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Dokumentenidentifikation DE19535166A1 28.03.1996
Titel Ansteuerschaltung für einen Halbleiterschalter
Anmelder ABB Industry OY, Helsinki, FI
Erfinder Miettinen, Erkki, Helsinki, FI
Vertreter Boecker, J., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.- u. Rechtsanw., 65929 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 22.09.1995
DE-Aktenzeichen 19535166
Offenlegungstag 28.03.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.03.1996
IPC-Hauptklasse H03K 17/56
IPC additional class // H03K 17/567,17/691  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Halbleiterschalter, mit einer Transformatorkopplung (T1, T2) zur Erzeugung von Wechselspannungssignalen enthaltend sowohl die Steuerenergie als auch die Steuerinformation, einer Gleichrichtungskopplung (DB1, DB2) zur Gleichrichtung von den durch die Transformatorkopplung (T1, T2) erzeugten Wechselspannungssignalen zur Erzeugung von Gleichspannungspegeln (U1, U2, U3), die zum Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters (SW1) geeignet sind, einem ersten Widerstand (R2), der an seinem ersten Ende mit einer Steuerelektrode des Halbleiterschalters (SW1) verbunden ist, einem zweiten Widerstand (R1) zwischen der Steuerelektrode und der Emitter- oder Source-Elektrode des Halbleiterschalters und einem Hilfshalbleiterschalter (V1) zwischen der Steuerelektrode des Halbleiterschalters (SW1) und einem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für das Ausschalten des Halbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang (U3), wobei die Steuerelektrode des Hilfshalbleiterschalters (V1) mit einem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für die Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang (U2) verbunden ist. Ferner umfaßt die Ansteuerschaltung eine Zener-Diode (V2) zwischen dem zweiten Ende des ersten Widerstands (R2) und dem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für das Einschalten des Halbleiterschalters (SW1) bestimmten Gleichspannungsausgang (U1) und eine Diode (V4) in ...

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Halbleiterschalter, mit einer Transformatorkopplung zur Erzeugung von Wechselspannungssignalen enthaltend sowohl die Steuerenergie als auch die Steuerinformation, einer Gleichrichtungskopplung zur Gleichrichtung von den durch die Transformatorkopplung erzeugten Wechselspannungssignalen zur Erzeugung von Gleichspannungspegeln, die zum Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters geeignet sind, einem ersten Widerstand, der an seinem ersten Ende mit einer Steuerelektrode des Halbleiterschalters verbunden ist, einem zweiten Widerstand zwischen der Steuerelektrode und der Emitter- oder Source-Elektrode des Halbleiterschalters, und einem Hilfshalbleiterschalter zwischen der Steuerelektrode des Halbleiterschalters und einem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für das Ausschalten des Halbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang, wobei die Steuerelektrode des Hilfshalbleiterschalters mit einem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für die Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ist insbesondere zur Ansteuerung von kleinen IGBT- oder FET- Halbleiterschalterkomponenten in Frequenzwandlern und ähnlichen Geräten gedacht. Nachstehend werden diese Halbleiterschalterkomponenten allgemein Leistungskomponenten genannt. Ansteuerschaltungen zur Ansteuerung von entsprechenden Leistungskomponenten sind zum Beispiel in der US-6,168,182 und in der EP-561 316 beschrieben. Auch die in diesen beschriebenen Lösungen beruhen auf der Übertragung von Einschaltenergie direkt über einen Transformator. Es ist jedoch für die beiden Lösungen typisch, daß die Spannung der Steuerelektrode (nachstehend Gate genannt) der anzusteuernden Leistungskomponente bei Kurzschluß nichtstabilisiert ist. Außerdem ist es für die Lösung nach der US-6,168,182 typisch, daß das Ausschalten der Leistungskomponente lediglich darauf beruht, daß das Gatepotential nahe an das Emitterpotential des Leistungsschalters gebracht wird. Nach der EP-561 316 wird zum Ausschalten ein im Vergleich zum Emitterpotential der Leistungskomponente negatives Potential verwendet. Zur Erzeugung dieses negativen Potentials wird jedoch ein großer Energiespeicher, wie ein Kondensator, gebraucht, in den die benötigte Ausschaltenergie im voraus aufgeladen werden muß. Außerdem ist der als Energiespeicher dienende Kondensator eine Komponente, die normalerweise einen Elektrolyt enthält und deren Lebensdauer drastisch verkürzt wird, falls sie in der Nähe der Leistungskomponente, d. h. in einer heißen Umgebung, angeordnet ist. Die Anordnung weiter entfernt von der Leistungskomponente führt wiederum zu einer großen Streuinduktivität. Diese bekannte Ansteuerschaltung hat noch den Nachteil, daß die Ausschaltspannung und die Einschaltspannung gleich hoch sind, was dazu führt, daß aufeinander folgende Einschaltvorgänge langsamer werden, weil das Gatepotential der Leistungskomponente zwischen den Einschaltvorgängen auf einen einer vollen Einschaltspannung entsprechenden negativen Wert gebracht werden muß. Ein weiteres Problem der bekannten Lösung besteht darin, daß das Ausschalten langsam eingeleitet wird, weil ein Ausschalten einer Leistungskomponente erst beginnen kann, wenn die Gatekapazität einer als Hilfshalbleiterschalter dienenden FET-Komponente über einen hochohmigen Widerstand auf ein ausreichend hohes Potential aufgeladen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung für einen Halbleiterschalter anzugeben, bei der die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Ansteuerschaltungen eliminiert sind. Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ferner eine Zener-Diode zwischen dem zweiten Ende des ersten Widerstands und dem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für das Einschalten des Halbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang und eine Diode in Durchlaßrichtung zwischen dem Ausschaltspannungsausgang der Gleichrichtungskopplung und der Emitter- oder Source-Elektrode des Halbleiterschalters aufweist.

Es sei festgestellt, daß in dieser Anmeldung unter Diode und Zener-Diode nicht nur entsprechend heißende diskrete Komponenten, sondern beliebige, eine entsprechende Funktion bewirkende Komponenten oder Komponentensätze, die aus diskreten Komponenten bestehen, oder einen Teil einer integrierten Schaltung ausmachen, zu verstehen sind.

Dank der verwendeten Schaltung ist es möglich, das Gate der Leistungskomponente über die Transformatorkopplung von außen kontinuierlich mit Ausschaltenergie zu versorgen. Kein Energiespeicher wird also benötigt, wobei auch kein Problem der thermischen Alterung eines solchen Energiespeichers entsteht. Obwohl es keinen Energiespeicher gibt, erfolgt das Ausschalten schnell, weil die durch das Einschalten bewirkte Gateladung in der Leistungskomponente über den Hilfshalbleiterschalter und die Diode schnell abgebaut wird, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die nur durch den Impedanzwert dieser Komponenten begrenzt wird.

Vorzugsweise umfaßt die Ansteuerschaltung auch eine Reihenschaltung einer Zener-Diode und einer Diode in Durchlaßrichtung zwischen der Steuerelektrode des Halbleiterschalters und der Steuerelektrode des Hilfshalbleiterschalters. Dank dieser Schaltung ist es möglich, einen zu hohen Anstieg der Einschaltspannung und damit eine Zerstörung des Halbleiterschalters in einer solchen Situation zu verhindern.

Es ist ferner vorteilhaft, daß die Schaltung noch einen dritten Widerstand zwischen dem Hilfshalbleiterschalter und dem für das Ausschalten des Halbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang umfaßt. Durch diesen vorzugsweise niederohmigen Widerstand kann der Spitzenwert des durch den Abbau der Gateladung des Halbleiterschalters entstandenen Stroms auf einen gewünschten Wert beschränkt werden.

Ein Grundgedanke der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung besteht darin, daß mehrere verschiedene Gleichspannungspegel zur Verfügung stehen. Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, daß die in der Ansteuerschaltung verwendete Transformatorkopplung einen ersten Transformator, der die als Einschaltspannung gleichzurichtende Spannung erzeugt, und einen zweiten Transformator, der die als Ausschaltspannung und als Steuerspannung des Hilfshalbleiterschalters gleichzurichtenden Spannungen erzeugt, umfaßt, und daß der eine Pol der Sekundärwicklung des ersten Transformators und die Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des zweiten Transformators zur Bildung eines Bezugspotentials miteinander und mit der Emitter- oder Source- Elektrode des Halbleiterschalters verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung und

Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung mit zwei anzusteuernden Halbleiterschaltern, wobei sie abwechselnd in einen leitenden Zustand gesteuert werden.

In Fig. 1 ist ein Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung dargestellt. Diese Ansteuerschaltung steuert eine Leistungskomponente SW1, die normalerweise eine IGBT- oder FET-Komponente, in Fig. 1 eine IGBT-Komponente, ist. Diese Schaltung kommt insbesondere dann in Frage, wenn der Nennstrom auf der Emitter-Kollektor- Strecke oder Source-Kollektor-Strecke nicht den Wert von 25 A überschreitet. Die Schaltung gemäß Fig. 1 umfaßt eine Transformatorkopplung mit Transformatoren T1 und T2, wobei die durch diese erzeugten Wechselspannungssignalpegel über zwei Brückengleichrichter DB1 und DB2 in geeignete Gleichspannungspegel zur Ansteuerung der Leistungskomponente SW1 umgewandelt werden. Über die Transformatoren T1 und T2 wird die Leistungskomponente SW1 sowohl mit der Steuerinformation als auch mit der Steuerenergie beaufschlagt.

Die Leistungskomponente SW1 wird durch zwei im Gegentakt wirkende Rechteckwellen (Einschalten, Ausschalten) gesteuert, die beide gleichphasig und invertiert die Primärwicklung von jeweils einem eigenen Transformator T1 bzw. T2 steuern. An der Mittenanzapfung der Primärwicklungen der Transformatoren steht jeweils eine Spannung von +15 V an, während die freien Enden der Wicklungen abwechselnd über FET F1 . . . F4, die durch das Ein- bzw. Ausschaltsignal gesteuert sind, an Masse gelegt sind. In den Sekundärwicklungen der Transformatoren werden entsprechend der Ansteuerung Signale gebildet, die über Brückengleichrichter DB1 und DB2 in Spannungen U1 bzw. U2 und U3 umgewandelt werden. Die Spannung U1 wird vom einen Pol des Transformators T1 erhalten, während der andere Pol dieses Transformators an ein Bezugspotential angeschlossen ist, das mit OV bezeichnet ist. An dieses Bezugspotential sind auch die Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des zweiten Transformators und die Emitterelektrode der Leistungskomponente SW1 angeschlossen. Über den einen Pol des zweiten Transformators T2 wird die Spannung U2 gleichgerichtet, während die Gleichrichtung der Spannung U3 über den anderen Pol erfolgt. Diese Spannungen U2 und U3 sind entgegengerichtet im Vergleich zum Bezugspotential OV an der Mittenanzapfung der Sekundärwicklung.

Zu Beginn des Einschaltvorgangs steigt die Spannung rasch auf einen Wert von etwa 20 V an, wobei die Gatekapazität der Leistungskomponente SW1 durch einen über eine Zener-Diode V2 und einen Gatewiderstand R2 fließenden Strom aufzuladen beginnt. Der Wert der Zener-Diode beträgt 4,7 V. Nach etwa einer Mikrosekunde wird die Leistungskomponente SW1 eingeschaltet, wobei der Gatestrom abzufallen beginnt und sich dem Wert Null nähert. Die Steuerelektrode, d. h. das Gate der Leistungskomponente SW1 ist über eine als Hilfshalbleiterschalter dienende FET-Komponente V1 und einen Widerstand R3 an den Spannungspegel U3 angeschlossen. Außerdem ist die Steuerelektrode der Leistungskomponente SW1 über eine Zener-Diode V3 von 12 V und eine Diode V5 an den Spannungspegel U2 angeschlossen, der seinerseits an die Steuerelektrode der FET- Komponente V1 angeschlossen ist. Durch diese Kopplung wird erreicht, daß wenn die Spannung am Gate der Leistungskomponente SW1 einen Spannungspegel von etwa 15 V überschreitet, wird die FET-Komponente V1 leitend, wobei der durch sie und eine Diode V4 zwischen dem Spannungspegel U3 und dem Bezugsspannungspegel OV fließende Strom einen weiteren Spannungsanstieg verhindert. Aus diesem Grund kann die Gatespannung der Leistungskomponente nicht die genannte Spannung von etwa 15 V überschreiten. Aus demselben Grund kann die Gatespannung bei Kurzschluß der Leistungskomponente nicht diesen Spannungswert überschreiten. In einer Kurzschlußsituation kann zunächst die Einschaltsteuerung entfallen, wobei sich die Leistungskomponente über einen Widerstand R1 "sanft" ausschalten kann, wonach ein starres Ausschalten erst später eingeleitet wird. Der Widerstand R1 ist zwischen Gate und Emitterelektrode der Leistungskomponente geschaltet.

Zu Beginn des Ausschaltvorgangs steigt der am Gate der FET-Komponente V1 wirkende Spannungspegel U2 sehr rasch auf einen Wert von +5 V an, wobei die FET- Komponente V1 leitend wird. Entsprechend strebt die Source-Spannung U3 der FET-Komponente V1 gleichzeitig auf einen Pegel von -5 V zu, aber der entstehende Strom steigert zunächst diese Source-Spannung um den Wert der Durchlaßspannung einer Diode D4 auf einen positiven Wert. Das Gate der Leistungskomponente SW1 wird zunächst lediglich mit dem durch den inneren Widerstand der FET-Komponente V1 begrenzten Strom über die Diode V4 entladen. Die Größe dieses Stroms ist in der Schaltung gemäß Fig. 1 durch den niederohmigen Widerstand R3 weiter begrenzt, der zwischen der Source- Elektrode der FET-Komponente V1 und dem Spannungspegel U3 geschaltet ist. Wenn ca. 200 ns nach der Einleitung des Ausschaltvorgangs vergangen sind, hat die Gatespannung der Leistungskomponente das Emitterpotential erreicht und nähert sich dem Pegel von -5 V und erreicht ihn schließlich, denn die Zener-Diode V2 verhindert einen Stromdurchfluß durch den Brückengleichrichter DB1 und die Sekundärwicklung des Transformators T1. Ohne die Zener-Diode V2 könnte die Gatespannung diesen negativen Pegel nicht erreichen. Außerdem ist eine Sättigung des Kern des Transformators T1 durch die Gleichspannung verhindert.

Der Widerstand R1 zwischen dem Gate der Leistungskomponente SW1 und dem Emitter hält das Gate der Leistungskomponente im Emitterpotential und die Komponente in einem ausgeschalteten Zustand, wenn weder eine Hilfsspannung noch Steuersignale zur Verfügung stehen.

In Fig. 2 ist eine Lösung dargestellt, durch die eine in Fig. 1 dargestellte Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines ganzen Zweigs verwendet werden kann, d. h. in einer Situation mit zwei anzusteuernden Halbleiterkomponenten, d. h. mit den Leistungskomponenten SW1 und SW2, die abwechselnd in einen leitenden Zustand gesteuert werden. Die Ansteuerschaltung der beiden Leistungskomponenten entspricht der Fig. 1, und sie arbeiten so wie oben beschrieben, aber die Transformatorkopplung mit ihren Steuergliedern ist nicht verdoppelt worden. Durch eine Schaltung gemäß Fig. 2 werden also im Vergleich zur Schaltung gemäß Fig. 1 zwei Transformatoren mit ihren Steuergliedern gespart. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Steuersignal beim Einschalten der Leistungskomponente des oberen Zweigs gleichzeitig eine Spannung erzeugt, die die Leistungskomponente des unteren Zweigs ausschaltet. Entsprechend erzeugt der andere Transformator die Spannungspegel zum Ausschalten der einen Leistungskomponente und die Spannungspegel zum Einschalten der anderen Leistungskomponente. Da bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung das Ausschalten der Leistungskomponente viel schneller als das Einschalten erfolgt, ist die eine Leistungskomponente ausgeschaltet, bevor die durch dasselbe Steuersignal gesteuerte andere Leistungskomponente eingeschaltet ist, wodurch eine Durchzündung des Zweigs verhindert ist. Wenn beide Leistungskomponenten momentan gleichzeitig angesteuert werden, werden beide ausgeschaltet. Dies beruht darauf, daß die Hilfshalbleiterschalter der beiden Leistungskomponenten an ihrem Gate eine Steuerung bekommen, wobei sie beide leitend werden. Dabei wird der diese durchfließende Strom so groß, daß die Steuerungsenergie zuzuführende Wicklung des Transformators die Gatespannung der Leistungskomponente nicht aufrechterhalten kann, sondern die Gatespannung fällt ab, wobei die Komponente ausgeschaltet wird. Auf die beiden Steuerungen kann gleichzeitig nach einigen Dutzenden von Mikrosekunden verzichtet werden. Dann verbleiben die Leistungskomponenten wegen des Widerstands zwischen Gate und Emitter im ausgeschalteten Zustand.

Wie vorstehend festgestellt wurde, wird die zum Einschalten der Leistungskomponente benötigte Energie bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung direkt durch den Transformator vom Primärkreis zugeführt, und es wird kein Energiespeicher im Emitterpotential der Leistungskomponente benötigt. Da erfindungsgemäß weder Elektrolytkondensatoren, die eine verhältnismäßig schlechte Wärmebeständigkeit aufweisen, noch weitere temperaturempfindliche Komponenten nötig sind, ist es möglich, eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung auch in einer heißen Umgebung anzuwenden, ohne daß ihre Lebensdauer dadurch verkürzt wird.

Zusammenfassend sei noch festgestellt, daß es für die erfindungsgemäße Steuerschaltung typisch ist, daß man dank der Transformatorkopplung eine vollständige galvanische Isolation bis zum beliebigen Spannungspegel realisieren kann, keine getrennte Energiezufuhr zur Gateansteuerschaltung nötig ist, die Leistungskomponente durch eine negative Gatespannung ausgeschaltet wird, ein sanftes Ausschalten bei Kurzschluß möglich ist, die Regulierung der Einschaltspannung und die Begrenzung der Gatespannung in Kurzschlußfällen automatisch erfolgen und der Ausschaltvorgang viel schneller ist als der Einschaltvorgang, wobei eine Totzeit entsteht, dank deren eine Gegentaktleistungsstufe nicht durchzünden kann.

Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für einen Halbleiterschalter wurde vorstehend anhand lediglich eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es versteht sich, daß sie im Rahmen der beigefügten Patentansprüche auch anders realisiert werden kann. Beispielsweise kann die als Leistungskomponente verwendete IGBT-Komponente durch eine FET-Komponente ersetzt werden. Ebenfalls ist es möglich, anstelle der in der Zeichnung dargestellten FET-Komponente auch andere elektronische Schalterkomponenten als Hilfshalbleiterschalter zu verwenden.


Anspruch[de]
  1. 1. Ansteuerschaltung für einen Halbleiterschalter, mit

    einer Transformatorkopplung (T1, T2) zur Erzeugung von Wechselspannungssignalen enthaltend sowohl die Steuerenergie als auch die Steuerinformation,

    einer Gleichrichtungskopplung (DB1, DB2) zur Gleichrichtung von den durch die Transformatorkopplung (T1, T2) erzeugten Wechselspannungssignalen zur Erzeugung von Gleichspannungspegeln (U1, U2, U3), die zum Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters (SW1) geeignet sind,

    einem ersten Widerstand (R2), der an seinem ersten Ende mit einer Steuerelektrode des Halbleiterschalters (SW1) verbunden ist,

    einem zweiten Widerstand (R1) zwischen der Steuerelektrode und der Emitter- oder Source-Elektrode des Halbleiterschalters und

    einem Hilfshalbleiterschalter (V1) zwischen der Steuerelektrode des Halbleiterschalters (SW1) und einem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für das Ausschalten des Halbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang (U3), wobei die Steuerelektrode des Hilfshalbleiterschalters (V1) mit einem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für die Ansteuerung des Hilfshalbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang (U2) verbunden ist,

    dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Zener-Diode (V2) zwischen dem zweiten Ende des ersten Widerstands (R2) und dem durch die Gleichrichtungskopplung erzeugten, für das Einschalten des Halbleiterschalters (SW1) bestimmten Gleichspannungsausgang (U1) und

    eine Diode (V4) in Durchlaßrichtung zwischen dem Ausschaltspannungsausgang (U3) der Gleichrichtungskopplung und der Emitter- oder Source-Elektrode des Halbleiterschalters (SW1) aufweist.
  2. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Reihenschaltung einer Zener-Diode (V3) und einer Diode (V5) in Durchlaßrichtung zwischen der Steuerelektrode des Halbleiterschalters (SW1) und der Steuerelektrode des Hilfshalbleiterschalters (V1) umfaßt.
  3. 3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen dritten Widerstand (R3) zwischen dem Hilfshalbleiterschalter (V1) und dem für das Ausschalten des Halbleiterschalters bestimmten Gleichspannungsausgang (U3) umfaßt.
  4. 4. Steuerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorkopplung einen ersten Transformator (T1), der die als Einschaltspannung (U1) gleichzurichtende Spannung erzeugt, und einen zweiten Transformator (T2), der die als Ausschaltspannung (U3) und als Steuerspannung (U2) des Hilfshalbleiterschalters (V1) gleichzurichtenden Spannungen erzeugt, umfaßt, und daß der eine Pol der Sekundärwicklung des ersten Transformators (T1) und die Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des zweiten Transformators (T2) zur Bildung eines Bezugspotentials (OV) miteinander und mit der Emitter- oder Source- Elektrode des Halbleiterschalters verbunden sind.






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