WO2020228944A1 - Integrated circuit comprising a power semiconductor switch - Google Patents

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WO2020228944A1
WO2020228944A1 PCT/EP2019/062341 EP2019062341W WO2020228944A1 WO 2020228944 A1 WO2020228944 A1 WO 2020228944A1 EP 2019062341 W EP2019062341 W EP 2019062341W WO 2020228944 A1 WO2020228944 A1 WO 2020228944A1
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power semiconductor
integrated circuit
semiconductor switch
current
circuit according
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Christopher Fromme
Marvin TANNHÄUSER
Lennart Baruschka
Fabian Döbler
Dominic Malane
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to an integrated circuit with a power semiconductor switch and an electronic cal circuit with such an integrated circuit.
  • the switch should switch on as precisely as possible when the voltage drop across the switch reaches zero. Switching on too early results in switching losses; switching on too late results in losses due to the voltage drop in the reverse direction. Switching timing accuracies of a few nanoseconds are required, particularly with fast-switching technologies such as GaN or SiC.
  • the power semiconductors are often controlled by external driver circuits which, in particular for determining the optimal switching times, provide information about need the current operating status of the circuit.
  • the current value of the voltage drop across the power semiconductor switch and / or the current flowing through the power semiconductor switch is of particular interest.
  • the course of current and / or voltage for a typical application can be measured with expensive laboratory equipment and stored in the memory of the driver circuit in the form of characteristic curves. The measurement in real operation is then completely dispensed with.
  • the disadvantage of this is that for operating states and component tolerances that deviate from the laboratory conditions, the control of the power semiconductor is not carried out with the optimal parameters, which leads to a poorer efficiency of the overall system.
  • Control accuracies in the nanosecond range are required for low-loss switching, particularly at high switching frequencies.
  • an integrated circuit with a power semiconductor switch and a device for determining the voltage drop across the power semiconductor switch and a control circuit which the Power semiconductor switches on when the voltage drop across the power semiconductor switch falls below a voltage threshold.
  • the voltage threshold value can be set to a fixed value. In a preferred embodiment, the voltage threshold is 0 volts. In this exemplary embodiment, the polarity of the voltage drop across the power semiconductor switch is evaluated and the power semiconductor is switched on when the voltage drop across the power semiconductor switch has become negative.
  • the voltage threshold value can be specified via an input of the integrated circuit.
  • the integrated circuit can have a timer which outputs a signal after a certain time (which can be fixedly predetermined or can be predetermined via an input of the integrated circuit), with a switch-on of the power semiconductor in response to the signal output by the timer regardless of the There is a voltage drop across the power semiconductor.
  • the integrated circuit can be equipped with an input via which an activation signal can be entered which is evaluated by the control circuit, the control circuit only turning on the power semiconductor switch if, in addition to the aforementioned conditions for turning on the power semiconductor switch (e.g. The voltage drop across the power semiconductor switch falls below the voltage threshold or the timer signal output) the activation signal signals the "active" state.
  • the "active" state can be entered by a specific voltage value (which can also be zero) or a specific logic signal "0" or "1” or a specific signal sequence. The evaluation and recognition The "active” state is then activated by the control circuit integrated together with the power semiconductor.
  • a circuit can additionally be used which provides a value which represents a property of the current flowing through the power semiconductor switch.
  • the control circuit switches off the power semiconductor switch when the current flowing through the power semiconductor switch exceeds a current threshold value.
  • the current threshold value can be fixed or entered via an input of the integrated circuit.
  • All elements of the integrated circuit according to the invention are preferably implemented on a uniform die.
  • the power semiconductor switch is implemented on a first die and the other elements on a further die and connected in a uniform housing to form the integrated circuit.
  • the integration of the power semiconductor switch and at least the control evaluating the voltage drop across the power semiconductor controller according to the present invention offers several advantages over the external wiring of a power semiconductor circuit module that can be realized with conventional technology.
  • parasitic elements especially parasitic capacitances and inductances, are reduced to a minimum.
  • the effects of the control system integrated in accordance with the invention are, due to the short signal lines, particularly at high operating frequencies, considerably less than with external wiring.
  • the robustness of the circuit against disturbances that are inevitably caused by switching, increases significantly; the signal transit times within the circuit are minimal.
  • novel power semiconductor switches based on GaN or SiC which enable very high switching speeds and frequencies, a sufficiently fast control of the power semiconductor switch is made possible by the present invention.
  • a second aspect of the present invention relates to an integrated circuit with a power semiconductor switch and a circuit for providing a value representing a property of the current flowing through the power semiconductor switch, as well as a control circuit that switches off the power semiconductor switch when the current flowing through the power semiconductor switch exceeds a current threshold value.
  • the current threshold value can be fixed or entered via an input of the integrated circuit.
  • the integrated circuit in embodiments with an output for outputting the current switching state of the power half be equipped with a conductor switch, for example to enable synchronization with a higher-level controller.
  • the invention also relates to a system with an integrated circuit according to the present invention.
  • the present invention offers an enormous simplification with a simultaneous increase in performance.
  • Half bridges for example, can be optimally controlled with just one control signal, and the time-consuming calculation of timings can be dispensed with, as can time-consuming measuring circuits to be integrated into the system.
  • Multilevel topologies which consist of several half bridges, can be used with much simpler DSPs or microcontrollers because both the number of PWM modules and the required computing power are drastically reduced.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
  • An integrated circuit 100 comprises a power semiconductor switch 110 and a device 120 for determining the voltage drop across the power semiconductor switch.
  • a circuit 140 provides a value representing a property of the voltage drop across the power semiconductor switch.
  • the value representing the property of the voltage drop across the power semiconductor switch is determined by comparison with a voltage threshold value Vthr.
  • Vthr can be stored in digital form in a memory 141 or input into circuit 140 as an analog value.
  • Vthr can be a fixed voltage threshold.
  • circuit 140 in this case represents the polarity of the voltage drop across the power semiconductor switch, for example in digital form, whereby circuit 140 can be designed so that an output value "1" means that the voltage drop is negative across the power semiconductor switch.
  • the output of the circuit 140 is supplied to a control circuit which controls the power semiconductor switch.
  • the output signal of the circuit 140 is supplied directly to a driver circuit 130 which turns on the power semiconductor switch when the output of the circuit 140 assumes a certain value or is within a certain value range.
  • an output valued “1” of the circuit 140 would cause a corresponding power semiconductor switch-on voltage to be provided by the driver circuit 130 and the power semiconductor switch 110 would be switched on.
  • a digital input valued "0" at the input of the driver circuit would cause the shutdown of the power semiconductor switch-on voltage at the output of the driver circuit 130 and the power semiconductor switch would be switched off.
  • the control circuit is extended by a timer 150 which, after a certain time has elapsed, outputs a signal which causes the power semiconductor switch to be switched on regardless of the evaluation of the voltage drop across the power semiconductor switch.
  • a timer 150 which, after a certain time has elapsed, outputs a signal which causes the power semiconductor switch to be switched on regardless of the evaluation of the voltage drop across the power semiconductor switch.
  • the timer can be designed so that the signal for switching on the power semiconductor switch is only output for a certain time and then deactivated again. is activated and this is repeated periodically.
  • the dead time of the timer ie the time that elapses after the timer is activated before the timer outputs the signal that causes the power semiconductor switch to be switched on regardless of the evaluation of the voltage drop across the power semiconductor switch, can be preset or via a Input of the integrated circuit (not shown) can be entered.
  • an activation or control signal is made available at an input 101 of the integrated circuit, which activates the control circuit of the integrated circuit.
  • the control circuit ensures that the power semiconductor switch is only switched on when the activation signal signals "active".
  • a positive control signal is passed to the integrated circuit by a controller (not shown) which is superordinate to the integrated circuit.
  • a power semiconductor switch according to prior art would turn on in response to this positive control signal immediately, regardless of the state aktuel len - the observance of the optimal switching Z eit Vietnameses would not be ensured.
  • the power semiconductor switch is only switched on if, in addition to the activation signal at input 101, the condition "voltage below the threshold" is met or the timer 150 started by the activation signal signals the expiry of a certain period of time. In this way, the optimum switching Z can eit Vietnamese always ge nau be taken. Due to the integration in the integrated circuit itself, very low latencies and high interference immunity can be achieved. In addition, the integrated driver 130 can be optimally matched to the respective power semiconductor switch.
  • this preferred principlessbei can be implemented game by the activation signal and the The signal supplied by the comparator circuit 140 can be linked by means of a logic AND circuit 160.
  • a "hold” circuit can be provided. which has the effect that a "1” is still supplied after Vthr is undershot, even if the undershooting of Vthr ends immediately after switching on.
  • This “hold” circuit can be integrated into the comparator circuit 140, for example.
  • the "Hold” circuit is realized in the form of a flip-flop 162, which receives the output of the comparator circuit 140 at the set input and a "1" received once at the set input as “1” on Outputs the Q output until a "1" has been applied to the reset input.
  • the flip-flop 162 is reset on the one hand (and remains) and accordingly the Q output of the flip-flop 162 outputs a "0" as long as the activation signal is not applied or inactive ("0") on the other hand, the flip-flop 162 on the input on the set Input waits as long as the activation signal is active ("1").
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the present invention.
  • the one shown in FIG. 2 has some additional components that are used to detect and evaluate the current flow through the power semiconductor switch and, in particular, for peak current regulation. These components are explained in more detail below. All other components correspond to those shown in FIG. 1, and their description will not be repeated here.
  • the concordance lxx A 2xx applies, for example power semiconductor switch 110 bears the reference numeral 210 in FIG. 2 and the description for FIG. 1 also applies to FIG. 2, unless otherwise stated below.
  • Fig. 2 expands the integrated circuit of Fig. 1 by a circuit 245 for providing a property of the current flowing through the power semiconductor switch 210 representing the value, the control circuit then switching off the power semiconductor switch 210 when the through the Power semiconductor switch exceeds a current threshold value.
  • an integrated circuit according to the invention has the circuit 245 and a control circuit for switching off the power semiconductor switch in response to a current threshold value being exceeded, but not the means for switching on the power semiconductor explained in connection with FIG. 1 when a voltage threshold is reached.
  • the isolated illustration of the second aspect of the present invention is dispensed with here, since the explanations relating to the second aspect of the invention essentially correspond to the explanations relating to the FIGS Fig. 2 compared to Fig. 1, elements 204, 225, 245, 270 to be added coincide.
  • the current flowing through the power semiconductor switch is measured by a current measuring device 225, for example by means of a measuring circuit (not shown in detail), which has a low but evaluable Voltage drop across a low raw measuring resistor in the current path switched by the power semiconductor switch 210 between the pins 201 and 202 of the integrated circuit 200.
  • This measured current is fed to a comparator circuit 245 as an analog or digital value.
  • the comparator circuit 245 is also supplied with a current threshold value, also if in analog or digital form.
  • the current threshold value is provided by a higher-level controller via an input 204 of the integrated circuit, but it can also be stored directly as a fixed value in the integrated circuit (not shown).
  • the result of the comparison of the measured value for the current through the power semiconductor switch 210 with the current threshold value is used to switch off the power semiconductor switch when the current threshold value is exceeded.
  • a peak current control (more specifically, a peak power off) implemented the / dt especially with large current changes di, the example or hear, in exploiting the potential of new technologies such as GaN or SiC V, enables a robust and precise control of the flow.
  • the activation signal fed in via input 201 is switched on so that a "1" is present at the Q output of the flip-flop and only when the activation signal is active ("1") and at the same time the current through the power semiconductor switch is below the current threshold.
  • the output of the flip-flop is linked to the output of the logic OR circuit 261 by means of a logic AND circuit 271, so that the following functional dependencies are implemented as a result:
  • Activation signal 1, voltage drop across the power semiconductor switch ⁇ voltage threshold OR time in timer 250 has expired (AND current through the power semiconductor switch ⁇ current threshold)
  • Activation signal 1, voltage drop across the power semiconductor switch insignificant, current through the power semiconductor switch ⁇ current threshold value
  • the (digital) circuit breaker control command fed to the driver circuit 130, 230 can be output at an output 205 (not shown in the exemplary embodiment in FIG. 1, but also easily implemented there) of the integrated circuit for a higher-level controller or for Function monitoring purposes are provided.
  • an output 205 not shown in the exemplary embodiment in FIG. 1, but also easily implemented there
  • circuit elements including the power semiconductor switches are particularly advantageous to implement all of the circuit elements including the power semiconductor switches on a common die. Where this is not (yet) completely possible due to the semiconductor technology used, several dies can be used, which are combined in a common housing to form an integrated circuit. For example, the power semiconductor switches (with or without measuring circuits 220, 225) can be implemented on one die and the remaining circuit elements on a further die and combined in a common housing to form an integrated circuit. Even the implementation on several dies still offers considerable advantages compared to the external wiring of the power semiconductor switch.

Abstract

The invention relates to an integrated circuit (100, 200) comprising a power semiconductor switch (110, 120) and a device (120, 220) for determining the voltage drop over the power semiconductor switch, as well as a control circuit which switches on the power semiconductor if the voltage drop over the power semiconductor switch falls below a voltage threshold (141, 241). The invention also relates to a system comprising an integrated circuit of this type.

Description

Beschreibung description
Integrierte Schaltung mit Leistungshalbleiterschalter Integrated circuit with power semiconductor switch
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter sowie eine elektroni sche Schaltung mit einer derartigen integrierten Schaltung. The present invention relates to an integrated circuit with a power semiconductor switch and an electronic cal circuit with such an integrated circuit.
Es ist bekannt, in elektronischen Schaltungen wie z.B. Um richtern oder Schaltnetzteilen als aktive Schaltelemente Leistungshalbleiter einzusetzen, beispielsweise MOSFETs, IG- BTs oder GaN-HEMTs. Um gewünschte Strom- und/oder Spannungs verläufe zu erhalten, werden diese mit hohen bis sehr hohen Frequenzen (von einigen Kilohertz bis hin zu etlichen Mega hertz) ein- und ausgeschaltet. Das Verhältnis der Einschalte- dauer zur Periodendauer bestimmt dabei den Effektivwert von Strom bzw. Spannung. It is known to use in electronic circuits such as e.g. In order to use power semiconductors as active switching elements, such as MOSFETs, IG-BTs or GaN-HEMTs, as active switching elements. In order to obtain the desired current and / or voltage curves, these are switched on and off at high to very high frequencies (from a few kilohertz to several megahertz). The ratio of the switch-on duration to the period duration determines the effective value of the current or voltage.
Bei jedem Schaltvorgang entstehen unerwünschte Energieverlus te, die oftmals dominierend sind und die es zu minimieren gilt. Hierfür werden sogenannte resonante oder quasiresonante Ansätze verfolgt: der Schalter sollte möglichst genau dann einschalten, wenn der Spannungsabfall über dem Schalter Null erreicht. Wird zu früh eingeschaltet, entstehen Schaltverlus te, wird zu spät eingeschaltet, entstehen Verluste durch den Spannungsabfall in Rückwärtsrichtung. Insbesondere bei schnellschaltenden Technologien wie GaN oder SiC sind Schalt zeitpunktgenauigkeiten von wenigen Nanosekunden erforderlich. With every switching process, undesired energy losses arise, which are often dominant and which must be minimized. So-called resonant or quasi-resonant approaches are pursued for this purpose: the switch should switch on as precisely as possible when the voltage drop across the switch reaches zero. Switching on too early results in switching losses; switching on too late results in losses due to the voltage drop in the reverse direction. Switching timing accuracies of a few nanoseconds are required, particularly with fast-switching technologies such as GaN or SiC.
Aus der Veröffentlichung DE 10 2017 212 462 Al und darauf aufbauend der Anmeldung PCT/EP2018/054788 der gleichen Anmel derin sind Schaltungen und insbesondere eine sogenannte duale Peakstromregelung zur Reduzierung von Schaltverlusten be kannt . From the publication DE 10 2017 212 462 A1 and based on the application PCT / EP2018 / 054788 by the same applicant, circuits and in particular a so-called dual peak current control for reducing switching losses are known.
Häufig erfolgt die Ansteuerung der Leistungshalbleiter durch externe Treiberschaltungen welche, insbesondere für die Be stimmung der optimalen Schaltzeitpunkte, Informationen über den aktuellen Betriebszustand der Schaltung benötigen. Von besonderem Interesse ist dabei der aktuelle Wert des Span nungsabfalls über dem Leistungshalbleitschalter und/oder des durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stroms. The power semiconductors are often controlled by external driver circuits which, in particular for determining the optimal switching times, provide information about need the current operating status of the circuit. The current value of the voltage drop across the power semiconductor switch and / or the current flowing through the power semiconductor switch is of particular interest.
Diese Parameter werden bislang, wie aus dem Stand der Technik bekannt oder durch diesen zumindest nahegelegt ist, mittels zusätzlicher diskreter Schaltungen erfasst. Die Messung des durch einen Leistungshalbleiter fließenden Stromes kann bei spielsweise mittels Messshunts mit Verstärkerschaltungen oder Stromwandlern erfolgen. Dabei ergeben sich Nachteile Schwie rigkeiten wie z.B. Störeinkopplungen auf den Mess- oder An steuerleitungen. Des Weiteren müssen Messungen teils galva nisch getrennt ausgeführt werden, was weiteren Aufwand sowie erhebliche zusätzliche Latenzen bedeutet. As is known from the prior art or at least suggested by it, these parameters have so far been recorded by means of additional discrete circuits. The current flowing through a power semiconductor can be measured, for example, by means of measuring shunts with amplifier circuits or current transformers. There are disadvantages, difficulties such as Interference coupling on the measurement or control lines. Furthermore, measurements have to be carried out in some cases galvanically separated, which means additional effort and considerable additional latencies.
Alternativ kann mit teurer Laborausrüstung der Verlauf von Strom und/oder Spannung für eine typische Anwendung vermessen und in Form von Kennlinien in Speichern der Treiberschaltung hinterlegt werden. Auf die Messung im Realbetrieb wird dann komplett verzichtet. Nachteilig daran ist, dass für von den Laborbedingungen abweichende Betriebszustände und Bauteileto leranzen die Ansteuerung des Leistungshalbleiters nicht mit den optimalen Parametern erfolgt, was zu einem schlechteren Wirkungsgrad des Gesamtsystems führt. Alternatively, the course of current and / or voltage for a typical application can be measured with expensive laboratory equipment and stored in the memory of the driver circuit in the form of characteristic curves. The measurement in real operation is then completely dispensed with. The disadvantage of this is that for operating states and component tolerances that deviate from the laboratory conditions, the control of the power semiconductor is not carried out with the optimal parameters, which leads to a poorer efficiency of the overall system.
Insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen werden für verlustar mes Schalten Ansteuergenauigkeiten im Nanosekundenbereich be nötigt . Control accuracies in the nanosecond range are required for low-loss switching, particularly at high switching frequencies.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schaltung mit einem Leistungshalbleiter anzuge ben, die diese Ansteuergenauigkeiten leistet. It is therefore an object of the present invention to indicate an improved circuit with a power semiconductor that achieves this control accuracy.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine integrierte Schaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und einer Vorrichtung zur Ermittlung des Spannungsabfalls über dem Leistungshalb leiterschalter sowie einer Ansteuerschaltung, welche den Leistungshalbleiter einschaltet, wenn der Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiterschalter einen Spannungsschwell wert unterschreitet. This object is achieved by an integrated circuit with a power semiconductor switch and a device for determining the voltage drop across the power semiconductor switch and a control circuit which the Power semiconductor switches on when the voltage drop across the power semiconductor switch falls below a voltage threshold.
Dabei kann der Spannungsschwellwert auf einen festen Wert eingestellt sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Spannungsschwellwert 0 Volt. In diesem Ausfüh rungsbeispiel wird somit die Polarität des Spannungsabfalls über dem Leistungshalbleiterschalter ausgewertet und der Leistungshalbleiter eingeschaltet, wenn der Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiterschalter negativ geworden ist. The voltage threshold value can be set to a fixed value. In a preferred embodiment, the voltage threshold is 0 volts. In this exemplary embodiment, the polarity of the voltage drop across the power semiconductor switch is evaluated and the power semiconductor is switched on when the voltage drop across the power semiconductor switch has become negative.
In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Spannungs schwellwert über einen Eingang der integrierten Schaltung vorgegeben werden. In alternative exemplary embodiments, the voltage threshold value can be specified via an input of the integrated circuit.
Zusätzlich kann die integrierte Schaltung einen Zeitgeber aufweisen, der nach Ablauf einer bestimmten Zeit (die fest vorgegeben oder über einen Eingang der integrierten Schaltung vorgebbar sein kann) ein Signal ausgibt, wobei ein Einschal ten des Leistungshalbleiters ansprechend auf das vom Zeitge ber ausgegebene Signal unabhängig vom Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter erfolgt. In addition, the integrated circuit can have a timer which outputs a signal after a certain time (which can be fixedly predetermined or can be predetermined via an input of the integrated circuit), with a switch-on of the power semiconductor in response to the signal output by the timer regardless of the There is a voltage drop across the power semiconductor.
Ferner kann die integrierte Schaltung mit einem Eingang aus gestattet sein, über den ein Aktivierungssignal eingegeben werden kann, welches von der Ansteuerschaltung ausgewertet wird, wobei die Ansteuerschaltung den Leistungshalbleiter schalter nur einschaltet, wenn zusätzlich zu den vorgenannten Bedingungen für das Einschalten des Leistungshalbleiterschal ters (z.B. Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiterschal ter unterschreitet den Spannungsschwellwert oder Signalausga be des Zeitgebers) das Aktivierungssignal den Zustand "aktiv" signalisiert. Dabei sei darauf hingewiesen, dass je nach ver wendeter Schaltungstechnik der Zustand "aktiv" durch einen bestimmten Spannungswert (der auch Null sein kann) oder ein bestimmtes logisches Signal "0" oder "1" oder eine bestimmte Signalfolge eingegeben werden kann. Die Auswertung und Erken- nung des Zustandes "aktiv" erfolgt dann durch die gemeinsam mit dem Leistungshalbleiter integrierte Ansteuerschaltung. Furthermore, the integrated circuit can be equipped with an input via which an activation signal can be entered which is evaluated by the control circuit, the control circuit only turning on the power semiconductor switch if, in addition to the aforementioned conditions for turning on the power semiconductor switch (e.g. The voltage drop across the power semiconductor switch falls below the voltage threshold or the timer signal output) the activation signal signals the "active" state. It should be noted that, depending on the circuit technology used, the "active" state can be entered by a specific voltage value (which can also be zero) or a specific logic signal "0" or "1" or a specific signal sequence. The evaluation and recognition The "active" state is then activated by the control circuit integrated together with the power semiconductor.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich eine Schaltung eingesetzt werden, die einen Wert bereitstellt, der eine Eigenschaft des durch den Leistungs halbleiterschalter fließenden Stroms repräsentiert. Die An steuerschaltung schaltet den Leistungshalbleiterschalter ab, wenn der durch den Leistungshalbleiterschalter fließende Strom einen Stromschwellwert überschreitet. In an exemplary embodiment of the present invention, a circuit can additionally be used which provides a value which represents a property of the current flowing through the power semiconductor switch. The control circuit switches off the power semiconductor switch when the current flowing through the power semiconductor switch exceeds a current threshold value.
Dabei kann der Stromschwellwert fest vorgegeben sein oder über einen Eingang der integrierten Schaltung eingegeben wer den . The current threshold value can be fixed or entered via an input of the integrated circuit.
Vorzugsweise werden alle Elemente der erfindungsgemäßen inte grierten Schaltung auf einem einheitlichen Die realisiert. Alternativ werden der Leistungshalbleiterschalter auf einem ersten Die und die sonstigen Elemente auf einem weiteren Die realisiert und in einem einheitlichen Gehäuse zur integrier ten Schaltung verbunden. All elements of the integrated circuit according to the invention are preferably implemented on a uniform die. Alternatively, the power semiconductor switch is implemented on a first die and the other elements on a further die and connected in a uniform housing to form the integrated circuit.
Die Integration des Leistungshalbleiterschalters und zumin dest der den Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter steuerung auswertenden Ansteuerung gemäß der vorliegenden Er findung bietet gegenüber der mit herkömmlicher Technik reali sierbaren externen Beschaltung eines Leistungshalbleiter schaltungsmoduls mehrere Vorteile. Zum einen werden parasitä re Elemente, insbesondere parasitäre Kapazitäten und Indukti vitäten, auf ein Minimum reduziert. Die Auswirkungen der er findungsgemäß integrierten Ansteuerung sind aufgrund der kur zen Signalleitungen insbesondere bei hohen Betriebsfrequenzen erheblich geringer als bei einer externen Beschaltung. Die Robustheit der Schaltung gegenüber Störungen, die zwangsläu fig durch das Schalten hervorgerufen werden, erhöht sich deutlich; die Signallaufzeiten innerhalb der Schaltung sind minimal . Insbesondere für neuartige Leistungshalbleiterschalter auf Basis von GaN oder SiC, welche sehr hohe Schaltgeschwindig keiten und -frequenzen ermöglichen, wird eine hinreichend schnelle Ansteuerung des Leistungshalbleitschalters durch die vorliegende Erfindung überhaupt erst ermöglicht. The integration of the power semiconductor switch and at least the control evaluating the voltage drop across the power semiconductor controller according to the present invention offers several advantages over the external wiring of a power semiconductor circuit module that can be realized with conventional technology. On the one hand, parasitic elements, especially parasitic capacitances and inductances, are reduced to a minimum. The effects of the control system integrated in accordance with the invention are, due to the short signal lines, particularly at high operating frequencies, considerably less than with external wiring. The robustness of the circuit against disturbances that are inevitably caused by switching, increases significantly; the signal transit times within the circuit are minimal. In particular for novel power semiconductor switches based on GaN or SiC, which enable very high switching speeds and frequencies, a sufficiently fast control of the power semiconductor switch is made possible by the present invention.
Ferner ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen durch die Integration der Ansteuerschaltung und des Leistungshalb leiterschalters in einer einheitlichen integrierten Schaltung gegenüber der mit herkömmlicher Technik realisierbaren exter nen Beschaltung eines Leistungshalbleiterschaltungsmoduls. Dies gilt für alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er findung und in besonderem Maße für das Ausführungsbeispiel, bei dem alle Elemente auf einem einheitlichen Die realisiert werden . Furthermore, considerable cost savings result from the integration of the control circuit and the power semiconductor switch in a uniform integrated circuit compared to the external wiring of a power semiconductor circuit module that can be implemented using conventional technology. This applies to all exemplary embodiments of the present invention and in particular to the exemplary embodiment in which all elements are implemented on a uniform die.
Schließlich ergibt sich ein deutlich verringerter Platzbedarf durch die Integration in einer einheitlichen integrierten Schaltung, durch den sich weitere Kosten- und andere Vorteile ergeben (z.B. geringerer Platzbedarf der elektronischen Kom ponenten, kompaktere Bauform des Gesamtsystems) . Finally, there is a significantly reduced space requirement due to the integration in a uniform integrated circuit, which results in further cost and other advantages (e.g. lower space requirement of the electronic components, more compact design of the overall system).
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und einer Schaltung zur Bereitstellung eines eine Eigenschaft des durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stroms repräsentierenden Wertes sowie einer Ansteuerschaltung, wel che den Leistungshalbleiterschalter abschaltet, wenn der durch den Leistungshalbleiterschalter fließende Strom einen Stromschwellwert überschreitet. A second aspect of the present invention relates to an integrated circuit with a power semiconductor switch and a circuit for providing a value representing a property of the current flowing through the power semiconductor switch, as well as a control circuit that switches off the power semiconductor switch when the current flowing through the power semiconductor switch exceeds a current threshold value.
Dabei kann der Stromschwellwert fest vorgegeben sein oder über einen Eingang der integrierten Schaltung eingegeben wer den . The current threshold value can be fixed or entered via an input of the integrated circuit.
In beiden Aspekten der vorliegenden Erfindung kann die inte grierte Schaltung in Ausführungsbeispielen mit einem Ausgang zur Ausgabe des aktuellen Schaltzustands des Leistungshalb- leiterschalters ausgestattet sein, beispielsweise um eine Synchronisation mit einer übergeordneten Steuerung zu ermög lichen . In both aspects of the present invention, the integrated circuit in embodiments with an output for outputting the current switching state of the power half be equipped with a conductor switch, for example to enable synchronization with a higher-level controller.
Die Erfindung betrifft ferner ein System mit einer integrier ten Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem sol chen System bietet die vorliegende Erfindung eine enorme Ver einfachung bei gleichzeitiger Performancesteigerung. So kön nen beispielsweise Halbbrücken mit nur einem Ansteuersignal optimal angesteuert werden und das aufwendige Berechnen von Timings kann ebenso entfallen wie aufwendige, in das System zu integrierende Messschaltungen. Insbesondere bei aufwendi geren Topologien, z.B. Multilevel-Topologien, die aus mehre ren Halbbrücken bestehen, können so wesentlich einfachere DSPs oder Mikrocontroller eingesetzt werden, weil sowohl die Anzahl an PWM-Modulen als auch die benötigte Rechenleistung drastisch reduziert werden. The invention also relates to a system with an integrated circuit according to the present invention. In such a system, the present invention offers an enormous simplification with a simultaneous increase in performance. Half bridges, for example, can be optimally controlled with just one control signal, and the time-consuming calculation of timings can be dispensed with, as can time-consuming measuring circuits to be integrated into the system. In particular with more complex topologies, e.g. Multilevel topologies, which consist of several half bridges, can be used with much simpler DSPs or microcontrollers because both the number of PWM modules and the required computing power are drastically reduced.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er findung anhand von zwei Zeichnungen in schematischer Darstel lung näher erläutert. In the following, embodiments of the present invention are explained in more detail with reference to two drawings in schematic presen- tation.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine integrierte Schaltung 100 umfasst einen Leis tungshalbleiterschalter 110 und eine Vorrichtung 120 zur Er mittlung des Spannungsabfalls über dem Leistungshalbleiter schalter. Eine Schaltung 140 stellt einen eine Eigenschaft des Spannungsabfalls über dem Leistungshalbleiterschalter re präsentierenden Wert bereit. Im Beispiel der Fig. 1 wird der die Eigenschaft des Spannungsabfalls über dem Leistungshalb leiterschalter repräsentierende Wert durch Vergleich mit ei nem Spannungsschwellwert Vthr ermittelt. Vthr kann dabei in digitaler Form in einem Speicher 141 gespeichert sein oder als analoger Wert in die Schaltung 140 eingegeben werden. Bei Vthr kann es sich um einen fest eingestellten Spannungs schwellwert handeln. Bei der Schaltung 140 kann es sich um eine Vergleicherschaltung handeln, die den von der Vorrich tung 120 ausgegebenen Spannungswert mit dem Schwellwert Vthr vergleicht und das Vergleichsergebnis als Binärwert bereit stellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Vthr =Fig. 1 shows a first embodiment of the present invention. An integrated circuit 100 comprises a power semiconductor switch 110 and a device 120 for determining the voltage drop across the power semiconductor switch. A circuit 140 provides a value representing a property of the voltage drop across the power semiconductor switch. In the example of FIG. 1, the value representing the property of the voltage drop across the power semiconductor switch is determined by comparison with a voltage threshold value Vthr. Vthr can be stored in digital form in a memory 141 or input into circuit 140 as an analog value. Vthr can be a fixed voltage threshold. The circuit 140 can be a comparator circuit which compares the voltage value output by the device 120 with the threshold value Vthr compares and provides the comparison result as a binary value. In a preferred embodiment, Vthr =
0 Volt gewählt und der von Schaltung 140 ausgegebene Wert re präsentiert in diesem Fall die Polarität des Spannungsabfalls über dem Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise in digi taler Form, wobei die Schaltung 140 so ausgestaltet sein kann, dass ein Ausgabewert "1" bedeutet, dass der Spannungs abfall über dem Leistungshalbleiterschalter negativ ist. 0 volts is selected and the value re output by circuit 140 in this case represents the polarity of the voltage drop across the power semiconductor switch, for example in digital form, whereby circuit 140 can be designed so that an output value "1" means that the voltage drop is negative across the power semiconductor switch.
Die Ausgabe der Schaltung 140 wird an eine Ansteuerschaltung geliefert, welche den Leistungshalbleiterschalter ansteuert. Im einfachsten Fall (nicht dargestellt) wird das Ausgabesig nal der Schaltung 140 direkt an eine Treiberschaltung 130 ge liefert, welche den Leistungshalbleiterschalter einschaltet, wenn die Ausgabe der Schaltung 140 einen bestimmten Wert an nimmt oder innerhalb eines bestimmten Wertebereiches liegt.The output of the circuit 140 is supplied to a control circuit which controls the power semiconductor switch. In the simplest case (not shown) the output signal of the circuit 140 is supplied directly to a driver circuit 130 which turns on the power semiconductor switch when the output of the circuit 140 assumes a certain value or is within a certain value range.
In einer digitalen Ausführung würde beispielsweise ein Ausga bewert "1" der Schaltung 140 eine Bereitstellung einer ent sprechenden Leistungshalbleitereinschaltspannung durch die Treiberschaltung 130 bewirken und der Leistungshalbleiter schalter 110 würde eingeschaltet werden. Ein digitaler Einga bewert "0" am Eingang der Treiberschaltung hingegen würde die Abschaltung der Leistungshalbleitereinschaltspannung am Aus gang der Treiberschaltung 130 bewirken und der Leistungshalb leiterschalter würde ausgeschaltet werden. In a digital embodiment, for example, an output valued “1” of the circuit 140 would cause a corresponding power semiconductor switch-on voltage to be provided by the driver circuit 130 and the power semiconductor switch 110 would be switched on. A digital input valued "0" at the input of the driver circuit, however, would cause the shutdown of the power semiconductor switch-on voltage at the output of the driver circuit 130 and the power semiconductor switch would be switched off.
In einer ersten Erweiterung des einfachsten Falls wird die Ansteuerschaltung um einen Zeitgeber 150 erweitert, der nach Ablauf einer bestimmten Zeit ein Signal ausgibt, welches ein Einschalten des Leistungshalbleiterschalters unabhängig von der Auswertung des Spannungsabfalls über dem Leistungshalb leiterschalter bewirkt. Mit dieser Schaltung kann sicherge stellt werden, dass der Leistungshalbleiterschalter auch ein geschaltet wird, wenn die Spannung z.B. aufgrund eines un günstigen Arbeitspunktes den Spannungsschwellwert nicht er reicht. Dabei kann der Zeitgeber so ausgestaltet sein, dass das Signal zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters nur für eine bestimmte Zeit ausgegeben und dann wieder deak- tiviert wird und sich dies periodisch wiederholt. Die Totzeit des Zeitgebers, d.h. die Zeit, die nach Aktivierung des Zeit gebers vergeht, bevor der Zeitgeber das Signal ausgibt, wel ches ein Einschalten des Leistungshalbleiterschalters unab hängig von der Auswertung des Spannungsabfalls über dem Leis tungshalbleiterschalter bewirkt, kann dabei fest vorgegeben oder über einen Eingang der integrierten Schaltung (nicht dargestellt) eingegeben werden. In a first extension of the simplest case, the control circuit is extended by a timer 150 which, after a certain time has elapsed, outputs a signal which causes the power semiconductor switch to be switched on regardless of the evaluation of the voltage drop across the power semiconductor switch. With this circuit it can be ensured that the power semiconductor switch is also switched on if the voltage does not reach the voltage threshold value, for example due to an unfavorable operating point. The timer can be designed so that the signal for switching on the power semiconductor switch is only output for a certain time and then deactivated again. is activated and this is repeated periodically. The dead time of the timer, ie the time that elapses after the timer is activated before the timer outputs the signal that causes the power semiconductor switch to be switched on regardless of the evaluation of the voltage drop across the power semiconductor switch, can be preset or via a Input of the integrated circuit (not shown) can be entered.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Aktivierungs- o- der Steuersignal an einem Eingang 101 der integrierten Schal tung zur Verfügung gestellt, welches die Ansteuerschaltung der integrierten Schaltung aktiviert. Durch die Ansteuer schaltung wird sichergestellt, dass ein Einschalten des Leis tungshalbleiterschalters nur erfolgt, wenn das Aktivierungs signal "aktiv" signalisiert. In einer praktischen Anwendung dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels wird durch eine der integrierten Schaltung übergeordnete Steuerung (nicht darge stellt) ein positives Steuersignal an die integrierte Schal tung geleitet. Ein Leistungshalbleiterschalter gemäß des Standes der Technik würde ansprechend auf dieses positive Steuersignal unmittelbar einschalten, ungeachtet des aktuel len Zustands - das Einhalten des optimalen SchaltZeitpunkts wäre nicht gewährleistet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Leistungshalbleiterschalter nur dann eingeschaltet, wenn zusätzlich zum Aktivierungssignal am Eingang 101 die Be dingung "Spannung unterhalb des Schwellwertes" erfüllt ist oder der durch das Aktivierungssignal gestartete Zeitgeber 150 den Ablauf einer bestimmten Zeitdauer signalisiert. Auf diese Weise kann der optimale SchaltZeitpunkt immer sehr ge nau getroffen werden. Durch die Integration in der integrier ten Schaltung selbst sind sehr kleine Latenzen sowie eine ho he Störfestigkeit erreichbar. Zusätzlich kann der integrierte Treiber 130 optimal auf den jeweiligen Leistungshalbleiter schalter abgestimmt werden. In a preferred embodiment, an activation or control signal is made available at an input 101 of the integrated circuit, which activates the control circuit of the integrated circuit. The control circuit ensures that the power semiconductor switch is only switched on when the activation signal signals "active". In a practical application of this preferred exemplary embodiment, a positive control signal is passed to the integrated circuit by a controller (not shown) which is superordinate to the integrated circuit. A power semiconductor switch according to prior art would turn on in response to this positive control signal immediately, regardless of the state aktuel len - the observance of the optimal switching Z eitpunkts would not be ensured. In the preferred embodiment, the power semiconductor switch is only switched on if, in addition to the activation signal at input 101, the condition "voltage below the threshold" is met or the timer 150 started by the activation signal signals the expiry of a certain period of time. In this way, the optimum switching Z can eitpunkt always ge nau be taken. Due to the integration in the integrated circuit itself, very low latencies and high interference immunity can be achieved. In addition, the integrated driver 130 can be optimally matched to the respective power semiconductor switch.
Schaltungstechnisch kann dieses bevorzugte Ausführungsbei spiel realisiert werden, indem das Aktivierungssignal und das von der Vergleicherschaltung 140 gelieferte Signal mittels einer Logik-UND-Schaltung 160 verknüpft werden. Das Ergebnis dieser UND-Verknüpfung wird mittels einer Logik-ODER- Schaltung 161 mit der Ausgabe der Zeitgeberschaltung 150 ver knüpft, so dass entweder das Vorliegen eines Aktivierungssig nals = 1 UND eines Vergleichsergebnisses = 1 des Vergleichs des Spannungsabfalls über dem Leistungshalbleiterschalter mit Vthr ODER das Vorliegen des Signals = 1 vom Zeitgeber 150 nach Ablauf dessen definierter Zeitspanne den Leistungshalb leiterschalter einschaltet. Der Zeitgeber wird dabei durch das Aktivierungssignal = 1 gestartet und bewirkt ein Ein schalten des Leistungshalbleiterschalters nach einer defi nierten Zeitspanne. Dies erfolgt aufgrund der ODER Verknüp fung unabhängig davon, ob der Spannungsabfall über dem Leis tungshalbleiterschalter Vthr unterschreitet oder nicht. In terms of circuitry, this preferred Ausführungsbei can be implemented game by the activation signal and the The signal supplied by the comparator circuit 140 can be linked by means of a logic AND circuit 160. The result of this AND operation is linked to the output of the timer circuit 150 by means of a logic OR circuit 161, so that either the presence of an activation signal = 1 AND a comparison result = 1 of the comparison of the voltage drop across the power semiconductor switch with Vthr OR the The presence of the signal = 1 from the timer 150 turns on the power semiconductor switch after the defined time span has elapsed. The timer is started by the activation signal = 1 and causes the power semiconductor switch to switch on after a defined period of time. This is done due to the OR link regardless of whether the voltage drop across the power semiconductor switch falls below Vthr or not.
Um zu verhindern, dass der Leistungshalbleiterschalter ausge schaltet wird, wenn sich durch den Einschaltvorgang zwangs läufig der Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiterschal ter ändert und sich das Ausgabesignal der Vergleicherschal tung 140 entsprechend auf "0" ändert, kann eine "Hold" Schal tung vorgesehen werden, die bewirkt, dass nach Unterschreiten von Vthr weiterhin eine "1" geliefert wird, auch wenn durch das Einschalten das Unterschreiten von Vthr unmittelbar en det. Diese "Hold" Schaltung kann beispielsweise in die Ver gleicherschaltung 140 integriert werden. Im Beispiel der Fig. 1 ist die "Hold" Schaltung in Form eines Flip-Flop 162 reali siert, das am Set-Eingang die Ausgabe der Vergleicherschal tung 140 empfängt und eine einmal am Set-Eingang empfangene "1" als "1" am Q-Ausgang ausgibt, bis am Reset-Eingang eine "1" angelegt wurde. Am Reset-Eingang des Flip-Flop 162 wird das über eine NOT-Schaltung 163 negierte Aktivierungs- oder Steuersignal eingegeben, das über den Eingang 101 eingegeben wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Flip-Flop 162 einerseits zurückgesetzt wird (und bleibt) und entsprechend der Q-Ausgang des Flip-Flop 162 eine "0" ausgibt, solange das Aktivierungssignal nicht angelegt ist bzw. inaktiv ("0") ist, und andererseits das Flip-Flop 162 auf die Eingabe am Set- Eingang wartet, solange das Aktivierungssignal aktiv ("1") ist . To prevent the power semiconductor switch from being switched off if the switch-on process inevitably changes the voltage drop across the power semiconductor switch and the output signal of the comparator circuit 140 changes accordingly to "0", a "hold" circuit can be provided. which has the effect that a "1" is still supplied after Vthr is undershot, even if the undershooting of Vthr ends immediately after switching on. This “hold” circuit can be integrated into the comparator circuit 140, for example. In the example of FIG. 1, the "Hold" circuit is realized in the form of a flip-flop 162, which receives the output of the comparator circuit 140 at the set input and a "1" received once at the set input as "1" on Outputs the Q output until a "1" has been applied to the reset input. The activation or control signal negated via a NOT circuit 163, which is input via input 101, is input to the reset input of flip-flop 162. In this way it is achieved that the flip-flop 162 is reset on the one hand (and remains) and accordingly the Q output of the flip-flop 162 outputs a "0" as long as the activation signal is not applied or inactive ("0") on the other hand, the flip-flop 162 on the input on the set Input waits as long as the activation signal is active ("1").
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungs beispiel weist das in Fig. 2 dargestellte einige zusätzliche Komponenten auf, die zur Erfassung und Auswertung des Strom flusses durch den Leistungshalbleiterschalter und insbesonde re zur Peakstromregelung dienen. Diese Komponenten werden im Folgenden näher erläutert. Alle sonstigen Komponenten ent sprechen den in Fig. 1 dargestellten, auf eine Wiederholung ihrer Beschreibung wird hier verzichtet. Es gilt die Konkor danz lxx A 2xx, beispielsweise Leistungshalbleiterschalter 110 trägt in Fig. 2 das Bezugszeichen 210 und im Übrigen gilt die Beschreibung zur Fig. 1 auch für Fig. 2, wenn im Folgen den nicht anders angegeben. Fig. 2 shows a second embodiment of the present invention. Compared to the embodiment shown in FIG. 1, the one shown in FIG. 2 has some additional components that are used to detect and evaluate the current flow through the power semiconductor switch and, in particular, for peak current regulation. These components are explained in more detail below. All other components correspond to those shown in FIG. 1, and their description will not be repeated here. The concordance lxx A 2xx applies, for example power semiconductor switch 110 bears the reference numeral 210 in FIG. 2 and the description for FIG. 1 also applies to FIG. 2, unless otherwise stated below.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel erweitert die integrierte Schaltung aus Fig. 1 um eine Schaltung 245 zur Bereitstellung eines eine Eigenschaft des durch den Leis tungshalbleiterschalter 210 fließenden Stroms repräsentieren den Wertes, wobei die Ansteuerschaltung den Leistungshalb leiterschalter 210 dann abschaltet, wenn der durch den Leis tungshalbleiterschalter fließende Strom einen Stromschwell wert überschreitet. The embodiment shown in Fig. 2 expands the integrated circuit of Fig. 1 by a circuit 245 for providing a property of the current flowing through the power semiconductor switch 210 representing the value, the control circuit then switching off the power semiconductor switch 210 when the through the Power semiconductor switch exceeds a current threshold value.
Gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung weist eine erfindungsgemäße integrierte Schaltung zwar die Schal tung 245 und eine Ansteuerschaltung zum Abschalten des Leis tungshalbleiterschalters ansprechend auf das Überschreiten eines Stromschwellwertes auf, nicht jedoch die im Zusammen hang mit Fig. 1 erläuterten Mittel zum Einschalten des Leis tungshalbleiters bei Erreichen eines Spannungsschwellwertes. Im Interesse einer kompakten Darstellung wird hier auf die isolierte Darstellung des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung verzichtet, da die Erläuterungen zum zweiten Aspekt der Erfindung im Wesentlichen mit den Erläuterungen zu den in Fig. 2 gegenüber Fig. 1 hinzutretenden Elementen 204, 225, 245, 270 übereinstimmen. According to the second aspect of the present invention, an integrated circuit according to the invention has the circuit 245 and a control circuit for switching off the power semiconductor switch in response to a current threshold value being exceeded, but not the means for switching on the power semiconductor explained in connection with FIG. 1 when a voltage threshold is reached. In the interest of a compact illustration, the isolated illustration of the second aspect of the present invention is dispensed with here, since the explanations relating to the second aspect of the invention essentially correspond to the explanations relating to the FIGS Fig. 2 compared to Fig. 1, elements 204, 225, 245, 270 to be added coincide.
Um den Leistungshalbleiterschalter 210 dann abzuschalten, wenn der durch den Leistungshalbleiterschalter fließende Strom einen Stromschwellwert überschreitet, wird durch eine Strommessvorrichtung 225 der durch den Leistungshalbleiter schalter fließende Strom gemessen, beispielsweise mittels ei ner Messschaltung (nicht im Detail dargestellt) , die einen geringen, aber auswertbaren Spannungsabfall über einem niede rohmigen Messwiderstand im durch den Leistungshalbleiter schalter 210 geschalteten Strompfad zwischen den Pins 201 und 202 der integrierten Schaltung 200 hervorruft. In order to switch off the power semiconductor switch 210 when the current flowing through the power semiconductor switch exceeds a current threshold value, the current flowing through the power semiconductor switch is measured by a current measuring device 225, for example by means of a measuring circuit (not shown in detail), which has a low but evaluable Voltage drop across a low raw measuring resistor in the current path switched by the power semiconductor switch 210 between the pins 201 and 202 of the integrated circuit 200.
Dieser gemessene Strom wird als Analog- oder Digitalwert ei ner Vergleicherschaltung 245 zugeführt. Der Vergleicherschal tung 245 wird außerdem ein Stromschwellwert zugeführt, eben falls in analoger oder digitaler Form. Der Stromschwellwert wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel über einen Eingang 204 der integrierten Schaltung von einer übergeordneten Steu erung bereitgestellt, kann aber auch als Festwert in der in tegrierten Schaltung direkt hinterlegt sein (nicht darge stellt) . Das Ergebnis des Vergleichs des gemessenen Wertes für den Strom durch den Leistungshalbleiterschalter 210 mit dem Stromschwellwert wird verwendet, um den Leistungshalb leiterschalter auszuschalten, wenn der Stromschwellwert über schritten wird. Auf diese Weise wird eine Peakstromregelung (genauer gesagt eine Peakstromabschaltung) implementiert, die insbesondere bei großen Stromänderungen di/dt, die beispiels weise bei Ausnutzung der Möglichkeiten neuer Technologien wie GaN oder SiC Vorkommen, eine robuste und präzise Regelung des Stroms ermöglicht. This measured current is fed to a comparator circuit 245 as an analog or digital value. The comparator circuit 245 is also supplied with a current threshold value, also if in analog or digital form. In the preferred exemplary embodiment, the current threshold value is provided by a higher-level controller via an input 204 of the integrated circuit, but it can also be stored directly as a fixed value in the integrated circuit (not shown). The result of the comparison of the measured value for the current through the power semiconductor switch 210 with the current threshold value is used to switch off the power semiconductor switch when the current threshold value is exceeded. In this way, a peak current control (more specifically, a peak power off) implemented the / dt especially with large current changes di, the example orkommen, in exploiting the potential of new technologies such as GaN or SiC V, enables a robust and precise control of the flow.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird das Ergebnis des Ver gleichs des gemessenen Wertes für den Strom durch den Leis tungshalbleiterschalter 210 mit dem Stromschwellwert vorzugs weise als digitaler Wert "0" oder "1" an den Reset-Eingang eines zweiten Flip-Flop 270 geliefert und zwar derart, dass eine "1" ausgegeben wird und damit das Flip-Flop 270 zurück setzt und dort eine Ausgabe am Q-Ausgang von "0" erzeugt, wenn der Strom durch den Leistungshalbleiterschalter den Stromschwellwert (= Peakstrom) überschreitet. Am Set-Eingang des Flip-Flop 270 wird das über Eingang 201 eingespeiste Ak tivierungssignal aufgeschaltet, so dass am Q-Ausgang des Flip-Flop dann und nur dann eine "1" anliegt, wenn das Akti vierungssignal aktiv ("1") ist und gleichzeitig der Strom durch den Leistungshalbleiterschalter unter dem Stromschwell wert liegt. In the embodiment of FIG. 2, the result of comparing the measured value for the current through the power semiconductor switch 210 with the current threshold value is preferably supplied as a digital value "0" or "1" to the reset input of a second flip-flop 270 in such a way that a "1" is output and thus resets the flip-flop 270 and there generates an output of "0" at the Q output when the current through the power semiconductor switch exceeds the current threshold value (= peak current). At the set input of flip-flop 270, the activation signal fed in via input 201 is switched on so that a "1" is present at the Q output of the flip-flop and only when the activation signal is active ("1") and at the same time the current through the power semiconductor switch is below the current threshold.
Die Ausgabe des Flip-Flop wird mittels Logik-UND-Schaltung 271 mit der Ausgabe der Logik-ODER-Schaltung 261 verknüpft, so dass im Ergebnis folgende funktionale Abhängigkeiten rea lisiert werden: The output of the flip-flop is linked to the output of the logic OR circuit 261 by means of a logic AND circuit 271, so that the following functional dependencies are implemented as a result:
- Grundzustand: Aktivierungssignal = 0, Leistungshalb - Basic status: activation signal = 0, power half
leiterschalter aus circuit switch off
- Leistungshalbleiterschalter einschalten: Aktivierungs signal = 1, Spannungsabfall über Leistungshalbleiter schalter < Spannungsschwellwert ODER Zeit im Zeitgeber 250 abgelaufen (UND Strom durch den Leistungshalbleiter schalter < Stromschwellwert) - Switch on the power semiconductor switch: Activation signal = 1, voltage drop across the power semiconductor switch <voltage threshold OR time in timer 250 has expired (AND current through the power semiconductor switch <current threshold)
- Leistungshalbleiter eingeschaltet: Aktivierungssignal = 1, Spannungsabfall über Leistungshalbleiterschalter un erheblich, Strom durch den Leistungshalbleiterschalter < Stromschwellwert - Power semiconductor switched on: Activation signal = 1, voltage drop across the power semiconductor switch insignificant, current through the power semiconductor switch <current threshold value
- Leistungshalbleiterschalter ausschalten: Aktivierungs signal = 0 ODER Strom durch den Leistungshalbleiter schalter > Stromschwellwert - Switch off the power semiconductor switch: Activation signal = 0 OR current through the power semiconductor switch> current threshold
In weiteren Ausführungsbeispielen kann der der Treiberschal tung 130, 230 zugeführte (digitale) Leistungsschalteransteu- erbefehl an einem Ausgang 205 (nicht dargestellt im Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 1, aber auch dort ohne weiteres reali sierbar) der integrierten Schaltung für eine übergeordnete Steuerung oder für Funktionsüberwachungszwecke bereitgestellt werden . Natürlich ist es möglich, die in dieser Beschreibung teils abstrakt, teils anhand konkreter Schaltungstechnik beschrie benen Funktionen auch mittels anderer Schaltungstechnik zu realisieren . In further exemplary embodiments, the (digital) circuit breaker control command fed to the driver circuit 130, 230 can be output at an output 205 (not shown in the exemplary embodiment in FIG. 1, but also easily implemented there) of the integrated circuit for a higher-level controller or for Function monitoring purposes are provided. Of course, it is possible to implement the functions described in this description, partly abstractly and partly using specific circuit technology, also using other circuit technology.
Besonders vorteilhaft ist es, sämtliche Schaltungselemente einschließlich der Leistungshalbleiterschalter auf einem ge meinsamen Die zu realisieren. Wo dies aufgrund der verwende ten Halbleitertechnologie (noch) nicht vollständig möglich ist, können mehrere Dies verwendet werden, die in einem ge meinsamen Gehäuse zu einer integrierten Schaltung zusammenge fasst werden. Beispielsweise können die Leistungshalbleiter schalter (mit oder ohne Messschaltungen 220, 225) auf einem Die und die restlichen Schaltungselemente auf einem weiteren Die realisiert und in einem gemeinsamen Gehäuse zu einer in tegrierten Schaltung zusammengefasst werden. Auch die Reali sierung auf mehreren Dies bietet immer noch erhebliche Vor teile gegenüber der externen Beschaltung des Leistungshalb leiterschalters . It is particularly advantageous to implement all of the circuit elements including the power semiconductor switches on a common die. Where this is not (yet) completely possible due to the semiconductor technology used, several dies can be used, which are combined in a common housing to form an integrated circuit. For example, the power semiconductor switches (with or without measuring circuits 220, 225) can be implemented on one die and the remaining circuit elements on a further die and combined in a common housing to form an integrated circuit. Even the implementation on several dies still offers considerable advantages compared to the external wiring of the power semiconductor switch.
Die vorstehende Beschreibung stellt nur die bevorzugten Aus führungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht als Defi nition der Grenzen und des Bereiches der Erfindung dienen. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen gehören zum Schutzbereich der beigefügten Ansprüche. The above description is only of the preferred exemplary embodiments of the invention and is not intended to serve as a definition of the limits and scope of the invention. All equivalent changes and modifications are within the scope of the appended claims.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Integrierte Schaltung (100, 200) mit einem Leistungshalb leiterschalter (110, 210) und einer Vorrichtung (120, 220) zur Ermittlung des Spannungsabfalls über dem Leistungshalb leiterschalter sowie einer Ansteuerschaltung, welche den Leistungshalbleiter einschaltet, wenn der Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiterschalter einen Spannungsschwell wert (141, 241) unterschreitet. 1. Integrated circuit (100, 200) with a power semiconductor switch (110, 210) and a device (120, 220) for determining the voltage drop across the power semiconductor switch and a control circuit which switches on the power semiconductor when the voltage drop across the power semiconductor switch is a Voltage threshold value (141, 241) falls below.
2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher der Spannungsschwellwert (141, 241) auf einen festen Wert einge stellt ist. 2. Integrated circuit according to claim 1, wherein the voltage threshold value (141, 241) is set to a fixed value.
3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, bei welcher der Spannungsschwellwert (141, 241) 0 Volt beträgt. 3. Integrated circuit according to claim 2, wherein the voltage threshold value (141, 241) is 0 volts.
4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher der Spannungsschwellwert über einen Eingang der integrierten Schaltung vorgebbar ist. 4. Integrated circuit according to claim 1, in which the voltage threshold value can be predetermined via an input of the integrated circuit.
5. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, deren Ansteuerschaltung einen Zeitgeber (150, 250) aufweist, der nach Ablauf einer bestimmten Zeit ein Signal ausgibt sowie Mittel zum Einschalten des Leistungshalbleiters ansprechend auf das vom Zeitgeber ausgegebene Signal unabhän gig vom Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter. 5. Integrated circuit according to one of the preceding claims, the control circuit of which has a timer (150, 250) which outputs a signal after a certain time has elapsed and means for switching on the power semiconductor in response to the signal output by the timer regardless of the voltage drop across the Power semiconductors.
6. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, deren Ansteuerschaltung ein über einen Eingang (101, 201) der integrierten Schaltung eingebbares Aktivierungssig nal auswertet und den Leistungshalbleiterschalter nur ein schaltet, wenn zusätzlich das Aktivierungssignal den Zustand "aktiv" signalisiert. 6. Integrated circuit according to one of the preceding claims, the control circuit of which evaluates an activation signal that can be input via an input (101, 201) of the integrated circuit and only switches the power semiconductor switch on when the activation signal also signals the "active" state.
7. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, die zusätzlich eine Schaltung (245) zur Bereitstel lung eines eine Eigenschaft des durch den Leistungshalb- leiterschalter fließenden Stroms repräsentierenden Wertes aufweist und deren Ansteuerschaltung den Leistungshalbleiter schalter abschaltet, wenn der durch den Leistungshalbleiter schalter fließende Strom einen Stromschwellwert überschrei tet . 7. Integrated circuit according to one of the preceding claims, which additionally has a circuit (245) for the provision of a property of the power half Conductor switch having flowing current representative value and the control circuit switches off the power semiconductor switch when the current flowing through the power semiconductor switch exceeds a current threshold value.
8. Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, bei welcher der Stromschwellwert über einen Eingang (204) der integrierten Schaltung eingebbar ist. 8. Integrated circuit according to claim 7, in which the current threshold value can be input via an input (204) of the integrated circuit.
9. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche mit einem Ausgang (205) zur Ausgabe des aktuellen Schaltzustands des Leistungshalbleiterschalters. 9. Integrated circuit according to one of the preceding claims with an output (205) for outputting the current switching state of the power semiconductor switch.
10. Integrierte Schaltung (200) mit einem Leistungshalb leiterschalter (210) und einer Schaltung (245) zur Bereit stellung eines eine Eigenschaft des durch den Leistungshalb leiterschalter fließenden Stroms repräsentierenden Wertes so wie einer Ansteuerschaltung, welche den Leistungshalbleiter schalter abschaltet, wenn der durch den Leistungshalbleiter schalter fließende Strom einen Stromschwellwert überschrei tet . 10. Integrated circuit (200) with a power semiconductor switch (210) and a circuit (245) for providing a value representing a property of the current flowing through the power semiconductor switch, as well as a control circuit that turns off the power semiconductor switch when the through the Power semiconductor switch current flowing exceeds a current threshold value.
11. Integrierte Schaltung nach Anspruch 10, bei welcher der Stromschwellwert über einen Eingang (204) der integrierten Schaltung eingebbar ist. 11. Integrated circuit according to claim 10, wherein the current threshold value can be input via an input (204) of the integrated circuit.
12. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 10 oder 11 mit einem Ausgang (205) zur Ausgabe des aktuellen Schaltzu stands des Leistungshalbleiterschalters. 12. Integrated circuit according to one of claims 10 or 11 with an output (205) for outputting the current Schaltzu status of the power semiconductor switch.
13. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei der alle Elemente auf einem einheitlichen Die realisiert werden. 13. Integrated circuit according to one of the preceding claims, in which all elements are implemented on a uniform die.
14. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Leistungshalbleiterschalter auf einem ersten Die und die sonstigen Elemente auf einem weiteren Die realisiert und in einem einheitlichen Gehäuse zur integrierten Schaltung verbunden werden. 14. Integrated circuit according to one of claims 1 to 12, in which the power semiconductor switch is implemented on a first die and the other elements on a further die and connected in a unitary housing to form the integrated circuit.
15. System mit einer integrierten Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 15. System with an integrated circuit according to one of the preceding claims.
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