DE202014000547U1 - Control of a power semiconductor switch - Google Patents
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Abstract
Die Vorrichtung dient dazu, eine Gate-Steuerungsspannung zu bilden, die in spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschaltern, z. B. in IGBT-Transistoren, angewandt wird, wo die Terminale Gate (G) und Emitter (E) sowie eine Vorrichtung der Leistungshalbleiterschalter-spezifischen Hilfsspannung (UD) mit positivem und negativem Pol für die Steuerung in den Leistungshalbleiterschaltern eingerichtet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung den ersten Schalter (K1), den zweiten Schalter (K4), den dritten Schalter (K3), den vierten Schalter (K2) und den Gate-Widerstand (RG1) beinhaltet, und
wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass der positive Pol der Hilfsspannung (UD) zu dem Gate (G) des Leistungshalbleiterschalters durch den ersten Schalter (K1) und den Gate-Widerstand (RG1) und der negative Pol zu dem Emitter (E) des Leistungshalbleiterschalters durch den zweiten Schalter (K4) geschaltet ist und somit den Leistungshalbleiterschalter in einen stromleitenden Zustand führt, und
wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass der negative Pol der Hilfsspannung (UD) durch den dritten Schalter (K3) und den Gate-Widerstand (RG1) zu dem Gate (G) des Leistungshalbleiterschalters und der positive Pol durch den vierten Schalter (K2) zu dem Emitter (E) des Leistungshalbleiterschalters geschaltet ist und somit den Leistungshalbleiterschalter in einen nicht stromleitenden Zustand führt.The device serves to form a gate control voltage used in voltage controlled power semiconductor switches, e.g. In IGBT transistors, where the terminal gate (G) and emitter (E) and a device of the positive and negative pole power semiconductor switch-specific auxiliary voltage (U D ) are arranged for the control in the power semiconductor switches,
characterized in that
the device includes the first switch (K 1 ), the second switch (K 4 ), the third switch (K 3 ), the fourth switch (K 2 ) and the gate resistor (R G1 ), and
the device being designed such that the positive pole of the auxiliary voltage (U D ) to the gate (G) of the power semiconductor switch through the first switch (K 1 ) and the gate resistor (R G1 ) and the negative pole to the emitter ( E) of the power semiconductor switch is switched by the second switch (K 4 ) and thus leads the power semiconductor switch in an electrically conductive state, and
the device being designed so that the negative pole of the auxiliary voltage (U D ) through the third switch (K 3 ) and the gate resistor (R G1 ) to the gate (G) of the power semiconductor switch and the positive pole through the fourth switch (K 2 ) is connected to the emitter (E) of the power semiconductor switch and thus leads the power semiconductor switch in a non-conducting state.
Description
Technisches GebietTechnical area
Der Gegenstand dieser Erfindung ist die Steuerung eines Leistungshalbleiterschalters, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gate-Steuerung, geeignet insbesondere für die Steuerung eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode, d. h. eines IGBTs (insulated-gate bipolar transistor).The subject of this invention is the control of a power semiconductor switch, a method and apparatus for gate control suitable in particular for the control of an insulated gate bipolar transistor, i. H. an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
Bekannte TechnikWell-known technology
Ein zentrales Ziel des Steuerungssystem eines leistungselektronischen Gerätes wie eines Frequenzumrichters ist die Kontrolle des Ausgangsstroms, so dass dieser sich in den Grenzen hält, die aus der Sicht der Laststeuerung, z. B. der Rotationsgeschwindigkeit eines Elektromotors, zweckentsprechend sind. Bei Störungsfällen, wie bei einem Kurzschluss der Ausgangsanschlüsse, muss das Steuerungssystem auch dafür sorgen, dass der Laststrom nicht auf eine für die Leistungskomponente zu große Stärke anwächst.A central goal of the control system of a power electronic device such as a frequency converter is the control of the output current, so that it keeps within the limits, which from the point of view of load control, for. B. the rotational speed of an electric motor, are appropriate. In the event of a fault, such as a short circuit in the output terminals, the control system must also ensure that the load current does not increase to an excessive magnitude for the power component.
Die IGBTs sind schalterartige Leistungshalbleiterkomponenten, die generell für Hauptkreislösungen zur Regelung des Laststroms von leistungselektronischen Geräten eingesetzt werden. Der IGBT ist eine über ein Gate gesteuerte Komponente, was bedeutet, dass er durch ein Spannungssignal, das in das Gate-Terminal eingespeist wird, angeschaltet und abgeschaltet werden kann. Der IGBT ist eine vorteilhafte Komponente für leistungselektronische Geräte, weil die schnelle Ansprechzeit des IGBTs auf An-/Abschaltung es dem Steuerungssystem ermöglicht, den Laststrom mit ausreichender Genauigkeit zu kontrollieren.The IGBTs are switch-type power semiconductor components that are generally used for main circuit solutions for regulating the load current of power electronic devices. The IGBT is a gate controlled component, which means that it can be turned on and off by a voltage signal that is fed to the gate terminal. The IGBT is an advantageous component for power electronic devices because the fast on / off response time of the IGBT allows the control system to control the load current with sufficient accuracy.
Die Gate-Spannung, die den IGBT steuert, ist die Spannung zwischen den Gate- und Emitter-Terminalen. Die schnelle Anschaltung setzt voraus, dass der Gate-Steuerungskreis in der Lage ist, schnell eine IGBT-interne Gate-Kapazitanz auf einen adäquaten positiven Spannungswert zu laden, und entsprechend verlangt die schnelle Abschaltung eine schnelle Entladung der Kapazitanz bis in die Nähe des Nullwertes. Normalerweise wird die Gate-Spannung für den Stopp-Zustand negativ gesteuert, was eigentlich für die Komponentensteuerung nicht erforderlich ist, aber das Sicherheitsmarginal gegenüber externen Störungen erhöht.The gate voltage that controls the IGBT is the voltage between the gate and emitter terminals. The fast connection requires that the gate control circuit be able to quickly charge an IGBT internal gate capacitance to an adequate positive voltage value, and accordingly, the fast shutdown requires a fast discharge of the capacitance to near zero. Normally, the gate voltage for the stop state is negatively controlled, which is not actually required for component control, but increases the safety marginal to external noise.
Um die positive und negative Hilfsspannung, die für An-/Abschaltung der Gate-Steuerung benötigt wird, zu generieren, können bekanntermaßen mehrere verschiedene Vorrichtungen angewendet werden. Bekannt sind solche Lösungen gemäß z. B. den Patentschriften
Die Einspeisung der von dem Gate-Schalter erforderten Hilfsspannungen durch zwei Wicklungen ist eine kostenintensive Lösung. Ein Nachteil der anderen vorher angeführten generell bekannten Lösung, in der die zwei notwendigen Hilfsspannungen durch Einspeisung von einer Wicklung hergeleitet werden, ist, dass die so erzeugten Spannungen nicht unbedingt gleich groß sind und dies leicht dazu führen kann, dass die Ansprechzeiten auf das Steuersignal zu den wirklichen An-/Abschaltungen des IGBTs verschieden lang sind. Für die Leistungsfähigkeit der Steuervorrichtung kann dies problematisch sein, da es z. B. eine programmgemäße Kompensierung der verschieden langen Verzögerungszeiten verlangen kann, was bei sehr verschieden großen Stromstärken nicht unbedingt funktionieren wird.The feeding of the required by the gate switch auxiliary voltages through two windings is a costly solution. A disadvantage of the other previously mentioned generally known solution, in which the two necessary auxiliary voltages are derived by feeding from one winding, is that the voltages thus generated are not necessarily the same and this can easily lead to the response times to the control signal The real on / off of the IGBTs are different lengths. For the performance of the control device, this can be problematic because it z. B. may require a program compensation of different delay times, which will not necessarily work at very different levels of current.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Das Ziel dieser Erfindung ist eine neuartige Vorrichtung zu entwickeln, mit der die vorher genannten Nachteile vermieden werden können und eine Lösung für die Gate-Steuerung erreicht wird, bei der die schalterinternen An-/Abschaltverzögerungen im Wesentlichen gleich lang, unabhängig vom jeweiligen Steuergerät bleiben und die erforderliche Leistung vorteilhaft mit einer Wicklung eingespeist werden kann. Dieses Ziel wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht, für die es kennzeichnend ist, was in dem Teil bezüglich der Merkmale der unabhängigen Schutzansprüche dargestellt ist. Andere vorteilhafte Leistungsmerkmale der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.The aim of this invention is to develop a novel device with which the aforementioned disadvantages can be avoided and a solution for the gate control is achieved in which the switch internal on / off delays remain substantially the same length, regardless of the respective control device and the required power can be fed advantageously with a winding. This object is achieved by the device according to the invention, for which it is characteristic, which is illustrated in the part relating to the features of the independent claims. Other advantageous features of the invention are the subject of the dependent claims.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung kann z. B. ein Frequenztransformator sein, in dem die Rotationsgeschwindigkeitsregelung des Motors durch gleichlange An-/Abschaltverzögerungen der gesteuerten Leistungshalbleiterschalter des Inverters unterstützt wird. Bei solchen Hochleistungsanwendungen, die wegen der Stromsteuerungsfähigkeit mehrere Leistungshalbleiterschalter parallel verlangen, ermöglicht diese Erfindung von der Steuereinheit unabhängige bekannte Steuerungsverzögerungen, die eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen den parallel geschalteten Leistungskomponenten zulassen. Der IGBT ist die meist benutzte Komponente z. B. in den Frequenztransformatoren und wird deswegen als Beispiel in der Beschreibung der Erfindung und in den Ansprüchen benutzt. Die Erfindung ist allerdings nicht nur auf die IGBT-Steuerung beschränkt, sondern kann auch für die Steuerung von Leistungshalbleiterschaltern anderer Bauarten, z. B. für Leistungs-MOSFETs, angewandt werden.The field of application of the invention may, for. B. may be a frequency transformer in which the rotational speed control of the motor is supported by the same length on / off delays of the controlled power semiconductor switch of the inverter. In such high power applications, which require multiple power semiconductor switches in parallel because of the current control capability, this invention allows control units independent of the control unit to have known control delays which allow a uniform current distribution between the parallel connected power components. The IGBT is the most used component z. B. in the frequency transformers and is therefore as an example in the description of the invention and in used the claims. However, the invention is not limited only to the IGBT control, but can also for the control of power semiconductor switches of other types, eg. For power MOSFETs.
Es ist für die Erfindung kennzeichnend, dass die Hilfsspannung, die von der Gate-Steuerung benötigt wird, durch eine Transformatorwicklung eingespeist wird. Kennzeichnend ist es auch, dass es nur einen Hilfsspannungswert gibt, dessen Spannung zwischen dem gesteuerten Leistungskomponenten-Gate und dem Emitter entweder als positiv (dem An-Zustand) oder als negativ (dem Stopp-Zustand) durch schalterartige Leistungskomponenten wie z. B. MOSFET-Transformatoren, die in der sog. H-Brückenschaltung angeordnet sind, geschaltet wird. Weil der Spannungswert, der die Kapazitanz des IGBTs auf- und entlädt, ein und derselbe ist, sind auch die Verzögerungen von dem Beginn/Endmoment bis zu dem Beginn der Veränderung der Leitfähigkeit des IGBTs im Wesentlichen dieselben sowie prinzipiell unabhängig von der Steuerungs- und IGBT-Einheit, weil die Toleranzen in den Gate-Kapazitanzen der IGBT-Einheiten und auch in den Pulstransformatoren, die die Spannungswerte der Gate-Steuerungen bestimmen, bekanntermaßen klein sind.It is characteristic of the invention that the auxiliary voltage required by the gate control is fed through a transformer winding. It is also characteristic that there is only one auxiliary voltage value, the voltage between the controlled power component gate and the emitter either as positive (the on state) or as negative (the stop state) by switch-type power components such. B. MOSFET transformers, which are arranged in the so-called. H-bridge circuit is switched. Because the voltage value that charges and discharges the capacitance of the IGBT is one and the same, the delays from the start / end torque to the beginning of the change in the conductivity of the IGBT are substantially the same and, in principle, independent of the control and IGBT Unit, because the tolerances in the gate capacitances of the IGBT units and also in the pulse transformers which determine the voltage values of the gate controllers are known to be small.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann am günstigsten auf einer Leiterplatte ausgeführt werden, die in der Nähe des gesteuerten IGBT-Transistors angebracht wird.The device according to the invention can be most conveniently carried out on a printed circuit board which is mounted in the vicinity of the controlled IGBT transistor.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die mit der bekannten Technik verbundenen Probleme vermieden, die von den verschieden langen An-/Abschaltverzögerungen herrühren. Außerdem erleichtert die Erfindung die Parallelschaltung der Leistungskomponenten, weil diese die im Wesentlichen gleichzeitigen Steuerungspulse ermöglicht.The solution according to the invention avoids the problems associated with the known technology, which result from the differently long on / off delays. In addition, the invention facilitates the parallel connection of the power components because it enables the substantially simultaneous control pulses.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Folgenden wird die Erfindung in detaillierterer Weise durch Beispiele und Referenzen auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt.In the following, the invention will be explained in more detail by examples and references to the accompanying drawings.
Zeichnung 1 stellt das graphische Symbol eines IGBT darDrawing 1 represents the graphic symbol of an IGBT
Zeichnung 2 stellt die üblichen charakteristischen Kurvenformen dar, die bei IGBT-Schaltungsfällen auftreten.Drawing 2 illustrates the usual characteristic waveforms that occur in IGBT circuit cases.
Zeichnungen 3A und 3B stellen bekannte Gate-Steuerungslösungen dar.Drawings 3A and 3B illustrate known gate control solutions.
Zeichnung 4 stellt die erfindungsgemäße Gate-Steuerungslösung dar und Drawing 4 illustrates the gate control solution according to the invention and
Zeichnung 5 stellt die Funktion der erfindungsgemäßen Gate-Steuerung dar.Drawing 5 illustrates the function of the gate controller according to the invention.
Detailbeschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die Zeichnung 1 stellt das bekannte Zeichen des IGBTs dar, in dem C (Kollektor), E (Emitter) und G (Gate) als Symbol der Komponentenanschlüsse benutzt werden. Kapazitanz CGE beschreibt die aus der komponenteninternen Struktur geformte Kapazitanz zwischen Gate und Emitter, und dementsprechend CGC die sog. Miller-Kapazitanz zwischen Kollektor und Gate. D stellt das Symbol für das externe Steuerungsterminal dar, dessen Spannung normalerweise durch den Gate-Widerstand RG auf das Gate geschaltet wird.Drawing 1 represents the known sign of the IGBT in which C (collector), E (emitter) and G (gate) are used as a symbol of component connections. Capacitance C GE describes the capacitance between gate and emitter formed from the component-internal structure, and accordingly C GC the so-called Miller capacitance between collector and gate. D represents the symbol for the external control terminal, the voltage of which is normally switched to the gate by the gate resistor R G.
Zeichnung 2 stellt die üblichen charakteristischen Kurvenformen, die bei IGBT-Schaltungsfällen auftreten, als Funktion der Zeit t dar. Die Spannungen in der Zeichnung beschreiben Spannungen zwischen den verschiedenen Terminalen und dem Emitter E.Drawing 2 illustrates the usual characteristic waveforms that occur in IGBT circuit cases as a function of time t. The voltages in the drawing describe voltages between the various terminals and emitter E.
Vor dem Zeitpunkt t1 befindet sich der IGBT in einem nicht stromleitenden Stopp-Zustand, wobei sich sowohl die externe Steuerungsterminalspannung uDE als auch die Spannung uGE des G-Terminals der Komponente auf einem negativen Wert –UD befinden. Die Kollektorspannung ist gemäß dem externen Kreis auf dem Wert +UC.Before time t 1 , the IGBT is in a non-current-conducting stop state, with both the external control terminal voltage u DE and the voltage u GE of the G-terminal of the component being at a negative value -U D. The collector voltage is according to the external circuit on the value + U C.
Zum Zeitpunkt t1 beginnt die Steuerung des IGBT in einen leitenden Zustand so, dass uDE anfängt auf den positiven Wert +UD zu steigen. Weil die Gate-Kapazitanz CGE normalerweise sehr klein ist, steigt die Gate-Spannung uGE in dieser Phase fast genauso schnell an wie die Spannung des D-Terminals.At time t 1 , the control of the IGBT starts in a conducting state so that u DE begins to rise to the positive value + U D. Because the gate capacitance C GE is normally very small, the gate voltage u GE in this phase increases almost as fast as the voltage of the D-terminal.
Zum Zeitpunkt t2 erreicht die Gate-Spannung den positiven sog. Schwellenspannungswert UGE(TH), wobei der stromleitende Kanal des IGBT leitend wird. In dem in der Zeichnung dargestellten Zustand, in dem der Strom nicht dargestellt ist und dessen Wert als 0 angenommen werden kann, fängt die Kollektorspannung uCE an zu sinken, nachdem die Schwellenspannung erreicht worden ist. Wenn die Kollektorspannung sinkt, fällt auch die Spannung CGC der Miller-Kapazitanz und verursacht dadurch einen Zustand, in dem der Strom, der durch den Gate-Widerstand RG eingespeist wird, und der Strom der Miller-Kapazitanz übereinstimmen und in dem die Gate-Spannung uGE ungefähr konstant bleibt, obwohl die Spannung uDE des Steuerungsterminals auf den endgültigen Wert +UD steigt. Wenn die Kollektorspannung den endgültigen Wert des Leitzustandes zum Zeitpunkt t3 erreicht hat, hört die Wirkung der Miller-Kapazitanz auf und auch die Gate-Spannung kann jetzt auf den von der externen Steuerung bestimmten Wert +UD steigen. Die Zeitverzögerung t1–t2 hat man in der Zeichnung der Klarheit wegen verlängert, in der Praxis ist die Dauer nur ein paar Prozent der ganzen Anschaltverzögerung t1–t3.At time t 2 , the gate voltage reaches the positive so-called threshold voltage value U GE (TH) , wherein the current-conducting channel of the IGBT becomes conductive. In the state shown in the drawing, in which the current is not shown and the value of which can be assumed to be 0, the collector voltage u CE begins to decrease after the threshold voltage has been reached. When the collector voltage decreases, the voltage C GC of the Miller capacitance also drops, thereby causing a state in which the current supplied by the gate resistor R G and the current of the Miller capacitance match and in which the gate Voltage u GE remains approximately constant, although the voltage u DE of the control terminal rises to the final value + U D. When the collector voltage reaches the final value of the conduction state at time t 3 , the effect of the Miller capacitance ceases and also the gate voltage can now rise to the value + U D determined by the external control. The time delay t 1 -t 2 has been extended in the drawing for the sake of clarity, in the In practice, the duration is only a few percent of the total turn-on delay t 1 -t 3 .
Die Steuerung des IGBTs in einen nicht stromleitenden Stopp-Zustand läuft laut Zeichnung 2 umgekehrt im Vergleich zum Anschalten. Zum Zeitpunkt t4 fängt die Steuerungsspannung uDE an, auf den negativen Wert –UD zu sinken. Die Gate-Spannung uGE folgt anfangs der Steuerungsspannung bis zu dem Zeitpunkt t5, bei dem der Schwellenspannungswert UGE(TH) erreicht wird und der bisher leitende Kanal des IGBTs anfängt sich zu schließen, was außerhalb der Komponente so wirkt, dass die Kollektorspannung uCE zu steigen beginnt und der entsprechende Gleichgewichtszustand wie bei der Zeitspanne t2–t3 erreicht wird. Erst wenn die Steigerung der Kollektorspannung und somit auch der Ladestrom, der durch die Miller-Kapazitanz eingespeist worden ist, zum Zeitpunkt t6 aufhören, kann die Gate-Spannung uGE auf den endgültigen negativen Wert –UD des Stopp-Zustandes sinken. Entsprechend der Anschaltsituation ist die Zeitverzögerung t4–t5 in der Praxis nur ein paar Prozent der gesamten Abschaltungsverzögerung t4–t6.The control of the IGBT in a non-current-conducting stop state runs according to drawing 2 vice versa compared to turning on. At the time t 4 , the control voltage u DE starts to decrease to the negative value -U D. The gate voltage u GE initially follows the control voltage up to the time t 5 at which the threshold voltage value U GE (TH) is reached and the hitherto conductive channel of the IGBT begins to close, which acts outside the component such that the collector voltage u CE begins to rise and the corresponding state of equilibrium is achieved as in the time period t 2 -t 3 . Only when the increase of the collector voltage and thus also the charging current which has been fed in by the Miller capacitance cease at time t 6 , the gate voltage u GE can sink to the final negative value -U D of the stop state. In accordance with the connection situation, the time delay t 4 -t 5 in practice is only a few percent of the total deactivation delay t 4 -t 6 .
Die Zeichnung 3A stellt die Prinzipschaltung des Steuerungskreises eines bekannten IGBTs dar. Darin werden die gegenüber dem IGBT-Emitter E positiven und negativen Hilfsspannungen +UDE1 und –UDE2, die von dem Gate-Steuerungskreis gebraucht werden und von den Kondensatoren C12 und C13 gefiltert werden, durch die Gleichrichterdioden D12 und D13 und die Sekundärwicklungen N12 und N13 vom Transformator T11 erzeugt, in dessen Primärwicklung N11 normalerweise eine Wechselspannung von hoher Frequenz, z. B. 50 kHz eingespeist wird. Wenn der IGBT angeschaltet wird, wird die positive Hilfsspannung +UDE1 durch den Schalter K12 auf das Gate G geschaltet und entsprechend wenn der IGBT abgeschaltet wird, wird Gate G auf die negative Hilfsspannung –UDE2 durch den Schalter K13 geschaltet. Als Serienwiderstand des Steuerungskreises kann nur ein einzelner Widerstand verwendet werden oder in den Anschalt- und Abschaltseiten können die Widerstände verschieden groß und dadurch separat sein wie im Zeichnungsbeispiel (RG12 und RG13) dargestellt. Als Schalter, die in der Zeichnung als K12 und K13 dargestellt sind, sowie auch als entsprechende Schalter in anderen Zeichnungen dieses Dokumentes, werden normalerweise schnelle Leistungshalbleiterschalter wie z. B. MOSFETs benutzt. Die Schaltkreislösungen, die die Schalter kontrollieren, sind der Klarheit wegen hier nicht dargestellt, da sie für jeden Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind.FIG. 3A shows the basic circuit of the control circuit of a known IGBT. Therein, the positive and negative auxiliary voltages + U DE1 and -U DE2 which are used by the gate control circuit and the capacitors C 12 and C are compared with the IGBT emitter E. 13 are filtered by the rectifier diodes D 12 and D 13 and the secondary windings N 12 and N 13 produced by the transformer T 11 , in the primary winding N 11 normally an alternating voltage of high frequency, z. B. 50 kHz is fed. When the IGBT is turned on, the positive auxiliary voltage + U DE1 is switched to the gate G by the switch K 12 , and accordingly, when the IGBT is turned off, the gate G is switched to the negative auxiliary voltage -U DE2 through the switch K 13 . As a series resistor of the control circuit, only a single resistor can be used or in the turn-on and turn-off, the resistors can be different sizes and thus separately as shown in the drawing (R G12 and R G13 ). As switches, which are shown in the drawing as K 12 and K 13 , as well as corresponding switches in other drawings of this document, normally fast power semiconductor switches such. B. MOSFETs used. The circuit solutions that control the switches are not shown here for the sake of clarity, as they are known to any person skilled in the art.
Zeichnung 3B stellt eine andere Prinzipschaltung des IGBT-Steuerungskreises dar, in dem die Leistungseinspeisung mit einem T21-Transformator geregelt ist, der nur eine Sekundärwicklung N22 hat. Die Spannung der Sekundärwicklung wird mit der Diode D21 gleichgerichtet und mit der Schaltung, die aus der Zenerdiode Z2, dem Widerstand R2 und den Transitoren Tr21 und Tr22 besteht, in zwei durch die Kondensatoren C21 und C22 geschützten Hilfsspannungen +UDE3 und –UDE4 geteilt. Der gemeinsame Punkt der Kondensatoren ist in dieser Lösung mit dem IGBT-Emitter E verbunden, wobei der Verstärkerkreis A21 bezüglich des Emitters E entweder eine positive (+UDE3) oder negative (–UDE4) Hilfsspannung durch den Gate-Widerstand RG2 zum dem Gate G einspeisen kann.Drawing 3B illustrates another principle circuit of the IGBT control circuit, in which the power supply is controlled with a T 21 transformer having only a secondary winding N 22 . The voltage of the secondary winding is rectified with the diode D 21 and with the circuit consisting of the Zener diode Z 2 , the resistor R 2 and the transistors Tr 21 and Tr 22 , in two by the capacitors C 21 and C 22 protected auxiliary voltages + U DE3 and -U DE4 shared. The common point of the capacitors in this solution is connected to the IGBT emitter E, wherein the amplifier circuit A 21 with respect to the emitter E either a positive (+ U DE3 ) or negative (-U DE4 ) auxiliary voltage through the gate resistor R G2 to the gate G can feed.
Zeichnung 4 präsentiert die erfindungsgemäße Prinzipschaltung des Gate-Steuerungskreises und Zeichnung 5 die Kurvenformen, die charakteristisch für die Funktion sind.Drawing 4 presents the basic circuit according to the invention of the gate control circuit and drawing 5, the waveforms that are characteristic of the function.
Die von der Steuerung benötigte Hilfsspannung wird durch den Transformator T1, in dem sich eine Primärwicklung N1 und eine Sekundärwicklung N2 befinden, und die Gleichrichterdiode D1 in den Filterkondensator C1 eingespeist. Der Kreis braucht also nur eine Hilfsspannung UD, was von den bekannten Lösungen in den vorher dargestellten Zeichnungen abweicht, in denen man separate positive und negative Hilfsspannungen braucht.The auxiliary voltage required by the controller is fed through the transformer T 1 , in which a primary winding N 1 and a secondary winding N 2 are located, and the rectifier diode D 1 in the filter capacitor C 1 . Thus, the circuit needs only an auxiliary voltage U D , which differs from the known solutions in the previously illustrated drawings, in which one needs separate positive and negative auxiliary voltages.
Gemäß der Erfindung wird die Hilfsspannung zwischen Gate G und Emitter E des gesteuerten Leistungshalbleiterschalter V1 durch einen Serienwiederstand RG1 mit den Schaltern K1–K4, die als sog. H-Brückenschaltung verwirklicht sind, entweder als positiv (der stromleitende Zustand des IGBTs) oder als negativ (der nicht stromleitende Zustand des IGBTs) geschaltet. Das Steuerungssignal CV1 des IGBT wird in dem Steuerungskreis GD in zwei spiegelbildliche ON- und OFF-Signale geteilt, von denen das ON-Signal in einem logischen 1-Zustand ist, wenn der IGBT sich in einem stromleitenden Zustand befindet, und demnach das OFF-Signal in einem logischen 1-Zustand ist, wenn der IGBT sich in einem nicht stromleitenden Zustand befindet. Das ON-Signal steuert die entsprechenden Schalter K1 und K4 durch die Verstärkerkreise G1 und G4 leitend, worauf die Gate-Spannung V1G-E positiv wird, wie es in Zeichnung 5 nach dem Zeitpunkt t1 dargestellt ist. Dementsprechend veranlasst das OFF-Signal durch die Verstärkerkreise G2 und G3 sowie die Schalter K2 und K3, dass die Gate-Spannung negativ wird, wie in Zeichnung 5 nach dem Zeitpunkt t2 dargestellt ist.According to the invention, the auxiliary voltage between gate G and emitter E of the controlled power semiconductor switch V1 by a series resistance RG1 with the switches K1-K4, which are implemented as so-called H-bridge circuit, either as positive (the current-conducting state of the IGBTs) or as negative (the non-conducting state of the IGBT) is switched. The control signal C V1 of the IGBT is divided in the control circuit GD into two mirror-image ON and OFF signals, of which the ON signal is in a logical 1 state when the IGBT is in an electrically conductive state, and hence the OFF Signal is in a logical 1 state when the IGBT is in a non-conducting state. The ON signal controls the respective switches K 1 and K 4 by the amplifier circuits G 1 and G 4 conductive, whereupon the gate voltage V 1G-E is positive, as shown in drawing 5 after the time t 1 . Accordingly, the OFF signal through the amplifier circuits G 2 and G 3 as well as the switches K 2 and K 3 cause the gate voltage to become negative as shown in Drawing 5 after time t 2 .
Als Unterschied zu der bekannten Technik wird in der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt, dass dank der einzigen Spannungsquelle UD die absoluten Werte sowohl der leitenden als auch nichtleitenden Zustände der Gate-Spannungen exakt gleich sind. Dank der gleichartigen Verstärkerkreise G1–G4 und den gleichartigen Schalterkomponenten K1–K4 sind auch die Steuerungsverzögerungen, die die Zustandsveränderung des Steuerungssignals CV1 für die Leitzustandsveränderung der Leistungshalbleiterschalters, z. B. des IGBTs, erzeugen (Zeitverzögerungen t1–t3 und t4–t6 gemäß Zeichnung 2), im Grunde gleich lang, weil die Zeitverzögerung der Gate-Spannung von dem statischen Wert auf den Schwellenspannungswert (t1–t2 und t4–t5) sehr kurz ist; z. B. ca. 20 ns, im Vergleich zu den Zeitverzögerungen zum Schwellenspannungswert, die von der Miller-Kapazitanz verursacht werden (t2–t3 und t5–t6) und die typischerweise mindestens eine Dekade, z. B. 200 ns, länger sind. Die Anschalt- und Abschaltverzögerungen sind demnach in der Praxis gleich lang und sie sind nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleich lang sogar bei verschiedenen Gate-Steuerungseinheiten, falls die Gate-Kapazitanzen der gesteuerten IGBTs gleich groß sind. Für das Steuerungssystem der Vorrichtung ist dies von großem Vorteil, weil es ein exaktes Management und Steigern der Manipulationsfähigkeit der Leistung des Ausgangsstromes entweder durch ein direktes Parallelschalten der Vorrichtungen oder IGBTs ermöglicht, um die gleiche Last ohne sonstige Komponenten oder andere Systeme zur Stromausgleichung einzuspeisen.As a difference from the known technique, it is shown in the inventive solution that thanks to the single voltage source U D, the absolute values of both the conducting and non-conducting states of the gate voltages are exactly equal. Thanks to the similar amplifier circuits G 1 -G 4 and the similar switch components K 1 -K 4 are also the control delays that the state change of Control signal C V1 for the Leitzustandsveränderung the power semiconductor switch, z. As the IGBT, generate (time delays t 1 -t 3 and t 4 -t 6 according to drawing 2), basically the same length, because the time delay of the gate voltage from the static value to the threshold voltage value (t 1 -t 2 and t 4 -t 5 ) is very short; z. 20 ns, compared to the time delays to the threshold voltage value caused by the Miller capacitance (t 2 -t 3 and t 5 -t 6 ) and which are typically at least a decade, e.g. B. 200 ns, are longer. The turn-on and turn-off delays are accordingly of equal length in practice and, in the case of the device according to the invention, are the same length even at different gate control units if the gate capacitances of the controlled IGBTs are the same. This is of great benefit to the control system of the device because it allows for accurate management and enhancement of the power handling capability of the output current either through direct paralleling of the devices or IGBTs to supply the same load without other components or other current balancing systems.
Für einen Fachmann ist es klar, dass die verschiedenen Anwendungsformen der Erfindung sich nicht nur auf die hier vorher dargestellten Beispiele beschränken, sondern im Rahmen der hier im Folgenden aufgeführten Schutzansprüche variieren können. Der IGBT-Transistor ist als Beispiel in der Erklärung der Erfindung verwendet worden, was aber nicht bedeutet, dass die Erfindung auf dieses Anwendungsobjekt eingeschränkt ist, sondern sie kann auch für die Steuerung von Leistungshalbleiterschaltern anderer Bauart, z. B. MOSFETs, verwendet werden.It will be clear to a person skilled in the art that the various forms of application of the invention are not limited to the examples presented hereinbefore but may vary within the scope of the protection claims listed below. The IGBT transistor has been used as an example in the explanation of the invention, but this does not mean that the invention is limited to this application object, but it may also be used for the control of power semiconductor switches of other types, e.g. As MOSFETs are used.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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