DE4429733C2 - Leistungsschaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lei­ stungsschaltvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1; insbesondere soll mit der Erfindung das Auftreten von Schaltverlusten und das Auftreten einer Überspannung, wenn eine Verbindung zu einer induktiven Last vorliegt, wirksam unterdrückt werden.

Nachfolgend wird der grundsätzliche Aufbau einer Lei­ stungsschaltvorrichtung dieser Art näher erläutert. In Fig. 6 ist ein Schaltplan dargestellt, der eine Leistungs­ schaltvorrichtung zeigt, bei der ein bipolares Transistore­ lement mit isoliertem Gate (nachfolgend als IGBT-Element bezeichnet) und periphere Einrichtungen desselben verwendet werden; eine Leistungsschaltvorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1, die der in der Fig. 6 gezeigten weit­ gehend entspricht, ist beispielsweise in der Zeitschrift "Elektronik", 24/1990, Seiten 62-67, offenbart. Das in die­ ser Leistungsschaltvorrichtung vorgesehene IGBT-Element 6 schaltet zwischen zwei Hauptelektroden, nämlich einer Kol­ lektorelektrode C und einer Emitterelektrode E, ein und aus, um dadurch eine mit diesen Hauptelektroden verbundene Lastschaltung ein- und auszuschalten. Eine induktive Last 8 und eine DC-Stromquelle bzw. Gleichstromquelle 10 sind mit der Lastschaltung verbunden. Die induktive Last 8 und die Gleichstromquelle 10 sind außerhalb der Leistungsschaltvor­ richtung vorgesehen.

Eine Freilaufdiode 7 ist der induktiven Last 8 paral­ lelgeschaltet und ein Dämpfungs- bzw. Glättungskondensator 9 ist der Gleichstromquelle 10 parallelgeschaltet. Die Freilaufdiode 7 und der Glättungskondensator 9 bilden eine Überspannungs-Absorptionsschaltung, die eine auf die induk­ tive Last 8 zurückzuführende Überspannung unterdrückt. In der die Gleichstromquelle 10, die Freilaufdiode 7 und den Glättungskondensator 9 verbindenden Verdrahtung treten In­ duktivitäten 11 und 12 als parasitäre Elemente auf.

Die Emitterelektroden E zweier Transistoren 3a und 3b sind mit der Gateelektrode G des IGBT-Elements 6 über einen Widerstand 4 verbunden. Die Kollektorelektroden C dieser beiden zueinander komplementären Transistoren sind mit ei­ ner Gleichstromquelle 5 verbunden. Der das niedrige Poten­ tial aufweisende Ausgang der Gleichstromquelle 5 ist mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden. Ein Basiswiderstand 2 ist mit den Basiselektroden B der Transi­ storen 3a und 3b verbunden. Zwischen das eine Ende des Ba­ siswiderstands 2 und die Emitterelektrode E des IGBT-Ele­ ments 6 ist ein Impulsgenerator 1 zwischengeschaltet. Der Impulsgenerator 1 ist außerhalb der Leistungsschaltvorrich­ tung vorgesehen.

Die Transistoren 3a und 3b, die Widerstände 2 und 4 so­ wie die Gleichstromquelle 5 bilden eine Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des IGBT-Elements 6 im Ansprechen auf die den Basiselektroden B über den Basiswiderstand 2 zuge­ führten Impulssignale.

Die den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisende Leistungsschaltvorrichtung arbeitet wie folgt:
Wenn der Impulsgenerator 1 dem Basiswiderstand 2 ein eine hohe Spannung (von beispielsweise 15 V) aufweisendes Signal zuführt, schaltet der Transistor 3a ein und der Transistor 3b schaltet aus. Der von der Gleichstromquelle 5 her zuge­ führte Strom (der Einschalt-Ansteuerstrom) wird daraufhin über den Transistor 3a der Gateelektrode G zugeführt, wo­ durch die Spannung zwischen der Gateelektrode G und der Emitterelektrode E, d. h. die Gatespannung, eine dem IGBT-Element 6 eigene bzw. für diesen spezifische Gate-Schwel­ lenspannung übersteigt, wodurch das IGBT-Element 6 ein­ schaltet. Durch das Einschalten des IGBT-Elements 6 wird die Lastschaltung eingeschaltet, worauf der induktiven Last 8 aus der Gleichstromquelle 10 ein entsprechender Last- bzw. Versorgungsstrom zugeführt wird.

Wenn der Impulsgenerator 1 dem Basiswiderstand 2 ein eine niedrige Spannung (von beispielsweise 0 V) aufweisen­ des Signal zuführt, schaltet der Transistor 3b ein und der Transistor 3a schaltet aus. Daraufhin wird der Gateelek­ trode G ein in entgegengesetzter Richtung zum Einschalt-An­ steuerstrom fließender Strom (nämlich ein Ausschalt-Ansteu­ erstrom) zugeführt, wodurch die Spannung zwischen der Ga­ teelektrode G und der Emitterelektrode E, d. h. die Gate­ spannung, kleiner als die Gate-Schwellenspannung wird, so daß das IGBT-Element 6 ausschaltet. Mit dem Ausschalten des IGBT-Elements 6 wird auch die Lastschaltung ausgeschaltet, womit die Zufuhr des Laststroms aus der Gleichstromquelle 10 zur induktiven Last 8 beendet wird.

Da die induktive Last 8 die Eigenschaft hat, den Strom entsprechend der Größe der Induktivität zu halten, wird der Laststrom nicht unmittelbar zu Null, wenn das IGBT-Element 6 vom Ein-Zustand ausschaltet, sondern verringert sich all­ mählich, während er in die aus der Freilaufdiode 7 und der­ gleichen gebildete Überspannungs-Absorptionsschaltung zu­ rückfließt. Die Überspannungs-Absorptionsschaltung dient dazu, das Anlegen einer zu großen Überspannung zwischen der Kollektorelektrode C und der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 zu verhindern, wenn das IGBT-Element vom Ein-Zu­ stand ausschaltet, und zwar indem für die induktive Last 8 ein Pfad zum Rückfluß des Laststroms geschaffen wird.

Diese Schaltvorrichtung ist jedoch mit dem nachfolgend beschriebenen Problem behaftet: Wie bereits er­ läutert wurde, tritt in der Überspannungs-Absorptionsschal­ tung die parasitäre Induktivität 11 auf. Wenn das IGBT-Ele­ ment 6 vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand umschaltet, nimmt der durch die parasitären Induktivitäten 11 und 12 fließende Strom schnell zu, da der durch die in­ duktive Last 8 fließende Laststrom zur Überspannungs-Ab­ sorptionsschaltung zurückzufließen beginnt. Diese rasche Zunahme im zurückfließenden Strom ruft in den parasitären Induktivitäten 11 und 12 eine kurzzeitige Hochspannung her­ vor.

Wenn das IGBT-Element 6 vom ein- in den ausgeschalteten Zustand umschaltet, wird daher zwischen die Kollektorelek­ trode C und die Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 eine entsprechende Überspannung angelegt. Bei der herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung tritt somit das Problem auf, daß die Überspannungs-Absorptionsschaltung die ihr ursprünglich zugedachte Aufgabe nicht in ausreichendem Maße erfüllen kann, und zwar aufgrund der Existenz der parasitären Induk­ tivitäten 11 und 12.

Die Überspannung kann dadurch wirksam verringert wer­ den, daß der Übergang des IGBT-Elements 6 vom ein- zum aus­ geschalteten Zustand, d. h. die Schaltgeschwindigkeit, her­ abgesetzt wird. Wenn die Schaltgeschwindigkeit herabgesetzt wird, tritt jedoch ein weiteres Problem auf: der Leistungs­ verlust beim Schaltvorgang des IGBT-Elements 6, d. h. der Schaltverlust, nimmt dann nämlich zu. Demzufolge tritt bei dieser herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung das Problem auf, daß die beiden Anforderungen, nämlich die Verringerung der Überspannung und die Verringerung der Schaltverluste, einander widersprechen, wobei es schwierig ist, beiden Kri­ terien in gleicher Weise gerecht zu werden.

In der DE 33 00 682 C2 ist eine Steuerungsschaltungsan­ ordnung zum Ein- und Ausschalten eines bipolaren Transi­ stors beschrieben, bei der ein Leistungsschaltelement mit Hilfe zweier unterschiedlicher Ansteuerpfade ein- und aus­ geschaltet wird. Der zum Ausschalten dienende Pfad eines weiteren Transistors beinhaltet dabei eine Spule, während ein zum Einschalten dienender Pfad eines noch weiteren Transistors diese Spule nicht beinhaltet. Diese bekannte Steuerungsschaltungsanordnung ist dabei so konzipiert, daß die Schaltverluste so weit wie möglich reduziert werden. Die beim Schalten auftretenden Überspannungen können jedoch nicht verhindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lei­ stungsschaltvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß sowohl die Schaltverluste als auch der Pegel einer Überspannung wirksam herabgesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kenn­ zeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen ge­ löst.

Der wesentliche Kern der Erfindung ist somit darin zu sehen, eine Drosselspule vorzusehen, die mit der zweiten Hauptelektrode des Leistungsschaltelements verbunden ist, und die Steuerschaltung so zu modifizieren, daß diese Dros­ selspule beim Ausschalten im Ansteuerstrompfad liegt, wäh­ rend sie beim Einschalten nicht im Ansteuerstrompfad liegt. Durch diese spezielle Anordnung der Drosselspule wird in Verbindung mit der unterschiedlichen Wahl der Ansteuer­ strompfade erfindungsgemäß das Auftreten einer Überspannung sicher verhindert. Obgleich die in der vorstehend erwähnten DE 33 00 682 C2 vorgeschlagene Anordnung der Spule Teil­ merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 ent­ spricht, ist diese bekannte Spulenanordnung völlig ungeeig­ net, die mit der Erfindung angestrebte Wirkung zu errei­ chen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 anhand eines Schaltbilds ein Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrich­ tung einschließlich peripherer Vorrichtungen derselben;

Fig. 2 anhand einer Kennlinienschar das Ergebnis einer über dieses Ausführungsbeispiel durchgeführten Simulation;

Fig. 3 bis 5 jeweils anhand von Kennlinien­ scharen das Ergebnis weiterer Simulationen, die an der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels durchgeführt wurden; und

Fig. 6 anhand eines Schaltbilds eine herkömmli­ che Leistungsschaltvorrichtung und deren periphere Vor­ richtungen.

In Fig. 1 sind anhand eines Schaltbilds der prinzipielle Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung sowie die Anordnung der periphe­ ren bzw. äußeren Vorrichtungen derselben näher dargestellt. In Fig. 1 sind diejenigen Elemente, die denen der in Fig. 6 gezeigten herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtung entspre­ chen, jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung weist als Leistungsschaltelement ein bipolares Transistorelement mit isoliertem Gate bzw. ein IGBT-Element 6 auf, das Ein­ schalt- und Ausschaltvorgänge durchführt, um eine mit sei­ nen zwei Hauptelektroden, d. h. einer Kollektorelektrode C und einer Emitterelektrode E verbundene Lastschaltung ent­ sprechend ein- und auszuschalten. Eine induktive Last 8 und eine Gleichstromquelle 10 sind mit der Lastschaltung ver­ bunden. Die induktive Last 8 und die Gleichstromquelle 10 sind außerhalb der Leistungsschaltvorrichtung vorgesehen. In der Lastschaltung ist weiterhin ein Induktor bzw. eine Drosselspule 13 vorgesehen. Die Drosselspule 13 ist mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden und bildet einen Teil der Leistungsschaltvorrichtung.

Eine Freilaufdiode 7 ist der induktiven Last 8 paral­ lelgeschaltet und ein Dämpfungs- bzw. Glättungskondensator 9 ist der Gleichstromquelle 10 parallelgeschaltet. Die Freilaufdiode 7 und der Glättungskondensator 9 bilden eine Überspannungs-Absorptionsschaltung, die auf die induktive Last 8 zurückzuführende Überspannungen absorbiert. In der die Gleichstromquelle 10, die Freilaufdiode 7 und den Glät­ tungskondensator 9 verbindenden Verdrahtung treten parasi­ täre Induktivitäten 11 und 12 auf.

Die jeweiligen Emitterelektroden E zweier Transistoren, nämlich eines Transistors 3a (eines zum Einschalten vorge­ sehenen Einschalt-Ansteuertransistors) und eines Transi­ stors 3b (eines zum Ausschalten vorgesehenen Ausschalt-An­ steuertransistors) sind mit der Gateelektrode G des IGBT-Elements 6 verbunden. Die Kollektorelektrode C des Ein­ schalt-Ansteuertransistors 3a ist mit dem das hohe Poten­ tial aufweisenden Ausgang einer Gleichstromquelle 5 über einen Ansteuerwiderstand 4a verbunden. Die Kollektorelek­ trode C des Ausschalt-Ansteuertransistors 3b ist über einen Ansteuerwiderstand 4b mit demjenigen Ende der Drosselspule 13 verbunden, das dem mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbundenen Ende gegenüberliegt. Der das niedri­ ge Potential aufweisende Ausgang der Gleichstromquelle 5 ist mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 direkt verbunden, ohne daß eine Verbindung durch die Drosselspule 13 besteht.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß die Drosselspule 13 mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden ist, der das niedrige Potential aufweisende Ausgang der Gleichstromquelle 5 zur Zufuhr des Einschalt-Ansteuerstroms direkt mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 ver­ bunden ist, und daß der im Pfad des Ausschaltstroms ange­ ordnete bzw. liegende Ausschalt-Ansteuertransistor 3b über die Drosselspule 13 mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden ist. Wie später noch näher erläutert wird, handelt es sich hierbei um das wichtigste Merkmal in dieser Schaltungsanordnung, um die gewünschte Wirkung der Verringerung sowohl der Schaltverluste als auch der Über­ spannung hervorzurufen.

Ein Ende eines Basiswiderstands 2 ist mit der jeweili­ gen Basiselektrode B beider Transistoren 3a und 3b verbun­ den. Zwischen das andere Ende des Basiswiderstands 2 und die Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 ist ein Impuls­ generator 1 geschaltet. Der Impulsgenerator 1 ist außerhalb der Leistungsschaltvorrichtung vorgesehen. Die Transistoren 3a und 3b, der Basiswiderstand 2, die Ansteuerwiderstände 4a und 4b und die Gleichstromquelle 5 bilden eine Steuer­ schaltung zum Ein- und Ausschalten des IGBT-Elements 6 im Ansprechen auf ein den Basiselektroden B über den Basiswi­ derstand 2 zugeführtes Impulssignal.

Das den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisende Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leistungsschalt­ vorrichtung hat folgende grundsätzliche Arbeitsweise: wenn der Impulsgenerator 1 dem Basiswiderstand 2 ein eine hohe Spannung (von beispielsweise 15 V) aufweisendes Signal zu­ führt, schaltet der Einschalt-Ansteuertransistor 3a ein und der Ausschalt-Ansteuertransistor 3b schaltet aus. Der aus der Gleichstromquelle 5 zugeführte Strom (nämlich ein Ein­ schalt-Ansteuerstrom I_on) wird daraufhin über den Ein­ schalt-Ansteuertransistor 3a der Gateelektrode G zugeführt, worauf die Spannung zwischen der Gateelektrode G und der Emitterelektrode E, d. h. die Gatespannung, eine für das IGBT-Element 6 charakteristische Gate-Schwellenspannung über­ schreitet, wodurch das IGBT-Element 6 einschaltet. Durch das Einschalten des IGBT-Elements 6 wird die Lastschaltung eingeschaltet, worauf der induktiven Last 8 aus der Gleich­ stromquelle 10 ein entsprechender Laststrom zugeführt wird.

Wenn der Impulsgenerator 1 dem Basiswiderstand 2 ein eine niedrige Spannung (von beispielsweise 0 V) aufweisen­ des Signal zuführt, schaltet der Ausschalt-Ansteuerwider­ stand 3b ein und der Einschalt-Ansteuerwiderstand 3a schal­ tet aus. Daraufhin wird der Gateelektrode G ein in umge­ kehrter Richtung zum Einschalt-Ansteuerstrom fließender Strom (nämlich ein Ausschalt-Ansteuerstrom I_off) zugeführt, wodurch die Spannung zwischen der Gateelektrode G und der Emitterelektrode E, d. h. die Gatespannung, kleiner als die Gate-Schwellenspannung wird, so daß das IGBT-Element 6 aus­ schaltet. Mit dem Ausschalten des IGBT-Elements 6 wird auch die Lastschaltung ausgeschaltet, wodurch die weitere Zufuhr des Laststroms aus der Gleichstromquelle 10 zur induktiven Last 8 unterbrochen wird.

Da die induktive Last 8 gemäß vorstehender Beschreibung die Eigenschaft bzw. das Bestreben hat, den Strom entspre­ chend der Größe der Induktivität konstant zu halten, dauert es eine gewisse Zeit, bis die Stärke des in der induktiven Last 8 fließenden Laststroms zunimmt, wenn das IGBT-Element 6 vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand schal­ tet. Wenn das IGBT-Element 6 demgegenüber vom eingeschalte­ ten in den ausgeschalteten Zustand umschaltet, benötigt der Laststrom einige Zeit, um sich abzuschwächen bzw. um klei­ ner zu werden. In einem normalen Betriebszustand, bei dem das IGBT-Element 6 das Ein- und Ausschalten mit einer aus­ reichend kurzen Periode wiederholt, fließt der Laststrom folglich nicht intermittierend, sondern kontinuierlich mit einem mehr oder weniger großen Pulsieren. Der Impulsgenera­ tor 1 steuert das Tastverhältnis der Einschaltperiode und der Ausschaltperiode des IGBT-Elements 6, um dadurch den Effektivwert des Laststroms auf einen jeweils gewünschten Wert zu steuern. Die vorstehend beschriebene Überspannungs- Absorptionsschaltung arbeitet in der Weise, daß sie den in der induktiven Last 8 in derjenigen Periode, während der das IGBT-Element 6 ausgeschaltet ist, fließenden Laststrom aufrechterhält. Das heißt, die Überspannungs-Absorptions­ schaltung schafft einen Pfad, über den der Laststrom zur induktiven Last 8 zurückfließt, um damit die Abnahme des Laststroms weicher zu machen bzw. zu verzögern. Weiterhin dient sie dazu, die in der induktiven Last 8 beim Ausschal­ ten des IGBT-Elements 6 auftretende und an das IGBT-Element 6 angelegte Überspannung zu verringern.

Nachstehend wird die für die erfindungsgemäße Lei­ stungsschaltvorrichtung charakteristische Arbeitsweise nä­ her erläutert. Wie einleitend unter Bezugnahme auf die her­ kömmliche Leistungsschaltvorrichtung erwähnt wurde, kann die Existenz der parasitären Induktivitäten 11 und 12 ein Grund für das Auftreten einer hohen Überspannung sein, und zwar insbesondere dann, wenn das IGBT-Element 6 vom Ein­ schalt- in den Ausschaltzustand umschaltet. Jedoch arbeitet die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung auf die nachstehend näher beschriebene Weise, die es gestattet, so­ wohl eine Verringerung der Überspannung als auch eine Ver­ ringerung der Schaltverluste zu erzielen.

Wenn der Impulsgenerator 1 gemäß vorstehender Beschrei­ bung das die niedrige Spannung aufweisende Signal ausgibt, schaltet der Ausschalt-Ansteuertransistor 3b ein und der Einschalt-Ansteuertransistor 3a schaltet aus, worauf der Gateelektrode G der Ausschalt-Ansteuerstrom I_OFF zugeführt wird, mit dem Ergebnis, daß das IGBT-Element 6 einen Über­ gang vom Einschaltzustand zum Ausschaltzustand durchführt. Dieser Übergang erfolgt jedoch nicht augenblicklich bzw. verzögerungsfrei, sondern zieht sich vielmehr aufgrund der Wirkung der Drosselspule 13 und der Steuerschaltung langsam hin. Das heißt, während sich das IGBT-Element 6 dem Aus­ schaltzustand nähert, nimmt der von der Kollektorelektrode C zur Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 fließende Hauptstrom ab. Diese Abnahme des Hauptstroms ruft in der Drosselspule 13 eine induktive Spannung hervor, wodurch das Potential der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 herab­ gesetzt wird. Dies findet in derjenigen Richtung statt, in der die Spannung zwischen der Gateelektrode G und der Emit­ terelektrode E im IGBT-Element 6, d. h. die Gatespannung, zunimmt, wodurch die Geschwindigkeit des Übergangs vom Ein­ schalt- zum Ausschaltzustand im IGBT-Element 6, d. h. die Schaltgeschwindigkeit, verlangsamt wird.

Der geschlossene Kreis- bzw. Umlaufstrompfad des Aus­ schalt-Ansteuerstroms (der in Fig. 1 mit der durchgezogenen Pfeillinie angedeutet ist), der sich beim Einschalten des Ausschalt-Ansteuertransistors 3b ausbildet, enthält darüber hinaus die Drosselspule 13. Der Ausschalt-Ansteuerstrom I_OFF und der Hauptstrom fließen in der Drosselspule 13 in zueinander entgegengesetzter Richtung. Der Ausschalt-An­ steuerstrom I_OFF steigt daher einmal an und verringert sich daraufhin aufgrund derjenigen Spannung, die in der Drossel­ spule 13 induziert wird, wenn der Hauptstrom abnimmt. Dies macht den Übergang des IGBT-Elements 6 vom Einschalt- zum Ausschaltzustand in wirksamer Weise weicher bzw. glättet diesen. Als Folge davon nimmt der im IGBT-Element 6 flie­ ßende Hauptstrom sanft bzw. allmählich ab und die Zunahme in dem in der Überspannungs-Absorptionsschaltung fließenden Strom verläuft ebenso sanft. Die aufgrund der parasitären Induktivitäten 11 und 12 auftretende Überspannung wird folglich auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt.

Wenn der Impulsgenerator 1 demgegenüber das die hohe Spannung aufweisende Signal ausgibt, schaltet der Ein­ schalt-Ansteuertransistor 3a ein und der Ausschalt-Ansteu­ ertransistor 3b schaltet aus, worauf der Gateelektrode G der Einschalt-Ansteuerstrom I_ON zugeführt wird, mit dem Er­ gebnis, daß das IGBT-Element 6 einen Übergang vom Aus­ schalt- zum Einschalt-Zustand durchführt. Im Vergleich zum Übergang aus dem Einschalt- zum Ausschaltzustand verläuft der Übergang zu diesem Zeitpunkt wesentlich schneller. Der Grund hierfür liegt darin, daß der geschlossene Kreis bzw. Umlaufstrompfad des Einschalt-Ansteuerstroms I_ON (der in Fig. 1 mit der gestrichelten Pfeillinie angedeutet ist), der sich beim Einschalten des Einschalt-Ansteuertransistors 3a ausbildet, die Drosselspule 13 nicht enthält. Die Tatsache, daß einer der beiden Pfade die Drosselspule 13 enthält, während der andere die Drosselspule 13 nicht enthält, lei­ tet sich aus der Schaltungseigenschaft ab, daß der das niedrige Potential aufweisende Ausgang der Gleichstrom­ quelle 5 direkt mit der Emitterelektrode E verbunden ist, während der Ausschalt-Ansteuertransistor 3b über die Dros­ selspule 13 mit der Emitterelektrode E des IGBT-Elements 6 verbunden ist.

Da der Übergang schnell vonstatten geht, wenn das IGBT-Element 6 vom Ausschalt- zum Einschaltzustand wechselt, werden die im IGBT-Element 6 beim Übergang auftretenden Schaltverluste auf niedrige Werte herabgesetzt. Das heißt, die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung unterdrückt vorzugsweise die Überspannung, wenn das IGBT-Element 6 ei­ nen Übergang vom Einschalt- zum Ausschaltzustand durch­ führt, bei dem die auf die parasitären Induktivitäten 11 und 12 zurückzuführende Überspannung auftritt, und reali­ siert die Verringerung in den Schaltverlusten vorzugsweise beim Übergang vom Ausschalt- zum Einschaltzustand, bei dem keine Überspannung auftritt. Hierdurch wird erreicht, daß gleichzeitig sowohl die Schaltverluste wirksam verringert als auch das Auftreten einer Überspannung unterdrückt wer­ den kann.

Nachfolgend werden Hinweise für jeweils geeignete Daten und eine Optimierung der Schaltungskonstanten gegeben. In diesem Zusammenhang werden diejenigen Ergebnisse angegeben, die bei einer Schaltungssimulation des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leistungsschalt­ vorrichtung für eine Verbesserung der Arbeitsweise und eine Optimierung der Schaltungskonstanten gewonnen wurden. Die Fig. 2 bis 5 zeigen in diesem Zusammenhang jeweilige Graphen bzw. Kurvenscharen, anhand derer die nach Durchfüh­ rung einer Simulation an einer Leistungsschaltvorrichtung mit dem in Fig. 1 gezeigten Schaltungsaufbau und bei einer Nennspannung bzw. Spannungsbelastbarkeit von 600 V sowie bei einem Nennstrom von 400 A erhaltenen Ergebnisse darge­ stellt sind. Bei dieser Simulation wurde die jeweilige Größe der Schaltverluste und der Überspannung ΔV_CE mit Pa­ rametern der Induktivität L der Drosselspule 13 und Wider­ standswerten R der Ansteuerwiderstände 4a und 4b erhalten. Die Widerstandswerte der Ansteuerwiderstände 4a und 4b wur­ den jeweils auf die gleiche Größe eingestellt.

Fig. 2 zeigt Kennlinien, die den charakteristischen Ver­ lauf der Überspannung ΔV_CE gegenüber dem jeweiligen Schalt­ verlust zeigen. Die in Klammern () angegebenen Bezugszei­ chen geben den Widerstandswert R an. Der Fig. 2 ist entnehm­ bar, daß die Überspannung ΔV_CE kleiner wird, wenn die In­ duktivität L größer wird. Das heißt, die gezeigten Daten belegen, daß die Drosselspule 13 die Wirkung hat, die Über­ spannung ΔV_CE zu reduzieren, wobei diese Wirkung um so spürbarer ist, je größer die Induktivität ist.

Die Beziehung zwischen der Induktivität L und dem je­ weiligen Schaltverlust ist aus der graphischen Darstellung der Fig. 2 nicht deutlich entnehmbar. Die graphische Dar­ stellung der Fig. 2 wurde daher so umgestaltet, daß diese Beziehung deutlich hervorgeht, wobei die gezeigten Kennli­ nien die Beziehung der Induktivität L zu dem jeweiligen Schaltverlust darstellen, wobei die Überspannung ΔV_CE den veränderlichen Parameter darstellt. Die entsprechende Kur­ venschar ist in Fig. 3 gezeigt. Aus dieser Kurvenschar kann entnommen werden, daß der jeweilige Schaltverlust kleiner wird, wenn die Induktivität L größer wird, unter der Vor­ aussetzung, daß die Überspannung ΔV_CE konstant ist und in einem Bereich liegt, in dem die Überspannung ΔV_CE nicht kleiner als 100 V ist. Die graphische Darstellung der Fig. 3 belegt demzufolge, daß es durch das Vorsehen der Drossel­ spule 13 möglich ist, in kompatibler Weise sowohl die Ver­ ringerung der Überspannung ΔV_CE als auch die Verringerung der Schaltverluste zu realisieren.

Nachfolgend wird der am besten geeignete Bereich für die Größe der Induktivität L und die Größe des Widerstands­ werts R untersucht. In Fig. 4 ist eine durch geeignete Um­ formung der Darstellung der Fig. 2 erhaltene graphische Dar­ stellung gezeigt, in der die Abhängigkeit des jeweiligen Schaltverlusts auf den Widerstandswert R dargestellt ist, wobei die Induktivität L als Parameter gewählt ist. Aus dieser graphischen Darstellung ist entnehmbar, daß der je­ weilige Schaltverlust um so kleiner ist, je kleiner der Wi­ derstandswert R ist, mit Ausnahme eines gewissen Bereichs, bei dem der Widerstandswert R ausreichend niedrig ist, un­ ter der Voraussetzung, daß die Induktivität L konstant ist; weiterhin ist erkennbar, daß der jeweilige Schaltverlust um so kleiner ist, je kleiner die Induktivität L ist, unter der Voraussetzung, daß der Widerstandswert R konstant ist. Um den Schaltverlust unterhalb eines bestimmten erlaubten, in der Praxis erforderlichen Werts zu steuern bzw. zu hal­ ten, ist es folglich nötig, für die Induktivität L und den Widerstandswert R obere Grenzen festzusetzen. Für prakti­ sche Anwendungen ist es anzustreben, die obere Grenze für den Schaltverlust auf ungefähr 40 mWs einzustellen. Bei ei­ ner derartigen zugelassenen oberen Grenze für den Schalt­ verlust kann ausgesagt werden, daß die Induktivität L vor­ zugsweise nicht größer als 5 nH sein sollte. Was den Wider­ standswert R betrifft, falls die Induktivität L beispiels­ weise 2 nH beträgt, so sollte der Widerstandswert R vor­ zugsweise nicht größer als 2 Ω sein, wobei der Wider­ standswert R vorzugsweise nicht größer als 1 Ω sein soll­ te, falls die Induktivität L 5 nH beträgt.

Der zulässige obere Grenzwert für den Schaltverlust hängt in gewissem Ausmaß auch von der Auslegung bzw. von den Kenndaten des IGBT-Elements 6 ab, wobei die den Verlauf des Widerstandswerts R gegenüber dem Schaltverlust zeigende charakteristische Kennlinie der Fig. 4 sich ebenfalls in Ab­ hängigkeit von diesen Kenndaten ändert. Unter Berücksichti­ gung dieser Tatsachen kann in normalen Fällen, in denen von den Kenndaten eines IGBT-Elements mit 100 A Belastbarkeit oder mehr auszugehen ist, geschlossen werden, daß die In­ duktivität L vorzugsweise 5 nH oder kleiner und der Wider­ standswert R vorzugsweise 3 Ω oder kleiner sein sollte.

In Fig. 5 ist eine durch geeignete Umstellung der gra­ phischen Darstellung der Fig. 2 erhaltene Kennlinienschar gezeigt, in der die Abhängigkeit der Überspannung ΔV_CE vom Widerstandswert R dargestellt ist, wobei die Induktivität L als Parameter gewählt ist. Aus dieser Kennlinienschar ist entnehmbar, daß die Überspannung ΔV_CE um so kleiner ist, je höher die Induktivität L ist, unter der Voraussetzung, daß der Widerstandswert R konstant ist, mit Ausnahme desjenigen Bereichs, in dem der Widerstandswert R hoch genug ist, und daß die Überspannung ΔV_CE um so kleiner ist, je höher der Widerstandswert R ist, unter der Voraussetzung, daß die In­ duktivität L konstant ist, mit Ausnahme desjenigen Be­ reichs, in dem die Induktivität L hoch genug ist. Wenn die Induktivität L einen Wert von 5 nH oder mehr aufweist, hängt die Überspannung ΔV_CE sehr eng vom Widerstandswert R ab, ist jedoch beinahe konstant.

Um zu erreichen, daß die Überspannung ΔV_CE durch die Induktivität L auf ein in der Praxis wirksames Maß redu­ ziert wird, ist es erforderlich, die Induktivität L auf ei­ nen gewissen unteren Grenzwert oder höher einzustellen. Wenn das IGBT-Element 6 gemäß vorstehender Beschreibung ei­ ne Nenn-Stromstärke von nicht weniger als 100 A aufweist, ist es wünschenswert, die Induktivität L auf 1 nH oder hö­ her einzustellen.

Vorstehend wurde somit eine Leistungsschaltvorrichtung offenbart, die es ermöglicht, sowohl die jeweils auftre­ tende Überspannung als auch die Schaltverluste zu verrin­ gern. Die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung weist zu diesem Zweck eine Drosselspule auf, die mit der Emitte­ relektrode eines IGBT-Elements verbunden ist, wobei sich das Potential der Emitterelektrode in derjenigen Richtung ändert, in der das IGBT-Element den Einschalt-Zustand auf­ rechterhält, wodurch der Hauptstrom abgeschwächt wird, wenn das IGBT-Element vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand umschaltet. Da die Drosselspule darüber hinaus im Pfad des Ausschalt-Ansteuerstroms, der das IGBT-Element ausschaltet, angeordnet ist, erhöht sich der Ausschalt-An­ steuerstrom einmal und nimmt daraufhin ab. Da der Übergang vom eingeschalteten zum ausgeschalteten Zustand verzögert abläuft, wird als Folge davon das Auftreten einer Überspan­ nung unterdrückt. Da die Drosselspule andererseits nicht im Pfad des Einschalt-Ansteuerstroms liegt, erfolgt der Über­ gang vom ausgeschalteten zum eingeschalteten Zustand des IGBT-Elements sehr rasch. Folglich werden die in dieser Übergangsperiode auftretenden Schaltverluste herabgesetzt. Somit ist es möglich, eine Verringerung der Überspannung gleichzeitig mit einer Verringerung der Schaltverluste zu erzielen.

Claims (9)

1. Leistungsschaltvorrichtung, bei der ein Leistungsschalt­ element (6) im Ansprechen auf ein Ausgangssignal einer mit seiner Steuerelektrode (G) verbundenen Steuerschaltung ei­ nen Ausschaltvorgang und einen Einschaltvorgang durchführt, um eine mit einer ersten Hauptelektrode (C) des Leistungs­ schaltelements (6) verbundene, im Lastkreis liegende induk­ tive Last (8) aus- und einzuschalten,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Lastkreis eine an die zweite Hauptelektrode (E) des Leistungsschaltelements (6) angeschlossene Drosselspule (13) vorgesehen ist und daß
die Steuerschaltung derart aufgebaut ist, daß ein Pfad des Ausschalt-Ansteuerstroms, den die Steuerschaltung der Steuerelektrode (G) zuführt, um das Leistungsschaltelement (6) in den Ausschaltzustand zu bringen, die Drosselspule (13) enthält, so daß ein Hauptstrom des Leistungsschaltelements (6) und der Ausschalt-Ansteuerstrom in entgegengesetzter Richtung zueinander in der Drosselspule (13) fließen, und daß ein Pfad des Einschalt-Ansteuerstroms, den die Steuer­ schaltung der Steuerelektrode (G) zuführt, um das Leis­ tungsschaltelement (6) in den Einschaltzustand zu bringen, die Drosselspule (13) nicht enthält.

2. Leistungsschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
das Leistungsschaltelement (6) ein bipolares Transis­ torelement mit isoliertem Gate (IGBT) ist,
ein Ende der Drosselspule (13) mit einer Emitterelek­ trode (E) des bipolaren Transistorelements mit isoliertem Gate verbunden ist und daß
die Steuerschaltung einen Transistor (3b) für eine Aus­ schalt-Ansteuerung, der der Steuerelektrode (G) durch Ein­ schalten des Pfads des Ausschalt-Ansteuerstroms den Aus­ schalt-Ansteuerstrom zuführt, und einen Transistor (3a) für eine Einschalt-Ansteuerung aufweist, der der Steuerelektro­ de (G) durch Einschalten des Pfads des Einschalt-Ansteuer­ stroms den Einschalt-Ansteuerstrom zuführt.

3. Leistungsschaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
der Transistor (3b) zur Ausschalt-Ansteuerung zwischen einer Gateelektrode (G) des bipolaren Transistorelements mit isoliertem Gate und dem anderen Ende der Drosselspule (13) angeordnet ist und daß
der Transistor (3a) zur Einschalt-Ansteuerung zwischen ei­ ner Stromquelle (5) für die Zufuhr des Einschalt-Ansteuer­ stroms und der Gateelektrode (G) angeordnet ist.

4. Leistungsschaltvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Transistor (3b) zur Ausschalt-Ansteuerung und dem anderen Ende der Drosselspule (13) ein Ausschalt-An­ steuerwiderstand (4b) angeordnet ist und daß
zwischen dem Transistor (3a) zur Einschalt-Ansteuerung und der Stromquelle (5) ein Einschalt-Ansteuerwiderstand an­ geordnet ist.

5. Leistungsschaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Steuerelektrode (B) des Transistors (3b) zur Ausschalt-Ansteuerung und eine Steuerelektrode (B) des Transistors (3a) zur Einschalt-Ansteuerung miteinander verbunden sind und daß ein externer Impulsgenerator (1) die­ sem Verbindungspunkt Steuersignale zuführt.

6. Leistungsschaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Verbindungspunkt und dem Im­ pulsgenerator (1) ein Eingangswiderstand (2) angeordnet ist.

7. Leistungsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das bipolare Transistorelement mit isoliertem Gate ei­ ne Strombelastbarkeit von 100 A oder mehr aufweist,
die Größe der Induktivität der Drosselspule (13) 1 nH bis 5 nH beträgt,
der Widerstandswert des in dem Pfad des Ausschalt-An­ steuerstroms angeordneten Ausschalt-Ansteuerwiderstands (4b) 3 Ω oder weniger beträgt, und daß
der Widerstandswert des in dem Pfad des Einschalt-An­ steuerstroms angeordneten Einschalt-Ansteuerwiderstands (4a) 3 Ω oder weniger beträgt.

8. Leistungsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die erste Hauptelek­ trode (C) ferner eine Überspannungs-Schutzschaltung (7, 9) an­ geschlossen ist.

9. Leistungsschaltvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Überspannungs-Schutzschaltung aus ei­ ner Freilaufdiode (7) und einem Kondensator (9) gebildet ist.