EP1396069A2

EP1396069A2 - Schaltungsanordnung zum steuern der einer last zugeführten leistung

Info

Publication number: EP1396069A2
Application number: EP02747208A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Link
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-03-10
Also published as: WO2002103886A2; WO2002103886A3; US20040174719A1; DE20109957U1; US6859021B2

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Steuern der einer Last (2) zugeführten Leistung mit einem in Reihe zur Last (2) angeordneten steuerbaren selbstleitenden Halbleiterschalter (4) enthält gemäß der Erfindung eine in Reihe zur Last (2) angeordnete ersten Energiespeicherschaltung (9a), die einen ersten Ener-giespeicher (6a) und einen in Reihe dazu geschalteten ersten Gleichrichter (8a) umfasst, und zu der parallel ein steuerba-rer Hilfsschalter (12) angeordnet ist. Dem selbstleitenden Halbleiterschalter (4) und dem Hilfsschalter (12) ist eine vom ersten Energiespeicher (6a) versorgte Steuerschaltung (14) zugeordnet ist, die den Hilfsschalter (12) schließt bzw. öffnet, wenn die Spannung (U) am ersten Energiespeicher (6a) einen vorgegebenen ersten Wert (Uref + ΔU1) überschreitet bzw. einen vorgegebenen zweiten Wert (Uref - ΔU2) unterschreitet.

Description

Beschreibung

Schaltungsanordnung zum Steuern der einer Last zugeführten Leistung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Steuern der einer Last zugeführten Leistung mit einem in Reihe zur Last angeordneten steuerbaren selbstleitenden Halbleiterschalter.

In der Regel sind die in der Leistungselektronik verwendeten Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs, MOSFETs, Thyristoren oder GTOs, selbstsperrend. Dabei haben Halbleiterschalter auf der Basis von Siliziumkarbid SiC im Vergleich mit Halb- leiterschaltern auf Siliziumbasis aufgrund ihrer hohen Spannungsfestigkeit, ihres geringen Widerstandes im leitenden Zustand und ihrer Eignung für sehr hohe Schaltfrequenzen hervorragende Eigenschaften, die ihren Einsatz erstrebenswert machen. Selbstsperrende Schalter auf der Basis von Silizium- karbid SiC sind jedoch gegenwärtig kommerziell nicht verfügbar.

Aus ISPSD 2000 - 12th IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICS, Toulouse, P. Friedrichs et al, '"SiC Power devices with low on-resistance for fast switching applications" , S. 213-216, ist es bekannt, einen selbstleitenden VJFET-Schalter (VJFET=Vertical Junction FET) auf der Basis von Siliziumkarbid SiC mit einem selbstsperrenden MOSFET zu einer Kaskode zu kombinieren, so dass nach außen wiederum ein selbstsperrendes elektronisches Bauelement entsteht.

In Anwendungen, beispielsweise bei einer Stromversorgung, in denen eine Schaltungsanordnung zum Steuern der einer Last zu- geführten Leistung immer dann wenn sie an Spannung liegt auch mit Leistung versorgt wird, d. h. in Betrieb ist, ist es jedoch nicht zwingend notwendig, dass ein in dieser Schaltungs- anordnung als Leistungsschalter eingesetzter Halbleiterschalter selbstsperrend ist. Vielmehr kann in solchen Anwendungen grundsätzlich auch ein selbstleitender steuerbarer Halbleiterschalter alleine zum Einsatz kommen. Dabei ergibt sich je- doch das Problem, dass mit Anlegen der Versorgungsspannung an die Schaltungsanordnung der Stromfluss durch den selbstleitenden Halbleiterschalter beginnt. Daher besteht die Notwendigkeit, innerhalb kürzester Zeit eine Ansteuereinrichtung für den selbstleitenden Halbleiterschalter betriebsfähig zu machen, die diesen abschalten kann, bevor eine Betriebsstörung, beispielsweise ein Überstrom, auftritt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Steuern der einer Last zugeführten Leis- tung mit einem in Reihe zur Last angeordneten steuerbaren

Halbleiterschalter anzugeben, die einfach aufgebaut ist und auch die Verwendung eines selbstleitenden steuerbaren Halbleiterschalters ermöglicht.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen sind in Reihe zu einer Last ein selbstleitender Halbleiterschalter sowie eine erste Energiespeicherschaltung angeordnet, die einen ersten Energie- Speicher und einen in Reihe dazu geschalteten ersten Gleichrichter umfasst, wobei ein Anschluss des ersten Energiespeichers mit demjenigen Anschluss des selbstleitenden Halbleiterschalters verbunden ist, auf den dessen Steuerpotential bezogen ist. Zu dieser Energiespeicherschaltung ist parallel ein zweiter steuerbarer Halbleiterschalter geschaltet. Dem ersten und dem zweiten steuerbaren Halbleiterschalter ist eine Steuerschaltung zugeordnet, die vom ersten Energiespeicher versorgt wird und den zweiten steuerbaren Halbleiterschalter öffnet bzw. schließt, wenn die Spannung am ersten Energie- Speicher einen vorgegebenen ersten Wert überschreitet bzw. einen vorgegebenen zweiten Wert unterschreitet. ω u> t ) P¹

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verlängert wird, dass das Integral der Spannung an der Last über die Einschaltdauer (Spannungszeitfläche) gleich der Spannungszeitfläche ist, die an der Last anliegen würde, wenn der Hilfsschalter geschlossen wäre.

Insbesondere umfasst die Steuerschaltung eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Spannung des ersten Energiespeichers und zum Erzeugen eines Schaltsignals zum Schließen des selbstleitenden Halbleiterschalters, wenn diese Spannung bei geöffnetem Hilfsschalter einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als selbstleitender Halbleiterschalter ein SiC-VJFET, insbesondere ein strombegrenzender SiC-VJFET vorgesehen. Dadurch ist sichergestellt, dass der Laststrom auch bei einer gegebenenfalls erforderlichen längeren Aufladedauer des ersten Energiespeichers zulässige Grenzwerte nicht überschreitet.

Als erster Energiespeicher ist in einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung insbesondere ein Kondensator vorgesehen, der vorzugsweise derart ausgelegt ist, dass die Resonanzfrequenz des aus einem induktiven Anteil der Last und dem Kondensator gebildeten Schwingkreises sehr viel kleiner als die niedrigste Schaltfrequenz des selbstleitenden Halbleiterschalters ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Hilfsschalter eine zweite Energiespeicherschaltung parallel geschaltet, die einen zweiten Energiespeicher sowie einen in Reihe dazu zwischen diesem und dem selbstleitenden Halbleiterschalter geschalteten zweiten Gleichrichter umfasst. Dadurch wird über dem zweiten Energiespeicher eine Versorgungs- Spannung bereitgestellt, mit der weitere Verbraucher versorgt werden können, die gegenüber der VersorgungsSpannung ein festes Bezugspotential aufweisen müssen. Ergänzend hierzu ist in einer weiteren Ausgestaltung dem ersten Gleichrichter eine dritte Energiespeicherschaltung parallelgeschaltet, die eine Reihenschaltung aus einem dritten Gleichrichter und einem dritten Energiespeicher umfasst, und die gemeinsam mit der zweiten Energiespeicherschaltung eine bipolare Versorgungsspannung erzeugt.

In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Schutzeinrichtung zum Erfassen des durch den selbstleitenden Halbleiterschalter fließenden elektrischen Stromes vorgesehen, die vorzugsweise eine bistabile Kippstufe umfasst, und die ein Steuersignal zum Öffnen des selbstleitenden Halbleiterschalters generiert, wenn dieser einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Wenn als selbstleitender Halbleiterschalter ein strombegrenzender SiC-VJFET verwendet wird, kann ein träge Schutzeinrichtung mit langsamer Reaktionszeit vorgesehen werden, die besonders einfach und robust aufgebaut werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh- rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

FIG 1 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in einem Prinzipschaltbild,

FIG 2 die Schalthysterese des Hilfsschalters in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,

FIG 3-5 Diagramme, in denen jeweils das Steuersignal für den selbstleitenden Halbleiterschalter, die Span- nung am ersten Energiespeicher und das Steuersignal für den Hilfsschalter gegen die Zeit aufgetragen sind,

FIG 6 eine weitere Schaltungsanordnung gemäß der Erfin- düng ebenfalls in einem Prinzipschaltbild, FIG 7 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einem p-Kanal-VJFET,

FIG 8a, b prinzipielle Anordnungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung relativ zur Last,

FIG 9 als Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Hochsetzsteller,

FIG 10 als weiteres Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Sperrwandler,

FIG 11 die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsan- Ordnung in einer Brückenschaltung,

FIG 12 die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einem Tiefsetzsteiler,

FIG 13,14 jeweils eine Schaltungsanordnung, bei der mit

Hilfe weiterer Energiespeicher eine unipolare bzw. bipolare Versorgungsspannung für weitere Verbraucher erzeugt wird,

FIG 15 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, die zusätzlich über eine Überstromschutzeinrichtung für den selbstleitenden Halbleiterschalter verfügt,

FIG 16, 17 weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, bei der als Hilfsschalter ein p- bzw. n-Kanal-MOSFET eingesetzt wird.

Gemäß FIG 1 ist eine Last 2 in Reihe mit einem selbstleitenden Halbleiterschalter 4, einem ersten Energiespeicher 6a, im Beispiel ein Kondensator, und einem ersten Gleichrichter 8a, ω cυ to to P¹ P¹ cn o π o Cπ o cπ φ CΛ rt ü u C φ ^ P, Cfl cn cn Cd H d cn ≤ et φ N CΛ P CL P- u σ N CL > <! N Cfl H- ι-i Ω Φ φ P- d p, P) Φ Φ Ω Ω P P rt P) Φ Φ H O O P- P φ P- d Φ d P Ω cn 3

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Steuereinheit 18a setzt das Steuersignal S2 auf „EIN , der Hilfsschalter 12 wird geschlossen und die Spannung U am Energiespeicher 6a beginnt allmählich entsprechend dem Leistungsbedarf der Steuerschaltung 14 zu sinken.

Die erste Ansteuereinheit 16 generiert die Steuersignale SI für den selbstleitenden Halbleiterschalter 4 entsprechend den Anforderungen an den Leistungsbedarf der Last 2. Die Spannung U am Energiespeicher 6a erreicht allmählich den zweiten Wert U_re_f - Δu₂, das Steuersignal S2 für den Hilfsschalter 12 wird auf „AUS gesetzt, und die Spannung U am ersten Energiespeicher 6a beginnt erneut zu steigen, sobald das Steuersignal SI für den selbstleitenden Halbleiterschalter 4 auf „EIN gesetzt ist. Während der Einschaltzeiten des selbstleitenden Halbleiterschalters 4 steigt somit die Spannung U abschnittsweise an, bis sie erneut den ersten Wert U_ref + Δu_x erreicht und der Hilfsschalter 12 erneut geöffnet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schaltzeit- punkte ti, t_i+ι, ... so gewählt, dass diese jeweils in Zeitintervalle Λt fallen, in denen der selbstleitende Halbleiterschalter 4 geöffnet ist. Hierzu ist es erforderlich, dass die zweite Ansteuereinheit 18 ein Freigabesignal S3 zur Freigabe des Schaltbefehls verarbeitet, das gemäß dem in FIG 6 veran- schaulichten Ausführungsbeispiel von der ersten Ansteuereinheit 16 bereitgestellt wird.

Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 7 ist anstelle eines n-Ka- nal-VJFET ein p-Kanal-VJFET verwendet. In diesem Fall muss das Gatepotential zum Abschalten über das Sourcepotential angehoben werden, so dass die Energiespeicherschaltung 9a dem selbstleitenden Halbleiterschalter 4 vorgeschaltet werden muss. Die gesamte Schaltanordnung bildet dann in Analogie zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein p-Kanal-Schaltelement 15b. cυ to to P¹ P¹

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Claims

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6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der die Steuerschaltung (14) eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Spannung des ersten Energiespeichers und zum Erzeugen eines Schaltsignals (SI) zum Schließen des selbst- leitenden Halbleiterschalters (4) umfasst, wenn diese bei geöffnetem Hilfsschalter (12) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, mit bei der als selbstleitender Halbleiterschalter (4) ein SiC-VJFET vorgesehen ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei der der SiC-VJFET strombegrenzend ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als erster Energiespeicher (6a) ein Kondensator vorgesehen ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, bei der die Resonanzfrequenz des aus einem induktiven Anteil der Last (2) und dem Kondensator gebildeten Schwingkreises sehr viel kleiner als die niedrigste Schaltfrequenz des selbstleitenden Halbleiterschalters (4) ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Hilfsschalter (12) eine zweite Energiespeicherschaltung (9b) parallel geschaltet ist, die einen zweiten Energiespeicher (6b) sowie einen in Reihe dazu geschalteten zweiten Gleichrichter (8b) umfasst.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, bei der dem ersten Gleichrichter (8a) eine dritte Energiespeicherschaltung (9c) parallelgeschaltet ist, die gemeinsam mit der zweiten Ener- giespeicherschaltung (9b) eine bipolare Versorgungsspannung erzeugt.

13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Schutzeinrichtung (60) zum Erfassen des durch den selbstleitenden Halbleiterschalter fließenden elektrischen Stromes (I) vorgesehen ist, die ein Steuersig- nal (SI) zum Öffnen des selbstleitenden Halbleiterschalters (4) generiert, wenn dieser Strom (I) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, deren Schutzein- richtung eine bistabile Kippstufe umfasst.