DE4241237A1 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ei­ nen Steuerkreis für einen Halbleiterschalter, mit einer Steuereinheit und einem daran angeschlossenen Transformator zur Erzeugung eines die Steuerdaten und die Steuerenergie des Halbleiterschalters enthalten­ den Wechselspannungssignals für die Sekundärwicklung des Transformators, einem an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossenen Gleichrichter zur Er­ zeugung einer Gleichspannung für die Steuerung des Halbleiterschalters, einer Logikschaltung zur Tren­ nung der in der Sekundärspannung des Transformators enthaltenen Steuerinformation von der Sekundärspan­ nung und einem durch die Logikschaltung gesteuerten Steuerglied zur Steuerung des Halbleiterschalters, dessen Emitterelektrode an ein Bezugspotential ange­ schlossen ist.

Einen derartigen Steuerkreis für einen Halblei­ terschalter, wie FET, hat zum Beispiel Unitrode Inte­ grated Circuits Corporation, USA, für ihr Kreispaar UC3724 und UC3725 entworfen. Dank eines Transforma­ tors, der sowohl die erforderliche Leistung als auch die Befehlssignale liefert, ist der Schaltkreis gal­ vanisch trennend. Um die Steuersignale über den Transformator zu bringen, wird eine Modulation des dem Transformator zuzuführenden Wechselspannungssig­ nals, in diesem Fall eine Änderung im Betriebszyklus des Wechselspannungssignals, verwendet. Die im Kreis enthaltene Logikschaltung kann diese Änderung im Be­ triebszyklus wahrnehmen und aufgrund dieser Änderung das vom Kreis abgehende, zum Gitter des Halbleiter­ schalters zuzuführende Steuersignal, das den Halblei­ terschalter entweder in einen leitenden oder nicht­ leitenden Zustand steuert, ändern.

Dieser Schaltkreis, auch wenn er in seinem Auf­ bau ziemlich einfach ist, weist jedoch einige Mängel auf. Erstens kann er das der Steuerelektrode des Halbleiterschalters zugeführte Potentialniveau nur von dem Bezugspotential, an das die Emitterelektrode des Halbleiterschalters angeschlossen ist, in ein po­ sitives Potential ändern, das in erster Linie von der Sekundärspannung des Transformatios bestimmt wird. Ferner setzt eine Änderung des Betriebszyklus des dem Transformator zuzuführenden Wechselspannungssignals den Einsatz von zu diesem Zweck geeigneten Kreiskon­ struktionen voraus. Ebenfalls setzt die Wahrnehmung der Änderung des Betriebszyklus voraus, daß im Steu­ erkreis ein geeigneter Detektorkreis, wie ein Hyste­ resekomparator, vorgesehen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steuerkreis für einen Halbleiter­ schalter zu schaffen, bei dem das dem Transformator zuzuführende Wechselspannungssignal nicht moduliert zu werden braucht und bei dem die der Steuerelektrode des Halbleiterschalters zuzuführende Spannung neben einem positiven Wert auch einen negativen Wert erhal­ ten kann. Somit ist ein erfindungsgemäßer Steuerkreis insbesondere zum Steuern von IGBT (Insulated Gate Bi­ polar Transistor) geeignet, kann aber zuverlässig auch andere durch ein Gitter oder eine entsprechende Steuerelektrode steuerbare Halbleiterschalter, wie FET oder GTO-Thyristore, steuern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsge­ mäße Steuerkreis für einen Halbleiterschalter dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Zeitlogik­ einheit und ein erstes und ein zweites, durch die Zeitlogikeinheit gesteuertes Steuerglied aufweist und der Transformator einen ersten und einen zweiten Transformator aufweist, die das erste bzw. zweite Steuerglied mit einem unmodulierten Wechselspannungs­ signal speisen, um den Halbleiterschalter in einen leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand zu steuern, und deren Sekundärwicklungen an ihren entgegenge­ setzten Enden an das genannte Bezugspotential ange­ schlossen sind, der Gleichrichter einen ersten und einen zweiten Gleichrichter zur Gleichrichtung einer gegenüber dem Bezugspotential positiven bzw. nega­ tiven Gleichspannung aus einer über die Sekundärwick­ lungen der Transformatoren wirkenden Spannung auf­ weist, das durch die Logikschaltung gesteuerte Steu­ erglied ein erstes und ein zweites Steuerglied zum Halten des Halbleiterschalters in einem leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand aufweist, und daß der Steuerkreis ferner an die Ausgänge der Gleichrichter angeschlossene Kondensatoreinheiten zur Speicherung von Ein- bzw. Ausschaltenergie aufweist.

Dadurch, daß der Steuerkreis bezüglich der Zu­ führung des Steuersignals in zwei getrennte, paral­ lele Wege eingeteilt ist, wobei über den einen ein den Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand steuerndes Signal und über den anderen ein den Halb­ leiterschalter in einen nicht-leitenden Zustand steu­ erndes Signal zugeführt wird, können diese Signale völlig ähnliche unmodulierte Wechselspannungssignale sein. Durch Anschließen der Transformatoren, über die die Wechselspannungssignale in den das Steuersignal des Halbleiterschalters erzeugenden Teil des Kreises geführt werden, an entgegengesetzten Enden ihrer Se­ kundärwicklungen an das Bezugpotential, an das auch die Emitterelektrode des Halbleiterschalters ange­ schlossen ist, ist gewährleistet, daß aus der Sekun­ därwicklung des Transformators sowohl ein gegenüber dem Bezugspotential positives als auch negatives Gleichspannungsniveau gleichgerichtet werden kann.

Für diese Gleichspannungsniveaus sind im Kreis auch Energiespeicher vorgesehen, die als Quelle des für das Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters be­ nötigten Steuerstromes dienen. Besonders im Falle ei­ nes IGBT ist der erforderliche Steuerstrom zunächst verhältnismäßig stark, fällt aber nach erfolgtem Ein- oder Ausschalten rasch auf ein Niveau, das auch sehr niedrig sein kann.

Vorzugsweise umfaßt ein erfindungsgemäßer Steu­ erkreis ferner ein durch die Logikschaltung gesteu­ ertes Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied zum Anschließen der Steuerelektrode des Halbleiterschalters an eine Ausschaltenergiequelle, wenn der durch den Halblei­ terschalter durchfließende Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Wenn von der Zeitlogik über den einen Transfor­ mator nur positive Halbperioden in längeren Abständen und über den zweiten Transformator abwechseln mit diesen nur negative Halbperioden zugeführt werden, können die den Halbleiterschalter entweder in einen leitenden oder nicht-leitenden Zustand steuernden Steuerglieder dem steuernden Kreis entkoppelt wer­ den. In dieser Situation kann die Steuerelektrode des Halbleiterschalters durch das Kurzschluß-Ausschalt­ steuerglied kontrolliert in ein negatives Potential gesteuert, wodurch ein kontrolliertes Ausschalten des Halbleiterschalters erzielt wird.

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßer Schalt­ kreis anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren näher erläutert, wobei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild dem Aufbau eines er­ findungsgemäßen Schaltkreises und

Fig. 2 Signalformen, die bei der Betrachtung der Funktion des Schaltkreises gemäß Fig. 1 nützlich sind.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Steuerkreis umfaßt erstens eine Zeitlogik 1, die ein einen Halbleiterschalter 12 in einen leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand steuerndes Signal ON/, ein Taktsignal CLOCK und ein über einen Überstromzustand des Halbleiterschalters informierendes Signal OVER- CURRENT empfängt. Die Zeitlogikeinheit 1 steuert zwei Steuerglieder 2 und 3, die Transformatoren T1 und T2 mit einem Wechselspannungsrechtecksignal mit gewün­ schter Frequenz, beispielsweise etwa 2 MHz, speisen. Die Steuerglieder 2 und 3 werden abwechselnd so ge­ steuert, daß wenn die Zeitlogikeinheit ein den Halb­ leiterschalter 12 in einen leitenden Zustand steu­ erndes Befehlssignal ON empfängt, so speist nur das Steuerglied 2 den Transformator T1 mit einem Wechsel­ spannungssignal der oben genannten Art, und wenn ent­ sprechend der Schalter 12 in einen nicht-leitenden Zustand gesteuert und dort gehalten werden soll, so speist nur das Steuerglied 3 den Transformator T2 mit einem Wechselspannungssignal der oben genannten Art.

Die Sekundärwicklungen der Transformatoren T1 und T2 sind an ihren entgegengesetzten Polen an ein Bezugspotential RP angeschlossen. Die über diese Se­ kundärwicklungen wirkende Wechselspannung wird sowohl mit einem Gleichrichter 4 als auch mit einem Gleich­ richter 5 gleichgerichtet. Diese Spannungen werden auch einer Niveauerkennungslogik 6 zugeführt, deren Aufgabe es ist zu erkennen, ob das Wechselspannungs­ signal durch den Transformator T1 oder durch den Transformator T2 zugeführt wird. Aufgrund dieser In­ formation steuert die Niveauerkennungslogik 6 entwe­ der ein Steuerglied 10 oder ein Steuerglied 11, von denen das Steuerglied 10 das Gitter des Schalters 12 an den Ausgang des Gleichrichters 4 und das Steuer­ glied 11 das Gitter des Schalters 12 an den Ausgang des Gleichrichters 5 anschließt. In diesen Situa­ tionen wird das Gitter des Halbleiterschalters ent­ weder mit einer vom Gleichrichter 4 erzeugten posi­ tiven Spannung oder mit einer vom Gleichrichter 5 er­ zeugten negativen Spannung gespeist, wenn die Span­ nungsniveaus mit dem Bezugspotential verglichen wer­ den, auf dem die Emitterelektrode des Halbleiter­ schalters liegt.

Zur Erzeugung der erforderlichen Ein- und Aus­ schaltströme ist zwischen dem Gleichrichter 4 und dem Steuerglied 10 bzw. zwischen dem Gleichrichter 5 und dem Steuerglied 11 eine Kondensatoreinheit 8 bzw. 9 vorgesehen. Diese Kondesatoreinheiten werden während einiger Taktperioden auf die Ausgangsspannungen der Gleichrichter geladen und weisen eine solche Kapazi­ tät auf, daß sie einen ausreichend starken Strom für die Steuerung des Halbleiterschalters zuführen kön­ nen.

Ferner umfaßt der in Fig. 1 dargestellte Kreis ein durch die Niveauerkennungslogikschaltung 6 ge­ steuertes Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied 7, das in der Lage ist, das Gitter des Schalters 12 über einen Widerstand R an eine Quelle 9 des negativen Poten­ tials anzuschließen. Dadurch wird ein kontrolliertes Ausschalten erhalten.

In Fig. 2 sind Spannungsformen dargestellt, die zum besseren Verständnis der Funktion des Kreises ge­ mäß Fig. 1 dienen. Obenan ist die Spannung OVER-CUR- RENT gezeigt, die zunächst auf einem niedrigen Niveau liegt und beim Auftreten eines Überstromzustandes auf ein höheres Niveau steigt. Dann folgt das den Halb­ leiterschalter abwechselnd in einen leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand steuerndes Signal ON/. Das nächste Signal ist das Taktsignal CLOCK, das ein Rechtecksignal mit gewünschter Frequenz ist. Entspre­ chend dem Signal ON/ entsprechen die Signale A und B den Sekundärspannungen der Transformatoren T1 und T2. Aufgrund der Signale A und B werden von der Nive­ auerkennungslogik 6 die Steuersignale C und D für die Steuerglieder 10 und 11 erhalten. Das Signal E ist wiederum ein Ausgangssignal des Kurzschluß-Ausschalt­ steuergliedes in einem hochohmigen Zustand, wenn sich das Signal ON/ in ON-Zustand befindet, und in ei­ nem niederohmigen Zustand, wenn sich dieses Signal in -Zustand befindet und insbesondere wenn das Signal OVER-CURRENT in seinen eine Überstromsituation dar­ stellenden oberen Wert übergegangen ist. Das Signal F ist ein dem Gitter des Schalters 12 zugeführtes Sig­ nal, das eine Periode, wo sich der Schalter in einem leitenden Zustand befindet, eine Periode, wo sich der Schalter in einem nicht-leitenden Zustand befindet, und eine Periode, wo der Schalter durch das Kurz­ schluß-Ausschaltsteuerglied von einem leitenden Zu­ stand in einen nicht-leitenden Zustand gesteuert wird, aufweist.

Ein Grundgedanke beim erfindungsgemäßen Steuer­ kreis besteht darin, daß zwei getrennte Transforma­ toren T1 und T2 zur Übetragung von sowohl Information als auch Energie verwendet werden. Die Information wird durch den Transformator in Form eines in ein ge­ meinsames Taktsignal CLOCK synchronisierten, symmet­ rischen und völlig unmodulierten Rechteckburstes übertragen (siehe die Signale A und B in Fig. 2), dessen Dauer gleich ist wie der leitende bzw. nicht­ leitende Zustand des Halbleiters. Die Ein- und Aus­ schaltsignale sind also kontinuierlich. Der Transfor­ mator T1 informiert über das Einschalten des Halblei­ ters und der Transformator T2 über das Ausschalten desselben. In allen Situationen funktioniert jeweils nur einer der beiden Transformatoren. Die Synchroni­ sierung ermöglicht eine Reihenschaltung mehrerer Git­ tersteuerglieder für die Steuerung von in Reihe ge­ schalteten Halbleiterschaltern.

In der vom Transformator T1 übertragenen Recht­ eckwelle A bedeutet jede positive Halbperiode eine Zwangssteuerung des Leistungssteuergliedes 11 in ei­ nen nicht-leitenden Zustand und entsprechend jede ne­ gative Halbperiode eine Zwangssteuerung des Lei­ stungssteuergliedes 10 in einen leitenden Zustand. Dies bedeutet die Zuführung einer positiven Ladung zum Gitter des Halbleiters, dessen Potential sich der Versorgungsspannung V+ annähert. Der Halbleiter wird also eingeschaltet. Da die Steuerung des Transforma­ tors T1 immer mit einer positiven Halbperiode be­ ginnt, hat das Leistungssteuerglied 11 um die Dauer dieser Halbperiode Zeit, ausgeschaltet zu werden, bevor das Leistungssteuerglied 10 eingeschaltet wird (Totzeit), so daß eine Durchzündung des Gittersteuer­ gliedes verhindert ist. Die Totzeit kann durch Ände­ rung der Taktfrequenz eingestellt werden. Die erfor­ derliche Einschaltenergie wird dem Energiespeicher 8 entnommen, dessen Energieverlust unmittelbar im Rah­ men einiger Taktperioden wieder kompensiert wird.

In der vom Transformator T2 übertragenen Recht­ eckwelle B bedeutet jede negative Halbperiode eine Zwangssteuerung des Leistungssteuergliedes 10 in ei­ nen nicht-leitenden Zustand und entsprechend jede positive Halbperiode eine Zwangssteuerung des Lei­ stungsgliedes 11 in einen leitenden Zustand. Dies bedeutet die Zuführung einer negativen Ladung zum Gitter des Halbleiters, dessen Potential sich der Versorgungsspannung V- annähert. Der Halbleiter wird also ausgeschaltet. Da die Steuerung des Transforma­ tors T2 immer mit einer negativen Halbperiode be­ ginnt, hat das Leistungssteuerglied 10 um die Dauer dieser Halbperiode Zeit, ausgeschaltet zu werden, bevor das Leistungssteuerglied 11 eingeschaltet wird (Totzeit), so daß eine Durchzündung des Gittersteuer­ gliedes verhindert ist. Die Totzeit kann durch Ände­ rung der Taktfrequenz eingestellt werden. Die erfor­ derliche Ausschaltenergie wird dem Energiespeicher 9 entnommen, dessen Energieverlust unmittelbar im Rah­ men einiger Taktperioden wieder kompensiert wird.

Das bei einem Kurzschluß von einer äußeren Lo­ gik zu erhaltende OVER-CURRENT-Signal zwingt die Zeitlogik 1 dazu, abwechselnd und in längeren Ab­ ständen dem Transformator T1 positive Halbperioden und dem Transformator T2 negative Perioden abzugeben. Wie oben erläutert, zwingen die positiven Halbperi­ oden von T1 das Leistungssteuerglied 11 in einen nicht-leitenden Zustand und die negativen Halbperi­ oden von T2 das Leistungssteuerglied 10 in einen ent­ sprechenden Zustand. Das Gitter wird also beiden Energiespeichern entkoppelt. Das Kurzschluß-Aus­ schaltsteuerglied 7 schließt das Gitter über einen Ausschaltwiderstand R an den negativen Energiespei­ cher 9 an, falls beide Leistungssteuerglieder gleich­ zeitig in einen nicht-leitenden Zustand gebracht wor­ den sind. Dadurch wird ein kontrolliertes Ausschalten erhalten.

Der erfindungsgemäße Steuerkreis für einen Halbleiterschalter ist vorstehend anhand nur einer beispielhaften Ausführungsform erläutert worden. Es ist klar, daß er insbesondere nach den Eigenschaften des jeweils zu steuernden Halbleiterschalters auch anders, aber jedoch im Rahmen der beigefügten Patent­ ansprüche realisierbar ist.

Claims (2)

1. Steuerkreis für einen Halbleiterschalter, mit einer Steuereinheit (1-3) und einem daran ange­ schlossenen Transformator (T1, T2) zur Erzeugung ei­ nes die Steuerdaten und die Steuerenergie des Halb­ leiterschalters (12) enthaltenden Wechselspannungs­ signals (A, B) für die Sekundärwicklung des Transfor­ mators, einem an die Sekundärwicklung des Transforma­ tors (T1, T2) angeschlossenen Gleichrichter (4, 5) zur Erzeugung einer Gleichspannung (V+, V-) für die Steuerung des Halbleiterschalters, einer Logikschal­ tung (6) zur Trennung der in der Sekundärspannung des Transformators enthaltenen Steuerinformation von der Sekundärspannung und einem durch die Logikschaltung (6) gesteuerten Steuerglied (10, 11) zur Steuerung des Halbleiterschalters (12), dessen Emitterelektrode an ein Bezugspotential (RP) angeschlossen ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Zeitlogikeinheit (1) und ein erstes und ein zweites, durch die Zeitlogikeinheit gesteuertes Steuerglied (2, 3) aufweist und der Transformator einen ersten und einen zweiten Transformator (T1, T2) aufweist, die das erste bzw. zweite Steuerglied (2, 3) mit ei­ nem unmodulierten Wechselspannungssignal (A, B) spei­ sen, um den Halbleiterschalter in einen leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand zu steuern, und deren Sekundärwicklungen an ihren entgegengesetzten Enden an das genannte Bezugspotential (RP) angeschlossen sind, der Gleichrichter einen ersten und einen zwei­ ten Gleichrichter (4, 5) zur Gleichrichtung einer ge­ genüber dem Bezugspotential positiven (V+) bzw. nega­ tiven (V-) Gleichspannung aus einer über die Sekun­ därwicklungen der Transformatoren wirkenden Spannung (A, B) aufweist, das durch die Logikschaltung (6) ge­ steuerte Steuerglied ein erstes und ein zweites Steu­ erglied (10, 11) zum Halten des Halbleiterschalters (12) in einem leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand aufweist, und daß der Steuerkreis ferner an die Aus­ gänge der Gleichrichter angeschlossene Kondensator­ einheiten (8, 9) zur Speicherung von Ein- bzw. Aus­ schaltenergie aufweist.

2. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er ferner ein durch die Logikschaltung (6) gesteuertes Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied (7) zum Anschließen der Steuerelektrode des Halbleiter­ schalters (12) an eine Ausschaltenergiequelle (V-) aufweist, wenn der durch den Halbleiterschalter durchfließende Strom einen vorbestimmten Wert über­ schreitet.