltplan, der einen Teil eines intelligenten Stromversorgungsmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
- [5] 5 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel der Struktur eines Stromversorgungsmoduls darstellt, das in einem Dreiphasenmotor-Ansteuerungswechselrichter verwendet wird.
- [6] 6 stellt Schaltwellenformen dar, die erhalten werden, wenn ein Schaltelement des unteren Zweigs abgeschaltet wird, wobei 6(A) Schaltwellenformen darstellt, die zur Zeit eines Normalbetriebs erhalten werden, und 6(B) Schaltwellenformen darstellt, die zur Zeit eines anomalen Betriebs erhalten werden.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ausführungsformen werden jetzt durch Bezugnahme auf die Zeichnungen mit einem Fall, in dem die vorliegende Offenbarung auf ein intelligentes Dreiphasenmotoransteuerungs-Stromversorgungsmodul angewandt ist, als ein Beispiel beschrieben. Komponenten in den Zeichnungen, die durch die gleichen Bezugszeichen angegeben sind, sind gleich. Darüber hinaus können, solange keine Inkonsistenten auftreten, mehrere Ausführungsformen teilweise kombiniert und implementiert sein.
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1 ist ein Schaltplan, der einen Teil eines intelligenten Stromversorgungsmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt. 2 stellt eine Änderung des Schaltverlusts zu einer Ausschaltzeit in Bezug auf einen Kollektorstrom eines Schaltelements dar. 3 stellt Schaltwellenformen dar, die erhalten werden, wenn ein Schaltelement abgeschaltet wird. 3(A) stellt Schaltwellenformen dar, die in einem Fall erhalten werden, wenn kein Dumping-Widerstand verwendet ist. 3(B) stellt Schaltwellenformen dar, die in einem Fall erhalten werden, wenn ein Dumping-Widerstand verwendet ist.
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Ein in 1 dargestelltes intelligentes Stromversorgungsmodul 10 enthält einen unteren Ansteuerschaltungszweig 11, ein Schaltelement 12, das in einer U-Phase des unteren Zweigs enthalten ist, ein Schaltelement, das in einer V-Phase des unteren Zweigs enthalten ist, und ein Schaltelement, das in einer W-Phase des unteren Zweigs enthalten ist. Darüber hinaus enthält das intelligente Stromversorgungsmodul 10 eine Stromdetektionsschaltung 15 und eine Masseumschaltsteuerschaltung 16. Jedes der Schaltelemente 12, 13 und 14 ist ein IGBT. Eine Freilaufdiode 12a ist mit Kollektor- und Emitter-Anschlüssen der Schaltelemente 12 antiparallel dazu verbunden. Ähnlich ist eine Freilaufdiode 13a mit Kollektor- und Emitter-Anschlüssen der Schaltelemente 13 antiparallel dazu verbunden. Eine Freilaufdiode 14a ist mit Kollektor- und Emitter-Anschlüssen der Schaltelemente 14 antiparallel dazu verbunden. Zusätzlich enthält jedes der Schaltelemente 12, 13 und 14 ein Stromerfassungselement, das einen Strom proportional zu einem Kollektorstrom indirekt detektiert. Mit jedem der Schaltelemente 12, 13 und 14 in 1 sind ein IGBT-Hauptelement und ein Stromerfassungselement durch ein IGBT-Symbol angegeben, und nur ein Emitteranschluss ist in einen Emitteranschluss des IGBT-Hauptelements und einen Erfassungs-Emitteranschluss des Stromerfassungselements getrennt.
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Der untere Ansteuerschaltungszweig 11 weist einen UIN-Anschluss, einen VIN-Anschluss, einen WIN-Anschluss, einen UOUT-Anschluss, einen VOUT-Anschluss, einen WOUT-Anschluss und einen GND-Anschluss auf. Der UIN-Anschluss, der VIN-Anschluss und der WIN-Anschluss sind Eingangsanschlüsse für Signale zum Steuern der Schaltelemente 12, 13 bzw. 14, die in den unteren Zweigen enthalten sind. Der UOUT-Anschluss, der VOUT-Anschluss und der WOUT-Anschluss sind Ausgangsanschlüsse, die mit Gate-Anschlüssen der Schaltelemente 12, 13 bzw. 14 verbunden sind.
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Die Kollektoranschlüsse der Schaltelemente 12, 13 und 14 sind mit einem U-Anschluss, einem V-Anschluss bzw. einem W-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 verbunden. Die Emitteranschlüsse der Schaltelemente 12, 13 und 14 sind mit einem NU-Anschluss, einem NV-Anschluss bzw. einem NW-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10, die leistungsseitige Masseanschlüsse sind, verbunden. Die Erfassungsemitteranschlüsse der Schaltelemente 12, 13 und 14 sind mit der Stromdetektionsschaltung 15 verbunden.
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Die Stromdetektionsschaltung 15 enthält die Stromdetektionswiderstände 17, 18 und 19, die Komparatoren 20, 21 und 22 und eine OR-Schaltung 23. Ein Anschluss des Stromdetektionswiderstands 17 ist mit dem Erfassungsemitteranschluss des Schaltelements 12 und einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 20 verbunden. Ein Anschluss des Stromdetektionswiderstands 18 ist mit dem Erfassungsemitteranschluss des Schaltelements 13 und einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 21 verbunden. Ein Anschluss des Stromdetektionswiderstands 19 ist mit dem Erfassungsemitteranschluss des Schaltelements 14 und einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 22 verbunden. Die anderen Anschlüsse der Stromdetektionswiderstände 17, 18 und 19 sind mit Masse des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 verbunden. Die invertierenden Eingangsanschlüsse der Komparatoren 20, 21 und 22 sind mit einem positiven Elektrodenanschluss einer Referenzspannungsquelle 24, die eine Referenzspannung ausgibt, verbunden. Ein negativer Elektrodenanschluss der Referenzspannungsquelle 24 ist mit der Masse des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 verbunden. Die Ausgangsanschlüsse der Komparatoren 20, 21 und 22 sind mit einem Eingangsanschluss der OR-Schaltung 23 verbunden, und ein Ausgangsanschluss der OR-Schaltung 23 ist mit einem Steueranschluss der Masseumschaltsteuerschaltung 16 verbunden.
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Die Masseumschaltsteuerschaltung 16 enthält einen beweglichen Kontakt, der mit dem GND-Anschluss des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 verbunden ist, zwei feste Kontakte und den Steueranschluss. Der bewegliche Kontakt der Masseumschaltsteuerschaltung 16 ist mit dem GND-Anschluss des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 verbunden. Einer der beiden festen Kontakte ist mit einem COM1-Anschluss (Masseanschluss auf der ersten Seite der Ansteuerschaltung) des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 verbunden, und der andere ist mit einem COM2-Anschluss (Masseanschluss auf einer zweiten Seite der Ansteuerschaltung) des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 verbunden. Die Masseumschaltsteuerschaltung 16 ist vorzugsweise ein Halbleiterschaltelement.
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Der NU-Anschluss, der NV-Anschluss und der NW-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10, die leistungsseitige Masseanschlüsse sind, sind mit einem negativen Elektrodenanschluss VDC(-) einer Gleichstromquelle verbunden. Darüber hinaus sind die leistungsseitigen Masseanschlüsse des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 mit dem COM1-Anschluss durch eine gewöhnliche Masseverdrahtung 25, die auf einer Leiterplatte gebildet ist, auf die das intelligente Stromversorgungsmodul 10 montiert ist, verbunden. Zusätzlich sind der NU-Anschluss, der NV-Anschluss und der NW-Anschluss mit dem COM2-Anschluss durch eine Masseverdrahtung 26, die einen Dumping-Widerstand 27 enthält, verbunden. Der Dumping-Widerstand 27 wird zum Unterdrücken einer parasitären Oszillation verwendet und ist ein frequenzabhängiges Widerstandselement wie z. B. eine Chip-Ferritperle oder ein Perlenkern.
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Mit dem intelligenten Stromversorgungsmodul 10 von 1 sind nur die Komponenten, die sich auf die unteren Zweige der Halbbrückenschaltungen beziehen, dargestellt. Wie in 5 dargestellt ist, enthält das intelligente Stromversorgungsmodul 10 in der Realität jedoch auch einen oberen Ansteuerschaltungszweig und Schaltelemente, die zu oberen Zweigen der Halbbrückenschaltungen gehören.
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In der Stromdetektionsschaltung 15 wird ein Strom, der aus dem Erfassungsemitteranschluss des Schaltelements 12, 13 oder 14 ausgegeben wird, dem Stromdetektionswiderstand 17, 18 oder 19 zugeführt. Dadurch wird ein Kollektorstrom in eine Spannung umgesetzt und wird detektiert. Der Wert der Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 24 entspricht einem Nennstromwert des Schaltelements 12, 13 oder 14. Dementsprechend vergleicht der Komparator 20, 21 oder 22 die durch den Stromdetektionswiderstand 17, 18 oder 19 detektierte Spannung mit der Referenzspannung. Falls ein Wert des Kollektorstroms des Schaltelements 12, 13 oder 14 kleiner als der oder gleich dem Nennstromwert ist, dann gibt der Komparator 20, 21 oder 22 ein Massepegel- (L-Pegel-) Signal aus. Falls ein Wert des Kollektorstroms des Schaltelements 12, 13 oder 14 größer als der Nennstromwert ist, dann gibt der Komparator 20, 21 oder 22 ein Stromquellenspannungspegel- (H-Pegel-) Signal aus. Wenn alle Komparatoren 20, 21, und 22 ein L-Pegel-Signal ausgeben, gibt die OR-Schaltung 23 ein L-Pegel-Signal aus. Wenn einer der Komparatoren 20, 21, und 22 ein H-Pegel-Signal ausgibt, gibt die OR-Schaltung 23 ein H-Pegel-Signal aus.
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Wenn ein L-Pegel-Signal als ein Steuersignal aus der Stromdetektionsschaltung 15 eingegeben wird, funktioniert die Masseumschaltsteuerschaltung 16 so, dass der GND-Anschluss (Masseanschluss) des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 und der COM1-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 verbunden werden. Als ein Ergebnis ist der COM1-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10, der ein Masseanschluss auf der Seite des unteren Ansteuerschaltungszweigs ist, mit den leistungsseitigen Masseanschlüssen (dem NU-Anschluss, dem NV-Anschluss und dem NW-Anschluss) durch die gewöhnliche Masseverdrahtung 25 verbunden ist. Zu dieser Zeit ist die Impedanz der gewöhnlichen Masseverdrahtung 25 niedrig. Dementsprechend ist die Ansteuerimpedanz des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 ebenfalls niedrig. Das führt zu einem leichten Schaltverlust (Ausschaltverlust).
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Wenn der Komparator 20, 21 oder 22 der Stromdetektionsschaltung 15 detektiert, dass ein Wert eines Kollektorstroms des Schaltelements 12, 13 oder 14 den Nennstromwert übersteigt, wird ein H-Pegel-Signal als ein Steuersignal aus der Stromdetektionsschaltung 15 in die Masseumschaltsteuerschaltung 16 eingegeben. Zu dieser Zeit funktioniert die Masseumschaltsteuerschaltung 16 so, dass der GND-Anschluss (Masseanschluss) des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 und der COM2-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 verbunden werden. Als ein Ergebnis ist der COM2-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10 mit den leistungsseitigen Masseanschlüssen (dem NU-Anschluss, dem NV-Anschluss und dem NW-Anschluss) durch die Masseverdrahtung 26, die den Dumping-Widerstand 27 enthält, verbunden. Weil der Dumping-Widerstand 27 zwischen dem NU-Anschluss, dem NV-Anschluss und dem NW-Anschluss und dem COM2-Anschluss eingefügt ist, wird die Ansteuerimpedanz des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 höher. Als ein Ergebnis steigt der Schaltverlust (Ausschaltverlust) des Schaltelements 12, 13 oder 14 an. Die parasitäre Oszillation einer Gate-Spannung zur Zeit des Ausschaltens des Schaltelements 12, 13 oder 14 ist jedoch reduziert.
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Eine Änderung des Schaltverlusts, die auftritt, wenn die Masseumschaltsteuerschaltung 16 eine Masseverdrahtung umschaltet, ist in 2 dargestellt. In 2 gibt eine horizontale Achse einen Kollektorstrom des Schaltelements 12, 13 oder 14 an, und eine vertikale Achse gibt den Schaltverlust zur Ausschaltzeit an. In 2 gibt eine Kurve 30 eine Änderung des Schaltverlusts relativ zu einer Änderung des Kollektorstroms Ic an, der zur Zeit des Verbindens des NW-Anschlusses, des NV-Anschlusses und des NW-Anschlusses und des COM1-Anschlusses nur durch die gewöhnliche Masseverdrahtung 25 erhalten wird. Der Schaltverlust ist im gesamten Bereich des Kollektorstroms Ic leicht. Andererseits gibt eine Kurve eine Änderung des Schaltverlusts relativ zu einer Änderung des Kollektorstroms Ic an, der zur Zeit des Verbindens des NW-Anschlusses, des NV-Anschlusses und des NW-Anschlusses und des COM2-Anschlusses durch die Masseverdrahtung 26, die den Dumping-Widerstand 27 enthält, erhalten wird. Der Schaltverlust wird im gesamten Bereich des Kollektorstroms Ic größer. In der vorliegenden Offenbarung wird ein Nennstromwert detektiert, und es wird Umschalten zu der gewöhnlichen Masseverdrahtung 25 oder der Masseverdrahtung 26, die den Dumping-Widerstand 27 enthält, ausgeführt. Dadurch wird verursacht, dass sich der Schaltverlust wie eine Kurve 32 ändert. Das heißt, wenn ein Wert des Kollektorstroms Ic kleiner als der oder gleich dem Nennstromwert ist und keine parasitäre Oszillation einer Gate-Spannung verursacht, ist der Dumping-Widerstand 27 nicht enthalten. Dementsprechend ist der Schaltverlust leicht. Wenn ein Wert des Kollektorstroms Ic größer als der Nennstromwert ist, wird der Schaltverlust durch die Verwendung des Dumping-Widerstands 27 groß gemacht. Das unterdrückt das Auftreten parasitärer Oszillation.
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Wie vorstehend festgestellt wird die Impedanz einer Masseverdrahtung gemäß einem Stromwert des Schaltelements 12, 13 oder 14 umgeschaltet. Das optimiert den Schaltverlust, während es die parasitäre Oszillation einer Gate-Spannung unterdrückt.
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Schaltwellenformen des Schaltelements 12, 13 oder 14, die erhalten werden, wenn die Masseumschaltsteuerschaltung 16 eine Masseverdrahtung umschaltet, sind in den 3(A) und 3(B) dargestellt. 3(A) stellt Schaltwellenformen dar, die in einem Fall erhalten werden, wenn die leistungsseitigen Masseanschlüsse und die Masseanschlüsse auf der Seite des unteren Ansteuerschaltungszweigs nur durch die gewöhnliche Masseverdrahtung 25, die den Dumping-Widerstand 27 nicht enthält, verbunden sind. 3(B) stellt Schaltwellenformen dar, die in einem Fall erhalten werden, wenn die leistungsseitigen Masseanschlüsse und die Masseanschlüsse auf der Seite des unteren Ansteuerschaltungszweigs durch die Masseverdrahtung 26, die den Dumping-Widerstand 27 enthält, verbunden sind. In den 3(A) und 3(B) sind eine Gate-Emitter-Spannung Vge, die eine Gate-Spannung ist, ein Kollektorstrom Ic und eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce des Schaltelements 12, 13 oder 14 durch eine gestrichelte Linie, eine dünne Linie bzw. eine dicke Linie angegeben.
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Wie in 3(A) dargestellt ist, tritt keine parasitäre Oszillation auf, wenn ein Wert des Kollektorstroms Ic kleiner als der oder gleich dem Nennstromwert ist. Wie in 3(B) dargestellt ist, wird das Auftreten der parasitären Oszillation unterdrückt, wenn ein Wert des Kollektorstroms Ic größer ist als der Nennstromwert. Der Grund dafür ist wie folgt. Die Ansteuerimpedanz des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 steigt aufgrund des Dumping-Widerstands 27 an, und eine Gate-Spannung zur Ausschaltzeit wird gesteuert.
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In dieser Ausführungsform sind die Stromdetektionsschaltung 15 und die Masseumschaltsteuerschaltung 16 außerhalb des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 angeordnet. Die Funktionen einer aus der Stromdetektionsschaltung 15 und der Masseumschaltsteuerschaltung 16 oder die Funktionen sowohl der Stromdetektionsschaltung 15 als auch der Masseumschaltsteuerschaltung 16 können jedoch in den unteren Ansteuerschaltungszweig 11 integriert sein.
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Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform kein Nebenschlusswiderstand zum Detektieren eines Stroms des Schaltelements 12, 13 oder 14 verwendet. Die Stromdetektionsschaltung 15 detektiert jedoch einen Strom des Schaltelements 12, 13 oder 14. Dementsprechend wird ein Detektionssignal aus der Stromdetektionsschaltung 15 verwendet. Das heißt, der untere Ansteuerschaltungszweig 11 überwacht ein Detektionssignal, das durch die Stromdetektionsschaltung 15 detektiert wird, um Überstromschutz und Lastkurzschlussschutz auszuführen. Es wird kein Nebenschlusswiderstand benötigt. Als ein Ergebnis wird die Ansteuerimpedanz des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 weiter verringert, und der Schaltverlust wird weiter reduziert.
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4 ist ein Schaltplan, der einen Teil eines intelligenten Stromversorgungsmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. Komponenten in 4, die gleich oder äquivalent denjenigen sind, die in 1 dargestellt sind, sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre genaue Beschreibung wird weggelassen. Darüber hinaus sind, um eine Figur zu vereinfachen, in 4 nur Schaltungen, die zu der U-Phase gehören, dargestellt.
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Mit einem intelligenten Stromversorgungsmodul 10a gemäß einer zweiten Ausführungsform wird nicht nur die Ansteuerimpedanz einer Masseverdrahtung eines unteren Ansteuerschaltungszweigs 11, sondern auch die Ansteuerimpedanz einer entsprechenden Verdrahtung einer Ansteuerimpedanz eines oberen Ansteuerschaltungszweigs gemäß einem Stromwert umgeschaltet.
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4 stellt nur die zu der U-Phase gehörenden Schaltungen dar. Die Struktur eines unteren Zweigs in dem intelligenten Stromversorgungsmodul 10a ist jedoch gleich der des unteren Zweigs in dem in 1 dargestellten intelligenten Stromversorgungsmodul 10. Dementsprechend ist eine genaue Beschreibung des unteren Ansteuerschaltungszweigs 11 weggelassen. Darüber hinaus sind nur die Schaltungen, die zu der U-Phase gehören, als die Struktur eines oberen Zweigs dargestellt. Schaltungen, die zu der V-Phase und der W-Phase gehören, sind gleich denjenigen, die zu der in 4 dargestellten U-Phase gehören und sind weggelassen.
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Das intelligente Stromversorgungsmodul 10a enthält eine U-Phase des oberen Ansteuerschaltungszweigs 41, ein Schaltelement 42, das in dem oberen Zweig einer Halbbrückenschaltung der U-Phase enthalten ist, eine Stromdetektionsschaltung 43, eine Masseumschaltsteuerschaltung 44 und einen Dumping-Widerstand 45. Eine Freilaufdiode 42a ist mit Kollektor- und Emitter-Anschlüssen des Schaltelements 42 antiparallel dazu verbunden. Das Schaltelement 42 enthält ein Stromerfassungselement. Das ist das gleiche wie ein Schaltelement 12, das in der U-Phase des unteren Zweigs enthalten ist.
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Der obere Ansteuerschaltungszweig 41 weist einen OUT-Anschluss und einen VS-Anschluss auf. Der OUT-Anschluss ist mit einem Gate-Anschluss des Schaltelements 42 verbunden. Der VS-Anschluss spezifiziert das Referenzpotential der U-Phase des oberen Zweigs und ist mit der Masseumschaltsteuerschaltung 44 verbunden.
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Der Kollektoranschluss des Schaltelements 42 ist mit einem P-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10a verbunden, und der Emitteranschluss des Schaltelements 42 ist mit einem U-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10a verbunden. Ein Erfassungsemitteranschluss des Schaltelements 42 ist mit der Stromdetektionsschaltung 43 verbunden.
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Der Ausgangsverbindungspunkt des Emitteranschlusses des Schaltelementes 42 und der U-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10a sind über eine Verdrahtung 46 des Referenzpotentials des oberen Zweigs mit der Masseumschaltsteuerschaltung 44 verbunden. Darüber hinaus sind der Verbindungspunkt des Emitteranschlusses des Schaltelementes 42 und der U-Anschluss des intelligenten Stromversorgungsmoduls 10a über einen Dumping-Widerstand 45 mit der Masseumschaltsteuerschaltung 44 verbunden. Die Stromdetektionsschaltung 43 enthält einen Stromdetektionswiderstand, einen Komparator und eine Referenzspannungsquelle. Das ist gleich wie für eine Stromdetektionsschaltung 15 des unteren Zweigs. Die Stromdetektionsschaltung 43 detektiert jedoch nur einen Stromwert des Schaltelements 42. Dementsprechend enthält die Stromdetektionsschaltung 15 des unteren Zweigs Stromdetektionswiderstände und Komparatoren für die anderen Phasen und eine OR-Schaltung, die Stromdetektionswiderstände 43 enthält diese jedoch nicht.
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Mit dem intelligenten Stromversorgungsmodul 10a überwacht die Stromdetektionsschaltung 43 einen Stromwert des Schaltelements 42. Wenn ein Stromwert des Schaltelements 42 kleiner als der oder gleich dem Nennstromwert des Schaltelements 42 ist, gibt die Stromdetektionsschaltung 43 ein L-Pegel-Signal aus. Als ein Ergebnis verbindet die Masseumschaltsteuerschaltung 44 den VS-Anschluss des oberen Ansteuerschaltungszweigs 41 mit der Verdrahtung 46 des Referenzpotentials des oberen Zweigs. Wenn ein Stromwert des Schaltelements 42 größer als der Nennstromwert des Schaltelements 42 ist, gibt die Stromdetektionsschaltung 43 ein H-Pegel-Signal aus. Die Masseumschaltsteuerschaltung 44 verbindet den VS-Anschluss des oberen Ansteuerschaltungszweigs 41 mit dem Dumping-Widerstand 45. Als ein Ergebnis wird die Ansteuerimpedanz des oberen Ansteuerschaltungszweigs 41 höher, und das Auftreten parasitärer Oszillation der Gate-Spannung des Schaltelements 42 zur Ausschaltzeit wird unterdrückt.
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Das Vorstehende beschreibt einfach das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus sind für Fachleute viele Modifikationen und Änderungen möglich. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die exakte Struktur und die Anwendungen, die vorstehend angegeben und beschrieben sind, beschränkt. Alle entsprechenden Modifikationen und ihre Äquivalente sind als in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, der durch die begleitenden Zeichnungen und Äquivalente angegeben ist, fallend betrachtet.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10a
- intelligentes Stromversorgungsmodul
- 11
- unterer Ansteuerschaltungszweig
- 12, 13, 14
- Schaltelement
- 12a, 13a, 14a
- Freilaufdiode
- 15
- Stromdetektionsschaltung
- 16
- Masseumschaltsteuerschaltung
- 17, 18, 19
- Stromdetektionswiderstand
- 20, 21, 22
- Komparator
- 23
- OR-Schaltung
- 24
- Referenzspannungsquelle
- 25
- gewöhnliche Masseverdrahtung
- 26
- Masseverdrahtung
- 27
- Dumping-Widerstand
- 41
- oberer Ansteuerschaltungszweig
- 42
- Schaltelement
- 42a
- Freilaufdiode
- 43
- Stromdetektionsschaltung
- 44
- Masseumschaltsteuerschaltung
- 45
- Dumping-Widerstand
- 46
- Verdrahtung des Referenzpotentials des oberen Zweigs
