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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Steuerschaltung zum Steuern einer Halbleiterkomponente,
die einen Emitter, einen Kollektor und ein Gate aufweist, wobei
die Steuerschaltung einen Gate-Treiber aufweist, dessen Ausgang
mit dem Gate der zu steuernden Halbleiterkomponente verbunden ist.
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Gegenwärtig verwendete Leistungshalbleiter wie
z. B. IGB-Transistoren sind Komponenten, bei denen das Einschalten
und Ausschalten so schnell sind, daß z. B., wenn sie in Frequenzwandlern
mit modulierter Pulsweite verwendet werden, Spannungsänderungsraten
mit einem Wert von mehr als 10 Volt pro Nanosekunde in der Ausgangsspannung des
Frequenzwandlers auftreten können.
Solch eine Änderungsrate
bewirkt eine signifikante Beanspruchung an der Last des Frequenzwandlers.
Die Frequenzwandlerlast ist typischerweise ein Motor, wobei hohe
Spannungsänderungsraten
somit eine Beanspruchung an der Wicklungsisolierung des Motors und
starke Spannungsreflexionen in den Motorkabeln hervorrufen. Außerdem bewirken
hohe Änderungsraten,
dass eine elektromagnetische Interferenz in die Umgebung abstrahlt.
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Es ist bekannt, die Spannungsänderungsraten
in Leistungshalbleitern zu beschränken, indem der Widerstandswert
eines Gate-Transistors erhöht wird,
der zwischen den Ausgang des die Halbleiterkomponente steuernden
Gate-Treibers und das Gate der zu steuernden Halbleiterkomponente
geschaltet ist. Dies verlangsamt die Rate einer Erhöhung der Gate-Ladung der Leistungskomponente,
wodurch die Gate-Spannung ebenfalls langsamer ansteigt. Ein Nachteil
dieses Verbindungsverfahrens ist, dass es von den Eigenschaften
der Leistungskomponente und ihrer Verteilung abhängig ist, was die Genauigkeit
des Endergebnisses ziemlich schlecht macht. Außerdem erhöht der Widerstandswert in der
Kopplung unnötigerweise
Verluste.
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Das Dokument EP-A-0 614 278 offenbart eine
Ansteuerschaltung zur Verwendung mit Halbleitervorrichtungen wie
z. B. IGBTs und Leistungs-MOSFETs. Diese Ansteuerschaltung kann
verwendet werden, um hohe Änderungsraten
von Strömen
und ein möglicherweise
fehlerhaftes Einschalten der Halbleitervorrichtung zu verhindern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist, eine Steuerschaltung zu schaffen, die ermöglicht, dass die obigen Nachteile
vermieden werden und eine Halbleiterkomponente in einer von der
Komponente unabhängigen
Weise zuverlässig
gesteuert wird, und indem nur einfache und kostengünstige passive
Komponenten verwendet werden. Dies wird erreicht mit einer Steuerschaltung
der Erfindung, die durch die Sachverhalte gekennzeichnet ist, die
in den unabhängigen
Ansprüchen
dargelegt sind.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass
eine Änderung
in der Kollektor-Emitter-Spannung
der Halbleiterkomponente einen durch einen Rückkopplungskondensator C1 fließenden Strom
erzeugt, wobei der Strom auch durch mit dem Emitter gekoppelte Widerstände fließt. Die
Richtung der Spannungsänderung
bestimmt, durch welchen der beiden Widerstände der Strom durchgehen wird.
In beiden Fällen
bewirkt der Strom einen Spannungsabfall in den Widerständen, der
eine positive Gate-Spannung der Halbleiterkomponente beim Einschalten
reduziert, d. h. wenn die Kollektor-Emitter-Spannung abnimmt, und
eine negative Gate-Spannung beim Ausschalten, d. h. wenn die Kollektor-Emitter-Spannung
zunimmt. Der Aufbau der Steuerschaltung der Erfindung ist ziemlich
einfach und daher kostengünstig.
Aufgrund des einfachen Aufbaus ist die Steuerschaltung auch einfach zu
implementieren und im Betrieb zuverlässig. Überdies sind in einer geeignet
bemessenen Steuerschaltung Verluste sehr klein, und daher nimmt
die Betriebseffizienz einer die Steuerschaltung der Erfindung nutzenden
Vorrichtung aufgrund der mit der Schaltung gelieferten beschränkten Spannungswachstumsrate
nicht signifikant zu.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Im folgenden wird die Erfindung in
Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen
und mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher
beschrieben, in denen
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1 eine
Steuerschaltung der Erfindung veranschaulicht; und
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2 eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie in 1 gezeigt
ist, wird eine Halbleiterkomponente – in diesem Fall ein bipolarer
Transistor mit isoliertem Gate (IGBT) – mit Hilfe eines mit der Komponente
verbundenen Gate-Treibers gesteuert. Vorgefertigte im Handel erhältliche
Schaltungskomponenten werden gewöhnlich
als Gate-Treiber verwendet; ein Gate-Treiber kann jedoch auch unter Verwendung
geeigneter einzelner Komponenten hergestellt werden. Die Hauptfunktion
eines Gate-Treibers
besteht darin, einen Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand
und entsprechend aus einem leitenden Zustand zu steuern. Nach dem
Steuern muss außerdem
der Treiber die Komponente zuverlässig in dem Zustand halten,
auf den die Komponente gesteuert wurde. Wegen des Stromverbrauchs
wird eine Steuerung von einem Zustand zu einem anderen am vorteilhaftesten
so schnell wie möglich
ausgeführt,
da die größten Leistungsverluste
in einer Halbleiterkomponente wie z. B. dem IGBT in dem Moment auftreten,
in dem die Steuerung stattfindet. Der Gate-Treiber in 1 legt eine bipolare Hilfsspannung
Vcc+, Vcc– an.
Die Komponente kann somit schnell in einen nichtleitenden Zustand
gebracht werden, und außerdem
wird sie durch die mit dem Gate verbundene Spannung, die verglichen
mit dem IGBT-Emitter negativ ist, zuverlässig im nichtleitenden Zustand
gehalten. Dies verhindert, dass die Komponente durch irgendwelche
induzierte Spannungs- und Stromimpulse eingeschaltet wird.
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Die Hilfsspannungen Vcc+ und Vcc– und ihr dazwischenliegendes
Nullpotential Com ermöglichen,
daß Logikpegel-Steuersignale
AN/AUS des Gate-Treibers auf eine Stärke verstärkt werden, die ermöglicht,
daß die
Halbleiterkomponente gesteuert wird. Der IGBT kann in einen leitenden
Zustand versetzt werden, indem an sein Gate G eine Spannung angelegt
wird, die verglichen mit dem Emitter E positiv ist. Das Nullpotential
des Gate-Treibers ist mit dem IGBT-Emitter verbunden, was somit
ermöglicht,
dass der Gate-Treiber das Gate mit der positiven und negativen Spannung
versorgt, die zum Einschalten und Ausschalten benötigt wird,
indem die Hilfsspannungen Vcc+, Vcc– verwendet werden.
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Gemäß der Erfindung ist zwischen
einem Nullpotentialanschluß des
Gate-Treibers GD und dem Emitter E der Halbleiterkomponente ein
Widerstand R1 geschaltet, wobei eine Diode V1 mit ihm in Reihe geschaltet
ist, mit ihnen beiden ein Widerstand R2 parallel verbunden ist und
eine Diode V2 mit dem Widerstand R2 in Reihe geschaltet ist. Zwischen
den Nullpotentialanschluß des
Gate-Treibers GD und den Kollektor der Halbleiterkomponente ist
außerdem
ein Rückkopplungskondensator
C1 geschaltet. In der Erfindung werden die Dioden V1 und V2 mit
einer Polarität
versehen, die ermöglicht,
dass der Strom durch den Kondensator C1, der durch die Änderung
in der Kollektor-Emitter-Spannung der Halbleiterkomponente hervorgerufen
wird, je nach Richtung des Stroms zu einer Zeit nur durch einen
Widerstand fließt.
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Beim Einschalten versorgt der Gate-Treiber seinen
Ausgang mit einer Spannung n der Größe der positiven Hilfsspannung
Vcc+, wobei die Spannung typischerweise +15 Volt beträgt und einen Gate-Strom
erzeugt, der bewirkt, daß die
Gate-Spannung des IGBT von der negativen Hilfsspannung Vcc– von –7 Volt
typischerweise beim Ausschalten auf eine Schwellenspannung von etwa
10 Volt der Komponente anwächst.
Wenn dieser Pegel erreicht ist, geht der IGBT in einen leitenden
Zustand, und seine Kollektorspannung beginnt zu fallen.
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Dies wiederum erzeugt einen durch
den Kondensator C1, den Widerstand R1 und die Diode V1 fließenden Strom,
wobei der Strom ein Spannungsverlust in dem Widerstand R1 und der
Diode V1 bewirkt, der den Nullpotentialanschluß Com des Gate-Treibers bezüglich des
Emitters E in eine negative Richtung bewegt. Wenn die mit dem Emitterpotential
verglichene effektive Gate-Spannung niedriger als die Schwellenspannung
ist, beginnt die Gate-Ladung abzunehmen, was wiederum bedeutet, daß die Änderungsrate
der Kollektorspannung abnimmt. Dies bedeutet, dass der durch den
Kondensator C1 fließende
Strom abnimmt und der Spannungsverlust in R1 sich vermindert. Das
Ausmaß des
Spannungsverlustes hängt
von der Kapazität
des Kondensators C1, dem Widerstandswert des Widerstands R1 und
der Änderungsrate
der Kollektorspannung ab. Bei geeigneten Komponentenwerten ist das
Endergebnis eine Änderungsrate
der Kollektorspannung, die nahezu während des gesamten Einschaltprozesses
konstant bleibt.
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Beim Ausschalten findet ein analoger
Prozeß statt.
Wenn die Gate-Spannung auf den Pegel der Schwellenspannung abnimmt,
beginnt die Kollektorspannung anzuwachsen. Der durch C1 fließende Strom
wird dann durch den Widerstand R2 und die Diode V2 geleitet, und
der Spannungsverlust, den er in dem Widerstand R2 und der Diode
V2 hervorruft, bewirkt, daß das
Nullpotential des Gate-Treibers sich in eine positive Richtung bezüglich des
Emitters E bewegt. Der Widerstandswert von R2 ist typischerweise
der zweifache oder dreifache verglichen mit dem Widerstandswert
von R1, und daher ist der durch den gleichen Strombetrag hervorgerufene Spannungsverlust
entsprechend ebenfalls größer. Ein
größerer Spannungsverlust
wird benötigt,
weil die Schwellenspannung sich mehr von der negativen Ausschaltspannung
als von der positiven Einschaltspannung unterscheidet.
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Gemäß der Verbindung der in 1 gezeigten Erfindung umfasst
die Widerstandskopplung 1 zwei antiparallel verbundene
Reihenverbindungen des Widerstands R1, R2 und der Diode V1, V2.
Diese Anordnung ermöglicht,
daß die Änderungen
in der Gate-Spannung für
das Einschalten und Ausschalten der Halbleiterkomponente separat
ausgewählt
werden. Es ist vorteilhaft, zwei separate Widerstände zusammen
mit Dioden zu verwenden, weil beim Einschalten und Ausschalten die
für einen
optimalen Betrieb benötigten
Spannungsänderungen
typischerweise nicht ähnlich
sind. Beim Einschalten wird die Gate-Spannung reduziert, um die
Spannung vorübergehend
unter die Schwellenspannung fallen zu lassen, die zum Einschalten
der Komponente benötigt
wird, bevor die Gate-Spannung auf die volle positive Hilfsspannung
Vcc+ des Gate-Treibers ansteigt, deren Wert typischerweise +15 Volt
beträgt.
Beim Einschalten fließt
der Strom durch den Widerstand R1 und die Diode V1, wobei die Kathode
der Diode V1 mit dem Rückkopplungskondensator
C1 verbunden ist.
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Beim Ausschalten wird der am Widerstand R2
auftretende Spannungsabfall genutzt, um das Gate der Halbleiterkomponente
vorübergehend
oberhalb der Schwellenspannung zu halten, wodurch ermöglicht wird,
daß die
Komponente mit einer erforderlichen Änderungsrate ausgeschaltet
wird. Beim Ausschalten wird dann die Gate-Spannung gleich der negativen
Hilfsspannung Vcc– des
Gate-Treibers gemacht, die typischerweise –7 Volt beträgt. Beim
Ausschalten ist die Stromrichtung im Rückkopplungskondensator anders
als beim Einschalten, und daher können die Dioden V1, V2 verwendet
werden, um die durch den Strom mit verschiedener Richtung hervorgerufene Änderung
der Gate-Spannung zu bestimmen.
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Die Erfindung wird mit Verweis auf
einen Gate-Treiber mit einer bipolaren Hilfsspannung beschrieben;
die Erfindung kann aber in Verbindung mit einem Gate-Treiber mit
einer unipolaren Hilfsspannung gleichermaßen gut implementiert werden.
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2 veranschaulicht
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, in der die Diode V1, V2 und der Widerstand R1, R2
in Reihe geschaltet sind, indem eine Reihenverbindung vom Nullpotential Com
des Gate-Treibers mit dem Hilfsemitter AE der Halbleiterkomponente
und die andere mit dem Emitter E verbunden wird. Die Richtungen
der Dioden in den Reihenschaltungen sind derart, daß mit dem Hilfsemitter
AE der Halbleiterkomponente eine Anode der Diode V1 und entsprechend
mit dem Emitter E eine Kathode der zweiten Diode V2 verbunden ist. Der
Hilfsemitter ist eine Elektrode der Halbleiterkomponente, und er
wird typischerweise nur zum Bestimmen des Potentials der Halbleiterkomponente
wie z. B. des IGBT verwendet, um zu ermöglichen, daß die Komponente in zuverlässiger Weise
vom Gate gesteuert wird. Der Emitter wiederum ist eine Elektrode, durch
die der Emitterstrom fließen
soll. Der Hilfsemitter und der Emitter sind miteinander direkt elektrisch verbunden.
In der in 2 gezeigten
Verbindung ist der den Hilfsemitter und den Emitter verbindende
Leiter durch eine Streuinduktivität L der Emitterschaltung veranschaulicht.
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Die in 2 dargestellte
Verbindung liefert alle gleichen Effekte wie die in 1 gezeigte Verbindung. Ein erhaltener
zusätzlicher
Vorteil ist die Beschränkung
eines starken Stroms, der im Fall eines Kurzschlusses durch die
Halbleiterkomponente fließen
würde.
Wenn ein Kurzschluß auftritt,
wächst
die Sättigungsspannung
einer Halbleiterkomponente wie z. B. des IGBT stark an, was folglich
bewirkt, daß der Rückkopplungskondensator
C1 und die Widerstandskopplung 1 auf ein weiteres Zunehmen
der Gate-Spannung reagieren. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet daher
die Streuinduktivität
L der Emitterschaltung der Halbleiterkomponente, um die Gate-Spannung
beim Kurzschluß zu
reduzieren und dadurch den maximalen Wert des Kurzschlußstromes
sanft zu beschränken.
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Die Emitterschaltung eines Leistungshalbleiters
enthält
immer eine interne Streuinduktivität, wobei ein bestimmter Spannungsverlustbetrag über der Induktivität übrig bleibt, wenn
sich der Emitterstrom ändert.
Der Betrag des Spannungsabfalls hängt z. B. von der Änderungsrate
des Emitterstroms ab. In einer in 2 gezeigten
Situation ist sie, wenn ein schnelles Anwachsen eines Kurzschlußstroms
in der Streuinduktivität
L der Emitterschaltung einen Spannungsverlust bewirkt, als eine
Spannung zwischen dem Hilfsemitter und dem Emitter dargestellt,
wobei der Emitter negativer als der Hilfsemitter ist. Ein Punkt
zwischen den Widerständen
R1 und R2 ist ebenfalls negativer als der Hilfsemitter, was die
Referenz für
die Gate-Spannung der Halbleiterkomponente liefert.
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Da der Punkt zwischen den Widerständen R1
und R2 ebenfalls das Nullpotential Com des Gate-Treibers oder ein
gemeinsamer Zwischenpunkt der positiven und negativen Versorgungsspannung des
Gate-Treibers ist, bedeutet das Ereignis, dass die Gate-Spannung
dazu tendiert, in Bezug auf die Spannung des Hilfsemitters abzunehmen.
Die Abnahme der Gate-Spannung
bedeutet, dass der durch die Komponente fließende Strom beschränkt ist,
was das gewünschte
Ergebnis im Fall eines Kurzschlusses ist.
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Dem Fachmann ist offenkundig, daß, während die
Technologie fortschreitet, der Grundgedanke der Erfindung auf verschiedene
Arten implementiert werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen
sind daher nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern
können
innerhalb des Umfangs der Ansprüche
variieren.