DE4303905A1 - Schaltstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf eine Schaltstufe mit Halbleiterschaltern entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Schaltverstärkern, Schaltnetzteilen und Leistungsgeneratoren werden Schaltstufen mit immer schnelleren Halbleiterschaltelementen eingesetzt. Bei der Realisierung solcher Schaltungen können Mindestabstände zwischen den einzel­ nen Komponenten, die durch die Dimension durch die Größe dieser Komponenten vorgegeben sind, nicht unterschritten werden. Dadurch ergeben sich durch die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Komponenten sowie die Kompo­ nenten selbst, parasitäre Induktivitäten. Ebenso sind parasitäre Kapazitäten in sol­ chen Schaltungsaufbauten unvermeidbar. Bei Leistungshalbleiterschaltungen spielen hier auch die Sperrschichtkapazitäten eine wichtige Rolle.

Bei schnellen Schaltvorgängen mit kurzen Stromanstiegszeiten treten in unmittel­ barem Zusammenhang mit den Schaltvorgängen Spannungsspitzen bzw. Schwin­ gungen hoher Amplitude auf. Diese können zu einer Zerstörung der Halbleiter­ bauelemente oder zur unerwünschten Abstrahlung hochfrequenter Störungen füh­ ren.

Herkömmliche Schaltungen zur Unterdrückung dieser hohen Spannungsspitzen versuchen die in den parasitären Blindelementen gespeicherte Energie mit Hilfe diskreter Bauelemente zu absorbieren. Dies kann durch Parallelschaltung von grö­ ßeren Kapazitäten, Überspannungsableitern oder die Kombination von Kapazitäten und Widerständen sowie Induktivitäten erreicht werden. Diese Schaltungen haben den Nachteil, daß zusätzliche Bauteile benötigt werden, die sich in der Regel we­ sentlich erwärmen. Zudem wird von diesen Schaltungen meist mehr Leistung auf­ genommen, als zur Absorption der Blindenergie notwendig wäre. Häufig lassen sich auch mit solchen externen Maßnahmen die parasitären Resonanzen nur un­ vollständig unterdrücken, da die Schaltungspunkte mit maximalen Spanungs- und Stromamplituden dieser parasitären Schwingungen wegen der Halbleitergehäuse häufig nicht zugänglich sind.

Eine bessere Lösung ist in Lorenz, Amann: MOS-Module:Effektive Leistungs­ schalter bei hohen Taktfrequenzen, Elektronik 11/1988 beschrieben. Hier wird der Stromanstieg im Halbleiterschalter begrenzt. Dadurch wird aber insgesamt der Schaltvorgang des Halbleiterschalters verlangsamt, so daß die beim Schalten ent­ stehende Verlustleistung wesentlich ansteigt.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Schaltstufe entsprechend dem Oberbegriff des Anspruch 1 so zu verbessern, daß ohne den Einsatz von weiteren Leistungs­ bauteilen die unmittelbar in Verbindung mit Schaltvorgängen auftretenden Span­ nungsspitzen wesentlich verringert werden, ohne daß die Schaltverluste wesentlich ansteigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 offenbarten Merkmale gelöst.

Eine Schaltstufe in einem realen Schaltungsaufbau bestehend aus einem schnellen Halbleiterschalter zusammen mit einer parasitären Serieninduktivität und einer parasitären Parallelkapazität wird mit einer Ansteuerschaltung gesteuert. Im aus­ geschalteten Zustand fließt durch die Serieninduktivität kein Strom, während an der Parallelkapazität die volle Schaltspannung anliegt. Wird der Transistor nun mit Schaltzeiten, die mit den heute dem Stand der Technik entsprechenden Transisto­ ren im Nanosekundenbereich liegen, angesteuert, so wird ein Serienresonanzkreis aus der Induktivität, der Kapazität und dem Durchlaßwiderstand des Transistors gebildet. Durch die niedrigen Durchlaßwiderstände moderner Transistoren wird eine erhebliche Güte des Resonanzkreises erreicht. Aufgrund der in der Kapazität gespeicherten Energie ergibt sich eine nur schwach gedämpfte Schwingung hoher Amplitude. Ein ähnlicher Effekt tritt beim Abschaltvorgang des Transistors auf. Hier trägt besonders die durch den Stromfluß in der Induktivität gespeicherte En­ ergie zur Schwingung bei. Mit Hilfe der Erfindung kann diese Energie absorbiert werden, bevor sich eine parasitäre Schwingung ausbilden kann. Die Absorption dieser Energie erfolgt zweckmäßigerweise durch den Durchlaßwiderstand des Halbleiterschalters selbst. Denn nur dieser ist im Gegensatz zu einer möglichen externen Beschaltung vollständig in den Resonanzkreis eingebunden. Damit kann die Energie der Blindelemente entsprechend der Zeitkonstante abgebaut werden. Zur Realisierung dieses Prinzips darf der Halbleiterschalter nicht in einer kürzest­ möglichen Zeit durchschalten. Vielmehr muß sich sein Durchlaßwiderstand bis zum Abbau eines wesentlichen Anteils der in den parasitären Blindelementen ge­ speicherten Energie in einem mittleren Widerstandsbereich bewegen. Danach sollte der Halbleiterschalter jedoch möglichst schnell durchschalten, so daß die Schaltverluste minimal bleiben. Dies wird mit einer Hilfsschaltung in der Ansteu­ erschaltung des Halbleiterschalters erreicht. Diese Hilfsschaltung steuert den Halbleiterschalter so an, daß zu Beginn und/oder zum Ende des Schaltvorganges die Änderungsgeschwindigkeit des Übergangswiderstandes des Halbleiterschalters auf einen Maximalwert begrenzt wird. Anschließend wird der Halbleiterschalter so angesteuert, daß eine maximale Änderungsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Je nach Art und Größe der in der Schaltung vorhandenen parasitären Blindele­ mente kann es notwendig sein, die Änderungsgeschwindigkeit beim Einschaltvor­ gang oder beim Ausschaltvorgang oder bei beiden Schaltvorgängen zu beeinflus­ sen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß die Hilfsschaltung so ausgelegt ist, daß der Halbleiterschalter zu den Zeiten, zu denen die Änderungsge­ schwindigkeit des Übergangswiderstandes des Halbleiterschalters begrenzt wer­ den soll im Falle eines MOSFET oder IGBT einen niedrigeren Gatestrom erhält. Wird eine Bipolartransistor als Leistungsschalter eingesetzt so erhält er einen ge­ ringeren Anstieg oder Abfall des Basisstromes.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß ein Zeitglied vorhanden ist, mit dessen Hilfe die Zeit der begrenzten Widerstandsänderung des Halbleiter­ schalters auf einen voreingestellten Wert begrenzt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß eine Anzeigeeinrichtung vorhanden ist, die der Ansteuerschaltung den Schaltzustand des Halbleiterschalters übermittelt. Dadurch kann die Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit des Übergangswiderstandes des Halbleiterschalters auf die Zeitpunkten der Schaltzu­ standsänderung des Halbleiterschalters begrenzt werden. Diese Ausführungsform ist besonders günstig bei Halbleiterschaltern mit Ein- bzw. Ausschaltverzöge­ rungszeiten, die größer oder gleich der Schaltzeit selbst sind. Hier ist es unbedingt notwendig, den exakten Beginn des Einschaltvorganges zu kennen, da sonst auf­ grund der Toleranzen der Schaltverzögerungszeiten der relativ kurze Zeitraum der Begrenzung der Übergangsgeschwindigkeit des Übergangswiderstandes nur schwer zum richtigen Zeitpunkt aktiviert werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß eine Strommeßeinrich­ tung mit Vergleicher vorhanden ist, die den Stromfluß durch den Halbleiterschal­ ter ermittelt und mit einem voreingestellten Schwellwert vergleicht. Das Ergebnis des Vergleiches kann dann der Anzeigeeinrichtung signalisiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß eine Spannungsmeßein­ richtung mit Vergleicher zur Messung der Spannung am Halbeiterschalter vorhan­ den ist. Durch einen Vergleich mit einem voreingestellten Schwellwert können so der Anzeigeeinrichtung die Zeitpunkte der Schaltzustandsänderung des Schaltere­ lementes signalisiert werden.

In einer weiteren Ausführung besitzt diese Spannungsmeßeinrichtung mit Verglei­ cher einen Differenzierer mit dessen Hilfe die Spannungsänderung am Halbeiter­ schalter ermittelt werden kann. Diese Spannungsänderung ist ebenfalls ein Hin­ weis auf eine Schaltzustandsänderung.

Die hier beschriebene Schaltstufe läßt sich auch paarweise als Gegentaktstufe oder vierfach als Vollbrückenschaltung betreiben. Dazu ist für jeden Halbleiterschalter erfindungsgemäß eine separate Ansteuerschaltung zu verwenden.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist noch eine Zeichnung beigefügt. Sie zeigt ein Beispiel einer Schaltstufe nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Schaltstufe nach der Erfindung dargestellt.

Ein Halbleiterschalter (1) mit der in Serie geschalteten parasitären Induktivität (2) und der dazu parallel geschalteten parasitären Kapazität (3) dient zum Schalten beliebiger Lasten. Er wird angesteuert von einer Ansteuerschaltung (4). Diese besitzt eine Hilfsschaltung (5), die den Halbleiterschalter (1) so ansteuert, daß zu Beginn und/oder zum Ende des Schaltvorganges die Änderungsgeschwindigkeit des Übergangswiderstandes auf einen Maximalwert begrenzt wird. Sie kann ein Zeitglied (10) aufweisen, das die Zeit der begrenzten Übergangswiderstandsände­ rung des Halbleiterschalters (1) auf einen voreingestellten Wert begrenzt. Die An­ zeigeeinrichtung (6) übermittelt der Ansteuerschaltung (4) den Schaltzustand des Halbleiterschalters (1). Dieser Schaltzustand kann durch eine Strommeßeinrich­ tung mit Vergleicher (7) basierend auf der Strommessung des Stromes durch den Halbleiterschalter (1) und den anschließenden Vergleich mit einem Schwellwert ermittelt werden. Mit Hilfe eines zusätzlichen Differenzierers (11) kann auch die Stromänderung zur Erkennung herangezogen werden. Eine Spannungsmeßein­ richtung mit Vergleicher (8) kann wahlweise zur Ermittlung des Schaltzustandes herangezogen werden. Sie ermittelt die am Halbleiterschalter (1) abfallende Span­ nung und vergleicht sie mit einem Schwellwert. Mit Hilfe eines zusätzlichen Dif­ ferenzierers (9) kann auch die Spannungsänderung zur Erkennung herangezogen werden.

Claims (8)

1. Schaltstufe in einem Schaltungsaufbau mit einem schnellen Halbleiterschalter (1) zusammen mit einer parasitären Serieninduktivität (2) und einer parasitä­ ren Parallelkapazität (3), und mit einer Ansteuerschaltung (4) zur Ansteuerung des Halbleiterschalters (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (4) mindestens eine Hilfsschaltung (5) besitzt, die den Halbleiterschalter (1) so ansteuert, daß zu Beginn und/oder zum Ende des Schaltvorganges die Änderungsgeschwindigkeit des Übergangswiderstan­ des des Halbleiterschalters (1) auf einen Maximalwert begrenzt wird.

2. Schaltstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung (5) so ausgelegt ist, daß der Halbleiterschalter (1) zu den Zeiten, zu denen die Änderungsgeschwindigkeit des Übergangswider­ standes des Halbleiterschalters (1) begrenzt werden soll, im Falle eines MOS- FET oder IGBT einen niedrigeren Gatestrom, oder im Falle eines Bipolartran­ sistors einen geringeren Anstieg oder Abfall des Basisstromes erhält.

3. Schaltstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ansteuerschaltung (4) zusätzlich ein Zeitglied (10) vorhanden ist, das die Zeit der begrenzten Übergangswiderstandsänderung des Halbleiter­ schalters (1) auf einen voreingestellten Wert begrenzt.

4. Schaltstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung (6) vorhanden ist, die der Ansteuerschaltung (4) den Schaltzustand des Halbleiterschalters (1) übermittelt, so daß die Begren­ zung der Änderungsgeschwindigkeit des Übergangswiderstandes des Halblei­ terschalters (1) nur zu den Zeitpunkten der Schaltzustandsänderung des Schalterelementes (1) aktivierbar ist.

5. Schaltstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strommeßeinrichtung mit Vergleicher (7) vorhanden ist, die den Stromfluß durch den Halbleiterschalter (1) ermittelt und mit einem voreinge­ stellten Schwellwert vergleicht und das Ergebnis des Vergleiches der Anzei­ geeinrichtung (6) signalisiert.

6. Schaltstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtung mit Vergleicher (7) zusätzlich einen Differenzie­ rer (11) enthält, mit dessen Hilfe die Spannungsänderung am Halbeiterschalter (1) ermittelt wird.

7. Schaltstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsmeßeinrichtung mit Vergleicher (8) vorhanden ist, die den Spannungsabfall am Halbleiterschalter ermittelt und mit einem voreingestell­ ten Schwellwert vergleicht und das Ergebnis des Vergleiches der Anzeigeein­ richtung (6) signalisiert.

8. Schaltstufe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinrichtung mit Vergleicher (8) zusätzlich einen Diffe­ renzierer (9) enthält, mit dessen Hilfe die Spannungsänderung am Halbeiter­ schalter (1) ermittelt wird.