DE4329363A1

DE4329363A1 - Ansteuerschaltung für MOSFET- oder IGBT-Leistungshalbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE4329363A1
Application number: DE19934329363
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dr Ing Bayerer
Original assignee: IXYS Semiconductor GmbH
Current assignee: IXYS Semiconductor GmbH
Priority date: 1993-09-01
Filing date: 1993-09-01
Publication date: 1995-03-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung für ein MOSFET- oder IGBT-Leistungshalbleiterbauelement, das geeignet ist zur Steuerung eines Stromes, der durch eine induktive Last fließt, wobei Ansteuersignale von einem An steuersignaleingang über eine Treiberstufe mit nachgeschal tetem Gate-Vorwiderstand zum Gate des Leistungshalbleiter bauelements geführt sind. Solche Ansteuerschaltungen sind beispielsweise aus etz Band 110 (1989), Heft 10, Seite 472 bis 477 bekannt.

Fig. 2 zeigt einen Lastkreis mit einer induktiven Last L und erster Freilaufdiode D1, einem Leistungshalbleiterbau element B, z. B. ein IGBT, und mit einer zweiten Freilaufdi ode D2, und einer Spannungsquelle U, die einen Strom i_L durch die Last L treibt. Das Leistungshalbleiterbauelement B wird über einen Gate-Vorwiderstand R_g angesteuert. Beim Schalten des Leistungshalbleiterbauelements B kommutiert der Laststrom i_L vom Bauelement B zur Diode D1 und umge kehrt. Durch das Schalten entstehen je nach Art der An steuerung des Leistungshalbleiterbauelements B mehr oder weniger hohe Spannungsänderungswerte dV/dt, die an der in duktiven Last L zum Tragen kommen. Soll die Taktfrequenz zur Steuerung des Laststromes und damit für die Kommutie rung des Stromes hoch gewählt werden, z. B. 20 kHz, so muß das Leistungshalbleiterbauelement sehr niederohmig mit steilen Gate-Spannungsflanken angesteuert werden, um die Schaltverluste gering zu halten. Dadurch entstehen in Teil bereichen des Schaltvorgangs sehr hohe dV/dt-Werte, z. B. 5 kV/µs, die den Verbraucher L in ungewünschter Weise bela sten.

Um solche hohen Spannungsänderungswerte von der Last fern zuhalten, können passive Filter zwischen der Last und dem Halbleiterschalter angeordnet werden. Der Aufwand für die passiven Bauelemente ist allerdings hoch.

Hohe Spannungsänderungswerte können auch vermieden werden durch Erhöhung der Treiberimpedanz für die Ansteuerung des Leistungshalbleiterbauelements, wodurch ein langsameres Schalten erzielt wird. Dies hat den Nachteil, daß die Schaltverluste und auch der Aufwand für das Leistungshalb leiterbauelement und die zugehörige Kühlung steigen. Ein weiterer Nachteil dieser Maßnahme liegt darin, daß durch die Erhöhung der Treiberimpedanz auch Schaltbereich mit oh nehin niedrigen Spannungsänderungswerten unnötig weiter verlangsamt werden und so zu einer unerwünschten Erhöhung der Schaltverluste beitragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuer schaltung für MOSFET- oder IGBT-Leistungshalbleiterbauele mente anzugeben, die beim Schalten von induktiven Last strömen zu verringerten Schaltverlusten führt.

Diese Aufgabe wird bei einer Ansteuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Die Ansteuerschaltung hat den Vorteil, daß mit nur geringem zusätzlichem Bauelemente-Aufwand ein Gate-Spannungsverlauf erreichbar ist, dessen Spannungsänderungswerte eine wähl bare Grenze nicht überschreiten. Geeignete Kapazitätswerte des Kondensators C1 liegen bei einigen pF. Typische Werte für den Widerstand R1 liegen bei einigen 100 Ohm.

Die Ansteuerschaltung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 erfindungsgemäße Ansteuerschaltung,

Fig. 2 Lastkreis mit einer induktiven Last,

Fig. 3 Gegenüberstellung des typischen Kollektor-Emit ter-Spannungsverlaufs bei einer erfindungsgemä ßen Steuerschaltung und einer bekannten An steuerung mit niederohmigem Gate-Vorwiderstand,

Fig. 4 Gegenüberstellung des typischen Kollektor-Emit ter-Spannungsverlaufs bei einer erfindungsgemä ßen Ansteuerschaltung und einer bekannten An steuerung mit hochohmigem Gate-Vorwiderstand.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung mit einem Leistungshalbleiterbauelement B, z. B. einem IGBT oder MOSFET, das eine Last entsprechend Fig. 2 steuert. Ansteu ersignale S gelangen über einen Steuereingang S_E und einen Widerstand R1 zu einem Eingang E_Tr einer Treiberstufe Q1, Q2, deren Ausgang über den Gate-Vorwiderstand R_g mit dem Gate G des Leistungshalbleiterbauelementes B verbunden ist. Ein Kondensator C1 ist einerseits mit dem Eingang E_Tr der Treiberstufe und andererseits mit dem Kollektor C des Bau elements B verbunden. Mit +15 V ist eine typische Versor gungsspannung angegeben und mit -V_gg eine wählbare negative Vorspannung. Die Kollektor-Emitter-Spannung ist mit V_CE bezeichnet.

Die mit der Anordnung bewirkte Rückkopplung der Änderung der Kollektor-Emitter-Spannung über den Kondensator C1 er zeugt im Kondensator C1 einen Verschiebungsstrom I_C1 = C1 · dV/dt. Dieser Strom I_C1 erzeugt einen Spannungs abfall an dem Widerstand R1 von V_R1 = I_C1 · R1. Wenn der Spannungsabfall am Widerstand R1 beim Ausschalten des Lei stungshalbleiterbauelements B so hohe Werte erreicht, daß die Schwellenspannung V_th des Bauelements B erreicht wird, so wird über die Treiberstufe, ein Emitterfolger Q1, Q2 das Schalten des Bauelements B verlangsamt.

Somit wird in vorteilhafter Weise der Schaltvorgang nur in einem Teilbereich verlangsamt, nämlich in einem Bereich ho her Spannungssteilheit, der festgelegt ist durch die Bezie hung

dV/dt[V_th-(-V_gg)]/(R1·C1).

Die Schwellenspannung V_th ist zwar vom Laststrom abhängig, so daß sich auch für die über C1 und R1 eingestellte dV/dt-Grenze eine Abhängigkeit vom Laststrom ergibt. Durch Wahl der negativen Vorspannung -V_gg kann jedoch die dadurch bedingte Änderung der dV/dt-Grenze auf weniger als 10% be grenzt werden, was in der Praxis ausreichend ist. Die mit der Erfindung vorgeschlagene Ansteuerschaltung ermöglicht eine Auslegung als schnelle Schaltung mit niedriger Impe danz, also z. B. Rg = 1 Ohm, wobei die Kollektor-Emit ter-Spannung und deren Änderungsgeschwindigkeit deutlich reduziert werden. In Fig. 3 sind typische Verläufe der Gate-Spannung V_G und der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE dargestellt. Und zwar mit ausgezogenen Linien für den Fall einer bekannten schnellen Ansteuerung mit Rg = 1 Ohm. Die gestrichelten bzw. strichpunktierten Linien zeigen den da von abweichenden Verlauf im Fall einer erfindungsgemäßen Ansteuerung bei ebenfalls Rg = 1 Ohm. Die negative Vorspan nung ist im dargestellten Beispiel zu -V_gg = OV gewählt, die Schwellenspannung V_th liegt im Bereich bis etwa 6 Volt. Es ist zu erkennen, daß durch die erfindungsgemäße Rück kopplung die Gatespannung längere Zeit auf einem Niveau oberhalb der Schwellenspannung des Leistungshalbleiterbau elements bleibt, wodurch der Anstieg der Kollektor-Emit ter-Spannung verringert wird.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des Stromes I_CE durch das Bauele ment B sowie den Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE. Mit durchgezogener Linie ist der Kollektor-Emit ter-Spannungsverlauf im Falle einer bekannten Ansteuerung dargestellt, die durch die Wahl von Rg < 10 Ohm als lang same Ansteuerung ausgeführt ist. Mit gestrichelter Linie ist der abweichende Verlauf bei der erfindungsgemäßen Anordnung und mit Rg = 1 Ohm dargestellt. Es ist zu erken nen, daß in einem Schaltbereich, in dem der Strom noch hoch ist, bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Kollek tor-Emitter-Spannung klein bleibt und somit die Schaltver luste deutlich niedriger sind als bei der bekannten lang samen Schaltung.

Claims

Ansteuerschaltung für ein MOSFET- oder IGBT-Lei stungshalbleiterbauelement (B), das geeignet ist zur Steuerung eines Stromes (i_L), der durch eine induktive Last (L) fließt, wobei Ansteuersignale (S) von einem Ansteuersi gnaleingang (S_E) über eine Treiberstufe (Q1, Q2) mit nachge schaltetem Gate-Vorwiderstand (R_g) zum Gate (G) des Lei stungshalbleiterbauelements (B) geführt sind, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Erzeugung eines wählbaren Gate-Span nungsverlaufs, insbesondere einer selektiven Verlangsamung des Schaltvorgangs zur Vermeidung unerwünscht hoher An stiegsgeschwindigkeiten (dV/dt) der Kollektor-Emitter-Span nung (V_CE)
- a) in die Leitung vom Ansteuersignaleingang (S_E) zum Ein gang (E_Tr) der Treiberstufe (Q1, Q2) ein Widerstand (R1) geschaltet ist und
- b) der Kollektor (C) des Leistungshalbleiterbauelements (B) und der Eingang (E_Tr) der Treiberstufe (Q1, Q2) durch einen Kondensator (C1) verbunden ist.