JP4903214B2 - 半導体スイッチをガルバニック絶縁で制御する方法および回路装置 - Google Patents

半導体スイッチをガルバニック絶縁で制御する方法および回路装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体スイッチをガルバニック絶縁で制御する方法および回路装置に関する。
従来の技術
電力電子装置において無電圧状態のゲート制御が使用されるのはつねに、駆動制御電子装置とスイッチが少なくとも一時的に異なる電位になる場合である。これは、例えば、交流網における位相点弧制御器(Phasenanschnittsteuerungen)、降圧制御器、整流ブリッジなどの場合がそうである。
公知の回路の実現において、例えば、半導体スイッチのゲートは、オプトエレクトロニクスで絶縁したドライバを介して駆動制御される。このドライバの給電電圧の供給、したがってまた半導体スイッチの駆動制御電力の供給も、高周波変換器を有しかつガルバニック絶縁された電源を介して実現される。したがってこの回路コンセプトでは、1つのスイッチを駆動制御するため、相応の回路コストを伴う電位の絶縁された2つの電流路が必要である。
スイッチ電力およびスイッチ信号を一つの変換器を介して一緒に伝送する解決手段も存在する。この半導体スイッチをオンするための制御信号は、高周波信号としてこの変換器の1次入力側に供給される。このスイッチをオフするためには1次側の信号を遮断する。この回路装置は、確かに出力側のスイッチ素子に対する付加的な補助給電電圧なしに動作するが、スイッチ信号の精度は多くの適用に対して十分ではない。この半導体スイッチを非導通状態に切り換えるため、この変換器の1次巻線における電圧が取り除かれる。これにより、接続されたトランジスタを介して半導体スイッチのゲートが放電することができ、このゲートは、最終的にトランジスタ−ベース−エミッタ−電圧の高さにおける残余電圧を有する。すなわちダーリントントランジスタでは、電流路に設けられている抵抗において降下する電圧と共に例えば1.4Vになる。従来技術では、残余ゲート電圧は例えば2.5Vに達する。上記の半導体スイッチのミラー容量の放電によって付加的な電圧ピークが生じ得るため、この半導体スイッチが、その最小オン電圧に到達した際に誤って導通状態に戻ってしまう(二重または多重のスイッチング)という問題が発生するのである。このため、このような回路装置は、例えば、整流器における高周波動作に不向きなのである。
このようなケースに対して従来技術ではオプトカップラを介する駆動制御部が使用され、上述のようにこの駆動制御装置には高い構成部材コストが必要であり、したがって作製が比較的高価になってしまう。またこのような解決の形態では、より大きなスイッチング損失が発生してしまう。それはスイッチの駆動制御エネルギーに加えてドライバ素子の給電エネルギーも供給しなければならないからである。
したがって構成部材コストが低減されひいてはコストが低減されると共に、例えば高周波整流動作に有利であり、半導体スイッチをガルバニック絶縁で駆動制御する回路構成および装置を提供するという課題が生じるのである。
本発明では、請求項1および請求項9の特徴部分に記載された構成により、半導体スイッチをガルバニック絶縁で制御する装置ならびに方法が提供される。有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
発明の利点
以下の説明は、殊に断らない限り、本発明の回路装置に対して、また本発明の方法に対して同様に当てはまるものである。
本発明により、構成部材コストを低減することが可能である。これによって上記の回路装置をコスト的に一層有利に作製することができる。上記のスイッチの駆動制御を1つの電流路を介して実現することによって、すなわち上記の駆動制御信号が同時に駆動制御電力を供給することによって、回路のコスト(コスト、構成部材の数、所要スペース)を最小化することができる。別の利点は、所要の電力が極めて少ないことである。それば、上記のスイッチの駆動電力を制御電圧供給部から供給するだけでよいからであり、図2に示した有利な実施例では、例えば、16KHzのパルス幅変調ではドライバ段当たりにわずかに0.8Wである。基本的にはオンまたはオフ信号(使用される半導体スイッチおよび/または制御トランジスタ、例えば、ユニポーラ、バイポーラ、nチャネル、pチャネル、npn、pnpなど;半導体スイッチおよび制御トランジスタからなるどの組み合わせがこの使用目的に有利であるかは当業者には明らかである)は無電位に伝送される。別のスイッチング過程は、スイッチ電位上に受動的に実現される。
本発明の有利な1実施形態では、制御トランジスタのベース電極は、電圧形成手段の一方の極に接続されており、また少なくとも2つのダイオード、有利には3つのダイオードを介して半導体スイッチのソース電極に接続される。この接続は、高周波変換器を介して行うことができる。これによってあらかじめ定めた電圧差を、3つのSiダイオードでは例えば2.1Vを制御トランジスタのベース電極と、半導体スイッチのソース電極ないしはアースとの間に実現することができる。これによって半導体スイッチのゲート電極を有利にもゼロ電位にすることができる。
本発明では上記の電圧形成手段が有利には少なくとも1つの容量性の構成部材として、例えば有利には10nFのコンデンサとして構成される。また有利には抵抗性の構成部材、例えば抵抗を設けて充電電流を制限することができる。これによって意図した通りに第3の電圧を簡単に得ることができる。上記の容量性の構成部材は、スイッチング過程において充電され、これにより、この構成部材は、第3電圧を別のスイッチング過程に対して供給することができるのである。
本発明は有利には、半導体スイッチのゲート電極とソース電極との間の電圧を制限するため、制御トランジスタのベース電極とコレクタ電極との間にダイオード装置を有しており、このダイオード装置は、接続誤り保護を備えた少なくとも1つのZダイオードを有する。これによって半導体スイッチを損傷から保護することができる。
本発明において容量性の構成部材、例えばコンデンサが、半導体スイッチのゲート電極とソース電極との間に設けられて、半導体スイッチのミラー容量を介して入力結合される障害電流をバッファリングすると有利である。半導体スイッチの電極間のミラー容量により、スイッチオンフェーズ中の整流器においてないしは装置の動作の障害になり得る高い電流ピークが入力結合される。この電流ピークは、設けられたキャパシタンスによってパッファリングされてその影響が抑圧されるのである。
本発明では有利には上記の半導体スイッチは、ユニポーラトランジスタ、例えばFET,MOSFETまたはIGBTとして構成される。これらのトランジスタにより、わずかなスイッチ電力で大電流をスイッチングすることができる。しかしながらこの半導体スイッチをまたバイポーラトランジスタとして構成することも可能である。
本発明の極めて有利な形態では、上記の半導体スイッチは、ユニポーラnチャネルトランジスタとして構成され、また制御トランジスタはバイポーラpnpトランジスタとして構成される。ここで半導体スイッチのゲート電極は、制御トランジスタとのエミッタ電極に接続され、また半導体スイッチのソース電極は、制御トランジスタのコレクタ電極に接続されており、また負の電圧を形成する電圧形成手段が、制御トランジスタのコレクタ電極とベース電極との間に構成される。この解決手段は有利にも三相交流モータに対する整流器において駆動するために使用することでき、ここでは制御回路において信号により、半導体スイッチが閉成される。すなわち、電流が流されるのであり、また制御信号を遮断した後、半導体スイッチは、本発明の補助電圧によって開成されるのである。
また本発明において有利には、制御トランジスタのベース電極が、例えば、抵抗を介して電圧形成手段の負の極に接続され、また少なくとも2つのダイオード、有利には3つのダイオードを介して、例えば高周波変換器を介して、半導体スイッチのソース電極ないしはアースに接続される。この実施形態によって、制御トランジスタのベースは、スイッチオフフェーズにおいて負の電位が加えられる。これによって有利にも、供給される負の補助電圧により、ゲートがゼロ電位に導かれる。それは、3つのSiダイオードでは例えば2.1Vである負の電圧が、制御トランジスタのベース電極と、半導体スイッチないしはアースとの間にあるからである。
本発明の別の利点および発展形態は、以下の説明および添付の図面に示されている。
上述しまた以下でさらに説明する特徴的構成は、それぞれ示した組み合わせだけでなく、本発明の枠を逸脱することなく、別の組み合わせでもまたは単独でも使用できることは明らかである。
本発明を実施例に基づき、図面に略示する。また以下では図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図面の説明
図1は、半導体スイッチをガルバニック絶縁で駆動制御する従来技術の回路装置の回路図を示しており、
図2は、半導体スイッチをガルバニック絶縁で駆動制御する本発明の回路装置の回路図を示している。
まず図1に基づき、従来技術の回路装置100′を説明する。
回路装置100′は、2つの領域、すなわち制御回路101(駆動電位にある回路部分)と、駆動回路102′(スイッチ電位にある回路部分)とに分けることができる。2つの回路は、2つの1次側コイル201,202および2つの2次側コイル203,204を有する変換器200を介し、ガルバニック絶縁されて結合されている。
制御回路101では駆動制御信号が端子110および111を介して供給される。端子112にはアースに接続されている。端子113は、正の給電電圧、この例では15Vに接続されている。入力側110,111には、例えば、250kHzのスイッチング周波数および例えばあらかじめ定めた30nsのスイッチオン遅延を有する相補形の駆動制御信号が加えられる。この信号は、例えば論理回路から取り出すか、または相応する制御カードを有する慣用のコンピュータによって供給することができる。この信号は、低電圧領域にあり、例えば約2.5Vである。この駆動制御信号により、トランジスタ114,115が交互に導通状態にされる。これにより、入力側113に加えられる給電電圧は、1次側コイル201および202を介してアース12に接続される。給電電圧をサポートするため、給電電圧とアース112との間に付加的にコンデンサ116が接続されている。
ドライバ回路側102′では、あらかじめ定めた電圧が2次側コイル203および204に誘導される。ダイオード301,302を介して正の電圧がノード点303および304に供給される。この電圧を平滑化するため、コンデンサを設けることが可能である。この電圧の振幅は、変換器200の変換比によって決定される。この振幅は、駆動制御しようとするnチャネルMOSFETとして構成された半導体スイッチ400のゲート制御電圧、例えば15Vが得られるように設定される。
ノード点304における正の電圧は、ダイオード305および抵抗306を介してMOSFET400のゲート401に加えられる。これによってMOSFET400は、そのソース電極402とドレイン電極403との間が導通する。この正の制御電圧は、ノード点303および別のダイオード307を介して、この例ではpnpトランジスタ320である制御トランジスタのベース321にも加えられる。MOSFET400のゲート電極401と、pnpトランジスタ302のベース電極321との間には、この場合、電圧は加えられていない。
pnpトランジスタ320のエミッタ電極322は、MOSFET400のゲート電極401に接続されている。pnpトランジスタ320のコレクタ電極323は、MOSFET400のソース電極402に接続されている。さらにpnpトランジスタ320のコレクタ電極323およびMOSFET400のソース電極402はアースに接続されている。pnpトランジスタ320のベース電極321も抵抗308を介してアースに接続されている。
MOSFET400が非道通状態に戻ってしまわないようにするため、制御回路101の駆動制御信号を取り外す。これによってドライバ回路102′の2次側コイル203,204に電圧がもはや誘導されないようになる。pnpトランジスタ320のベース電極321に加わっている正の電圧は、抵抗308を介してアース電位に降下する。MOSFET400のゲート電極401に加わっている正の電圧は、ダイオード305,302を介してアースから分離されている。これにより、pnpトランジスタ320のベース電極321と、MOSFET400のゲート電極401との間に負の電圧が形成される。この負の電圧が、あらかじめ定めた値、pnpトランジスタ320の閾値に達すると、pnpトランジスタ320は、そのエミッタ電極322とそのコレクタ電極323との間が導通状態になる。MOSFET400のゲート電極401は、これによって同様にアース電位に接続されて、この電極は放電する。ゲート電極401に加わっている正の電圧が、MOSFETの閾値電圧を下回ると、これは非導通状態になる。
MOSFET400のゲート401は、接続されているpnpトランジスタ320を介して、ダーリントントランジスタでは例えば1.4Vであるトランジスタ−ベース−エミッタ電圧の高さの残余電位および抵抗308において降下する電圧にまで放電する。MOSFETのミラー容量を介し、スイッチオフの瞬間に放電過程によって付加的な電圧ピークが発生するため、ゲート電圧が、例えば約5Vである最小スイッチオン電圧に達する場合、半導体スイッチが、誤って導通状態に戻ってしまうという問題がある。
この問題を改善するため、本発明の解決手段を提案する。この解決手段を以下、図2に基づいて説明する。
まず、従来技術(図1)に対して回路装置の違いを説明する。2つの回路装置100および100′の制御回路101はそれぞれ同じに構成されている。
これに対して回路装置100のドライバ回路102(スイッチ電位にある回路部分)と、回路装置100′(従来技術)のドライバ回路102′とは異なる。
ここでは正の電圧を点303,304に供給する上記のダイオード301,302の他にダイオード301′,302′が設けられており、これのダイオードによってノード点304′に負の電圧を供給する。この負の電圧は、抵抗351(例えば100R)を介して、コンデンサ350(例えば10nF)の第1端子に供給される。このコンデンサの第2端子はアース電位にある。したがってコンデンサ350は負に充電されるのである。
さらに、ダイオード305および307が2重に設けられていることがわかる。ここでさらにこれらに2つのダイオード305′および307′が直列接続されている。これらの動作を以下、さらに説明する。
MOSFET400をスイッチオンするため、変換器200の1次側を、例えば250KHzのプッシュプル信号で駆動制御する。これは2つのトランジスタ、例えば、FET114,115を介して行われ、これらのトランジスタは例えば(図示しない)論理ゲートを介して駆動制御される。これによって2次側に形成される矩形電圧は、整流されてMOSFET400のゲート401において直流電圧が得られる。変換器200の変換比を選択して、ゲート401において駆動制御トランジスタ114,115のダイオード導通電圧(Diodenflussspannung)およびの導通損失(Durchlassverlust)を考慮して、約+15Vの電圧が得られるようにする。
MOSFET400のゲート容量および並列のコンデンサ309(例えば10nF)の充電電流は、抵抗306(例えば10R)およびFET114,115のRDSonによって制限される。この充電電流の大きさを介して、MOSFETのスイッチオン速度を調整することができる。MOSFET400のゲート−ソース区間に並列に設けられているコンデンサ309の役割は、「オン」フェーズ中にMOSFETのミラー容量を介して入力結合される障害電流をバッファリングし、ひいてはMOSFETのゲート電圧に障害スパイクがないように維持することである。
コンデンサ309に並列接続されている抵抗(例えば4K99)は、最大ゲート電圧に達した場合でも、充電ダイオード305,305´を電流が流れ、ひいては所定の導通電圧が得られるようにする。
図示の実施例において上記のゲート電圧は付加的に、接続誤り保護を有するツェナーダイオードとして構成されているダイオード装置311を介し、pnpトランジスタ320のベース321において許容値(例えば20V以下)に制限される。このダイオード装置はオプションであり、取り除くことも可能である。
MOSFET400をスイッチオフするため、変換器200を介する駆動制御を終了する。「オン」フェーズ中、pnpトランジ320は閉じられている。それはそのUBE区間には電圧がないからである。変換器200の駆動制御が終了すると、pnpトランジスタ320のベース321に加わっている正の電位は、抵抗308(2k)を介して、負の補助電圧の値の方向に降下する。MOSFET400のゲート電極401に加わっている正の電圧は、ダイオード305,305´を介して取り外される(abkoppeln)される。これによって、pnpトランジスタ320のベース電極321と、MOSFET400のゲート電極401との間の負の電圧UBEが形成される。この負の電圧が、あらかじめ定めた値、すなわちpnpトランジスタ320の閾値に達すると、pnpトランジスタ320は、そのエミッタ電極322と、そのコレクタ電極323との間が導通する。これによってMOSFET400のゲート電極401もアース電位に接続されて、これも放電するのである。
MOSFETのスイッチオフ速度は、ベース抵抗308および並列のキャパシタンス352(例えば330pF)の時定数を介し、ベース電流成分を考慮して調整することができる。
2つのダイオード301´および302´と,電流制限のための抵抗351と、キャパシタンス350とを介して負の補助電圧が形成される。これは、このドライバ段コンセプトの原理的な欠点、すなわちユニポールのゲート駆動制御を補償するために必要である。図1(従来技術)に関連して説明したように、pnpトランジスタ320のベース抵抗308が負の補助電圧に接続されるのではなくMOSFET400のエミッタ電位に接続される場合に、MOSFET400のゲート401は、pnpトランジスタ320のUBEとそのベース抵抗308における電圧降下とからなる和にだけ放電し得る。これによって、MOSFETのミラー容量の充電状態が切り替わる際に発生する電流により、ゲート容量を少なくとも2.5Vに放電することになる。しかしながらMOSFETの最小閾値電圧(ふつう最小で5V)に対して十分な電圧間隔を得るため、ゲート電圧をどのような場合であっても必ず2.5V以下に維持しなければならない。ベース抵抗308が負の補助電圧に関連することによって、MOSFET400のゲート401を0Vに放電することができる。それは、pnpトランジスタ320のベース電位が、スイッチオフ状態において−2.1Vになるからである。しかしながら負の補助電圧ではあるが、pnpトランジスタ302のベース321は−2.1V以上にはならない。それはベース321が、3つのダイオード302,307,307´および巻線203ないしは3つのダイオード301,307,307´およびスイッチオフされた変換器200の巻線204を介して、MOSFET400のソース電位(例えばアース)に固定されるからである。
変換器200に対し、1次側にプッシュプル制御信号を形成する際、有利にはつぎのことに注意するとよい。すなわち、クロックおよび駆動制御信号を同時に開始する際、FET114,115をそれぞれ交互に駆動制御して、片側の磁化(Aufmagnetisierung)による変換器の飽和が防止されるように注意するとよいのである。
上で説明した本発明の方法の有利な実施形態は、単なる例示であることは明らかである。上記の他、当業者は、本発明の枠を逸脱することなく別の解決手段考えることができる。
半導体スイッチをガルバニック絶縁で駆動制御する従来技術の回路装置の回路図である。 半導体スイッチをガルバニック絶縁で駆動制御する本発明の回路装置の回路図である。

Claims (15)

  1. 半導体スイッチ(400)をガルバニック絶縁で駆動制御するための回路装置(100)であって、
    該回路装置は、
    制御回路(101)すなわち駆動制御電位の回路部分と、
    ドライバ回路(102)すなわちスイッチ電位の回路部分と、
    スイッチ信号としての前記制御回路(101)からの駆動制御信号を前記ドライバ回路(102)にガルバニック絶縁で伝送する変換器(200)と、
    前記のスイッチ信号を整流する手段(301,302)とを有しており、
    前記の半導体スイッチ(400)は、ゲート電極(401)と、ソース電極(402)と、ドレイン電極(403)を有し、前記ドライバ回路(102)に構成されており、また前記のゲート電極(401)とソース電極(402)との間の所定の第1電圧によってスイッチング可能であり、これによって前記のドレイン電極(403)とソース電極(401)との間に所定の電流が流れ、
    前記の制御回路は、相補形の駆動制御信号が加えられて半導体スイッチ(400)をスイッチオンするための端子(110,111)を有しており、
    前記スイッチ信号は前記ゲート電極(401)に加えられて、前記半導体スイッチ(400)がスイッチオンされ、
    前記のドライバ回路(102)には、ベース電極(321)と、エミッタ電極(322)と、コレクタ電極(323)とを有する制御トランジスタ(320)が含まれており、
    該制御トランジスタ(320)は、前記のベース電極(321)とエミッタ電極(322)との間の所定の第2電圧によってスイッチング可能であり、これによって前記のエミッタ電極(322)およびコレクタ電極(323)を介して、前記の半導体スイッチ(400)のゲート電極(401)と、当該の半導体スイッチ(400)のソース電極(402)とを接続して、当該半導体スイッチをスイッチオフし、
    電圧制御手段(350)が、前記の制御トランジスタ(320)のベース電極(321)とコレクタ電極(323)との間に設けられており、
    当該の電圧制御手段(350)は少なくとも1つの容量性の構成部材を有しておりかつ第2電圧と同じ極性を有する第3電圧を形成して前記の半導体スイッチ(400)をスイッチオフすることを特徴とする回路装置(100)
  2. 前記の制御回路(101)の端子(110,111)に相補形の駆動制御信号が加えられる場合に前記の少なくとも1つの容量性の構成部材が充電されるように、前記のドライバ回路にて当該の少なくとも1つの容量性の構成部材が接続されている、
    請求項1に記載の回路装置(100)。
  3. 前記の制御トランジスタ(320)のベース電極(321)は、電圧形成手段(350)の一方の極に接続されており、また少なくとも1つのダイオード(301,307,307´;302,307,307′)を介して、前記半導体スイッチ(400)のソース電極(402)に接続されている、
    請求項1または2に記載の回路装置(100)。
  4. 前記のベース電極(321)は、変換器(200)の2次側コイル(203,204)を介して前記の半導体スイッチ(400)のソース電極(402)に接続されている、
    請求項3に記載の回路装置(100)。
  5. 前記電圧制御手段(350)は、コンデンサ(350)として構成されている、
    請求項1から4までのいずれか1項に記載の回路装置(100)。
  6. 前記の半導体スイッチ(400)のゲート電極(401)とソース電極(402)との間の電圧を制限するため、前記の制御トランジスタ(320)のベース電極(321)とコレクタ電極(322)との間に接続誤りを備えた少なくとも1つのZダイオードを有するダイオード装置(311)が設けられている、
    請求項1からまでのいずれか1項に記載の回路装置(100)。
  7. 前記の半導体スイッチ(400)のミラー容量を介して入力結合される障害電流をバッファリングするために、当該の半導体スイッチ(400)のゲート電極(401)とソース電極(402)との間に、別の容量性の構成部材(309)が設けられている、
    請求項1からまでのいずれか1項に記載の回路装置(100)。
  8. 前記の別の容量性の構成部材(309)はコンデンサである、
    請求項7に記載の回路装置。
  9. 前記半導体スイッチ(400)は、ユニポーラトランジスタとして構成されている、
    請求項1から5までのいずれか1項に記載の回路装置(100)。
  10. 前記の半導体スイッチ(400)は、FET,MOSFETまたはIGBTとして構成されている、
    請求項1から9までのいずれか1項に記載の回路装置(100)。
  11. 前記半導体スイッチ(400)がユニポーラnチャネルトランジスタとして構成されており、また前記制御トランジスタ(320)がバイポーラpnpトランジスタとして構成されており、
    前記の半導体スイッチ(400)のゲート電極(401)は制御トランジスタ(320)のエミッタ電極に接続されており、また半導体スイッチ(400)のソース電極(402)は制御トランジスタ(320)のコレクタ電極(323)に接続されており、
    負の電圧を形成する電圧形成手段(350)が、前記の制御トランジスタ(320)のベース電極(321)とコレクタ電極(323)との間に構成されている、
    請求項9に記載の回路装置(100)。
  12. 前記の制御トランジスタ(320)のベース電極(321)は、電圧形成手段(350)の負の極に接続されており、また少なくとも2つのダイオード(301,307,307′;302,307,307′)を介して、前記の半導体スイッチ(400)のソース電極(402)に接続されている
    請求項11に記載の回路装置(100)。
  13. 半導体スイッチ(400)をガルバニック絶縁で駆動制御する方法において
    請求項1から12までの回路装置(100)を使用し、
    駆動制御信号が前記の制御回路(101)の端子(110,111)に加えられることによって相補形の駆動制御が行われかつ前記のスイッチ信号前記ゲート電極(401)に加えられて前記半導体スイッチ(400)がスイッチオンされ、
    前記の半導体スイッチ(400)をスイッチオフするために前記の駆動制御を終了してかつ前記の電圧形成手段により、前記の第2電圧と同じ極性を有する第3電圧を前記の制御トランジスタ(320)のベース電極(321)とコレクタ電極(323)との間に形成することを特徴とする方法。
  14. 前記のスイッチ信号をゲート電極(401)に加える間に前記の少なくとも1つの容量性の構成部材(350)を充電する、
    請求項13に記載の方法。
  15. 前記の容量性の構成部材(350)の電荷を前記の第3電圧を形成するために使用する、
    請求項14に記載の方法。
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