DE19741391A1

DE19741391A1 - Gatetreiberschaltung für Stromrichter

Info

Publication number: DE19741391A1
Application number: DE19741391A
Authority: DE
Inventors: Satoki Takizawa; Manabu Takei
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1998-03-26
Also published as: US5926012A; JP3132648B2; JPH10150764A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gatetreiberschaltung für ein spannungsgesteuertes Schaltelement, etwa einen FET (Feldeffekttransistor) oder IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate).

Fig. 16 zeigt ein Beispiel der Verwendung eines IGBT als spannungsgesteuertes Schaltelement, und Fig. 17 zeigt einen IGBT in einer Wechselrichterschaltung eines Umrichters.

In Fig. 16 bezeichnet 1 ein IGBT-Modul als Schaltelement oder Hauptelement (das hier zusätzlich zum IGBT noch eine Freilaufdiode enthält), 36 eine positive Gatespannungsquelle zum Anlegen einer Spannung zwischen dem Gate und dem Emitter des IGBT, während dieser abgeschaltet wird, 37 eine negative Gatespannungsquelle zum Anlegen einer Spannung zwischen dem Gate und dem Emitter des IGBT während dieser eingeschaltet wird, und 38 eine Steuerschaltung für einen Wechselrichter (wobei angenommen sei, daß das IGBT-Modul Teil einer Wechselrichter schaltung ist), die Schaltbefehle zum Ein- und Ausschalten des IGBT erzeugt. 39 bezeichnet eine Trenneinrichtung, etwa einen Fotokoppler PC, zur Übertragung der Schaltbefehle von einem Niederspannungsschaltungsteil zu einem Hochspannungsschaltungsteil. Mit 40 ist ein Gatewi derstand zum Einschalten des IGBT bezeichnet, mit 41 ein Gatewiderstand zum Ausschalten des IGBT. 42 und 43 bezeichnen Schalttransistoren zur Verbindung des jeweiligen Gatewiderstands mit dem Gate des IGBT. Mit 44 ist ein Verstärker zur Ansteuerung der Transistoren 42, 43 bezeichnet. Über die Trenneinrichtung 39 übertragene Signale bewirken, daß eine positive bzw. eine negative Spannung von den Spannungsquellen 36, 37 zwischen Gate und Emitter des IGBT angelegt wird, um diesen ein- bzw. auszuschalten.

In Fig. 17 ist mit 45 ein Diodengleichrichter zur Umsetzung von Wechselstrom in Gleichstrom bezeichnet. 46 bezeichnet einen Gleichstrom-Zwischenkreiskondensator, 47 einen Wechselrich ter, der als Schaltelement einen IGBT mit einer Freilaufdiode enthält, zum Umsetzen von Gleichstrom in Wechselstrom, und 49 eine Snubberschaltung zum Schutz der Schaltelemente vor Spannungsspitzen, die von einer Induktivität 48 zwischen dem Gleichstrom-Zwischenkreiskon densator 46 und dem Wechselrichter 47 erzeugt werden.

Die folgenden Parameter (Gatetreiberparameter) des IGBT bzw. der Gatetreiberschaltung beeinflussen das Schaltverhalten: der Gatewiderstand Rg, die Spannung Vg der Gatespannungs quelle, der Gatestrom Ig (der in das Gate bzw. aus dem Gate des IGBT fließende Strom), die Kapazität C_GE zwischen dem Gate und dem Emitter des IGBT, wie sie sich für die Gatetreiber schaltung darstellt, und die Kapazität C_GC zwischen dem Gate und dem Kollektor des IGBT, wie sie sich für die Gatetreiberschaltung darstellt.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Richtung der Änderung in den jeweiligen Schalteigenschaf ten des IGBT, wenn der Absolutwert der Parameter für den IGBT oder die Gatetreiberschaltung zunimmt. Wenn der Absolutwert der Parameter abnimmt, ändern sich die einzelnen Schalteigen schaften des IGBT in einer Richtung entgegengesetzt zu der in Tabelle 1 angegebenen. In der Tabelle handelt es sich jeweils um absolute Größen.

Tabelle 1

Wenn der Wechselrichter ein spannungsgesteuertes Schaltelement, wie etwa einen IGBT aufweist, führt die Verdrahtungsinduktivität zwischen dem Gleichstrom-Zwischenkreiskondensa tor und dem Wechselrichter dazu, daß eine hohe Spannung an den IGBT oder die Freilaufdiode angelegt wird, wenn der IGBT ein- und ausgeschaltet wird, wie durch Gleichung (1) angegeben:

V_CE = Ed + L · di/dt, (1)

Hierin bedeuten:
V_CE: an das Schaltelement angelegte Spannung,
Ed: Spannung am Gleichstrom-Zwischenkreiskondensator,
L: Verdrahtungsinduktivität, und
di/dt: Stromänderungsgeschwindigkeit beim Schalten.

Wenn also der Wechselrichter unter Verwendung eines IGBT und ggf. einer Freilaufdiode aufgebaut wird, müssen diese Elemente eine Nennspannung aufweisen, die Gleichung (1) erfüllt, oder es muß eine Snubberschaltung vorgesehen werden. Weiterhin können signifikante Störim pulse von der Vorrichtung erzeugt werden, falls dv/dt oder di/dt beim Schalten groß wird.

Fig. 18 zeigt angenähert Wellenformen des Stroms und der Spannung, während das Schaltele ment abgeschaltet wird, und Fig. 19 zeigt angenähert Wellenformen des Stroms und der Spannung, während das Schaltelement eingeschaltet wird. Wie sich aus diesen Figuren ergibt, beeinflußt beim Abschalten die Höhe von di/dt des Abschaltstroms des IGBT die Höhe der Spannungsspitze, die direkt an dem IGBT anliegt. Auf der anderen Seite beeinflußt die Höhe von di/dt des Einschaltstroms des IGBT die Höhe der Stromspitze, die den IGBT durchfließt (= Sperrerholstrom, der durch die Freilaufdiode des gegenüberliegenden Arms in einer Brückenschal tung fließt), die ihrerseits die Höhe von di/dt während der Sperrerholung der Freilaufdiode des gegenüberliegenden Arms beeinflußt. Das heißt, wenn das di/dt beim Einschalten des IGBT zunimmt, nimmt das di/dt während der Sperrerholung der Freilaufdiode am gegenüberliegenden Arm ebenfalls zu, was dazu führt, daß ein großes dv/dt an die Freilaufdiode angelegt und auch eine gemäß Gleichung (1) an sie angelegte Spitzenspannung erhöht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Notwendigkeit einer Snubberschaltung zu beseitigen und Störungen bzw. Störspitzen zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gatetreiberschaltung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Gatetreiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Detektorschaltung zur Erfassung einer physikalischen Größe während des Schaltens und eine Betriebs- oder Stellein richtung zur Änderung der Gatetreiberzustände bzw. Gatetreiberparameter. Bei einer Ausfüh rungsform werden abhängig davon, ob das Ausgangssignal der Detektorschaltung gleich oder größer als ein bestimmter Wert ist oder ob es kleiner als der bestimmte Wert ist, die Gatetreiber parameter auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Stelleinrichtung zwischen zwei Zuständen umgeschaltet, das heißt es findet eine 2-Punkt-Regelung statt. Tabelle 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der erfaßten physikalischen Größe, den zu beeinflussenden Parametern und dem Steuerverfahren gemäß der Erfindung.

Tabelle 2

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer bei der Erfindung verwendeten Detektorschaltung,

Fig. 2 ein Schaltbild, das eine Abwandlung von dem in Fig. 1 darstellt,

Fig. 3 bis 5 Schaltbilder eines zweiten bis vierten Ausführungsbeispiels der Detektorschal tung,

Fig. 6 bis 10 Schaltbilder eines ersten bis fünften Ausführungsbeispiels der Gatezustands stellschaltung,

Fig. 11 ein Schaltbild, das eine Momentanwertsteuerschaltung zeigt,

Fig. 12 ein Schaltbild, das eine Impuls-Steuerschaltung zeigt,

Fig. 13 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 14 ein Blockdiagramm eines speziellen Beispiels der in Fig. 13 verwendeten Detektor schaltung,

Fig. 15 ein Blockdiagramm eines speziellen Beispiels der in Fig. 13 verwendeten Einstellschal tung,

Fig. 16 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Gatetreiberschaltung,

Fig. 17 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Stromrichters,

Fig. 18 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs des IGBT beim Abschalten, und

Fig. 19 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs des IGBT beim Einschalten.

In den nachfolgend beschriebenen Figuren sind einander gleichende oder funktional entspre chende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Nachfolgend werden zunächst Beispiele der Detektorschaltung beschrieben.

(1) Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der bei dieser Erfindung verwendbaren Detektorschaltung. In diesem Fall handelt es sich bei der Detektorschaltung um eine solche zur Erfassung der Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt des Kollektorstroms ic beim Einschalten des Schaltelements.

Die Bezugszahl 1 bezeichnet ein IGBT-Modul mit einem IGBT und einer Freilaufdiode, während mit 2 ein in das IGBT-Modul integrierter Meßwiderstand bezeichnet ist, der zur Messung des Stroms des IGBTs dient. Wenn die Spannung über dem Meßwiderstand 2, das heißt ein dem Strom des IGBT äquivalenter bzw. proportionaler Wert einer Differenzierschaltung 3 eingegeben wird, entspricht deren Ausgangssignal der Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt. Ein Komparator 4 vergleicht diesen Istwert der Stromänderungsgeschwindigkeit mit einem Sollwert (di/dt)* und gibt als Ergebnis des Vergleichs ein (in diesem Fall binäres) Steuersignal zur Änderung der Gatetreiberparameter ab. Bei dem Komparator kann es sich um einen solchen handeln, der die Schwellenspannung eines FET verwendet.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung von Fig. 1. Bei diesem Beispiel wird als ein dem Kollektorstrom ic proportionaler Wert die Spannung über einer Induktivität La (eine tatsächlich eingefügte Induktivität oder eine Verdrahtungsinduktivität) abgegriffen und dann differenziert. Hier wird der Meßwiderstand 2 nicht benötigt (das IGBT-Modul ohne Meßwiderstand wird hier und später mit 1′ bezeichnet).

(2) Da das Differential di/dt des Kollektorstroms ic beim Einschalten des Schaltelements sich von demjenigen beim Ausschalten nur in der Polarität unterscheidet, können die Schaltungen von Fig. 1 und Fig. 2 auch zur Erfassung von di/dt des Kollektorstroms ic beim Ausschalten des Schalt elements verwendet werden. In diesem Fall wird die Polarität des Sollwerts (di/dt)* umgekehrt, so daß der Komparator diesen umgekehrten Sollwert mit dem Istwert von der Differenzierschal tung 3 vergleicht.
(3) Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels einer Detektorschaltung, bei der es sich um eine solche zur Erfassung des Kollektorstroms ic beim Einschalten des Schaltele ments handelt.

In diesem Fall vergleicht der Komparator 4 die Spannung über dem Meßwiderstand 2 des IGBT-Moduls 1, das heißt einen dem Strom durch den IGBT äquivalenten bzw. proportionalen Wert, mit einem Stromsollwert ic*, und das Ergebnis des Vergleichs wird als Steuersignal zur Ände rung der Gatetreiberparameter verwendet.

(4) Fig. 4 ist ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer Detektorschaltung, bei der es sich um eine solche zur Erfassung der Spannungsänderungsgeschwindigkeit dv/dt der Kollektor- Emitter-Spannung V_CE beim Einschalten des Schaltelements handelt.

Hier ist mit 5 ein Detektorabschnitt (umfassend einen Widerstandsspannungsteiler) zur Erfassung der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des IGBT im IGBT-Modul 1′ bezeichnet. Das Ausgangssignal V_CE der Detektorschaltung 5 wird einer Differenzierschaltung 3 eingegeben, deren Ausgangs signal der Spannungsänderungsgeschwindigkeit dv/dt entspricht. Der Komparator 4 vergleicht diesen Istwert von dv/dt mit einem Sollwert (dv/dt)*, und das Ergebnis des Vergleichs wird als Steuersignal zur Änderung der Gatetreiberparameter verwendet.

(5) Da sich dv/dt der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE beim Einschalten von dv/dt beim Ausschal ten nur in der Polarität unterscheidet, kann die Schaltung von Fig. 4 auch zur Erfassung von dv/dt beim Ausschalten verwendet werden. In diesem Fall braucht nur die Polarität des Sollwerts (dv/dt)* umgekehrt zu werden.
(6) Fig. 5 zeigt die Schaltung eines vierten Ausführungsbeispiels der Detektorschaltung, die hier zur Erfassung der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE beim Einschalten des Schaltelements dient.

Hier bezeichnet 5 einen Detektorteil (umfassend einen Widerstands-Spannungsteiler) zur Erfassung der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des IGBT im IGBT-Modul 1′. Der Komparator 4 vergleicht das Ausgangssignal V_CE des Detektorabschnitts mit einem Sollwert V_CE*, und das Ergebnis des Vergleichs wird als Steuersignal zur Änderung der Gatetreiberparameter verwendet.

Nachfolgend wird die Betriebs- oder Stellschaltung zur Änderung der Gatetreiberparameter beschrieben.

(i) Fig. 6 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Stellschaltung als ein Beispiel zur Änderung des Werts des Gatewiderstands.

Der Gatewiderstand Rg kann durch Ein- und Ausschalten von Schaltern (Schalterschaltungen) 6, 7 nach Maßgabe des von den Schaltungen in den Fig. 1 bis 5 abgegebenen Steuersignals verändert werden (der Schalter 6 wird beim Einschalten des IGBT verwendet, während der Schalter 7 beim Ausschalten des IGBT verwendet wird). In Fig. 6 ergibt sich ein Normalzustand, wenn die Schalter 6 und 7 eingeschaltet sind und der Gatewiderstand Rg von der Parallelschal tung der Widerstände R1 und R2 bzw. R3 und R4 gebildet wird.

Wenn beim Einschalten des IGBT die erfaßte physikalische Größe einen eingestellten Wert erreicht oder übersteigt spricht der Komparator 4 in den Fig. 1 bis 5 an, woraufhin der Schalter 6 oder 7 ausgeschaltet wird und damit der Gatewiderstand R2 bzw. R4 wird, das heißt zunimmt. Damit ist die Schalteigenschaft des IGBT (beispielsweise die Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt) kleiner als in dem Fall, daß der Schalter 6 bzw. 7 eingeschaltet ist.

(ii) Fig. 7 ist ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Stellschaltung und zeigt ein Beispiel, bei dem der Wert einer Spannungsquelle der Gateschaltung verändert wird.

Der Wert, das heißt die Spannung der Gatespannungsquelle kann durch Ein- und Ausschalten von Schaltern (Schalterschaltungen) 8, 9 nach Maßgabe des von den Schaltungen in den Fig. 1 bis 5 ausgegebenen Steuersignals geändert werden (der Schalter 8 wird betätigt, wenn der IGBT eingeschaltet wird, während der Schalter 9 betätigt wird, wenn der IGBT ausgeschaltet wird. Der Normalzustand in Fig. 7 ist der, daß die Schalter 8, 9 eingeschaltet sind und die Gatespan nung Vg1 bzw. Vg3 beträgt. Da Vg1 < Vg2 bzw. Vg3 < Vg4, sind bei eingeschaltetem Schalter 8 bzw. 9 die Dioden D1 bzw. D2 gesperrt. Wenn der IGBT schaltet und die erfaßte physikalische Größe einen bestimmten Wert annimmt oder überschreitet, spricht der Komparator 4 in den Fig. 1 bis 5 an, so daß der Schalter 8 bzw. 9 durch das daraus resultierende Steuersig nal ausgeschaltet wird, woraufhin die Gatespannung zu Vg2 bzw. Vg4 wird, also abnimmt. In diesem Fall ist die Schalteigenschaft des IGBT, beispielsweise die Stromänderungsgeschwindig keit di/dt kleiner als bei eingeschaltetem Schalter 8 bzw. 9.

(iii) Fig. 8 zeigt die Schaltung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Stellschaltung, bei der es sich um ein Beispiel handelt, bei der der Wert des Gatestroms geändert wird.

Der Wert des Gatestroms wird dadurch geändert, daß Schalter (Schalterschaltungen) 10, 11 unter Verwendung des von den Schaltungen in den Fig. 1 bis 5 abgegebenen Steuersignals ein- bzw. ausgeschaltet werden (der Schalter 10 wird betätigt, wenn der IGBT eingeschaltet wird, während der Schalter 11 betätigt wird, wenn der IGBT ausgeschaltet wird). In Fig. 8(a) stellt derjenige Zustand den normalen Zustand dar, bei dem die Schalter 10, 11 eingeschaltet sind und der Wert des Gatestroms Ig1 + Ig2 bzw. Ig3 + Ig4 ist. Wenn der IGBT geschaltet wird und die erfaßte physikalische Größe einen bestimmten Wert annimmt oder ihn übersteigt und dadurch der Komparator 4 in den Schaltungen der Fig. 1 bis 5 anspricht, wird der Schalter 10 bzw. 11 ausgeschaltet, so daß der Gatestrom Ig2 bzw. Ig4 wird. In diesem Fall ist die Schalteigenschaft des IGBT, beispielsweise die Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt kleiner als im Einschaltzu stand der Schalter 8, 9.

Tatsächlich können die mit den Stromquellen in Reihe liegenden Schalter 10 und 11 nicht ausgeschaltet werden, so daß in der Praxis ein Schalter SW in der entsprechenden Konstant stromquellenschaltung zur Verringerung des Stromwerts vorgesehen wird, wie in Fig. 8(b) gezeigt, wo der Stromwert durch Ausschalten des Schalters SW verringert werden kann.

(iv) Fig. 9 zeigt ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels einer Stellschaltung und stellt ein Beispiel dar, bei dem die Gate-Emitter-Kapazität verändert wird.

Gemäß Fig. 9(a) wird durch Einschalten eines Schalters (Schalterschaltung) 12 unter Verwen dung des von den Schaltungen der Fig. 1 bis 5 erzeugten Steuersignals ein Kondensator 13 zwischen das Gate und den Emitter des IGBT geschaltet, um das Potential des Gates zwangs weise zu ändern. Dasselbe gilt für Fig. 9(b) wo der entsprechende Schalter (Schalterschaltung) mit 15 und der Kondensator mit 16 bezeichnet sind.

In diesen Fällen besteht der normale Zustand, wenn die Schalter 12 bzw. 15 ausgeschaltet sind. In Fig. 9(a) hält eine Steuerschaltung 14 die Spannung an dem Kondensator 13 auf oder bei OV, wenn der IGBT ausgeschaltet ist, während in Fig. 9(b) eine Steuerschaltung 17 den Kondensator auf einen bestimmten Wert (nahe der Schwellenspannung des Gates oder darüber) auflädt, wenn der IGBT eingeschaltet ist.

Wenn beim Einschalten des IGBT die erfaßte physikalische Größe gleich einem eingestellten Wert wird oder diesen übersteigt, spricht der Komparator 4 in den Schaltungen 1 bis 5 an, und der Schalter 12 wird eingeschaltet, woraufhin der Kondensator 13 sofort eine Verringerung des Potentials von Vgp bewirkt (Fig. 9(a)).

Wenn beim Abschalten des IGBT die erfaßte physikalische Größe den eingestellten Wert annimmt oder ihn übersteigt, spricht der Komparator 4 in den Fig. 1 bis 5 an, und der Schalter 15 wird eingeschaltet, woraufhin der Kondensator 16 eine sofortige Erhöhung des Potentials von Vgp verursacht (Fig. 9(b)).

In diesen Fällen ist die Schalteigenschaft des IGBT, beispielsweise die Stromänderungsge schwindigkeit di/dt geringer als bei ausgeschaltetem Schalter 12 bzw. 15.

(v) Fig. 10 ist ein Schaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels der Stellschaltung, wobei es sich um ein Beispiel handelt, bei dem die Gate-Kollektor-Kapazität verändert wird.

In Fig. 10(a) wird durch Einschalten eines Schalters (Schalterschaltung) 18 unter Verwendung des Ausgangssignals der Schaltungen in den Fig. 1 bis 5 ein Kondensator 19 zwischen das Gate und den Kollektor des IGBT geschaltet, um das Potential des Gates zwangsweise zu ändern. Gleiches gilt für Fig. 10(b), wo der Schalter (Schalterschaltung) mit 21 bezeichnet ist und der Kondensator mit 22.

In diesen Fällen ergibt sich der normale Zustand, wenn der Schalter 18 bzw. 21 ausgeschaltet ist. Eine Steuerschaltung 20 in Fig. 10(a) hält die Spannung an dem Kondensator 19 auf oder nahe bei OV, wenn der IGBT ausgeschaltet ist, während in Fig. 10(b) eine Steuerschaltung 23 den Kondensator auf einen bestimmten Wert (nahe der Schwellenspannung des Gates oder darüber) auflädt, wenn der IGBT eingeschaltet ist.

Wenn beim Einschalten die erfaßte physikalische Größe den eingestellten Wert annimmt oder übersteigt, spricht der Komparator 4 in den Fig. 1 bis 5 an, und der Schalter 18 wird eingeschal tet, woraufhin der Kondensator 19 schlagartig das Potential Vgp in Fig. 10(a) verringert.

Wenn beim Ausschalten die erfaßte physikalische Größe den eingestellten Wert annimmt oder übersteigt und der Komparator 4 in den Fig. 1 bis 5 anspricht, wird der Schalter 21 eingeschal tet. Dies bewirkt, daß der Kondensator 22 schlagartig das Potential Vgp in Fig. 10(b) erhöht.

In diesem Fall ist die Schalteigenschaft des IGBT, beispielsweise die Stromänderungsgeschwin digkeit di/dt geringer, wenn der Schalter 18 bzw. 21 eingeschaltet ist.

Als nächstes wird ein Steuerverfahren beschrieben.

(a) Fig. 11 zeigt ein Beispiel, wo eine hier als "Momentanwertsteuerung" bezeichnete Steuerung implementiert ist. Bei dieser Schaltung ändert sich das (binäre) Gatesteuersignal entsprechend dem Vergleichsergebnis des Komparators 4, was den Beispielen der Fig. 1 bis 5 entspricht. Solange die erfaßte physikalische Größe unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, befindet sich das Gatesteuersignal in einem ersten seiner beiden Zustände. Erreicht oder übersteigt die erfaßte physikalische Größe den Schwellenwert, nimmt das Gatesteuersignal seinen zweiten Zustand an und bleibt in diesem bis der Schwellenwert wieder unterschritten wird. Entsprechend dem Gatesteuersignal wird der gesteuerte Gatetreiberparameter auf einen von zwei Werten eingestellt. Die Tatsache, daß die Einstellung des Gatetreiberparameters unmittelbar dem Zustand des Gatesteuersignal folgt, kann zu Schwingungen führen.
(b) Fig. 12 zeigt ein Beispiel, wo der IGBT für eine festgelegte Zeitspanne beeinflußt wird (mittels eines monostabilen Multivibrators), was hier als "Impulssteuerung" bezeichnet werden soll. In Fig. 12 bezeichnet 24 einen monostabilen Multivibrator, der einen einzelnen Impuls einer eingestellten konstanten Dauer abgibt, der an der Anstiegs- oder Abfallflanke des Ausgangssig nals vom Komparator beginnt. In der Folge einer Änderung des Ausgangssignals des Kompara tors 4 wird daher der gesteuerte Gatetreiberparameter nur für die Dauer des Impulses vom monostabilen Multivibrator geändert, der in dem Moment beginnt, wo die erfaßte physikalische Größe einen bestimmten Schwellenwert erreicht oder übersteigt. In diesem Fall ist das Ansprechverhalten schlechter als im obigen Fall, dafür ist die Regelung aber stabil.

Obwohl bei den obigen Ausführungsbeispielen die Gatetreiberparameter einer 2-Punkt-Regelung unterliegen, das heißt also praktisch in digitaler Weise auf der Basis des binären Ausgangssignals von der Stellschaltung gesteuert werden, ist auch eine analoge Regelung bzw. Steuerung möglich, bei der statt eines binären Gatesteuersignals beispielsweise ein der erfaßten physikali schen Größe proportionales Steuersignal eine kontinuierliche Änderung eines oder mehrerer Gatetreiberparameter bewirkt.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines solchen Falles. Bei diesem Beispiel sind eine Detektorschaltung 31 und eine Einstellschaltung 32 für das IGBT-Modul 1 vorgesehen.

Fig. 14 zeigt ein Beispiel einer Detektorschaltung. In Fig. 14(a) ist mit 31A eine Differenzierschal tung und mit 31B ein Verstärker bezeichnet. Durch Anlegen der Spannung über dem Meßwider stand 2 des IGBT-Moduls 1, das heißt einer dem Strom des IGBT äquivalenten bzw. proportiona len Spannung an die Differenzierschaltung 31A, ergibt sich als Ausgangssignal dieser Differen zierschaltung 31A ein Zeitdifferential einer dem Kollektorstrom des IGBT äquivalenten oder proportionalen Größe. Der Verstärker 31B führt eine Pegelanpassung mit einem Gatetreiberab schnitt durch, und sein Ausgangssignal wird als das Detektorsignal DT verwendet.

In Fig. 14(b) wird das Zeitdifferential einer dem Kollektorstrom äquivalenten oder proportionalen Größe direkt von der Spannung über einer Induktivität La gewonnen, die mit dem IGBT-Modul 1′ in Reihe geschaltet ist und bei der es sich um eine gesondert angeschlossene Induktivität oder um die Verdrahtungsinduktivität handeln kann.

Das Detektorsignal DT, das gemäß Darstellung in Fig. 14 erhalten wird, wird der Einstellschal tung 32 eingegeben, die eine Schaltung zur Einstellung der Spannung enthält, welche an Gate und Emitter des IGBT angelegt wird, und zwar abhängig von der Größe des Detektorsignals DT.

Fig. 15 zeigt ein spezielles Beispiel der Einstellschaltung. Eine Reihenschaltung aus einem Feldeffekttransistor 33, einem Widerstand 34 und einer Diode 35 liegt zwischen der positiven Klemme der positiven Spannungsquelle des Gatetreiberabschnitts und dem Gateanschluß des IGBT 1. Somit dient der Feldeffekttransistor 33 als variabler Widerstand zur Einstellung der Spannung, die zwischen Gate und Emitter des IGBT 1 angelegt wird, und zwar abhängig von der Größe des Detektorsignals DT. Der Widerstand 34 ist nicht unbedingt erforderlich.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden, wenn der IGBT eingeschaltet wird, die Spannungs änderungsgeschwindigkeit dv/dt und die Spannungsspitze an der Freilaufdiode verringert, während, wenn er ausgeschaltet wird, die an dem IGBT anliegende Spannungsspitze verringert wird. Wenn daher ein Gerät, etwa ein Wechselrichter aufgebaut wird, können Elemente mit geringeren Nennwerten als im Stand der Technik verwendet und gleichwohl die Notwendigkeit einer Snubberschaltung beseitigt werden, wodurch die Größe, Kosten und Störungen des Geräts verringert werden.

Insbesondere bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 8, erlaubt die geeignete Wahl der Feldeffekttransistoren und des Widerstandswerts eine Verringerung der Änderungsrate di/dt des Kollektorstroms auf einen beliebigen Wert, wenn das Element ausgeschaltet wird.

Claims

1. Gatetreiberschaltung für ein spannungsgesteuertes Schaltelement (1; 1′) in einem Stromrichter, gekennzeichnet durch eine Detektoreinrichtung (2, 3, 4, La, 5) zur Messung einer für einen Schaltvorgang des Schaltelements charakteristischen physikalischen Größe und zur Erzeugung eines entsprechenden Steuersignals sowie eine Stelleinrichtung (8, 9; 10, 11, 12, 15, 18, 21) zur Änderung eines oder mehrerer den Schaltvorgang beeinflussender Parameter der Gatetreiberschaltung nach Maßgabe des beim Einschalten und/oder Ausschalten des Schaltele ments gewonnenen Steuersignals.

2. Gatetreiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die physikali-
sche Größe ausgewählt ist aus der Änderungsgeschwindigkeit des Kollektorstroms des Schalt elements beim Einschalten, der Änderungsgeschwindigkeit der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT beim Einschalten, dem Kollektorstrom des IGBT beim Einschalten, der Änderungsge schwindigkeit di/dt des Kollektorstroms des IGBT beim Ausschalten, der Änderungsgeschwindig keit dv/dt der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT beim Ausschalten und der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT beim Ausschalten.

3. Gatetreiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Parameter ausgewählt sind aus dem Gatewiderstand, der Gatespeisespannung, dem Gatestrom, der Gate-Emitter-Kapazität und der Gate-Kollektor-Kapazität des Schaltelements.

4. Gatetreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Steuersignal der gemessenen physikalischen Größe im wesentlichen proportio nal ist.

5. Gatetreiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal ein binäres Signal ist mit einem ersten Zustand, solange der Absolutwert der physikalischen Größe kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und einem zweiten Zustand, solange der Absolutwert der physikalischen Größe gleich dem oder größer als der Schwellenwert ist, wobei die Änderung des bzw. der Parameter durch die Stellschaltung zwischen zwei bzw. zwei jeweiligen Werten unmittelbar dem binären Steuersignal folgt.

6. Gatetreiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal ein binäres Signal ist mit einem ersten Zustand, solange der Absolutwert der physikalischen Größe kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und einem zweiten Zustand, solange der Absolutwert der physikalischen Größe gleich dem oder größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, wobei die Änderung des bzw. der Parameter durch die Stell schaltung zwischen zwei bzw. zwei jeweiligen Werten dem binären Steuersignal nur für eine vorbestimmte Zeitspanne nach dessen Änderung folgt.

7. Gatetreiberschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung eine Einrichtung zur Messung einer das Zeitdifferential des Kollektor stroms des Schaltelements bei dessen Abschalten repräsentierenden Größe ist und die Stellein richtung eine Einstelleinrichtung zur Einstellung einer zwischen Gate und Emitter des Schaltele ments angelegten Spannung ist.

8. Gatetreiberschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellein richtung einen Feldeffekttransistor umfaßt, der zwischen die positive Elektrode der positiven Speisespannungsquelle der Gatetreiberschaltung und den Gateanschluß des Schaltelements geschaltet ist.