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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Steuerung
eines Leistungshalbleiters, wobei die Steuerschaltung einen Gate-Treiber mit
einem Steuereingang, Hilfsspannungseingängen und einem Ausgang umfasst.
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Eine
Zeitlang waren am Markt mit einer optischen Isolation ausgeführte Gate-Treiber
erhältlich, die
zur Steuerung eines höchstens
ungefähr
100 Ampere starken Leistungshalbleiters verwendbar sind, etwa eines
IGBT oder FET. Der Grund für
die beschränkte
Leistungsangabe des Halbleiters ist die begrenzte Stromabgabekapazität eines
Gate-Treibers, die es unmöglich
macht, hochstromige Leistungshalbleiter in zuverlässiger Weise
zu steuern. Wegen des vorgenannten Problems erfordert der Einsatz
eines Gate-Treibers eine gesonderte Verstärkerstufe, mittels der die
Stromspeisekapazität
auch an die Bedürfnisse
größerer Leistungshalbleiter
angepasst werden kann.
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Der
Artikel „MOS
gate driver circuit with extremely high galvanic isolation" von Michael A.E.
Andersen aus 6th European Conference on
Power Electronics and Applications, Sevilla, 19-21 September 1995,
Technische Universität
Dänemark,
offenbart eine Steuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
die vorstehend angeführten
Nachteile vermeidenden Steuerschaltung, welche zudem die zuverlässige Steuerung
hochstromiger Leistungshalbleiter ermöglicht und hierbei eine einfache
Schaltung verwendet. Diese Zielsetzung wird durch eine erfindungsgemäße Steuerschaltung erreicht,
wobei die Steuerschaltung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Steuerschaltung
ferner einen ersten Widerstand (R1) umfasst, dessen erster Pol mit
dem positiven Hilfsspannungseingang (UA+) des Gate-Treibers (A1)
verbunden ist und dessen zweiter Pol mit dem positiven Eingangspol
(Udc+) der Steuerschaltung verbunden ist, wobei der positive Hilfsspannungseingang
(UA+) zur Steuerung des ersten Halbleiterschalters (S1) ausgeführt ist,
einen zweiten Widerstand (R2), dessen erster Pol mit dem negativen
Hilfsspannungseingang (UA-) des Gate-Treibers (A1) verbunden ist
und dessen zweiter Pol mit dem negativen Eingangspol (Udc-) der
Steuerschaltung verbunden ist, wobei der negative Hilfsspan nungseingang
(UA-) zur Steuerung des zweiten Halbleiterschalters ausgeführt ist,
und dass die Anode der ersten Zener-Diode (Z1) und die Kathode der
zweiten Zener-Diode
(Z2) mit dem Ausgang (UAO) des Gate-Treibers (A1) verbunden sind.
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Die
erfindungsgemäße Steuerschaltung
beruht auf dem Gedanken, dass die Stromabgabekapazität eines
Gate-Treibers vergrößert wird,
indem eine einfache Schaltung verwendet wird. Die Steuerschaltung
umfasst Halbleiterschalter, die einen Ausgang bilden, welcher gleichphasig
zum Ausgang des Gate-Treibers ist. Der über die Halbleiterschalter
am Ausgang erhaltene Strom ist wesentlich größer als der Strom eines bloßen Gate-Treiberausgangs.
Wegen der Tatsache, dass die Ausgänge gleichphasig sind, ist
die Steuerschaltung unbemerkbar für andere möglicherweise mit ihr verbundene
Komponenten; bei der Auslegung anderer Teile oder Teileinheiten, welche
zur gleichen betriebsmäßigen Einheit
gehören,
ist es somit nicht notwendig, die Hinzufügung der zusätzlichen
Komponenten der Steuerschaltung zu berücksichtigen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun in näherer
Einzelheit im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, in der 1 eine Steuerschaltung nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nach 1 weist
eine erfindungsgemäße Steuerschaltung
einen Gate-Treiber A1 auf. Der Gate-Treiber A1 ist ein optisch isolierter
Gate-Treiber, wobei ein Steuereingang Ctrl elektrisch von anderen Ausgängen oder
Eingängen
des Gate-Treibers isoliert ist. Folglich kann das Potenzial einer
das Steuereingangssignal bereitstellenden Schaltung gegenüber dem
Potenzial der Steuerschaltung variieren. Der Gate-Treiber A1 umfasst
ferner einen positiven Hilfsspannungseingang UA+ und einen negativen
Hilfsspannungseingang UA- sowie einen Ausgang UAO. In herkömmlicher
Weise ist der Ausgang des Gate-Treibers mit einer Steuerelektrode
eines zu steuernden Leistungshalbleiters verbunden. Abhängig vom
Steuereingangssignal wird der Steuerelektrode dann eine entweder
am positiven oder am negativen Hilfsspannungseingang anliegende
Spannung zugeführt.
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Die
Steuerschaltung der Erfindung umfasst ferner einen ersten sowie
einen zweiten Widerstand R1, R2, die mit dem positiven bzw. negativen
Hilfsspannungseingang des Gate-Treibers verbunden sind. Ein erster
Pol des ersten Widerstands R1 ist mit dem positiven Eingang UA+
des Gate-Treibers A1 verbunden, während ein zweiter Pol einen
positiven Eingangspol Udc+ der Steuerschaltung bildet. In entsprechender
Weise ist ein erster Pol des zweiten Widerstands mit dem negativen
Eingang UA- des Gate-Treibers verbunden, während ein zweiter Pol einen
negativen Eingangspol der Steuerschaltung bildet.
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Die
Steuerschaltung weist darüber
hinaus eine erste sowie eine zweite Zener-Diode Z1, Z2 auf. Die
erste Zener-Diode Z1 ist zwischen den Ausgang UAO des Gate-Treibers A1 und den
positiven Eingangspol Udc+ der Steuerschaltung geschaltet, nämlich derart,
dass die Kathode der Zener-Diode Z1 mit dem positiven Eingangspol
Udc+ verbunden ist. In entsprechender Weise ist die zweite Zener-Diode zwischen
den Ausgang UAO des Gate-Treibers A1 und den negativen Eingangspol
Udc- der Steuerschaltung geschaltet. Die zweiter Zener-Diode ist
in derartiger Weise eingebunden, dass ihre Anode mit dem negativen
Eingangspol Udc- verbunden ist. Die Zener-Dioden sind somit in Reihe
zwischen dem positiven und dem negativen Eingangspol geschaltet, wobei
ein Punkt zwischen den Zener-Dioden zudem mit dem Ausgang des Gate-Treibers
verbunden ist.
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In
der in 1 gezeigten Weise ist die Steuerschaltung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ferner mit einem Kondensator C1 ausgeführt, welcher
zwischen den positiven und den negativen Hilfsspannungseingang des
Gate-Treibers geschaltet
ist.
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Die
Steuerschaltung der Erfindung umfasst einen ersten sowie einen zweiten
Halbleiterschalter S1, S2 mit einer Steuerelektrode G und Hauptelektroden
S, D. Die Steuerelektrode bezieht sich auf diejenige Elektrode,
mittels der die zu steuernde Halbleiterkomponente gesteuert wird;
die Hauptelektroden beziehen sich dagegen auf diejenigen Elektroden
der Komponente, die abhängig
von der Steuerung der Steuerelektrode den Steuerbefehl ausführen. Im Rahmen
der Beschreibung der Erfindung werden FET-Transistoren als beispielhafte
Halbleiterschalter verwendet, wobei aber der Halbleiterschalter
eine beliebige andere für
den Zweck geeignete Komponente sein kann. Sofern der Halbleiterschalter
ein FET-Transistor ist, wird die Steuerelektrode Gate genannt und
die Hauptelektroden werden Source S und Drain D genannt. In der
in 1 gezeigten Weise ist eine erste Hauptelektrode
S des ersten Halbleiterschalters mit dem positiven Eingangspol der
Steuerschaltung verbunden, während
eine zweite Hauptelektrode D einen Ausgang der Steuerschaltung bildet.
Entsprechend ist eine erste Hauptelektrode S des zweiten Halbleiters
S2 mit dem negativen Eingangspunkt Udc- der Steuerschaltung verbunden, während eine
zweite Elektrode D mit dem Ausgang der Steuerschaltung verbunden
ist, der gleichzeitig die zweite Elektrode D des ersten Halbleiterschalters ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist die Steuerschaltung außerdem zwei Parallelschaltungen 1, 2 einer
Diode und eines Widerstands auf, die zwischen die Steuerelektroden G,
d. h. die Gates, des ersten und des zweiten Leistungsschalters und
die Hilfsspannungseingänge UA+,
UA- des Gate-Treibers geschaltet sind. Die erste Parallelschaltung 1 aus
einer Diode D1 und einem Widerstand R3 ist zwischen das Gate des
ersten Halbleiterschalters und den positiven Hilfsspannungseingang
UA+ des Gate-Treibers in solcher Weise geschaltet, dass die Anode
der Diode D1 mit dem Hilfsspannungseingang UA+ verbunden ist. Die zweite
Parallelschaltung 2 aus einer Diode D2 und einem Widerstand
R4 ist zwischen das Gate des zweiten Halbleiterschalters und den
negativen Hilfsspannungseingang UA- des Gate-Treibers in solcher
Weise geschaltet, dass die Anode der Diode D2 mit dem Gate des Halbleiterschalters
S2 verbunden ist.
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Die
Steuerschaltung der Erfindung erzeugt Ausgangsspannungen, die gleichphasig
zu Steuersignalen sind, welche dem Steuereingang zugeführt werden.
Die Ausgangsspannungen werden aus den Eingangsspannungen erhalten,
die an dem positiven und negativen Eingangspol Udc+, Udc- anliegen. Üblicherweise
enthält
der Gate-Treiber
zwei Strompfade, die jeweils einzeln leitend gemacht werden können. Der
Ausgang des Gate-Treibers ist dann entweder mit dem positiven oder
alternativ mit dem negativen Hilfsspannungseingang verbunden. Wenn
der spannungshöhere
Pfad des Gate-Treibers leitend gemacht wird oder – mit anderen
Worten – wenn
der Ausgang des Gate-Treibers und der positive Hilfsspannungseingang
durch interne Schalterbauteile des Gate-Treibers elektrisch miteinander
verbunden werden, beginnt ein Strom über den Gate-Treiber A1 zu
fließen.
Der Strom geht vom positiven Eingangspol Udc+ aus, an dem eine positive
Eingangsspannung von typischerweise näherungsweise 15 Volt anliegt,
und geht weiter über
den ersten Widerstand R1, den stromhöheren Pfad des Gate-Treibers
A1 und die zweite Zener-Diode und erreicht den negativen Eingangspol
Udc-, an dem typischerweise eine Spannung von näherungsweise –7 Volt
anliegt. Wenn die Spannungen so sind, wie vorstehend beschrieben,
beträgt
die Potentialdifferenz zwischen dem positiven und dem negativen
Pol etwa 22 Volt.
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Wenn
der Strom der zuvor erläuterten
Route folgt, verursacht er gewisse Spannungsverluste. Das Fließen eines
Stroms erfordert es, dass die Schwellenspannung der Zener-Diode
Z2 kleiner als die insgesamt an der Zener-Diode anliegende Spannung ist.
Wenn über
die Zener-Diode ein Strom fließt,
fällt an
ihr eine der Schwellenspannung entsprechende Spannung ab. Im Beispielfall
beträgt
die Schwellenspannung der Zener-Diode Z2 13 Volt. Sofern über die
Zener-Diode ein Strom fließt,
erhöht
sich daher die Spannung ihrer Anode um 13 Volt, d. h. auf eine Spannung
von +6 Volt. Wenn über
den Gate-Treiber ein Strom fließt,
tritt außerdem
ein Spannungsabfall von etwa 2 Volt auf, als dessen Folge der positive Hilfsspannungseingang
UA+ des Gate-Treibers eine Spannung von +8 Volt hat.
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Bei
der beispielhaften Ausgestaltung haben die mit den Hilfsspannungseingängen des
Gate-Treibers A1 verbundenen Widerstände R1, R2 ungefähr 400 Ohm,
wodurch der Leerlaufstrom der Schaltung einen Spannungsabfall von
ungefähr
1 Volt an den Widerständen
verursacht. Der Leerlaufstrom bezieht sich auf einen Strom, der über einen
ungesteuerten Schaltkreis des Gate-Treibers fließt. Im vorbeschriebenen Fall
liegt das Potential des negativen Hilfsspannungseingangs des Gate-Treibers
folglich bei näherungsweise –6 Volt.
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Bei
der Steuerschaltung gemäß der Erfindung
ist der positive Hilfsspannungseingang UA+ des Gate-Treibers über die
Parallelschaltung 1 aus der ersten Diode D1 und dem Widerstand
R3 mit dem Gate G des ersten Halbleiterschalters S1 verbunden. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist der erste Halbleiterschalter S1 ein p-Kanal FET-Transistor,
während
der zweite Halbleiterschalter S2 ein n-Kanal FET-Transistor ist. Wenn der Halbleiterschalter
S1 ein p-Kanal FET-Transistor ist, kann er dadurch in einen leitenden
Zustand eingesteuert werden, dass das Gate G des Schalters auf ein
negatives Potential gegenüber
seiner Hauptelektrode S gebracht wird. Im zuvor beschriebenen Fall
ist es genau dies, was geschieht, da das Potential des Gates G dem
Potential des positiven Hilfsspannungseingangs des Gate-Treibers folgt und
das Potential der Hauptelektrode S mit einer positiven Eingangsspannung
verbunden ist, welche im Beispielfall 15 Volt beträgt und direkt
mit dem positiven Eingangspol der Steuerschaltung verbunden ist.
Der Halbleiterschalter S1 ist somit im leitenden Zustand.
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Der
Halbleiterschalter S2 ist vorzugsweise vom n-Kanal FET-Transistortyp,
in welchem Fall es einer beträchtlichen
positiven Gate-Spannung bezüglich
der Hauptelektrode bedarf, um ihn in den leitenden Zustand zu bringen.
Wenn der Gate-Treiber wie oben gesteuert wird, hat der negative
Hilfsspannungseingang UA- des Gate-Treibers ein Potential von –6 Volt,
wobei das Gate des Schalters S2 auch diesem Potential folgt. Die
Hauptelektrode S des Schalters S2 ist mit einer an dem negativen
Ein gangspol anliegenden negativen Eingangsspannung verbunden, weswegen
die Spannung zwischen dem Gate und der Hauptelektrode S näherungsweise
1 Volt beträgt,
was nicht ausreicht, um den Schalter S2 einzuschalten. Es ist daher
offensichtlich, dass dann, wenn der höhere Halbleiterschalter S1
leitet, der niedrigere S2 in einem nichtleitenden Zustand ist.
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Zweck
der mit den Gates der Halbleiterschalter S1, S2 verbundenen Parallelschaltungen 1, 2 aus Diode
und Widerstand ist es, einen einzuschaltenden Schalter geeignet
zu verzögern,
so dass ein auszuschaltender Schalter ausreichend Zeit hat, um zuverlässig in
einen Blockierzustand überführt zu werden. Die
Polaritäten
der Dioden D1, D2 gestatten einen Stromfluss durch die Dioden in
einer Richtung, die für das
Ausschalten der Halbleiterschalter erforderlich ist. Zum Ausschalten
benötigte
Ströme
fließen
somit über
die Dioden, hingegen müssen
zum Einschalten der Schalter benötigte
Ströme über die
Widerstände R3,
R4 fließen.
Der Kondensator C1 dient zum Betrieb als Filterkondensator und als
Energieversorgung für
den Gate-Treiber A1, mittels der die Halbleiterschalter rasch ausschaltbar
sind.
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Wenn
die an den negativen Eingangspol Udc- angelegte negative Spannung
an den Ausgang des Gate-Treibers und gleichzeitig der Steuerschaltung
geführt
werden soll, ist der niederstromige Pfad des Gate-Treibers A1, d.
h. der Strompfad vom negativen Hilfsspannungseingang UA- zum Ausgang UAO
des Gate-Treibers, mit Hilfe des Steuereingangs Ctrl leitend zu
machen. Wenn der niederstromige Pfad leitend ist, beginnt aufgrund
der Potentialdifferenz zwischen dem positiven und dem negativen Eingangspol
Udc+, Udc- ein Strom über
eine von der ersten Zener-Diode Z1, dem niederstromigen Pfad des
Gate-Treibers und dem zweiten Widerstand R2 gebildete Route zu fließen. Bei
der beispielhaften Ausbildung beträgt die Schwellenspannung der
Zener-Diode Z1 15 Volt, in welchem Fall bei Stromfluss durch die
Zener-Diode die Spannung von ihrer Kathode zur Anode um eine der
Schwellenspannung entsprechende Spannung abfällt, also um 15 Volt. Aufgrund
dieses Spannungsabfalls liegt das Potential des Ausgangs UAO des
Gate-Treibers auf 0 Volt. Im niederstromigen Pfad des Gate-Treibers
tritt bei der beispielhaften Ausführungsform aufgrund der Eigenschaften
des Gate-Treibers kein wesentlicher Stromverlust auf, weswegen das
Potential des negativen Hilfsspannungseingangs UA- des Gate-Treibers
ebenfalls näherungsweise
0 Volt ist. Da das Potential des Hilfsspannungseingangs sich auch
auf das Gate G des zweiten Halbleiterschalters S2 überträgt und da
die Hauptelektrode S des Halbleiterschalters eine mit dem negativen
Eingangspol Udc- der Steuerschaltung verbundene Spannung von –7 Volt
hat, wird der Schalter S2 in den leitenden Zustand überführt und
bleibt darin, bis er umgesteuert wird. Wenn der Schalter S2 leitend
ist, erscheint die am negativen Eingangspol Udc- anliegende negative Eingangsspannung,
die bei der beispielhaften Ausführungsform –7 Volt
beträgt,
am Ausgang der Steuerschaltung.
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Gleichzeitig
mit dem leitenden Zustand der niedrigeren Schalterkomponente S2
befindet sich die höhere
Schalterkomponente im blockierenden Zustand. Der blockierende Zustand
wird erreicht, weil der durch den Leerlaufstrom des Gate-Treibers
am ersten Widerstand R1 hervorgerufene Spannungsabfall etwa 1 Volt
beträgt,
wodurch eine Spannung von etwa –1
Volt zwischen dem Gate des Schalters S1 und der Hauptelektrode S
anliegt. Diese Spannung hält
die Komponente im Blockierzustand.
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Die
Steuerschaltung der Erfindung kann beispielsweise zur zuverlässigen Steuerung
von Invertern oder Leistungshalbleitern oder anderen derartigen
Bauelementen mit hochstromigen Halbleitern eingesetzt werden. Die
Schaltung der Erfindung ermöglicht
es, die zur Steuerung eines Leistungshalbleiters, etwa eines IGBT
oder FET, benötigten
positiven und negativen Spannungen in zuverlässiger und kostensparender
Weise zu erzeugen.