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Dokumentenidentifikation DE4241237A1 17.06.1993
Titel Steuerkreis für einen Halbleiterschalter
Anmelder ABB Strömberg Drives Oy, Helsinki, FI
Erfinder Miettinen, Erkki, Helsinki, FI
Vertreter Hansmann, A., Dipl.-Wirtsch.-Ing.; Vogeser, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München; Boecker, J., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.- u. Rechtsanw., 6000 Frankfurt; Alber, N., Dipl.-Ing. Univ. Dipl.-Wirtsch.-Ing.Univ, Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 08.12.1992
DE-Aktenzeichen 4241237
Offenlegungstag 17.06.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.06.1993
IPC-Hauptklasse H03K 17/56
IPC-Nebenklasse H03K 17/08   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerkreis für einen Halbleiterschalter, umfassend eine Zeitlogikeinheit (1), ein erstes und ein zweites, durch die Zeitlogikeinheit gesteuertes Steuerglied (2, 3), einen ersten und einen zweiten Transformator (T1, T2), die das erste bzw. zweite Steuerglied (2, 3) mit einem unmodulierten Wechselspannungssignal (A, B) speisen, um den Halbleiterschalter in einen leitenden bzw. nichtleitenden Zustand zu steuern, und deren Sekundärwicklungen an ihren entgegengesetzten Enden an ein Bezugspotential (RP) angeschlossen sind, einen ersten und einen zweiten Gleichrichter (4, 5) zur Gleichrichtung von Gleichspannungen (V+, V-) entgegengesetzter Polarität aus einer über die Sekundärwicklungen der Transformatoren wirkenden Spannung (A, B), ein erstes und ein zweites Steuerglied (10, 11) zum Halten des Halbleiterschalters (12) in einem leitenden bzw. nichtleitenden Zustand und Kondensatoreinheiten (8, 9) zur Speicherung von Ein- bzw. Ausschaltenergie für den Halbleiterschalter.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Steuerkreis für einen Halbleiterschalter, mit einer Steuereinheit und einem daran angeschlossenen Transformator zur Erzeugung eines die Steuerdaten und die Steuerenergie des Halbleiterschalters enthaltenden Wechselspannungssignals für die Sekundärwicklung des Transformators, einem an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossenen Gleichrichter zur Erzeugung einer Gleichspannung für die Steuerung des Halbleiterschalters, einer Logikschaltung zur Trennung der in der Sekundärspannung des Transformators enthaltenen Steuerinformation von der Sekundärspannung und einem durch die Logikschaltung gesteuerten Steuerglied zur Steuerung des Halbleiterschalters, dessen Emitterelektrode an ein Bezugspotential angeschlossen ist.

Einen derartigen Steuerkreis für einen Halbleiterschalter, wie FET, hat zum Beispiel Unitrode Integrated Circuits Corporation, USA, für ihr Kreispaar UC3724 und UC3725 entworfen. Dank eines Transformators, der sowohl die erforderliche Leistung als auch die Befehlssignale liefert, ist der Schaltkreis galvanisch trennend. Um die Steuersignale über den Transformator zu bringen, wird eine Modulation des dem Transformator zuzuführenden Wechselspannungssignals, in diesem Fall eine Änderung im Betriebszyklus des Wechselspannungssignals, verwendet. Die im Kreis enthaltene Logikschaltung kann diese Änderung im Betriebszyklus wahrnehmen und aufgrund dieser Änderung das vom Kreis abgehende, zum Gitter des Halbleiterschalters zuzuführende Steuersignal, das den Halbleiterschalter entweder in einen leitenden oder nichtleitenden Zustand steuert, ändern.

Dieser Schaltkreis, auch wenn er in seinem Aufbau ziemlich einfach ist, weist jedoch einige Mängel auf. Erstens kann er das der Steuerelektrode des Halbleiterschalters zugeführte Potentialniveau nur von dem Bezugspotential, an das die Emitterelektrode des Halbleiterschalters angeschlossen ist, in ein positives Potential ändern, das in erster Linie von der Sekundärspannung des Transformatios bestimmt wird. Ferner setzt eine Änderung des Betriebszyklus des dem Transformator zuzuführenden Wechselspannungssignals den Einsatz von zu diesem Zweck geeigneten Kreiskonstruktionen voraus. Ebenfalls setzt die Wahrnehmung der Änderung des Betriebszyklus voraus, daß im Steuerkreis ein geeigneter Detektorkreis, wie ein Hysteresekomparator, vorgesehen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steuerkreis für einen Halbleiterschalter zu schaffen, bei dem das dem Transformator zuzuführende Wechselspannungssignal nicht moduliert zu werden braucht und bei dem die der Steuerelektrode des Halbleiterschalters zuzuführende Spannung neben einem positiven Wert auch einen negativen Wert erhalten kann. Somit ist ein erfindungsgemäßer Steuerkreis insbesondere zum Steuern von IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) geeignet, kann aber zuverlässig auch andere durch ein Gitter oder eine entsprechende Steuerelektrode steuerbare Halbleiterschalter, wie FET oder GTO-Thyristore, steuern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Steuerkreis für einen Halbleiterschalter dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Zeitlogikeinheit und ein erstes und ein zweites, durch die Zeitlogikeinheit gesteuertes Steuerglied aufweist und der Transformator einen ersten und einen zweiten Transformator aufweist, die das erste bzw. zweite Steuerglied mit einem unmodulierten Wechselspannungssignal speisen, um den Halbleiterschalter in einen leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand zu steuern, und deren Sekundärwicklungen an ihren entgegengesetzten Enden an das genannte Bezugspotential angeschlossen sind, der Gleichrichter einen ersten und einen zweiten Gleichrichter zur Gleichrichtung einer gegenüber dem Bezugspotential positiven bzw. negativen Gleichspannung aus einer über die Sekundärwicklungen der Transformatoren wirkenden Spannung aufweist, das durch die Logikschaltung gesteuerte Steuerglied ein erstes und ein zweites Steuerglied zum Halten des Halbleiterschalters in einem leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand aufweist, und daß der Steuerkreis ferner an die Ausgänge der Gleichrichter angeschlossene Kondensatoreinheiten zur Speicherung von Ein- bzw. Ausschaltenergie aufweist.

Dadurch, daß der Steuerkreis bezüglich der Zuführung des Steuersignals in zwei getrennte, parallele Wege eingeteilt ist, wobei über den einen ein den Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand steuerndes Signal und über den anderen ein den Halbleiterschalter in einen nicht-leitenden Zustand steuerndes Signal zugeführt wird, können diese Signale völlig ähnliche unmodulierte Wechselspannungssignale sein. Durch Anschließen der Transformatoren, über die die Wechselspannungssignale in den das Steuersignal des Halbleiterschalters erzeugenden Teil des Kreises geführt werden, an entgegengesetzten Enden ihrer Sekundärwicklungen an das Bezugpotential, an das auch die Emitterelektrode des Halbleiterschalters angeschlossen ist, ist gewährleistet, daß aus der Sekundärwicklung des Transformators sowohl ein gegenüber dem Bezugspotential positives als auch negatives Gleichspannungsniveau gleichgerichtet werden kann.

Für diese Gleichspannungsniveaus sind im Kreis auch Energiespeicher vorgesehen, die als Quelle des für das Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters benötigten Steuerstromes dienen. Besonders im Falle eines IGBT ist der erforderliche Steuerstrom zunächst verhältnismäßig stark, fällt aber nach erfolgtem Ein- oder Ausschalten rasch auf ein Niveau, das auch sehr niedrig sein kann.

Vorzugsweise umfaßt ein erfindungsgemäßer Steuerkreis ferner ein durch die Logikschaltung gesteuertes Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied zum Anschließen der Steuerelektrode des Halbleiterschalters an eine Ausschaltenergiequelle, wenn der durch den Halbleiterschalter durchfließende Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Wenn von der Zeitlogik über den einen Transformator nur positive Halbperioden in längeren Abständen und über den zweiten Transformator abwechseln mit diesen nur negative Halbperioden zugeführt werden, können die den Halbleiterschalter entweder in einen leitenden oder nicht-leitenden Zustand steuernden Steuerglieder dem steuernden Kreis entkoppelt werden. In dieser Situation kann die Steuerelektrode des Halbleiterschalters durch das Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied kontrolliert in ein negatives Potential gesteuert, wodurch ein kontrolliertes Ausschalten des Halbleiterschalters erzielt wird.

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßer Schaltkreis anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren näher erläutert, wobei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild dem Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltkreises und

Fig. 2 Signalformen, die bei der Betrachtung der Funktion des Schaltkreises gemäß Fig. 1 nützlich sind.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Steuerkreis umfaßt erstens eine Zeitlogik 1, die ein einen Halbleiterschalter 12 in einen leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand steuerndes Signal ON/, ein Taktsignal CLOCK und ein über einen Überstromzustand des Halbleiterschalters informierendes Signal OVER- CURRENT empfängt. Die Zeitlogikeinheit 1 steuert zwei Steuerglieder 2 und 3, die Transformatoren T1 und T2 mit einem Wechselspannungsrechtecksignal mit gewünschter Frequenz, beispielsweise etwa 2 MHz, speisen. Die Steuerglieder 2 und 3 werden abwechselnd so gesteuert, daß wenn die Zeitlogikeinheit ein den Halbleiterschalter 12 in einen leitenden Zustand steuerndes Befehlssignal ON empfängt, so speist nur das Steuerglied 2 den Transformator T1 mit einem Wechselspannungssignal der oben genannten Art, und wenn entsprechend der Schalter 12 in einen nicht-leitenden Zustand gesteuert und dort gehalten werden soll, so speist nur das Steuerglied 3 den Transformator T2 mit einem Wechselspannungssignal der oben genannten Art.

Die Sekundärwicklungen der Transformatoren T1 und T2 sind an ihren entgegengesetzten Polen an ein Bezugspotential RP angeschlossen. Die über diese Sekundärwicklungen wirkende Wechselspannung wird sowohl mit einem Gleichrichter 4 als auch mit einem Gleichrichter 5 gleichgerichtet. Diese Spannungen werden auch einer Niveauerkennungslogik 6 zugeführt, deren Aufgabe es ist zu erkennen, ob das Wechselspannungssignal durch den Transformator T1 oder durch den Transformator T2 zugeführt wird. Aufgrund dieser Information steuert die Niveauerkennungslogik 6 entweder ein Steuerglied 10 oder ein Steuerglied 11, von denen das Steuerglied 10 das Gitter des Schalters 12 an den Ausgang des Gleichrichters 4 und das Steuerglied 11 das Gitter des Schalters 12 an den Ausgang des Gleichrichters 5 anschließt. In diesen Situationen wird das Gitter des Halbleiterschalters entweder mit einer vom Gleichrichter 4 erzeugten positiven Spannung oder mit einer vom Gleichrichter 5 erzeugten negativen Spannung gespeist, wenn die Spannungsniveaus mit dem Bezugspotential verglichen werden, auf dem die Emitterelektrode des Halbleiterschalters liegt.

Zur Erzeugung der erforderlichen Ein- und Ausschaltströme ist zwischen dem Gleichrichter 4 und dem Steuerglied 10 bzw. zwischen dem Gleichrichter 5 und dem Steuerglied 11 eine Kondensatoreinheit 8 bzw. 9 vorgesehen. Diese Kondesatoreinheiten werden während einiger Taktperioden auf die Ausgangsspannungen der Gleichrichter geladen und weisen eine solche Kapazität auf, daß sie einen ausreichend starken Strom für die Steuerung des Halbleiterschalters zuführen können.

Ferner umfaßt der in Fig. 1 dargestellte Kreis ein durch die Niveauerkennungslogikschaltung 6 gesteuertes Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied 7, das in der Lage ist, das Gitter des Schalters 12 über einen Widerstand R an eine Quelle 9 des negativen Potentials anzuschließen. Dadurch wird ein kontrolliertes Ausschalten erhalten.

In Fig. 2 sind Spannungsformen dargestellt, die zum besseren Verständnis der Funktion des Kreises gemäß Fig. 1 dienen. Obenan ist die Spannung OVER-CUR- RENT gezeigt, die zunächst auf einem niedrigen Niveau liegt und beim Auftreten eines Überstromzustandes auf ein höheres Niveau steigt. Dann folgt das den Halbleiterschalter abwechselnd in einen leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand steuerndes Signal ON/. Das nächste Signal ist das Taktsignal CLOCK, das ein Rechtecksignal mit gewünschter Frequenz ist. Entsprechend dem Signal ON/ entsprechen die Signale A und B den Sekundärspannungen der Transformatoren T1 und T2. Aufgrund der Signale A und B werden von der Niveauerkennungslogik 6 die Steuersignale C und D für die Steuerglieder 10 und 11 erhalten. Das Signal E ist wiederum ein Ausgangssignal des Kurzschluß-Ausschaltsteuergliedes in einem hochohmigen Zustand, wenn sich das Signal ON/ in ON-Zustand befindet, und in einem niederohmigen Zustand, wenn sich dieses Signal in -Zustand befindet und insbesondere wenn das Signal OVER-CURRENT in seinen eine Überstromsituation darstellenden oberen Wert übergegangen ist. Das Signal F ist ein dem Gitter des Schalters 12 zugeführtes Signal, das eine Periode, wo sich der Schalter in einem leitenden Zustand befindet, eine Periode, wo sich der Schalter in einem nicht-leitenden Zustand befindet, und eine Periode, wo der Schalter durch das Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied von einem leitenden Zustand in einen nicht-leitenden Zustand gesteuert wird, aufweist.

Ein Grundgedanke beim erfindungsgemäßen Steuerkreis besteht darin, daß zwei getrennte Transformatoren T1 und T2 zur Übetragung von sowohl Information als auch Energie verwendet werden. Die Information wird durch den Transformator in Form eines in ein gemeinsames Taktsignal CLOCK synchronisierten, symmetrischen und völlig unmodulierten Rechteckburstes übertragen (siehe die Signale A und B in Fig. 2), dessen Dauer gleich ist wie der leitende bzw. nichtleitende Zustand des Halbleiters. Die Ein- und Ausschaltsignale sind also kontinuierlich. Der Transformator T1 informiert über das Einschalten des Halbleiters und der Transformator T2 über das Ausschalten desselben. In allen Situationen funktioniert jeweils nur einer der beiden Transformatoren. Die Synchronisierung ermöglicht eine Reihenschaltung mehrerer Gittersteuerglieder für die Steuerung von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern.

In der vom Transformator T1 übertragenen Rechteckwelle A bedeutet jede positive Halbperiode eine Zwangssteuerung des Leistungssteuergliedes 11 in einen nicht-leitenden Zustand und entsprechend jede negative Halbperiode eine Zwangssteuerung des Leistungssteuergliedes 10 in einen leitenden Zustand. Dies bedeutet die Zuführung einer positiven Ladung zum Gitter des Halbleiters, dessen Potential sich der Versorgungsspannung V+ annähert. Der Halbleiter wird also eingeschaltet. Da die Steuerung des Transformators T1 immer mit einer positiven Halbperiode beginnt, hat das Leistungssteuerglied 11 um die Dauer dieser Halbperiode Zeit, ausgeschaltet zu werden, bevor das Leistungssteuerglied 10 eingeschaltet wird (Totzeit), so daß eine Durchzündung des Gittersteuergliedes verhindert ist. Die Totzeit kann durch Änderung der Taktfrequenz eingestellt werden. Die erforderliche Einschaltenergie wird dem Energiespeicher 8 entnommen, dessen Energieverlust unmittelbar im Rahmen einiger Taktperioden wieder kompensiert wird.

In der vom Transformator T2 übertragenen Rechteckwelle B bedeutet jede negative Halbperiode eine Zwangssteuerung des Leistungssteuergliedes 10 in einen nicht-leitenden Zustand und entsprechend jede positive Halbperiode eine Zwangssteuerung des Leistungsgliedes 11 in einen leitenden Zustand. Dies bedeutet die Zuführung einer negativen Ladung zum Gitter des Halbleiters, dessen Potential sich der Versorgungsspannung V- annähert. Der Halbleiter wird also ausgeschaltet. Da die Steuerung des Transformators T2 immer mit einer negativen Halbperiode beginnt, hat das Leistungssteuerglied 10 um die Dauer dieser Halbperiode Zeit, ausgeschaltet zu werden, bevor das Leistungssteuerglied 11 eingeschaltet wird (Totzeit), so daß eine Durchzündung des Gittersteuergliedes verhindert ist. Die Totzeit kann durch Änderung der Taktfrequenz eingestellt werden. Die erforderliche Ausschaltenergie wird dem Energiespeicher 9 entnommen, dessen Energieverlust unmittelbar im Rahmen einiger Taktperioden wieder kompensiert wird.

Das bei einem Kurzschluß von einer äußeren Logik zu erhaltende OVER-CURRENT-Signal zwingt die Zeitlogik 1 dazu, abwechselnd und in längeren Abständen dem Transformator T1 positive Halbperioden und dem Transformator T2 negative Perioden abzugeben. Wie oben erläutert, zwingen die positiven Halbperioden von T1 das Leistungssteuerglied 11 in einen nicht-leitenden Zustand und die negativen Halbperioden von T2 das Leistungssteuerglied 10 in einen entsprechenden Zustand. Das Gitter wird also beiden Energiespeichern entkoppelt. Das Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied 7 schließt das Gitter über einen Ausschaltwiderstand R an den negativen Energiespeicher 9 an, falls beide Leistungssteuerglieder gleichzeitig in einen nicht-leitenden Zustand gebracht worden sind. Dadurch wird ein kontrolliertes Ausschalten erhalten.

Der erfindungsgemäße Steuerkreis für einen Halbleiterschalter ist vorstehend anhand nur einer beispielhaften Ausführungsform erläutert worden. Es ist klar, daß er insbesondere nach den Eigenschaften des jeweils zu steuernden Halbleiterschalters auch anders, aber jedoch im Rahmen der beigefügten Patentansprüche realisierbar ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Steuerkreis für einen Halbleiterschalter, mit einer Steuereinheit (1-3) und einem daran angeschlossenen Transformator (T1, T2) zur Erzeugung eines die Steuerdaten und die Steuerenergie des Halbleiterschalters (12) enthaltenden Wechselspannungssignals (A, B) für die Sekundärwicklung des Transformators, einem an die Sekundärwicklung des Transformators (T1, T2) angeschlossenen Gleichrichter (4, 5) zur Erzeugung einer Gleichspannung (V+, V-) für die Steuerung des Halbleiterschalters, einer Logikschaltung (6) zur Trennung der in der Sekundärspannung des Transformators enthaltenen Steuerinformation von der Sekundärspannung und einem durch die Logikschaltung (6) gesteuerten Steuerglied (10, 11) zur Steuerung des Halbleiterschalters (12), dessen Emitterelektrode an ein Bezugspotential (RP) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Zeitlogikeinheit (1) und ein erstes und ein zweites, durch die Zeitlogikeinheit gesteuertes Steuerglied (2, 3) aufweist und der Transformator einen ersten und einen zweiten Transformator (T1, T2) aufweist, die das erste bzw. zweite Steuerglied (2, 3) mit einem unmodulierten Wechselspannungssignal (A, B) speisen, um den Halbleiterschalter in einen leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand zu steuern, und deren Sekundärwicklungen an ihren entgegengesetzten Enden an das genannte Bezugspotential (RP) angeschlossen sind, der Gleichrichter einen ersten und einen zweiten Gleichrichter (4, 5) zur Gleichrichtung einer gegenüber dem Bezugspotential positiven (V+) bzw. negativen (V-) Gleichspannung aus einer über die Sekundärwicklungen der Transformatoren wirkenden Spannung (A, B) aufweist, das durch die Logikschaltung (6) gesteuerte Steuerglied ein erstes und ein zweites Steuerglied (10, 11) zum Halten des Halbleiterschalters (12) in einem leitenden bzw. nicht-leitenden Zustand aufweist, und daß der Steuerkreis ferner an die Ausgänge der Gleichrichter angeschlossene Kondensatoreinheiten (8, 9) zur Speicherung von Ein- bzw. Ausschaltenergie aufweist.
  2. 2. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner ein durch die Logikschaltung (6) gesteuertes Kurzschluß-Ausschaltsteuerglied (7) zum Anschließen der Steuerelektrode des Halbleiterschalters (12) an eine Ausschaltenergiequelle (V-) aufweist, wenn der durch den Halbleiterschalter durchfließende Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet.






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