DE4441492A1

DE4441492A1 - Potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter Halbleiterventile

Info

Publication number: DE4441492A1
Application number: DE19944441492
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Ing Fiedler
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1996-05-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine potentialtrennende Treiber- Schaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter Halbleiterventile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sie bezieht sich auf Ansteuerschaltungen, bei denen sowohl die Information, als auch die Energie zum Ansteuern über genau einen Ansteuerübertrager für ein oder mehrere Ventile übertragen wird. Der Ansteuerübertrager solcher Schaltungen weist je zu steuern dem Ventil eine Sekundärwicklung auf.

Es sind sowohl Ansteuerschaltungen mit einer aktiven Schaltung zwischen der jeweiligen Sekundärwicklung des Ansteuerübertra gers, als auch Ansteuerschaltungen ohne eine solche aktive Schaltung bekannt.

Ansteuerschaltungen mit aktiver Schaltung auf der Sekundärseite des Ansteuerübertragers sind aus John D. Repp: "Ultra fast iso lated gate drive circuit", HFPC 1989, Proceedings, pp. 438-445 bekannt. Derartige Schaltungen ermöglichen eine Signalformung, erhöhen aber den Realisierungsaufwand.

Die Erfindung bezieht sich auf Ansteuerschaltungen ohne aktive sekundärseitige Schaltungen.

Der Stand der Technik auf dem Gebiet der gattungsgemäßen Ansteu erschaltungen wird nachstehend anhand der Fig. 5 bis 10 be schrieben, wobei zunächst bekannte und häufig verwendete Schal tungen für die Primärseite des Ansteuerübertragers, dann bekann te sekundärseitige Schaltungen sowie deren Eigenschaften be trachtet werden.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen Schaltungen für die Primärseite einer Treiberschaltung.

Fig. 5 zeigt eine erste primärseitige Schaltung mit einer Span nungsquelle 1, die eine Gleichspannung U1 liefert. Die Spannung U1 wird über einen Schalter 2 und eine Primärwicklung 3 eines Ansteuerübertragers geschaltet. Eine zur Primärwicklung paral lelgeschaltete Reihenschaltung einer Diode 4 und eines Wider stands 5 dienen der Entmagnetisierung des Übertragers. Bei die ser Schaltungsvariante ist die sichere Entmagnetisierung des Übertragers bzw. die Vermeidung von Sättigungserscheinungen des Übertragerkerns problematisch.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung, die einer asymmetrisch gesteuerten Halbbrücke entspricht. Bei einer solchen Schaltung sorgen der Umschalter 6 und die Kondensatoren 7, 8 für eine stabile Magne tisierung des Übertragers. Die Halbbrückenschaltung und auch die in Fig. 7 gezeigte Vollbrückenschaltung, bei der Umschalter 6, 9 in Verbindung mit dem dort einzigen Kondensator 10 für eine stabile Magnetisierung sorgen, vermeidet bei allen Tastverhältnissen eine Sättigungserscheingung des Übertragers. Unter Tastverhältnis D wird das Verhältnis der Einschaltdauer eines Schalters zur Periodendauer verstanden.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen Beispiele für bekannte, sekundärseitige Schaltungen einer Ansteuerschaltung.

Fig. 8 zeigt eine erste Schaltungsvariante bei der theoretisch beliebig viele Halbleiterventile V1 bis Vn ansteuerbar sind. Wie auch bei den Schaltungen gemäß den Fig. 9 und 10 ist je zu steu erndem Ventil V1 bis Vn eine Sekundärwicklung 3.1 des Ansteuer übertragers angeordnet.

Fig. 9 zeigt eine sekundärseitige Ansteuerschaltung im Fall ei ner synchronen Ansteuerung von zwei Ventilen V1, V2 am Beispiel eines Wechselrichters eines Zwei-Transistor-Flußkonverters. In einer solchen Anordnung liegt die Primärwicklung des Lasttrans formators T₁ in Reihe mit den Ventilen V1, V2. Mit Bezugszeichen 11 ist die Energiequelle im Lastkreis bezeichnet; der Ansteuer übertrager ist mit T_a bezeichnet.

Für die weiter unten stehende Betrachtung der Eigenschaften ei ner solchen Anordnung werden folgende Annahmen und Definitionen getroffen:

a) Alle Bauteile werden idealisiert. Dies vereinfacht die Be trachtung.
b) Es werden die in Fig. 6 (p = 1) oder die in Fig. 7 (p = 2) gezeigte primärseitige Schaltung zur Ansteuerung des Über tragers T_a verwendet.
c) u_Gm = maximal zulässige Gate-Source-Spannung des Ventils V1, V2 (laut Datenblatt).
d) u_Gt = Theshold-Spannung des Ventils (laut Datenblatt).
e) Tastverhältnis D→0 ist ein zulässiger Arbeitspunkt.

Wie in P. Imbertson and N. Mohan: "Asymmetrical Duty Cycle Per mits Zero Switching Loss in PWM Circuits with No Conduction Loss Penalty", IEEE/IAS 1991 hergeleitet, gilt für die Sekundärspan nung des Übertragers T_a und damit für die Gate-Source-Spannung u_GS der Ventile:

Im allgemeinen ist der Variatonsbereich des Tastverhältnisses D nach Gleichung (4) für Flußkonverter ausreichend.

Fig. 10 zeigt die komplementäre Ansteuerung zweier Ventile V1, V2, wie sie in Stromrichtern mit Wechselrichtern in Brücken schaltung üblich ist. Wegen des Spannungszwischenkreises dürfen nie beide Ventile gleichzeitig leiten. Da die Einschaltverzöge rungszeit bei üblicherweise eingesetzten Ventilen kleiner ist als die Ausschaltverzögerungszeit, muß eine Mindestzeitspanne (Sicherheitszeit) zwischen Ausschalt- und Einschaltzeitpunkt eingehalten werden.

Die Sicherheitszeit wird im vorliegenden Fall wie folgt garan tiert bzw. beeinflußt:

a) Es wird für eine enge Kopplung der Sekundärwicklungen ge sorgt.
b) Bedingt durch Leitungs- und Streuinduktivität einerseits und durch parasitäre Leitungswiderstände im Übertrager T_a und in den (elektronischen) Wechselschaltern andererseits, sind sowohl Momentanwert, als auch Änderungsgeschwindigkeit des Gate-Ladestromes nach oben beschränkt. Die inhärente, parasitäre Eingangskapazität der Ventile beschränkt in Ver bindung mit dem nur endlich großen Strom die Änderungsge schwindigkeit der (eng gekoppelten) Gate-Source-Spannungen. Es verstreicht also eine gewisse Zeit zwischen dem Sperrbe ginn des einen Ventils (Threshold-Spannung wird unter schritten) und dem Durchschalten des komplementären Ventils (Threshold-Spannung dieses Ventils wird überschritten).

Neben den Annahmen und Definitionen a bis d, die oben in Verbin dung mit der Schaltung gemäß Fig. 9 beschrieben sind, gelte der Index 1 für Größen am Ventil 1. Index 2 bezeichnet Größen am Ventil 2.

Analog zu Gleichung (1) gilt:

Im günstigsten Fall gelten in den Beziehungen (7) bis (10) die Gleichheitszeichen. Eine Division von "Gleichung" (10) durch (8) liefert:

Nach analoger Division von (7) durch (10) liefert das Gleichset zungsverfahren:

Symmetrieüberlegungen führen ebenfalls zu Gleichung (13).

Einsetzen von Gleichung (13) in (11) liefert:

Vorstehend anhand der Fig. 9 und 10 beschriebene Steuerverfah ren, bei denen auf eine aktive Signalformung verzichtet ist, weisen nachstehende Nachteile auf:

1) Die Gleichungen (4) und (14) zeigen, daß die Variationsmög lichkeiten für das Tastverhältnis D beschränkt sind.
2) Zur Ausnutzung des gesamten Spielraumes müssen die Ventile bis an die zulässigen Grenzen belastet werden.
3) Der Spannungshub der Gate-Source-Spannung ist deutlich grö ßer als die Threshold-Spannung. Entsprechend groß sind die Ansteuerverluste.
4) Zur Erzielung größerer Sicherheitszeiten muß die Anstiegs geschwindigkeit der Gate-Source-Spannung reduziert werden. Dadurch arbeiten die Ventile länger im aktiven Bereich, wo durch sowohl die Ein- wie auch die Ausschaltverluste ver größert werden.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsge steuerter Halbleiterventile anzugeben, bei der ebenfalls auf ei ne aktive Signalformung verzichtet wird und trotzdem die vorge nannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Treiberschaltung nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale ge löst.

Das erfindungsgemäße Prinzip beruht demnach darauf, zur Sekun därspannung des Ansteuerübertragers T_a eine Gleichspannung U₂ zu addieren. Die Summe beider Spannungen wirkt dann als Ga te-Source-Spannung.

Die Erfindung sowie deren Ausgestaltungsmöglichkeiten und Vor teile werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren beschrie ben.

Es zeigen:

Fig. 1 erfindungsgemäßes Prinzip der Treiberschaltung,

Fig. 2 erfindungsgemäße Treiberschaltung mit fester Gleich spannung,

Fig. 3 erfindungsgemäße Treiberschaltung mit variabler Gleichspannung,

Fig. 4 vollständiges Ersatzschaltbild einer Ansteuerschal tung mit variabler Gleichspannung,

Fig. 5 bis 10 oben erläuterte Schaltungen zum Stand der Technik.

Es ist anzumerken, daß sich die Terminologie in dieser Beschrei bung der Einfachheit halber hauptsächlich auf selbstsperrende n-Kanal MOSFETs bezieht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist je doch sinngemäß auch auf andere Klassen spannungsgesteuerter Halbleiterventile (selbstleitend p-Kanal, IGBT) übertragbar.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Treiberschaltung, wobei lediglich die Treiberschaltung sekundärseitig vom Ansteu erübertrager T_a dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß zur Sekundärspannung u_s, die an der Sekundärwicklung 3.1 ansteht, eine Gleichspannung U₂ einer Gleichspannungsquelle 12 als Ga te-Source-Spannung für ein Ventil V1 in Reihe geschaltet ist.

Fig. 2 zeigt eine erste Schaltungsvariante, wobei eine feste Gleichspannung U₂ zur Sekundärspannung u_s addiert wird. Als Gleichspannungsquelle wirkt ein Kondensator C1, dessen Spannung durch eine parallelgeschaltete Zenerdiode Z₁ bestimmt wird. Zur Gate-Source-Strecke ist die Reihenschaltung eines Widerstandes R₁ und einer Diode D₁ parallelgeschaltet. Zur Auslegung der Kom ponenten und zur Funktionsweise der Schaltungsvariante wird nachstehend ausgeführt:

a) Der Kondensator C₁ ist sehr viel größer als die Eingangska pazität des Ventils V₁. Weil die Gate-Ladeströme deshalb nur einen marginalen Einfluß auf die Spannung an C₁ besit zen, ist dessen Spannung entsprechend konstant.
b) Praktisch nur während des Anlaufes des Stromrichters wird C₁ über R₁ und D₁ geladen, während die Sekundärspannung po sitiv ist. Der Ladestrom kann deshalb sehr klein sein, weil er nach dem Anlaufvorgang nur für eine Ladungserhaltung in C₁ sorgen muß. Entsprechend groß kann R₁ gewählt werden.
c) Der Wert der (festen) Gleichspannung U₂ wird durch die Zen erdiode Z₁ bestimmt.

In der gezeigten Schaltungsvariante liegt die Spannung zwischen Gate und Source immer um die Zenerspannung von Z₁ unter der Se kundärspannung u_s. Soll die Gate-Source-Spannung über der Sekun därspannung liegen, müssen die Dioden Z₁ und D₁ jede für sich umgekehrt gepolt werden.

Mit dieser Variante lassen sich für den Anwendungsfall aus Fig. 10 für eines der dort gezeigten Ventile Tastverhältnisse zwischen 0<D<0,6 realisieren. Das andere Ventil schaltet komplementär.

Fig. 3 zeigt eine zweite Schaltungsvariante, wobei eine variable Gleichspannung zur Sekundärspannung addiert wird und ebenfalls ein Kondensator C₁ als Gleichspannungsquelle dient. Die Ga te-Source-Spannung wird durch Zenerdioden Z₂, Z₃ nach oben und nach unten begrenzt, wobei die Zenerdioden in Antiparallelschal tung zwischen Gate und Source geschaltet sind. Zur Schaltungsge staltung und deren Arbeitsweise wird nachstehend ausgeführt:

a) Der Kondensator C₁ ist sehr viel größer als die Eingangska pazität des Ventils V1. Weil die Gate-Ladeströme deshalb nur einen marginalen Einfluß auf die Spannung an C₁ besit zen, ist dessen Spannung entsprechend konstant.
b) Die Summe der Zenerspannungen ist etwas größer als der Hub der Sekundärspannung. Im stationären Bereich mit Tastver hältnis D ≡ const. werden die Zenerdioden deshalb nie lei tend.
c) Die Zenerspannung von Z₂ bildet eine obere Schranke für die Gate-Source-Spannung.
d) Die Zenerspannung von Z₃ bildet eine untere Schranke für die Gate-Source-Spannung.
e) Vergrößert (verkleinert) sich das Tastverhältnis, werden gemäß Gleichung (1) Suprenum und Infimum der Sekundärspan nung u_s kleiner (größer). Dabei wird die Durchbruchspannung von Z₃ (Z₂) überschritten und es fließt ein Gleichstrom über die Zenerdioden. Dieser Strom lädt den Kondensator C₁ so um, daß die Gate-Source-Spannung stets in dem von den Zenerspannungen vorgegebenen Bereich bleibt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß es Stand der Technik ist, wie ge zeigt zwischen Gate und Source zwei Zenerdioden antiparallel an zuordnen. In bekannten Schaltungen dienen diese Zenerdioden aber ausschließlich dem Gate als Schutz vor Überspannungen. Dement sprechend liegen bei bekannten Anordnungen die Zenerspannungen knapp unterhalb der maximal zulässigen Gate-Source-Spannung.

Bei der hier gezeigten erfindungsgemäßen Schaltung liegen die Zenerspannungen wesentlich niedriger. Sie dienen im Wesentlichen nicht dem Schutz des Gates, sondern regeln in Abhängig vom Ta stverhältnis die (Gleich)-Spannung an C₁. Damit sind Tastver hältnisse zwischen 0<D<1 realisierbar.

Bei gleicher Änderungsgeschwindigkeit der Spannung an den Gates im Anwendungsfall Fig. 10 läßt sich die Sicherheitszeit durch Variation der Zenerspannung von Z₃ beeinflussen.

Beträgt die Zenerspannung von Z₂ beispielsweise etwas mehr als die Threshold-Spannung, so fängt das Ventil praktisch sofort mit Beginn des Schaltvorganges an zu sperren. Unter der Vorausset zung, eines symmetrischen Aufbaues dauert es bei gegebener Span nungssteilheit mit zunehmender Zenerspannung von Z₃ immer län ger, bis am Gate des komplementären Ventils die Threshold-Span nung erreicht ist und dieses leitend wird. Dabei wird vorausge setzt, daß gemäß Punkt b der Spannungshub entsprechend der Zunahme der Zenerspannung angepaßt wird.

Die erfindungsgemäße Ansteuerung entsprechend der zweiten Vari ante wurde in mehreren Stromrichtern mit Wechselrichtern gemäß Fig. 10 erfolgreich eingesetzt.

Fig. 4 zeigt das Ersatzschaltbild einer solchen Stromrichter schaltung, die als Anwendung zweier in Fig. 3 gezeigter Treiber schaltungen in einer asymmetrisch gesteuerten Wechselrichter schaltung gemäß Fig. 10 aufzufassen ist.

Der primärseitig zum Ansteuerübertrager T_a liegende Schaltungs teil bedarfim Zusammenhang mit der Erfindung keiner näheren Er läuterung. Er wird aus einer Versorgungsspannung U_h von z. B. 15V gespeist. Eingangsseitig liegt ein von einem nicht dargestellten Funktionsgenerator geliefertes digitales Signal u_t an, woraus Steuersignale zur Ansteuerung der Ventile V1, V2 gebildet werden und die vom Übertrager T_a auf die Sekundärseite übertragen wer den.

Mit C_ta bzw. C_tc sind jeweils die Kondensatoren bezeichnet, die die Gleichspannung U₂ liefern, die zwar variabel, aber durch die Zenerdioden Z_ta und Z_tb bzw. Z_tc und Z_td begrenzt wird. Im Bei spiel sind die Werte der Zenerdioden gewählt zu Z_ta,c=8,2V und Z_tb,d=7,5V. Zur Gate-Source-Strecke der Ventile V1, V2 jeweils parallelgeschaltete Kondensatoren C_tb bzw. C_td vergrößern die Eingangskapazität der Ventile und mildern so die negativen Aus wirkungen der Miller-Kapazität. Dazu jeweils parallelgeschaltete Widerstände R_tb bzw. R_td garantieren definierte Anfangsbedingun gen vor dem Anlauf. Mit U_i ist die Eingangsspannung der nachfol genden Stromrichterschaltung bezeichnet.

Claims

1. Potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter Halbleiterventile (V1 bis Vn), wobei sowohl die Information, als auch die Energie zum Ansteuern über einen Ansteuerübertrager (T_a) für ein oder mehrere Ventile (V1 bis Vn) übertragen werden, und wobei zwischen den für jedes Ventil (V1 bis Vn) angeordneten Sekundärwicklungen (3.1 bis 3n) des Über tragers (T_a) und dem jeweiligen Ventil (V1 bis Vn) keine aktive Schaltung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Se kundärseite des Ansteuerübertragers (T_a) jeweils zur Sekundär wicklung (3.1 bis 3n) eine Gleichspannungsquelle (12) so in Reihe geschaltet ist, daß sich die Spannungen der beiden Quellen (z. B. 3.1 und 12) als Gate-Source-Spannung addieren.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß als Gleichspannungsquelle (12) eine Anordnung eines Kondensators (C₁) mit parallel geschalteter Zenerdiode (Z₁) je weils zur Sekundärwicklung (z. B. 3.1) des Ansteuerübertragers (T_a) in Reihe geschaltet ist, wodurch zur Sekundärspannung (u_s) eine weitgehend feste Gleichspannung addiert wird.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß als Gleichspannungsquelle (12) jeweils ein Kondensator (C₁) in Reihe zur Sekundärwicklung (z. B. 3.1) des Übertragers (T_a) geschaltet ist und zu dieser Reihenschaltung antiparallel geschaltete Zenerdioden (Z₂, Z₃) parallelgeschaltet sind, wo durch eine variable, aber auf einen oberen und einen unteren Grenzwert begrenzte Gleichspannung zur Sekundärspannung (u_s) ad diert wird.