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Die
Erfindung betrifft eine Treiberschaltung eines Halbleiter-Leistungsschaltelementes,
insbesondere eines IGBT, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Ein
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ist ein Halbleiterbauelement,
welches seit längerem in
zunehmendem Umfang in der Leistungselektronik verwendet wird, da
es die Vorteile des Bipolartransistors (gutes Durchlassverhalten,
hohe Sperrspannung) und die Vorteile eines Feldeffekttransistors (nahezu
leistungslose Ansteuerung) vereinigt. Vorteilhaft ist auch eine
gewisse Robustheit gegenüber Kurzschlüssen, da
der IGBT den Laststrom begrenzt. IGBT-Leistungsschalter werden unter
anderem im Hochleistungsbereich eingesetzt, da sie über eine hohe
Sperrspannung von z.B. 6,6 kV verfügen und hohe Ströme z.B.
bis zu 3 kA schalten können.
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Ein
IGBT-Leistungsschalter benötigt
unter anderem eine intelligente Ansteuerung und eine zuverlässige Arbeitspunkt-Überwachung,
um das volle Potential der Leistungsfähigkeit ausnutzen zu können und
gleichzeitig einen sicheren Schaltbetrieb zu gewährleisten. Die so genannte
Treiberschaltung zum Ansteuern des IGBT muss in jedem z.B. in einem
Datenblatt definierten Betriebszustand den IGBT zerstörungsfrei
ein- und ausschalten können, wobei
eine Zerstörung
während
eines Brücken-
oder Lastkurzschlusses möglich
ist.
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Es
ist heute allgemein bekannt, dass ein IGBT durch eine Entsättigungsüberwachung
und durch zweistufiges Abschalten vor für den IGBT gefährlichen
Zuständen,
wie z.B. Überstrom
oder Kurzschluss, geschützt
werden kann.
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Hierbei
wird die Kollektor-Emitter-Spannung Vce,
die einen Indikator für
die Überlastung
darstellt, während
der Einschaltphase des IGBT's
gemessen. Tritt ein Überstrom
auf, so steigt die Kollektor-Emitter-Spannung Vce über einen
z.B. aus einem Datenblatt des IGBT bekannten Wert Vcesat.
Der Anstieg kann von einem Komparator detektiert werden. Der Komparator
darf aufgrund variierender Einschaltträgheit unterschiedlicher IGBT's allerdings erst
nach einem bestimmten Zeitintervall, einer so genannten Verzögerung vom
Einschaltmoment des IGBT's
bis zur Aktivierung des Komparators, aktiviert werden.
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Um
eine Treiberschaltung zur Entsättigungsüberwachung
für mehrere
unterschiedliche IGBT-Typen nutzen zu können, werden die Verzögerung und die
Spannungsschwelle der Kollektor-Emitter-Spannung Vce voneinander
getrennt zur optimalen Ausnutzung des jeweiligen IGBT-Typs eingestellt.
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Daraus
ergibt sich allerdings der Nachteil, dass zur Realisierung der voneinander
unabhängigen
Einstellung der Verzögerung
und der Kollektor-Emitter-Spannung Vce zwei
Pins eines Gehäuses verwendet
werden müssen,
an denen die Parameter mit Hilfe externer Spannungen und entsprechender Komponenten
voneinander unabhängig
eingestellt werden können.
Diese zusätzlichen
zwei Pins stellen in heutigen standardisierten 16-Pin IC-Gehäusen nicht
ohne weiteres zur Verfügung,
wenn in der Treiberschaltung noch weitere einstellbare Überwachungsfunktionen
realisiert werden sollen (siehe weiter unten). Selbst bei Verfügbarkeit
von Gehäusen mit
ausreichend vielen freien Pins hat die beschriebene Art der Einstellung
von Verzögerung
und Kollektor-Emitter-Spannung zur Folge, dass sich Aufwand und
Kosten des IGBT erhöhen.
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Des
Weiteren wird die Entsättigungsüberwachung
bereits bei den bipolaren Leistungstransistoren zum Schutz vor Über- und/oder
Kurzschlussstrom verwendet, wobei allerdings auch mehrere Ansteuerbausteine
notwendig sind.
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Zudem
ist es ratsam, den IGBT sozusagen "weich", d.h. mehrstufig, abzuschalten, da
im Falle einer Überbelastung
oder eines Kurzschlusses der IGBT beim schnellen Abschalten durch
die Entstehung einer großen
Kollektor-Emitter Überspannung zer stört werden
kann. Ein mehrstufiges Abschalten eines IGBT's oder auch MOSFET's ist heutzutage von moderneren Treibern,
wie z.B. dem TD350, bekannt.
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Hierbei
wird die Spannungsschwelle einer ersten Abschaltstufe sowie ein
Zeitintervall, in dem die Spannungsschwelle auf einem bestimmten
Spannungslevel gehalten wird, für
das "weiche" Abschalten des IGBT
genutzt, wobei die Werte für
die Spannungsschwelle und das entsprechende Zeitintervall, in dem
die Spannungsschwelle konstant gehalten wird, sehr stark vom Aufbau
des Power-Inverters abhängen
und für
verschiedene IGBT-Typen
variieren.
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Die
Einstellung der Spannungsschwelle und des Zeitintervalls wird dabei üblicherweise
auch über zwei
getrennte Pins realisiert, was wiederum mit einem erhöhtem Aufwand
und höheren
Kosten verbunden ist, da die standardisierten 16-Pin IC-Gehäuse nicht
ohne weiteres eingesetzt werden können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Treiberschaltung
für eine
einstellbare Entsättigungsüberwachung
und ein einstellbares mindestens zweistufiges Abschalten eines Halbleiter-Leistungsschaltelementes
dahingehend weiterzubilden, dass der Anschluss-Aufwand für die Überwachungskomponente
der Treiberschaltung verringert und insbesondere die Halbleiterschaltung und
die Treiberschaltung zusammen in einem standardisierten 16-Pin-IC-Gehäuse untergebracht
werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Treiberschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein
wesentlicher Punkt der bevorzugten Ausführung der Erfindung liegt darin,
dass die für
die Zustandsüberwachung
notwendigen zwei Parameter und die für das zweistufige Abschalten
des IGBT notwendigen zwei Parameter voneinander unabhängig und über jeweils
nur einen Pin des IC's
eingestellt werden können,
so dass die Treiberschaltung zusammen mit dem IGBT in einem von
der Industrie bereits akzeptierten 16-Pin IC-Gehäuse integriert werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der zu überwachende
Zustand ein Entsättigungsgrad
der Halbleitervorrichtung. Durch dessen Überwachung wird erreicht, dass
ein für
die Halbleitervorrichtung gefährlicher Über- oder
Kurzschlussstrom rechtzeitig detektiert wird und somit eine Zerstörung der
Halbleitervorrichtung, insbesondere eines IGBT, verhindert werden
kann. Weiterhin können
der jeweils erste und zweite Parameter und der jeweils dritte und
vierte Parameter voneinander unabhängig eingestellt werden. Dadurch
wird erreicht, dass die Treiberschaltung für unterschiedliche Halbleitertypen
höchst
flexibel eingestellt werden kann.
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Der
erste Parameter ist hierbei eine erste Spannungsschwelle der Entsättigungsüberwachung und
der zweite Parameter ist ein erstes Zeitintervall, zwischen einem
Einschaltzeitpunkt des Halbleiter-Leistungsschaltelementes und der
Aktivierung eines Komparators, der die erste Spannungsschwelle mit
einer Referenzspannung vergleicht. Dadurch wird erreicht, dass die
Entsättigung
des IGBT's auf einfache
Weise und zum optimalen Zeitpunkt detektiert wird.
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Weiterhin
ist der dritte Parameter eine zweite Spannungsschwelle einer ersten
Abschaltstufe der Halbleitervorrichtung, und der vierte Parameter
ist ein zweites Zeitintervall für
die Dauer der zweiten Spannungsschwelle. Durch das so genannte "weiche" Abschalten über eine
Zwischenspannungsschwelle wird verhindert, dass das Halbleiter-Leistungsschaltelementes
zu schnell abgeschaltet und somit zerstört wird.
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Des
Weiteren wird die erste und zweite Spannungsschwelle in der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung mittels einer ersten und einer zweiten Zenerdiode
eingestellt. Alternativ kann die erste und zweite Spannungsschwelle
in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung auch mittels eines ersten und eines zweiten Widerstandes
eingestellt werden.
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Weiterhin
werden das erste und zweite Zeitintervall mittels eines ersten und
eines zweiten Kondensators eingestellt, wobei die Einstellung nach dem
Prinzip der Kondensatoraufladung oder der Kondensatorentladung erfolgt.
Dadurch wird erreicht, dass die Zeitintervalle voneinander unabhängig und entsprechend
den Anforderungen des IGBT mittels Kondensatoren auf einfache Weise
angepasst werden können.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben,
die anhand der Abbildungen näher
erläutert
werden. Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Treiberschaltung mit Kondensatoren
und Zenerdioden für
die Einstellung der Spannungsschwellen und Zeitintervalle;
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2 eine
schematische Darstellung einer Treiberschaltung mit Kondensatoren
und Widerständen
für die
Einstellung der Spannungsschwellen und Zeitintervalle;
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3 Spannungs-Zeit-Diagramme
für die verschiedenen
Spannungen und Zeitintervalle für
die Treiberschaltungen der 1 und 2,
wobei das Prinzip der Kondensatoraufladung angewandt wird;
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4 Spannungs-Zeit-Diagramme
für die verschiedenen
Spannungen und Zeitintervalle für
die Treiberschaltungen der 1 und 2,
wobei das Prinzip der Kondensatorentladung angewandt wird;
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5 eine
Digital-Darstellung einer Ausführung
der Treiberschaltung zur Erklärung
des zweistufigen Abschaltens des IGBT.
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In
allen Figuren und der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche
und gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die
in 1 dargestellte Schaltung umfasst eine Treiberschaltung 1 eines
IGBT 2 und an diese gekoppelte periphere Bauelemente. Hierbei
ist eine mit einem Kondensator CtIset parallel geschaltete Zenerdiode
Z1 und eine mit einem Kondensator CtVsat parallel geschaltete Zenerdiode
Z2 jeweils mit einem Eingang der Treiberschaltung 1 gekoppelt.
Weiterhin, ist die Gate des IGBT 2 über einen vorgeschalteten Widerstand
Rg mit einem Ausgang der Treiberschaltung 1 verbunden,
und der Kollektor des IGBT 2 ist mit einem Eingang der
Treiberschaltung 1 und über
einen Lastwiderstand RL mit einer Spannungsquelle
VL verbunden.
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Die
in 1, zusammen mit peripheren Bauelementen, schematisch
dargestellte Treiberschaltung 1 ermöglicht bei der zweistufigen
Abschaltung die Einstellung der Spannungsschwelle VtIset
mittels der Zenerdiode Z1 und die Einstellung des entsprechenden
Zeitintervalls tIset mittels des Kondensators CtIset,
wobei die Einstellung des Zeitintervalls tIset jeweils nach dem
Prinzip der Kondensatoraufladung oder der Kondensatorentladung mit
konstantem Strom für
die Schaltung in 1 erfolgt. Hierbei gilt: tIset = (CtIset·VtIset)/Iref1
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Iref1 ist hierbei ein Referenzstrom der Treiberschaltung.
Außerdem
wird die Entsättigungsüberwachung
des IGBT 2 über
die Einstellung der Spannungsschwelle VtVsat mittels
der Zenerdiode Z2 und die Einstellung des entsprechenden Zeitintervalls
tVsat für
die Verzögerung
mittels des Kondensators CtVsat ermöglicht.
Vce repräsentiert
hierbei die Kollektor-Emitter Spannung, Vgtdrv repräsentiert
die Gate-Treiberspannung für
den IGBT, Vingtsw repräsentiert die Spannung eines
Eingangssignals.
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Die
in 2 schematisch dargestellte Treiberschaltung 3 verwendet
anstatt der in 1 dargestellten Zenerdioden
Z1 und Z2 entsprechende Widerstände
Rlset und RVsat zur
Einstellung der Spannungsschwellen, dargestellt durch die Produkte
[Rlset·Iref1] und [RVsat·Iref2].
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Die
Schaltung umfasst eine Treiberschaltung 3 eines IGBT 4 und
an diese gekoppelte periphere Bauelemente. Hierbei ist ein mit einem
Kondensator CtIset parallel geschalteter Widerstand RIset und
ein mit einem Kondensator CtVsat parallel geschalteter Widerstand
RVsat jeweils mit einem Eingang der Treiberschaltung 3 gekoppelt.
Weiterhin, ist die Gate des IGBT 4 über einen vorgeschalteten Widerstand
Rg mit einem Ausgang der Treiberschaltung verbunden, und der Kollektor
des IGBTs 4 ist mit einem Eingang der Treiberschaltung 3 und über einen
Lastwiderstand RL mit einer Spannungsquelle
VL verbunden.
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Die
in 3 und 4 dargestellten Spannungs-Zeit-Diagramme
zeigen, dass z.B. für
die Schaltung aus 2 bei Anwendung des Prinzips der
Kondensatoraufladung, die Kondensatorspannung VCtIset (t) "quasi-linear" zunimmt und bei
Anwendung des Prinzips der Kondensatorentladung, die Kondensatorspannung
VCtIset (t) "quasi-linear" abnimmt. Dabei wird angenommen, dass
der Stromwert in bestimmten Bereichen „quasi-konstant" ist. Für die Kondensatorspannung
VCtIset (t) gilt dann: VCtIset(t) = Iref1·RIset·(1 – CtIset·RIset/(CtIset·RIset + t))
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Hierbei
wird der Kondensator CtIset zum Zeitpunkt
t1 und t4 mittels einer Stromquelle I3 (5) oder
einer Kurzschlussschaltung sehr schnell entladen. Unmittelbar danach
startet die Aufladephase mit dem konstanten (für die Treiberschaltung in 1) oder „quasi-konstanten" (für die Treiberschaltung
in 2) Strom. Die Aufladephase dauert bis zum Zeitpunkt
t2 bzw. t5, wo die Kondensatorspannung VcIset (t)
den Wert der internen Referenzspannung Vref1 erreicht.
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Nach
Erreichen des Zeitpunkts t2 bzw. t5 wird für kurze Zeit eine neue Stromquelle
I2 (5) dazugeschaltet, um den Kondensator CtIset sehr schnell auf den Wert der gewünschten
Spannungsschwelle, VtIset oder [RIset·Iref1], zu bringen. Die Spannungsschwelle,
VtIset oder [RIset·Iref1], wird dabei von der Zenerspannung UZ1 der Zenerdiode Z1 bzw. von dem Wert des
Produktes [[RIset·Iref1]
bestimmt.
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Der
Mechanismus der Signalverzögerung durch
ein Zeitintervall wie z.B. td1 (t5-t4) kann
hierbei auch für
den Einschaltvorgang verwendet werden (t2-t1), um die Signaltreue
zwischen dem Eingangssignal Vingtsw und
dem Gatetreibersignal Vgtdrv der Treiberschaltung
zu gewährleisten.
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Eine
Einstellung des Zeitintervalls td2 (t3-t2) und der Spannungsschwelle
VtVsat bzw. [[Iref2·RVset] wird dabei analog zu dem oben beschriebenen
Vorgang (td1, VtIset)
durchgeführt.
Ein Unterschied besteht allerdings darin, dass die Entladephase
des Kondensators CtVsat zum Zeitpunkt t2
beginnt. Zum Zeitpunkt t2 wird der CtVsat mittels einer Stromquelle
I5 (5) oder einer Kurzschlussschaltung sehr schnell
entladen. Unmittelbar danach startet die Auflade-Phase mit einem
konstanten Strom oder quasi-konstantem Strom (2).
Die Phase dauert bis zu dem Zeitpunkt t3, in dem die Kondensatorspannung
den Wert der internen Referenz Uref2 erreicht. Danach
wird eine neue Stromquelle I5 (5) dazugeschaltet,
um den Kondensator sehr schnell auf den Wert der gewünschten
Schwellspannung zu bringen. Die Schwellwertspannung wird dann von
der Zenerdiode Z2 (1) bzw. von dem Wert des Produktes Iref2·RUsat bestimmt. Nach Ablauf des Zeitintervalls
td2 wird dann die Entsättigungsüberwachung durch einen Komparator
K3 (5) mit der eingestellten Spannungsschwelle VtVsat bzw. [Iref2·RVsat] aktiviert.
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5 zeigt
ein Schaltbild einer Ausführung der
Treiberschaltung 1 und wird zur Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
für das
zweistufige Abschalten des IGBT herangezogen.
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Hierbei
umfasst die Treiberschaltung 1 ein zentrales Logikelement 5,
das zwei Transistoren T1 und T2 steuert, welche mit einem Pin 6 verbunden sind.
Außerdem
steuert das Logikelement 5 zwei Stromquellen I2 und I3,
welche mit einem Pin 7 verbunden sind. Ein Pin 8 ist
direkt mit einem Eingang des Logikelements 5 verbunden
und auch mit einem ersten Eingang des Komparators K3. Pin 6 ist
weiterhin mit einem ersten Eingang und Pin 7 ist mit einem zweiten
Eingang eines Komparators K1 verbunden, wobei der Ausgang des Komparator
K1 mit dem Logikelement 5 gekoppelt ist.
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Ein
zweiter Eingang eines Komparators K2 ist mit dem zweiten Eingang
des Komparators K1 und entsprechend mit dem Pin 7 verbunden,
wobei der erste Eingang des Komparators K2 an eine Referenz-Spannungsquelle
Vref gekoppelt ist. Die Verbindung zwischen
den zwei zweiten Eingängen
der Komparatoren K1 und K2 und dem Pin 7 ist weiterhin über einen
Klemmtransistor Tclamp an eine Klemmspannung
Vclamp gekoppelt.
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Pin 9 ist
mit dem zweiten Eingang des Komparators K3 verbunden und auch an
entsprechende Stromquellen I4, I5 gekoppelt.
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Beispielsweise
leitet das in 5 dargestellte Eingangssignal
Vingtsw den Ein- und Abschaltvorgang des
IGBT ein. Hierbei gibt es sechs Arbeitszustände, die getrennt betrachtet
und beschrieben werden.
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a) Verzögertes Abschalten
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Der
IGBT wird abgeschaltet, wenn das Eingangssignal Vingtsw vom
Zustand „high" zum Zustand „low" wechselt. Der Ausgangstreibertransistor
T1 wird ausgeschaltet und gleichzeitig wird der Transistor T2 eingeschaltet.
Der Transistor T2 entlädt
dadurch das Gate des IGBT. Der Komparator K1 vergleicht die Spannungen
am Pin „gtdrv" und am Pin „tIset". Fällt die
Spannung Vgtdrv unter den Wert von VtIset, wird der Transistor T2 ausgeschaltet.
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Der
Ausgangstreiber befindet sich nun im so genannten „tristatemode" Das Potential Vgtdrv bleibt dadurch nahezu konstant, wobei
gleichzeitig ein Entladestrom I3 eingeschaltet wird. Der Entladestrom
I3 entlädt
den externen Kondensator CtIset am Pin „tIset" schlagartig. Nach
z.B. 500 ns wird der Entladestrom I3 abgeschaltet und die Stromquelle
I1 lädt
nun den externen Kondensator CtIset wieder
langsam auf.
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Der
Komparator K2 vergleicht außerdem
die Spannung VtIset am Pin „tIset" mit einer internen
Referenzspannung Vref. Erreicht VtIset den Wert der internen Referenzspannung
Vref, wird der Transistor T2 wieder eingeschaltet
und das Gate des IGBT weiter entladen. Gleichzeitig wird ein Ladestrom
I2 eingeschaltet, der den Kondensator CtIset schlagartig
auflädt.
Der Ladestrom I2 wird nach z.B. 500 ns wieder abgeschaltet, wobei
die Stromquelle I1 jetzt den Haltestrom für die Zenerdiode Z1 liefert.
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b) Verzögertes Einschalten
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Wechselt
Vingtsw vom Zustand „low" in den Zustand „high", wird der IGBT nach Ablauf einer Verzögerungszeit
eingeschaltet. Die Verzögerungszeit
ist hierbei gleich der Ausschaltzeit, die sich durch die z.B. 500
ns der Kondensatorentladung des Kondensators CtIset und
der Aufladezeit des Kondensators CtIset bis
zum Erreichen der internen Referenzspannung Vref ergibt.
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c) Kurzzeitiges Einschalten
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Gibt
z.B. Vingtsw nach dem Einschalten und vor
Ablauf der Einschaltverzögerungszeit
wieder einen Ausschaltbefehl, wird der Einschaltprozess vollständig ausgeführt bevor
der Abschaltvorgang eingeleitet wird.
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d) Kurzzeitiges Ausschalten
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Wird
nach dem Vingtsw Ausschaltbefehl und vor
Ablauf der Ausschaltverzögerungszeit
ein Einschaltbefehl gegeben, bricht die Logikvorrichtung „logic" den „tri-state-mode" ab und startet die
Verzögerungszeit
neu, wobei erst nach deren Ablauf der IGBT eingeschaltet wird.
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e) Vcc < VtIset
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Die
Zenerdiodenspannung VtIset ist mittels einer
internen Stromquelle und einer externen Zenerdiode Z1 definiert.
Fällt die
Versorgungsspannung Vcc des IC's unter die Zenerdiodenspannung,
darf der IGBT nicht undefiniert einschalten. Eine interne Klemmschaltung
(Vclamp, Tclamp) überbrückt in diesem Fall
die externe Zenerdiode Z1 und generiert eine interne Referenzspannung
auf VtIset, welche unterhalb der Versorgungsspannung
Vcc liegt.
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f) Deaktivierte Ein- und Ausschaltverzögerung
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Die „tri-state-mode" Abschaltung sowie
die Einschaltverzögerung
des IGBT können
deaktiviert werden, indem der Pin „tIset" auf Massepotential „VSS" gelegt wird.