WO2019166072A1

WO2019166072A1 - Halbbrücke mit leistungshalbleitern

Info

Publication number: WO2019166072A1
Application number: PCT/EP2018/054788
Authority: WO
Inventors: Christopher Fromme; Marvin TANNHÄUSER
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-09-06
Also published as: US11316423B2; DE112018007167A5; EP3738200A1; US20210028690A1

Abstract

Halbbrücke (102) umfassend - einen in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4), - eine Steuerung (120) für die Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4), - eine Leitung, die von dem Verbindungsknoten (112) der Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4) ausgeht, - eine Einrichtung (130) zur Messung des Stroms in der Leitung, wobei die Steuerung (120) ausgestaltet ist, - den Strom mit einem oberen und einem unteren Schwellwert (132, 134) zu vergleichen, - bei Erreichen des oberen Schwellwerts (132) den ersten Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4) abzuschalten und nach Ablauf einer ersten Totzeit (210) den zweiten Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4) einzuschalten, und - bei Erreichen des unteren Schwellwerts (134) den zweiten Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4) abzuschalten und nach Ablauf einer zweiten Totzeit (212) den ersten Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4) einzuschalten.

Description

Beschreibung

Halbbrücke mit Leistungshalbleitern

Die Erfindung betrifft eine Halbbrücke mit einem in Serie ge schalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter und einer Steuerung für die Leistungshalbleiter sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.

In leistungselektronischen Schaltungen wie beispielsweise Um richtern oder Schaltnetzteilen kommen als eine der wichtigs ten Grundschaltungen in nahezu jeder Topologie Halbbrücken zum Einsatz. Halbbrücken umfassen einen ersten und zweiten Leistungshalbleiter, beispielsweise MOSFETs, die in Serie ge schaltet sind. Die beiden außenliegenden Anschlüsse der Leis tungshalbleiter bilden einen ersten und zweiten Anschluss der Halbbrücke und können beispielsweise an einer Gleichspannung angeschlossen sein. Der Verbindungsknoten der beiden Leis tungshalbleiter bildet einen dritten Anschluss der Halbbrücke und ist über eine Leitung mit einer Last verbunden. Leis tungsfluss und Strom in der Leitung können sowohl zur Halb brücke hin als auch von ihr weg gerichtet sein.

Halbbrücken haben häufig induktive Lasten. Die induktive Last kann dabei ein dediziertes induktives Bauteil wie beispiels weise eine Drossel als auch eine parasitäre Induktivität sein, beispielsweise die Streuinduktivität eines Transforma tors oder die Leitungsinduktivität. Häufig ist die induktive Last eine Mischung beider Elemente. Um gewünschte Strom- und/oder Spannungsverläufe zu erhalten, müssen die Leistungs halbleiter der Halbbrücke mit hoher Frequenz und ggfs, unter schiedlichen Einschalt_Zeiten abwechselnd eingeschaltet wer den. Ein gleichzeitiges Einschalten muss dabei vermieden wer den, um keinen Kurzschluss zu erzeugen. Dadurch ergibt sich eine näherungsweise rechteckförmige Schaltspannung über einen jeweiligen Schalter und ein annähernd dreieckförmiger Strom in der Ausgangsleitung, dessen Frequenz der Schaltfrequenz entspricht . Die Schaltzeiten für die Leistungshalbleiter müssen so einge stellt werden, dass sich ein gewünschter Strom in der Aus gangsleitung ergibt, wobei in der Regel der Mittelwert des Stroms als Regelgröße gewünscht ist. Üblicherweise werden ei ne feste Schaltfrequenz f = 1/T und eine feste Totzeit t_db, also die Zeit zwischen dem Abschalten eines Leistungshalblei ters und dem Einschalten des anderen Leistungshalbleiters, gewählt. Die Totzeit t_db wird dabei nur so lang wie nötig ge wählt, um einen Kurzschluss der Halbbrücke sicher ausschlie ßen zu können. Die Einschalt_Zeiten der beiden Schalter werden dann meist über einen Tastgrad d zu t_0N si = d * T - t_db und t₀N s2 = (1 - d) * t - tdb bestimmt. Der Regler stellt den Tastgrad so, dass sich der gewünschte Mittelwert für den Strom in der Leitung ergibt.

Bei realen Leistungshalbleitern entstehen Schaltverluste, die die Effizienz des Systems verringern und zur Erwärmung der Leistungshalbleiter führen. Die Schaltverluste werden übli cherweise in Kauf genommen und durch teils aufwendige Kühlung abgeführt. Jeder Schaltvorgang erzeugt zudem eine schnelle Änderung der Schaltspannung, die über parasitäre Kapazitäten ungewollte Einkopplungen und damit Störungen in anderen

Schaltungsteilen und der Umgebung verursacht. Sehr hohe

Schaltfrequenzen, wie sie bei neueren Wide-Bandgap- Halbleitern (GaN oder SiC) erreicht werden können, sind vor teilhaft für die Baugröße und Gewicht von Induktivitäten und Kapazitäten, die häufig als Filter und Energiespeicher ver wendet werden müssen, führen aber zu erhöhten Anforderungen bezüglich der Regelung, der Schaltverluste und der EMV.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Halbbrücke anzugeben, die die eingangs genannten Nachteile verringert. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb der Halbbrücke anzugeben. Diese Aufgaben werden durch eine Halbbrücke mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Die erfindungsgemäße Halbbrücke umfasst einen in Serie ge schalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter, eine Steu erung für die Leistungshalbleiter, eine Leitung, die von dem Verbindungsknoten der Leistungshalbleiter ausgeht und eine Einrichtung zur Messung des Stroms in der Leitung. Dabei ist die Steuerung ausgestaltet, den Strom mit einem oberen und einem unteren Schwellwert zu vergleichen und bei Erreichen des oberen Schwellwerts den ersten Leistungshalbleiter abzu schalten und nach Ablauf einer ersten Totzeit den zweiten Leistungshalbleiter einzuschalten. Weiterhin ist die Steue rung ausgestaltet, bei Erreichen des unteren Schwellwerts den zweiten Leistungshalbleiter abzuschalten und nach Ablauf ei ner zweiten Totzeit den ersten Leistungshalbleiter einzu schalten .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Halb brücke mit einem in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter wird der Strom in einer vom Verbindungs knoten der Leistungshalbleiter ausgehenden Leitung gemessen und mit einem oberen und einem unteren Schwellwert vergli chen, bei Erreichen des oberen Schwellwerts der erste Leis tungshalbleiter abgeschaltet und nach Ablauf einer ersten Totzeit der zweite Leistungshalbleiter eingeschaltet, und bei Erreichen des unteren Schwellwerts der zweite Leistungshalb leiter abgeschaltet und nach Ablauf einer zweiten Totzeit der erste Leistungshalbleiter eingeschaltet.

Mit Erreichen des oberen Schwellwerts ist dabei ein Erreichen oder Überschreiten im Sinne eines „größer gleich" oder nur ein Überschreiten im Sinne eines „größer als" gemeint. Analog ist mit Erreichen des unteren Schwellwerts ein Erreichen oder Unterschreiten im Sinne eines „kleiner gleich" oder nur ein Unterschreiten im Sinne eines „kleiner als" gemeint. Der Leistungsfluss der Halbbrücke kann von der Leitung zu den Au ßenanschlüssen der Leistungshalbleiter verlaufen oder umge kehrt. Die Stromflussrichtung in der Leitung kann weg von den Leistungshalbleitern gerichtet sein, was hierin als positiver Stromfluss betrachtet wird oder zu den Leistungshalbleitern gerichtet sein, was als negativer Stromfluss betrachtet wird. Die Einrichtung zur Messung des Stroms kann nahe an der Halb brücke in der Leitung vorgesehen sein. Alternativ kann die Einrichtung auch in einer Rückleitung von einer Last zu einem der Außenanschlüsse der Leistungshalbleiter angeordnet sein, womit trotz der anderen Platzierung der Strom in der Leitung gemessen wird. Insbesondere kann also zwischen dem Ort der Strommessung und der Halbbrücke die induktive Last oder ein Teil der induktiven Last angeordnet sein.

Mit anderen Worten wird also nicht eine feste Schaltfrequenz gewählt, die die Schalt_Zeitpunkte der Leistungshalbleiter festlegt, sondern die Schaltung der Leistungshalbleiter wird anhand von gemessenen Stromwerten und Schwellwerten für den Strom vorgenommen. Führt also beispielsweise eine Änderung in der Last der Halbbrücke dazu, dass die zeitliche Stromände rung kleiner wird, dann verlängert sich die Zeit, bis der Strom einen der Schwellwerte erreicht und Schalt_Zeitpunkte rücken weiter auseinander. Das entspricht einer Reduktion der Schaltfrequenz .

Vorteilhaft ermöglicht das eine direkte Wahl des Mittelwerts für den Strom und eine direkte Wahl des Rippelstroms . Der ge wünschte Mittelwert des Stroms wird durch die Steuerung in nerhalb nur einer Periode umgesetzt. Insbesondere bei großen Schaltfrequenzen kann dies als P-Verhalten angesehen werden, was die Regelung enorm vereinfacht. Bei digitalen Regelungen ist es durch dieses Verfahren außerdem möglich, die Regelfre quenz deutlich unter der Schaltfrequenz zu halten. Bei den bisherigen Verfahren würde das zu Schwierigkeiten führen, weil dort meist ein komplexeres Zeitverhalten vorliegt. Das Verfahren macht es somit überhaupt erst möglich, Systeme mit sehr hohen Schaltfrequenzen (mehrere 100 kHz bis in den Mega hertz-Bereich) auch ohne große Rechenleistung, beispielsweise mit einfachen und kostengünstigen Mikrocontrollern zu regeln. Zusätzlich ist dieses Verfahren sehr robust bei wechselnden Ein- und Ausgangsspannungen und schafft damit weitreichende Möglichkeiten beim Systemdesign. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei dieser Halbbrücke der Rippelstrom unabhängig vom Ar beitspunkt gewählt werden kann, was mit bisherigen Verfahren nicht möglich war.

Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Halbbrücke ist, dass der Strom auch bei Änderungen des Stromverhaltens, beispielsweise durch Laständerungen, im Bereich der Schwell werte und damit bei dem mittleren Stromwert bleibt, der als Sollwert vorgegeben ist, da das Schaltverhalten der Leis tungshalbleiter sich durch die Schwellwerte und die Strommes sung an das Stromverhalten anpasst. Dasselbe gilt auch bei Änderungen der Vorgabewerte. Wird beispielsweise der Sollwert für den mittleren Strom - und damit die Schwellwerte - ange hoben, erreicht der Strom den oberen Schwellwert später oder den unteren Schwellwert früher als zuvor, was die Schaltzeit punkte der Leistungshalbleiter verschiebt und den Strommit telwert auf den neuen gewünschten Wert anhebt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrich tung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen her vor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demge mäß können für die Halbbrücke und das Verfahren noch zusätz lich folgende Merkmale vorgesehen werden:

- Die Steuerung kann einen ersten und zweiten Komparator um fassen, denen als erstes Eingangssignal der gemessene Strom zugeführt wird, wobei der obere Schwellwert dem ersten Kompa rator als zweites Eingangssignal zugeführt wird und der unte re Schwellwert dem zweiten Komparator als zweites Eingangs signal zugeführt wird. Die Steuerung kann einen digitalen Controller umfassen, der den oberen und unteren Schwellwert über einen D/A-Wandler (Digital-Analog-Wandler, DAC) an die Komparatoren weitergibt. Die Ausgänge der Komparatoren können in einem Modulator zu Steuersignalen für die Leistungshalb leiter gewandelt werden. Es ergibt sich ein einfacher Aufbau, da mittlerweile Mikrocontroller verfügbar sind, bei denen D/A-Wandler, Komparatoren und der Modulator integriert sind. Das Verfahren kann damit also ohne zusätzliche Hardware rea lisiert werden.

- Die Steuerung kann die Schwellwerte aus vorgebbaren Werten für den Mittelwert des Stroms und für den Rippelstrom in der Ausgangsleitung berechnen. Beispielsweise können die Schwell werte aus Summe und Differenz von Mittelwert und Rippelstrom berechnet werden. Vorteilhaft müssen dann von außerhalb der Steuerung nur für den Betrieb relevante Werte vorgegeben wer den, während die Steuerung daraus die richtigen Regelwerte erzeugt .

- Die Steuerung kann ausgestaltet sein, einen Mindestwert für den Rippelstrom zu verwenden. Mit anderen Worten kann die Steuerung erzwingen, dass ein Mindestabstand zwischen oberem und unterem Schwellwert eingehalten wird, wobei dieser Min destabstand dem Mindestwert für den Rippelstrom entspricht. Dadurch wird erreicht, dass die sich durch den Abstand zwi schen den Schwellwerten ergebende Schaltfrequenz , die bei sinkendem Rippelstrom ansteigt, nicht zu hoch wird.

- Die Steuerung kann als oberen und unteren Schwellwert Werte verwenden, die unterschiedliche Stromrichtungen kennzeichnen. Der vom Betrag geringere Schwellwert kann jeweils so gewählt werden, dass er ein anderes Vorzeichen hat als der gewünschte mittlere Strom. Dadurch wird besonders vorteilhaft ein Umla den der Ausgangskapazitäten der Leistungshalbleiter erlaubt. Dadurch wiederum wird es möglich, die Leistungshalbleiter bei geringer Spannung, idealerweise spannungsfrei einzuschalten. Mit anderen Worten wird der Rippelstrom dabei so groß ge wählt, dass die Schwellwerte unterschiedliches Vorzeichen an nehmen, also unterschiedliche Stromrichtung kennzeichnen. Die halbe Amplitude des Rippelstroms ist dann größer als der Strommittelwert. Es kann auch ausreichend sein, als einen der Schwellwerte den Wert 0 A zu verwenden. Auch damit wird ein Umladen der Ausgangskapazitäten der Leistungshalbleiter er laubt und somit ein spannungsfreies Einschalten ermöglicht. - Vorteilhaft kann die Steuerung denjenigen Schwellwert, der eine andere Stromrichtung kennzeichnet als die Stromrichtung des Mittelwerts für den Strom, aus der summierten Ausgangska pazität der Leistungshalbleiter, der Induktivität in der Aus gangsleitung und der Spannung an Eingang und Ausgang der Halbbrücke berechnen.

- Die Steuerung kann die Totzeiten so einstellen, dass ein spannungsfreies Anschalten der Leistungshalbleiter passiert. Hierdurch wird eine erhebliche Reduzierung der Schaltverluste erreicht. Weiterhin wird auch eine erhebliche Verbesserung der EMV-Eigenschaften erreicht, da ein resonanter

Umschwingvorgang stattfindet. Die Flanken der Schaltspannung werden dadurch deutlich flacher und abgerundet. Das Spektrum einer solchen Schaltspannung zeigt erheblich niedrigere Amp lituden in den Oberschwingungen.

- Die Steuerung kann dazu die Totzeiten berechnen oder aus einer gespeicherten Wertetabelle auswählen. Die Berechnung kann beispielsweise aus der summierten Ausgangskapazität der Leistungshalbleiter, der Induktivität in der Ausgangsleitung und der Spannung an Eingang und Ausgang der Halbbrücke pas sieren. Alternativ kann die Halbbrücke Mittel zur Messung der Spannung über den ersten und zweiten Leistungshalbleiter auf weisen. Eine Schaltung kann dann anhand der gemessenen Span nung erfolgen, was ein sicheres resonantes Schalten ermög licht .

- Erste und zweite Totzeit sind zweckmäßig voneinander ver schieden, da das Umladen der Kapazitäten der Leistungshalb leiter bei unterschiedlichen absoluten Strömen stattfindet und damit unterschiedlich lange dauert.

Vorteilhaft werden durch die Anpassung der Totzeiten die Schaltverluste fast völlig eliminiert. Dadurch kann die Effi zienz von Systemen mit der Halbbrücke deutlich gesteigert werden. Mit neuen wide-bandgap-Halbleitern, also beispiels- weise Schaltern auf GaN- oder SiC-Basis können dadurch deut lich höhere Schaltfrequenzen als bisher erreicht werden. Die gleichzeitig verbesserten EMV-Eigenschaften verringern den Filteraufwand deutlich und ermöglichen dadurch einen kompak teren und kostengünstigeren Aufbau.

Die Halbbrücke und das Verfahren betreffen die Leistungs elektronik. Die von den Leistungshalbleitern schaltbare Leis tung beträgt wenigstens 10 W, insbesondere wenigstens 100 W oder wenigstens 1 kW. Die geschaltete Spannung beträgt we nigstens 50 V, insbesondere wenigstens 100 V oder wenigstens 300 V.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Halbbrücke und des Verfahrens gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Un teransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter und vereinfachter Form

Figur 1 einen elektrischen Wandler,

Figur 2 einen Stromkreisausschnitt mit einer Halbbrücke mit einer ersten Ansteuerschaltung,

Figur 3 ein Schaltschema und Stromverlauf,

Figur 4 die Halbbrücke mit einer zweiten Ansteuerschaltung, Figur 5 die Halbbrücke mit einer dritten Ansteuerschaltung, Figur 6 ein simuliertes Schaltverhalten,

Figur 7 ein Messergebnis einer Schaltung.

Figur 1 zeigt ein Schaltbild für einen elektrischen Wandler 10, in dem ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung einge setzt wird. Der Wandler 10 entspricht in seinem Aufbau einer Zusammenschaltung eines Aufwärtswandlers und eines Invers wandlers, wobei die jeweiligen Ausgänge in Reihe geschaltet sind. Der Wandler 10 hat einen ersten und zweiten Eingangsan schluss 11A, 11B für die Eingangsspannung, wobei der erste

Eingangsanschluss 11A als positiver Pol zu verwenden ist. Weiterhin weist der Wandler 10 einen ersten und zweiten Aus- gangsanschluss 13A, 13B auf, wobei der erste Ausgangsan schluss 13A ebenfalls typischerweise den positiven Pol dar stellt. Der Wandler 10 weist weiterhin drei elektrische Kno tenpunkte 12A, 12B, 12C auf, anhand derer der Aufbau be schrieben wird.

Der erste Knotenpunkt 12A ist direkt mit dem zweiten Ein gangsanschluss 11B verbunden und weiterhin mit Masse verbun den. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11A und dem zwei ten Knotenpunkt 12B ist eine erste Induktivität LI angeord net. Zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 13A und dem zwei ten Knotenpunkt 12B ist ein erster Halbleiterschalter S1 an geordnet. Zwischen dem zweiten Knotenpunkt 12B und dem ersten Knotenpunkt 12A ist ein zweiter Halbleiterschalter S2 ange ordnet .

Zwischen dem ersten Ausganganschluss 13A und dem ersten Kno tenpunkt 12A ist ein erster Kondensator CI angeordnet, der den Ausgang des Aufwärtswandlers darstellt, der aus dem ers ten Halbleiterschalter Sl, dem zweiten Halbleiterschalter S2 und der ersten Induktivität LI gebildet ist.

Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11A und dem dritten Knotenpunkt 12C ist ein dritter Halbleiterschalter S3 ange ordnet. Zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 13B und dem dritten Knotenpunkt 12C ist ein vierter Halbleiterschalter S4 angeordnet. Zwischen dem dritten Knotenpunkt 12C und dem ers ten Knotenpunkt 12A ist eine zweite Induktivität L2 angeord net .

Zwischen dem zweiten Ausganganschluss 13B und dem ersten Kno tenpunkt 12A ist ein zweiter Kondensator C2 angeordnet, der den Ausgang des Inverswandlers darstellt, der aus dem vierten Halbleiterschalter S4, dem dritten Halbleiterschalter S3 und der zweiten Induktivität L2 gebildet ist. Die Halbleiterschalter S1...4 im Wandler 10 sind in diesem Bei spiel GaN-Schalter . Es können aber auch andere Schalter wie MOSFETs oder IGBTs verwendet werden.

Im Betrieb der Schaltung erzeugt der Aufwärtswandler eine po sitive Spannung am ersten Kondensator CI. Diese positive Spannung ist prinzipbedingt mindestens so groß wie die Ein^¬ gangsspannung an den Eingangsanschlüssen 11A, 11B. Der In verswandler wiederum erzeugt eine negative Spannung am zwei ten Ausgangsanschluss 13B relativ zum ersten Knotenpunkt 12A. Durch die Serienschaltung der beiden Kondensatoren CI, C2 ist die Ausgangsspannung zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 13A, 13B dem Betrag nach die Summe der Beträge der beiden er zeugten Spannungen. Somit ist das Übersetzungsverhältnis, das sich bei einer gegebenen Ein- und Ausgangsspannung ergibt, für den Aufwärtswandler und den Inverswandler jeweils hal biert .

Zusätzlich kann der Wandler 10 auch so betrieben werden, dass die Zielspannungen an den Kondensatoren CI, C2 nicht mehr DC- Spannungen, sondern andere Wellenformen, also allgemein

Mischspannungen sind. Hierzu ist eine in den Figuren nicht gezeigte Steuerungseinrichtung vorhanden, die ausgestaltet ist, den ersten bis vierten Halbleiterschalter S1...S4 so zu schalten, dass sich der gewünschte Spannungsverlauf an den Kondensatoren CI, C2 ergibt.

Ein solcher gewünschter Spannungsverlauf kann beispielsweise in einer Folge von Halbwellen bestehen oder in einer DC-Span- nung mit einer zusätzlichen Modulation. Da sich weiterhin die erzeugten Spannungen am ersten und zweiten Kondensator CI, C2 zur Ausgangsspannung addieren, kann auch bei einer Mischspan nung eine hohe Amplitude bei moderatem Übersetzungsverhältnis für den Wandler erreicht werden. Für die Folge von Halbwellen können beispielsweise sowohl der Aufwärtswandler als auch der Inverswandler einen phasen- und amplitudengleichen Halbwel lenverlauf erzeugen. Dann addieren sich die Amplituden der Halbwellen in der Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen 13A, 13B.

Der Wandler 10 weist zwei Halbbrücken auf, die jeweils direkt mit einer Induktivität verbunden sind: Die Halbbrücke aus dem ersten und zweiten Halbleiterschalter Sl, S2 ist mit der ers ten Induktivität LI verbunden und die Halbbrücke aus dem dritten und vierten Halbleiterschalter S3, S4 ist mit der zweiten Induktivität LI verbunden.

Figur 2 zeigt einen stark vereinfachten Ausschnitt aus einem Stromkreis 100 mit einer Halbbrücke 102, die beispielsweise dem Paar aus erstem und zweitem Halbleiterschalter Sl, S2 und/oder dem Paar aus drittem und viertem Halbleiterschalter S3, S4 der Figur 1 entspricht. Die Halbbrücke 102 kann Teil des Wandlers 10 oder eines beliebigen anderen Stromrichters, beispielsweise eines Umrichters, Gleichrichters, Netzteils oder eines anderen Wandlers sein oder für sich allein reali siert sein. Die Halbbrücke 102 umfasst zwei in Serie geschal tete Leistungshalbleiter 108, 110 wie beispielsweise MOSFETs. Häufig ist die Halbbrücke 102 mit den Außenanschlüssen 104, 106 an eine Gleichspannung 114 angeschlossen, beispielsweise an den Zwischenkreis eines Umrichters. Der Mittelanschluss 112 zwischen den Leistungshalbleitern 108, 110 ist mit einer induktiven Last 116 verbunden. Die induktive Last 116 steht stellvertretend für alle Sorten von Lasten, die auch nur teilweise induktiv sein können und für solche Aufbauten, in denen der induktive Teil der Last beispielsweise durch eine Leitungsinduktivität zustande kommt. Die induktive Last 116 kann also ebenso gut ein dediziertes Bauteil sein wie ein pa rasitäres Element oder beides zusammen.

Die Ansteuerung der Leistungshalbleiter 108, 110 wird durch eine Steuereinheit 120 vorgenommen. Die Steuereinheit 120 um fasst einen digitalen Controller 122, einen ersten und zwei ten Komparator 124, 126 und einen Modulator 128. Es ist mög lich, dass diese Elemente Teile eines einzelnen Mikrocontrol lers sind und somit als ein einzelner Baustein aufgebaut sind. Ebenso können diese Elemente aber auch teilweise oder vollständig als separate Bauteile vorliegen. Ferner umfasst die Steuereinheit 120 eine Strommessvorrichtung 130, die den vom Mittelanschluss 112 ein- oder ausgehenden Strom als Sig nal 131 erfasst.

Der erste Komparator erhält als Eingangssignale das Signal 131 für den gemessenen Strom und einen ersten Schwellwert 132 für den maximalen Strom. Der zweite Komparator erhält als Eingangssignale ebenfalls das Signal 131 für den gemessenen Strom und einen zweiten Schwellwert 134 für den minimalen Strom. Die Schwellwerte 132, 134 werden vom Controller 122 zur Verfügung gestellt. Der Controller 122 kann diese bei spielsweise aus Vorgabe-Werten für den mittleren Strom und den Stromrippel errechnen. Diese Vorgabe-Werte können von au ßen, beispielsweise durch eine übergeordnete Umrichter- Steuerung vorgegeben sein oder vom Controller 122 selbst be stimmt werden. Die Ausgangssignale der Komparatoren 124, 126 werden in den Modulator 128 eingespeist. Der Modulator 128 setzt diese sowie gespeicherte Werte für anzuwendende Totzei ten in Ansteuersignale für die Leistungshalbleiter 108, 110 um, die an den jeweiligen Gatetreiber weitergegeben werden.

Durch den Vergleich des gemessenen Stroms mit den Schwellwer ten 132, 134 für den maximalen und minimalen Strom und die

Weitergabe in den Modulator 128 wird erreicht, dass bei Er reichen des maximalen Stroms der aktive Leistungshalbleiter 108, 110 abgeschaltet wird und nach Abwarten der Totzeit zur Verhinderung eines Kurzschlusses in der Halbbrücke 102 der andere Leistungshalbleiter 108, 110 eingeschaltet wird. Bei Erreichen des minimalen Stroms wird ebenfalls der aktive Leistungshalbleiter 108, 110 abgeschaltet und nach Abwarten der Totzeit der andere Leistungshalbleiter 108, 110 einge schaltet .

Ein sich ergebendes Schaltschema mit einem Schaltverlauf 202 für den oberen Leistungshalbleiter 108, einem Schaltverlauf 204 für den unteren Leistungshalbleiter 110, einem Spannungs- verlauf 206 über den unteren Leistungshalbleiter 110 ist zu sammen mit einem sich ergebenden vereinfachten Stromverlauf 208 in Figur 3 dargestellt. Die Totzeiten 210, 212, die nach dem Abschalten eines jeweiligen Leistungshalbleiters 108, 110 verstreichen, sind dabei stark verlängert für bessere Erkenn barkeit. Figur 3 zeigt, dass der sich ergebende Stromverlauf näherungsweise dreieckig ist.

Ist der Stromverlauf zu einer beliebigen Zeit flacher, wird der entsprechende Schwellwert 132, 134 später erreicht und die Abschaltung des entsprechenden Leistungshalbleiters 108, 110 passiert erst später. Das beschriebene Vorgehen zur Steu erung der Leistungshalbleiter 108, 110 arbeitet also im Ge gensatz zu bekannten Verfahren nicht mehr mit einer festen Schaltfrequenz . Die momentane effektive Schaltfrequenz ergibt sich vielmehr aus den Vorgaben der Schwellwerte 132, 134 oder den Vorgaben zu dem mittleren Strom und dem Rippelstrom, der Induktivität 116 und den Spannungen 114, 117, die die Strom steilheit mitbestimmt. Die momentane Schaltfrequenz kann da her auch schwanken und kann sich ändern, wenn die Vorgabe- Werte geändert werden.

In dem Wandler 10 der Figur 1 können erfindungsgemäße Halb brücken besonders vorteilhaft verwendet werden, wenn der er zeugte Spannungsverlauf eine Wellenform ist, beispielsweise die Folge von Sinus-Halbwellen. Die Halbbrücken erzeugen die se dann nicht in der sonst üblichen Pulsweitenmodulation mit fest vorgegebener Schaltfrequenz , aber laufend angepasstem Tastgrad. Vielmehr wird der Strommittelwert, der zum

Momentanwert der Halbwellenform passt, laufend angepasst. Die Steuerung 120 legt zum Strommittelwert passende obere und un tere Schwellwerte fest, die damit ebenfalls laufend variie ren. Die richtige Spannung ergibt sich durch die Schaltung der Leistungshalbleiter 108, 110, die im Wandler 10 der Figur 1 dem Paar aus erstem und zweitem Halbleiterschalter Sl, S2 und/oder dem Paar aus drittem und viertem Halbleiterschalter S3, S4 entsprechen, wobei die Schaltung den Schwellwerten folgt und somit die richtige Spannung automatisch erreicht. Figur 4 zeigt wieder einen Ausschnitt aus einem Stromkreis 100 mit der Halbbrücke 102, aber mit einem veränderten Aufbau der Steuereinheit 120. In diesem Fall werden die Totzeiten 210, 212 nicht mehr im Modulator fest hinterlegt, sondern vielmehr vom Controller 122 vorgegeben. Die Totzeiten 210,

212 können damit vom Controller 122 verändert und der Be triebssituation angepasst werden. Eine solche Anpassung kann dazu verwendet werden, die Schaltverluste zu reduzieren, in dem ein resonantes Umladen der Ausgangskapazitäten der Leis tungshalbleiter 108, 110 erlaubt wird.

Hierzu wird bei einem positiven Mittelwert des Stroms der Schwellwert 134 für den minimalen Strom auf einen negativen Wert gesetzt, also auf einen Wert mit einem anderen Vorzei chen als der Mittelwert und der Schwellwert 132 für den maxi malen Strom. Ist der Mittelwert des Stroms negativ, wird der Schwellwert 132 für den maximalen Strom auf einen positiven Wert gesetzt, also wiederum auf einen Wert mit einem anderen Vorzeichen als der Mittelwert und der Schwellwert 134 für den minimalen Strom.

Die für das Umladen nötigen Werte können in ausreichender Nä herung wie folgt berechnet werden:

Dabei bezeichnen:

I_L den unteren Schwellwert 134 für den Strom

L den Wert der Induktivität 116 in der Ausgangsleitung

Ui die Spannung über die beiden Leistungshalbleiter 108, , 110, also zwischen dem oberen Außenanschluss 104 des oberen Leis- tungshalbleiters 108 und dem unteren Außenanschluss 106 des unteren Leistungshalbleiters 110

U2 die Spannung 117 C die summierte Ausgangskapazität der Leistungshalbleiter 108, 110, also

Dabei bezeichnet I_H den oberen Schwellwert 132 für den Strom

Hat der Term unter der Wurzel einen Wert < 0, wird der jewei lige Schwellwert auf 0 gesetzt.

Die Totzeiten 210, 212 können auf verschiedene Weise vom Con troller 122 bestimmt werden. Die geeignete Bestimmung der Totzeiten 210, 212 ermöglicht das spannungsfreie Einschalten der Leistungshalbleiter 108, 110. Zum einen können die Tot zeiten 210, 212 berechnet werden oder aus einer vorab be stimmten und gespeicherten Tabelle (Look-Up) ausgelesen wer den .

Für eine Berechnung der Totzeiten 210, 212 können beispiels weise folgende Formeln verwendet werden:

Dabei bezeichnen:

t_dbi,_min die minimale Totzeit 210 für den oberen Leistungshalb leiter 108

L den Wert der Induktivität 116 in der Ausgangsleitung

Ui die Spannung über die beiden Leistungshalbleiter 108, 110, also zwischen dem oberen Außenanschluss 104 des oberen Leis tungshalbleiters 108 und dem unteren Außenanschluss 106 des unteren Leistungshalbleiters 110

U2 die Spannung 117 C die summierte Ausgangskapazität der Leistungshalbleiter 108, 110

Dabei bezeichnet:

t_{dioi , min} die minimale Totzeit 212 für den unteren Leistungs halbleiter 110

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine bauliche Anpas sung vorzunehmen, die in Figur 5 dargestellt ist. Im Aufbau gemäß Figur 5 umfasst die Steuereinheit 420 je einen Span nungsmesseinrichtung 402, 404 für jeden der Leistungshalblei ter 108, 110. Die Signale 403, 405 der Spannungsmesseinrich tungen 402, 404 werden einem dritten und vierten Komparator 406, 408 zugeführt. Als jeweils zweites Eingangssignal für den dritten und vierten Komparator 406, 408 wird eine feste geringe Spannung, beispielsweise 1 V, verwendet. Die Aus gangssignale des dritten und vierten Komparators 406, 408 werden dem Modulator 128 zugeführt und von diesem verwendet, um als Einschalt_Zeitpunkt für den jeweiligen Leistungshalb leiter 108, 110 den Zeitpunkt zu verwenden, an dem die Span nung über den Leistungshalbleiter 108, 110 gering ist, also beispielsweise 1 V.

Figur 6 zeigt den Verlauf der Spannung 206, des Stroms 207 und der Einschalt_Zeiten 502a, b für den ersten und zweiten Leistungshalbleiter 108, 110 als Ergebnis einer Simulation.

Die Schaltflanken der Spannung 206 sind erkennbar abgeflacht. Hier werden die Ausgangskapazitäten vor dem Einschalten des jeweiligen Leistungshalbleiters 108, 110 umgeladen. Dadurch erfolgt das Einschalten spannungsfrei. Die flacheren Flanken der Schaltspannung bedeuten deutlich niedrigere Amplituden der Oberschwingungen und sorgen somit auch für bessere EMV- Eigenschaften des Aufbaus. Da bei sehr kleinen Stromrippelwerten die Schaltfrequenz sehr groß werden kann, ist es vorteilhaft, einen minimalen Wert für den Stromrippel zu realisieren. Der Controller 122 ist ausgestaltet, diesen minimalen Wert umzusetzen und einzuhal- ten. Dadurch wird die Schaltfrequenz auf ein gewünschtes Ma ximum begrenzt.

Ein Messergebnis an einem realen Aufbau der vorgeschlagenen Schaltung ist in Figur 7 dargestellt. Figur 7 zeigt die

Schaltspannung 602 und den Stromverlauf 207 einer Onboard-

Strommessung . Der Stromverlauf 604 ist messbedingt nicht ge nau linear. In dem Versuchsaufbau, der der Messung von Figur 6 zugrunde liegt, wurde eine Eingangsspannung von 27 V auf etwa 100 V hochgesetzt bei einer Ausgangsleistung von etwa 90 W. Obwohl die Schaltfrequenz 1 Mhz beträgt und die Leistungs halbleiter 108, 110 nur durch freie Konvektion gekühlt wurden (d.h. ohne Kühlkörper oder Lüfter), blieben die Arbeits- Temperaturen in einem unkritischen Bereich unterhalb von 60 °C. Dies wäre hartschaltend nicht möglich.

Claims

Patentansprüche

1. Halbbrücke (102) umfassend

- einen in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungs halbleiter (108, 110, Sl, S2 , S3 , S4),

- eine Steuerung (120) für die Leistungshalbleiter (108, 110, Sl, S2 , S3 , S4 ) ,

- eine Leitung, die von dem Verbindungsknoten (112) der Leis tungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) ausgeht,

- eine Einrichtung (130) zur Messung des Stroms in der Lei tung,

wobei die Steuerung (120) ausgestaltet ist,

- den Strom mit einem oberen und einem unteren Schwellwert (132, 134) zu vergleichen,

- bei Erreichen des oberen Schwellwerts (132) den ersten

Leistungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) abzuschalten und nach Ablauf einer ersten Totzeit (210) den zweiten Leis tungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) einzuschalten, und

- bei Erreichen des unteren Schwellwerts (134) den zweiten

Leistungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) abzuschalten und nach Ablauf einer zweiten Totzeit (212) den ersten Leis tungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) einzuschalten.

2. Halbbrücke (102) nach Anspruch 1 mit einem ersten und zweiten Komparator (124, 126), denen als erstes Eingangssig nal der gemessene Strom zugeführt wird, wobei der obere

Schwellwert (132) dem ersten Komparator (124) als zweites Eingangssignal zugeführt wird und der untere Schwellwert (134) dem zweiten Komparator (126) als zweites Eingangssignal zugeführt wird.

3. Halbbrücke (102) nach Anspruch 2, bei der die Steuerung

(120) einen digitalen Controller (122) umfasst, der den obe ren und unteren Schwellwert (132, 134) über einen D/A-Wandler an die Komparatoren (124, 126) weitergibt.

4. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (120) die Schwellwerte (132, 134) aus vorgebbaren Werten für den Mittelwert des Stroms und für den Rippelstrom in der Ausgangsleitung berechnet.

5. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (120) ausgestaltet ist, für einen der Schwellwerte den Wert 0 A zu verwenden oder als Schwellwerte (132, 134) Werte zu verwenden, die unterschiedliche Strom richtungen kennzeichnen.

6. Halbbrücke (102) nach Anspruch 5, bei der die Steuerung (120) ausgestaltet ist, denjenigen Schwellwert (132, 134), der eine andere Stromrichtung kennzeichnet als die Stromrich tung des Mittelwerts für den Strom, aus der summierten Aus gangskapazität der Leistungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4), der Induktivität (116) in der Leitung und der Spannung an Eingang und Ausgang der Halbbrücke (102) zu berechnen.

7. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (120) ausgestaltet ist, die Totzeiten (210, 212) so einzustellen, dass ein spannungsfreies Ein schalten der Leistungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) passiert .

8. Halbbrücke (102) nach Anspruch 7, bei der die Steuerung (120) ausgestaltet ist, die Totzeiten (210, 212) zu berechnen oder aus einer gespeicherten Wertetabelle auszuwählen.

9. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (120) Mittel (402, 404) zur Messung der Spannung über den ersten und zweiten Leistungshalbleiter (108, 110, Sl, S2 , S3 , S4) aufweist.

10. Verfahren zur Steuerung einer Halbbrücke (102) mit einem in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter (108, 110, Sl, S2 , S3 , S4), bei dem

- der Strom in einer vom Verbindungsknoten (112) der Leis tungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) ausgehenden Lei- tung gemessen und mit einem oberen und einem unteren Schwell wert (132, 134) verglichen wird,

- bei Erreichen des oberen Schwellwerts (132) der erste Leis tungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) abgeschaltet und nach Ablauf einer ersten Totzeit (210) der zweite Leistungs halbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) eingeschaltet wird, und

- bei Erreichen des unteren Schwellwerts (134) der zweite

Leistungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) abgeschaltet und nach Ablauf einer zweiten Totzeit (212) der erste Leis- tungshalbleiter (108, 110, Sl, S2, S3, S4) eingeschaltet wird .