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DE102008041269A1 - Treiberschaltung und Verfahren zum Schalten eines Leistungstransistors - Google Patents

Treiberschaltung und Verfahren zum Schalten eines Leistungstransistors Download PDF

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DE102008041269A1
DE102008041269A1 DE200810041269 DE102008041269A DE102008041269A1 DE 102008041269 A1 DE102008041269 A1 DE 102008041269A1 DE 200810041269 DE200810041269 DE 200810041269 DE 102008041269 A DE102008041269 A DE 102008041269A DE 102008041269 A1 DE102008041269 A1 DE 102008041269A1
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DE
Germany
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switching
voltage source
power transistor
driver circuit
voltage
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DE200810041269
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Dejan Schreiber
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Semikron GmbH and Co KG
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron GmbH and Co KG
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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Publication date
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Abstract

Eine Treiberschaltung (6) für einen Leistungstransistor (8), wobei dieser einen zu dessen Ein- (20a) und Ausschalten (20b) anzusteuernden Schalteingang (9) aufweist, enthält eine, eine Schaltspannung (UK) liefernde steuerbare Spannungsquelle (U+, U-), und einen mit seinem einen Anschluss (14) an die Spannungsquelle (U+, U-) angeschlossenen induktiven Zweipol (Lg), dessen zweiter Anschluss (16) mit dem Schalteingang (9) verbindbar ist. Bei einem Verfahren zum Schalten eines Leistungstransistors (8), wobei dieser einen zu dessen Ein- (20a) und Ausschalten (20b) anzusteuernden Schalteingang (9) aufweist, wird bei dem Schalteingang (9) ausgehend von einer steuerbaren Spannungsquelle (+VCC, -VCC, GND) ein Schaltstrom (I) über einen induktiven Zweipol (Lg) zugeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für einen Leistungstransistor und ein Verfahren zum Schalten eines Leistungstransistors.
  • Leistungstransistoren werden in vielen technischen Anwendungen eingesetzt, z. B. als bzw. in einem Leistungsschalter für elektrische Antriebe. Beispiele für Leistungstransistoren sind z. B. IGBTs oder MOS-FETs. Ein Leistungstransistor schaltet elektrische Ströme bzw. Spannungen im kA- und kV-Bereich. Die Leistungstransistoren werden zum Durchführen des eigentlichen Schaltvorgangs über einen Schalteingang angesteuert. Beispielsweise wird ein IGBT angesteuert, also in einen leitenden oder nicht leitenden Zustand geschaltet, in dem unterschiedliche Spannungen zwischen dessen Gate (Schalteingang) und Emitter angelegt werden. Im wesentlichen wird hierdurch die elektrische Ladung des Gates des IGBT umgeladen.
  • Da zum Schalten des Leistungstransistors bestimmte Spannungen bzw. Ströme am Schalteingang nötig sind, weisen Halbleiterschalter in der Regel neben dem Leistungstransistor eine entsprechende Treiberschaltung zu dessen Ansteuerung auf. Die Treiberschaltung setzt ein standardisiertes Logikschaltsignal an ihrem Eingang, z. B. ein übliches TTL-Signal, in ein entsprechend leistungsstarkes bzw. angepasstes Schaltsignal zum Schalten des Leistungstransistors um.
  • Aus der DE 102 36 532 C1 sind verschiedene Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung von Leistungstransistoren bekannt. Diese arbeiten mit Widerstandsansteuerung, Spannungsansteuerung oder Stromansteuerung. Für die Widerstands- bzw. Spannungsansteuerung ist eine stabilisierte Versorgungsspannungsquelle notwendig. Bei Verwendung einer Stromquelle ist dagegen eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Stromverbrauchs der Ausgangsstufe der Treiberschaltung nötig. Alle Quellen müssen hierbei galvanisch getrennt aufgebaut sein.
  • Für Halbleiterschalter verschiedener Größe, d. h. mit verschiedenen Leistungsbereichen, sind heute unterschiedliche Treiberschaltungen notwendig, welche jeweils auf einen mittleren Treiberstrom bzw. eine bestimmte Schaltfrequenz ausgelegt sind. Für den sogenannten Treibermittelstrom I gilt hierbei mit der Schaltfrequenz FSW und der Gateladung QG bei einer Anzahl N von mit der Treiberschaltung gleichzeitig anzusteuernden Leistungstransistoren bzw. Leistungshalbleitermodulen: I = FSW × QG × N.
  • Mit zunehmender Leistung und Schaltfrequenz steigt also der Treiberstrom an. Heute sind Treiberschaltungen bzw. deren Ausgangsstufen in der Regel als Push-Pull-Schaltung ausgelegt, die aus je einer Quelle mit positiver und negativer Spannungsversorgung (+VCC, –VCC) über ein oder mehrere Gatewiderstände (z. B. für verschiedene Zeitkonstanten für Laden und Entladen des Gates) den Schalteingang des Leistungstransistors bedienen, z. B. im Falle des IGBT den Gate-Kollektor-Kondensator mit der entsprechenden Gateladung versorgen. Der Treiber- bzw. Hilfsstromversorgungsstrom liegt im Bereich 10 mA bis 300 mA, die Treiberleistung (Strom × 30 V) im Bereich von 300 mW bis 10 W mit steigender Tendenz.
  • Problematisch hierbei ist, dass der entsprechende Gate-Kondensator bzw. die Gateladung im Leistungstransistor über einen Widerstand geladen wird. Aus den elektrotechnischen Grundlagen ist bekannt, dass hierbei die Hälfte der von der Treiberschaltung gelieferten Leistung im Kondensator gespeichert wird, die andere Hälfte im ohmschen Widerstand verloren geht. Auch beim Ausschalten des Leistungstransistors, also der Entladung der Gateladung wird die gespeicherte Kondensatorenergie im Widerstand der Treiberschaltung vernichtet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Treiberschaltung für einen Leistungstransistor bzw. ein verbessertes Verfahren zu dessen Schalten anzugeben.
  • Hinsichtlich der Treiberschaltung wird die Aufgabe gelöst durch eine Treiberschaltung für einen Leistungstransistor, der wiederum einen Schalteingang aufweist, der ansteuerbar ist, um den Leistungstransistor ein- oder auszuschalten. Die Treiberschaltung umfasst eine steuerbare Spannungsquelle, die eine Schaltspannung liefert, und einen induktiven Zweipol, der mit seinem einen Anschluss an die Spannungsquelle angeschlossen ist und dessen zweiter Anschluss mit dem Schalteingang verbindbar ist.
  • Die Steuerbarkeit der Spannungsquelle bezieht sich auf den Ein-/Ausschaltimpuls. Da der Schalteingang des Leistungstransistors prinzipiell schaltungstechnisch mit einem umzuladenden Kondensator vergleichbar ist und die Treiberschaltung über die steuerbare Spannungsquelle und die Induktivität, also den induktiven Zweipol, eine Art Zerhacker bilden (Steuern bzw. Ein- und Ausschalten der Spannungsquelle) wirkt die Treiber schaltung im Betrieb mit dem Leistungstransistor nach Art eines Tiefsetzstellers für den Ladevorgang oder Hochsetzstellers für den Entladevorgang zusammen. Mit anderen Worten bilden Treiberschaltung und Schalteingang des Leistungstransistors eine Art Schaltnetzteil aus. Der induktive Zweipol zusammen mit der schaltbaren (steuerbaren) Spannungsquelle bildet also eine Stromquelle, die aber gegenüber bekannten Stromquellen in Treibern deutlich verbessert ist.
  • Der Energietransfer zwischen Spannungsquelle und Schalteingang verläuft nahezu ohne Verluste, d. h. nur ca. 1–3% der Energie gehen verloren, da der Wirkungsgrad eines entsprechenden Zerhackers bei etwa 99% liegt. Die notwendige Leistung für die Ansteuerung des Schalteingangs durch die Treiberschaltung ist daher gegenüber den bekannten Lösungen drastisch reduziert. Treiberschaltungen mit größeren Ausgangleistungen und Schaltfrequenzen können unaufwendiger und kostengünstiger realisiert werden. Die Treiberleistung der Treiberschaltung steigt. Damit müssen weniger verschiedene Treiberschaltungen für ein Produktspektrum von Leistungsschaltern vorgesehen werden, da eine einzige Treiberschaltung ein größeres Leistungsspektrum umfasst.
  • Die steuerbare Spannungsquelle kann einen MOS-FET-Transistor enthalten, der mit seinem treibenden Ausgang mit dem Zweipol verbunden ist. Der MOS-FET-Transistor sorgt somit für die Steuerbarkeit bzw. Schaltbarkeit der Spannungsquelle, so dass als eigentliche Spannungsquelle eine Konstantspannungsquelle verwendet werden kann.
  • Eine derartige Spannungsquelle kann zweifach in der Treiberschaltung enthalten sein, diese also zwei MOS-FET-Transistoren enthalten, die mit ihren jeweils treibenden Ausgängen miteinander und mit dem Zweipol verbunden sind. Mit ihren jeweils anderen Leistungsausgängen sind die MOS-FET-Transistoren je an einer der Spannungsquellen angeschlossen. Eine Spannungsquelle liefert hierbei eine positive, die andere eine negative Schaltspannung. Jeweils eine Spannungsquelle zusammen mit dem an ihr angeschlossenen MOS-FET-Transistor ist also hierbei getrennt für den Einschalt-, und die andere für den Ausschaltvorgang zuständig.
  • Es können auch zwei komplett unterschiedliche Signalpfade für die jeweils einschaltende und ausschaltende Ansteuerung des Leistungstransistors vorgesehen sein. Einschalt- und Ausschaltpfad sind somit aus gänzlich unterschiedlichen Elementen aufgebaut, und können für den jeweiligen Schaltvorgang optimiert sein, z. B. verschiedene Schaltzeiten aufweisen.
  • In einem derartigen Fall kann dann der Zweipol z. B. durch Trimmung verschiedene Induktivitäten für die einschaltende und ausschaltende Ansteuerung des Leistungstransistors aufweisen. Hierdurch kann z. B. die Flankensteilheit der Ein- und Ausschaltvorgänge geeignet und getrennt voneinander beeinflusst werden.
  • Es können dann auch zwei getrennte Signalpfade realisiert werden, in denen je eine erste Spannungsquelle über einen ersten Zweipol und eine zweite Spannungsquelle über einen zweiten Zweipol mit einem gemeinsamen Ausgangsknoten verbunden sind, wobei der Ausgangsknoten der Treiberschaltung mit dem Schalteingang des Leistungstransistors verbindbar ist. Ein- und Ausschaltpfade sind auch so vollständig entkoppelt.
  • Ein ohmscher Widerstand kann mit dem induktiven Zweipol in Serie geschaltet sein. Hierdurch kann die Ein- und Ausschaltcharakteristik der Treiberschaltung weiter beeinflusst werden. Wenn z. B. mehrere IGBT-Chips parallel geschaltet sind, verwendet man relativ kleine integrierte Gate-Widerstände im IGBT-Chip. Der Widerstand ist jedoch dann im Vergleich zu bekannten Lösungen, welche den Leistungstransistor allein über einen Widerstand ohne induktives Element ansteuern, bedeutend kleiner gewählt z. B. im Bereich 10% bis 20% des üblichen Wertes. Hierdurch verbleibt immer noch eine deutliche Leistungsreduzierung in der Treiberschaltung auf ca. 10%–20% gegenüber bekannten Lösungen.
  • Insbesondere kann der Schalteingang des Leistungstransistor ein umzuladendes kapazitives Gate sein. Wie oben erwähnt, entspricht der Leistungstransistor damit am ehesten einem Kondensator, wofür die erfindungsgemäße Treiberschaltung besonders geeignet ist.
  • Ist der Leistungstransistor ein MOS-FET oder IGBT, ist daher aus den oben genannten Gründen die Treiberschaltung hierfür bestens geeignet.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Schalten eines o. g. Leistungstransistors, bei dem ausgehend von einer Spannungsquelle ein Schaltstrom dem Schalteingang über einen induktiven Zweipol zugeführt wird. Strenggenommen wird durch einen negativen Schaltstrom dieser hierbei vom Schalteingang abgeführt, um z. B. einen Entladevorgang des Leistungstransistors zu bewerkstelligen.
  • Die sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit der Treiberschaltung ausführlich erläutert. Entsprechende Verfahrensvarianten wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der Treiberschaltung erläutert.
  • Über die steuerbare bzw. schaltbare Spannungsquelle kann dem Leistungstransistor am Schalteingang ein modulierter Schaltstrom zugeführt werden. Durch einen modulierten Schaltstrom ist das Ein- und Ausschaltverhalten des Leistungstransistors, z. B. die entsprechende Schaltgeschwindigkeit steuerbar.
  • Insbesondere kann der Schaltstrom hierbei pulsweitenmoduliert werden. Durch ein gezieltes Pulsverfahren werden gewünschte und notwendige Gate-Ladeströme realisiert.
  • Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer Schematischen Prinzipskizze:
  • 1 eine erfindungsgemäße Treiberschaltung mit angesteuertem IGBT,
  • 2 den Verlauf von Spulenstrom, Gate-Emitterspannung und Kondensatorspannungen aus 1 beim Ein- und Ausschalten des IGBT,
  • 3 eine vergrößerte Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe aus 2,
  • 4 Strom- und Spannungsverläufe der Schaltung aus 1 gemäß 2 bei pulsweitenmodulierter Ansteuerung,
  • 5 eine vergrößerte Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe aus 4,
  • 6 eine alternative Treiberschaltung gem. 1 mit Spannungsversorgung,
  • 7 einen Treiber gemäß 1 mit Begrenzungsdioden,
  • 8 einen PWM-Kontroller zur Erzeugung von Steuersignalen,
  • 9 Strom- und Spannungsverläufen beim Nachladen eines Gates.
  • 1 zeigt das vereinfachte Schaltbild eines elektronischen Leistungsschalters 2. Dieser ist zusammengesetzt aus einem Leistungsteil 4 und einem Treiber 6. Der Leistungsteil 4 enthält im wesentlichen einen IGBT 8. Kollektor C und Emitter E des IGBT 8 führen zu den Leistungsklemmen 10a und 10b des Leistungsschalters 2. Das Gate G des IGBT 8 ist auf einen Treibereingang 9 geführt, über den dieser vom Treiber 6 über dessen Treiberausgang 16 angesteuert wird.
  • Der Treiber 6 umfasst Spannungseingänge +VCC, –VCC und GND zum Anschluss an eine z. B. in 7 dargestellte, in der Regel galvanisch getrennt aufgebaute, Versorgungsspannungsquelle. Die Masse GND ist auf den Emitter E des IGBT 8 geführt und auf zwei Kondensatoren C+ und C, welche mit ihren jeweils anderen Anschlüssen zu den Versorgungsspannungen +VCC und –VCC führen. Die Versorgungsspannungen +VCC und –VCC sind jeweils auch auf Kollektor C bzw. Emitter E eines MOS-FET 12a bzw. 12b geführt. Deren Emitter E bzw. Kollektor C ist wiederum jeweils mit einem Knoten 14 verbunden. Am Knoten 14 ist eine Spule Lg angeschlossen, die mit ihrem anderen Ende auf den Treiberausgang 16 führt.
  • Beispielhafte Werte der Bauteile sind: ±VCC = ±15 V, C+ = C = 10 μF, LG = 1 μH, die Gate-Emitterkapazität Cge des IGBT 8 beträgt 0,1 μF.
  • Die jeweilige Basis B der MOS-FETs 12a, b dient der Einspeisung eines logischen Schaltsignals 18a und 18b. Diese Signale steuern Ein- und Ausschaltevorgänge des IGBT 8 nach dem Puls-Breiten-Verfahren, die z. B. durch einen in 8 dargestellten Umrichter-Controller in galvanisch getrennter Weise erzeugt werden. Gleichzeitig sind diese Eingänge auch für den gewünschten Gateladungs-Vorgang moduliert und mit Hilfe einer lokalen, nicht galvanisch getrennten Rückmeldung des Gatespannungs-Istwertes kontrolliert. Z. B. liefert der in 8 dargestellte PWM-Kontroller 38 Steuersignale für das IGBT Pulsverfahren an die Basis B der MOSFETs 12a, b. Diese Signale müssen von den Treiber-Sekundärseite galvanisch getrennt sein. Diese galvanische Trennung wird durch den Einsatz eines Transformators 40 (8a) oder durch optische Trennung mit einem Optokoppler 42 (8b) durchgeführt. Dadurch erhält man Zeitintervalle, in denen der MOSFET 12a oder 12b angesteuert sind. Ein Differenzierer 44 für dI/dt sorgt für den Ladestrom-Anstieg, abhängig von der IGBT-Gate-Ladung und der Schaltungsausführung (mehr oder weniger Streuinduktivität im Leistungsschaltkreis).
  • Die Schaltung 46 sorgt dafür, dass der Ladevorgang die Gatespannung UGE auf +15 V und –15 V bringt. Hierzu wird der Istwert der Gatespannung mit dem Sollwert verglichen. Eine nachträgliche Gate-Ladung ist nach Bedarf auch möglich. Wenn der IGBT 8 längere Zeit angesteuert wird, sinkt mit der Zeit die Gatespannung; ein kurzer Einschaltvorgang zum Zeitpunkt 50 bringt die Gatespannung wieder auf +15 V oder –15 V (in 9 dargestellt).
  • Wenn die Hilfsspannung ±VCC, GND stabilisiert ist, und z. B. ±15 V beträgt, können nach dem Einschaltvorgang für die Bestimmung von dI/dt, die MOSFETs 12a, b dauernd eingeschaltet werden, um die Gatespannung auf den stabilisierten Werten +/–15 V festzuhalten. Wenn die Hilfsstromversorgung nicht stabilisiert ist, übernehmen die MOSFETs 12a, b die Stabilisierungsrolle auf PWM-Basis. Die Schaltung 48 übernimmt eine Schutzfunktion und schaltet den IGBT 8 im Notfall aus, bei Bedarf auch "langsam", also mit sanftem Ausschaltvorgang, und begrenzt die Kollektor-Emitter-Überspannung VCE durch "Active clamping". Alle diese und andere Eigenschaften bzw. Schaltungsteile sind an der Treiber-Hochspannungsseite eingebaut.
  • 9 zeigt die oben genannte Gate-Nachladung an den Stellen bzw. Zeitpunkten 50, falls die Gate-Spannung absinkt. Dargestellt sind die Ströme 52a für die Basis B des MOSFET 12a und 52b für die des MOSFET 12b und zusätzlich die Spulenströme.
  • Zum Einschalten des IGBT 8 entsteht so ein erster Signalpfad 19a von der Versorgungsspannung +VCC über den MOS-FET 12a, zum Ausschalten ein zweiter 19b über –VCC und den MOS-FET 12b.
  • 2 zeigt im oberen Diagramm den Strom I durch die Spule Lg in mA, im mittleren Diagramm die Gate-Emitterspannung am IGBT 8 Uge in V und unten die Kondensatorspannungen U+ und U an den Kondensatoren C+ und C in V. 2 entstand im Rahmen einer Computersimulation. Die Versorgungsspannungen +VCC und –VCC wurden deshalb vorab virtuell angeschlossen, um die Kondensatoren C+ und C auf je 15 V aufzuladen, dann virtuell wieder abgetrennt. Die Spannung U+ am Kondensator C+ ist ausgezogen, U gestrichelt dargestellt. Auf der Abszisse ist jeweils die Zeit t in μs angetragen.
  • Zum Zeitpunkt 0 μs sperrt der IGBT 8, weshalb seine Gate-Emitterspannung bei –15 V liegt. Ein Steuersignal 18 wird dem MOS-FET 12a ca. 1 μs lang zugeführt, weshalb dieser leitet und einen Teil der Ladung des Kondensators C+ in Form eines Strompulses 20a durch die Spule Lg zum Gate G des IGBT 8 leitet. Die Gate-Emitterspannung Uge steigt daher auf +15 V an, der IGBT 8 leitet, die Spannung U+ sinkt geringfügig und die Spannung U steigt, da die in der Drossel, also der Spule Lg gespeicherte Energie nach dem Ausschaltvorgang des MOSFETs 12a den Spulenstrom weitertreibt. Daraufhin öffnet sich dann die Diode 12b, der Drosselstrom wird gebremst und die Spannung U steigt.
  • Dieser Zustand bleibt solange erhalten, bis ein anderes Steuersignal 18 dem MOS-FET 12b zugeführt wird. Hierdurch entsteht ein Strompuls 20b, da das Gate G des IGBT 8 über den MOS-FET 12b entladen wird, die Spannung Uge auf –15 V sinkt und die Kondensatoren C+ und C wieder in ihren ursprünglichen Ladungszustand zurückkehren. Die reine Umladung der Kondensatoren ohne Spannungsverlust zeigt, dass die Schaltung (in der hier dargestellten idealisierten Simulation) verlustfrei arbeitet.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist der Anstieg des Gate-Ladestromes regelbar bzw. veränderbar ausgeführt, so dass diese an unterschiedliche Gatestrom-Anstiege bzw. gewünschte Schaltgeschwindigkeiten, verschiedene Lageladungswerte (IGBTs für unterschiedliche Ströme, Halbleitergeräte für unterschiedliche Leistungen), unterschiedliche Werte der Induktivität L1, L2 und die Benützung von nicht stabilisierten Versorgungsspannungen (U+ und U–) angepasst sind. Die Induktivität L1 ist hierbei z. B. während des Leitens des MOS-FET 12a, also im Ladevorgang des Gate G eingestellt, die Induktivität L2 entsprechend beim Entladen des Gate G, also bei Stromfluss über den MOS-FET 12b. So werden unterschiedliche Charakteristiken beim Ein- und Ausschalten des IGBT 8 erzielt. Bei bekannten Treibern waren hierzu unterschiedliche Gate-Widerstände für Ein- und Ausschaltvorgang nötig. Dies wird jetzt durch eine Induktivität und geeignete Ansteuerung des IGBT 8 erricht (PWM-Verfahren).
  • In 3 sind im oberen Diagramm nochmals die Gateemitterspannung Uge und der Strom I durch die Spule Lg vergrößert dargestellt. Im unteren Diagramm ist die Knotenspannung K zwischen dem Knoten 14 und der Masse GND darstellt. 3 zeigt die pulsartige, aber dauerhafte Ansteuerung der MOS-FETs 12a, b zum schnellstmöglichen Schalten bzw. Umladen des Gates G des IGBT 8.
  • In 4 dagegen ist für das Ein- und Ausschalten des IGBT 8, also die Steuersignale 18 und damit die Strompulse 21a und 21b jeweils das Pulsweitenmodulationsverfahren verwendet.
  • Hierdurch werden die Ein- bzw. Ausschaltzeiten des IGBT 8 auf ca. 2 μs verlängert, was an einer langsamer ansteigenden Einschaltflanke 22 und langsamer abfallenden Ausschaltflanke 24 der Gate-Emitterspannung Uge sichtbar ist. Auch die Kondensatorspannungen U+ und U verändern sich langsamer.
  • 5 zeigt entsprechend 3 die vergrößerte Darstellung aus 4. Hier sind die PWM-Pulse 26 in der Knotenspannung UK für das Ein- und Ausschalten des IGBT 8 deutlich sichtbar.
  • 6 zeigt eine alternative Treiberschaltung 6, bei der im Gegensatz zu 1 den MOS-FET 12a und 12b in den Signalpfaden 19a und 19b jeweils verschiedene Spulen 28a und 28b zugeordnet sind. Somit entstehen zwei komplett getrennte Signalpfade 19a und 19b für das Ein- und Ausschalten des IGBT 8. Jeder Spule 28a und 28b ist alternativ außerdem noch ein zusätzlicher ohmscher Widerstand 30 zugeordnet, der zu einem gegenüber 1 nochmals veränderten Lade- und Entladeverhalten des Gate G des IGBT 8 führt.
  • Zur Erzeugung der Versorgungsspannungen ±VCC und GND sind zwei Gleichrichter 32 vorgesehen, die von einem galvanisch getrennten Transformator 34 gespeist werden. Die gleiche Anordnung ist in der Realität auch für die Schaltung gemäß 1 vorgesehen (im Gegensatz zur oben genannten Computersimulation). 7 zeigt die entsprechend ergänzte Schaltung aus 1 mit zusätzlichen Begrenzungsdioden 36, die jeweils Kollektor C des MOSFET 12a und Emitter E des MOSFET 12b mit dem Treiberausgang 16 verbinden. Diese Begrenzungsdioden kann man einsetzen, wenn die Versorgungsspannung ±VCC stabilisiert ist und z. B. ±15 V beträgt. Die Ansteuerung des Treibers 6 ist dann einfach, weil die Gatespannung UGE des IGBT 8 nicht übersteuert sein kann, d. h. nicht höher als +15 bzw. nicht geringer als –15 V sein kann.
  • Die Haupteigenschaften des Treibers 6 gemäß 7 sind damit: Der IGBT oder MOSFET-Treiber 6 kommt ohne Gate-Widerstand aus. Die IGBT/MOSFET-Ansteuerung ist ohne Verluste durch die Gate-Kapazität-Ladung und -Entladung möglich. Nur eine Stromquelle ohne Gatewiderstand ist für unterschiedliche Gate-Ladevorgänge bzw. unterschiedliche Gateströme nötig. Die Hilfsstromversorgung ist bis zu fünfzigmal kleiner als für die klassische Lösung mit ohmschem Gatewiderstand Rg. Die einzige Schaltung gemäß 7 ist verwendbar für verschiedene, unterschiedliche IGBT-Ströme, unterschiedliche Schaltgeschwindigkeiten und nicht stabilisierte Hilfsstromversorgungen mit +VCC > 15 V, – VCC < –15 V.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10236532 C1 [0004]

Claims (13)

  1. Treiberschaltung (6) für einen Leistungstransistor (8), wobei dieser einen zu dessen Ein- (20a) und Ausschalten (20b) anzusteuernden Schalteingang (9) aufweist, mit einer eine Schaltspannung (UK) liefernden steuerbaren Spannungsquelle (U+, U), und mit einem mit seinem einen Anschluss (14) an die Spannungsquelle (U+, U) angeschlossenen induktiven Zweipol (Lg), dessen zweiter Anschluss (16) mit dem Schalteingang (9) verbindbar ist.
  2. Treiberschaltung (6) nach Anspruch 1, bei dem die Spannungsquelle (U+, U) einen MOSFET-Transistor (12a, b) enthält, der mit seinem treibenden Ausgang (E, C) mit dem Zweipol (Lg) verbunden ist.
  3. Treiberschaltung (6) nach Anspruch 2, mit zwei mit ihren treibenden Ausgängen (E, C) miteinander und mit dem Zweipol (Lg) verbundenen MOSFET-Transistoren (12a, b), die mit ihren jeweils anderen Leistungsausgängen (C, E) an je einer eine positive (U+) und negative (U) Schaltspannung lieferende Spannungsquelle (+VCC, –VCC, GND) angeschlossen sind.
  4. Treiberschaltung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit unterschiedlichen Signalpfaden (19a, b) für die einschaltende (20a) und ausschaltende (20b) Ansteuerung des Leistungstransistors (8).
  5. Treiberschaltung (6) nach Anspruch 4, bei der zum Einschalten (20a) des Leistungstransistors (8) eine erste Spannungs quelle (+VCC) über einen ersten Zweipol (28a) mit einem mit dem Schalteingang (9) verbindbaren Ausgangsknoten (16) und zum Ausschalten (20b) des Leistungstransistors (8) eine zweite Spannungsquelle (–VCC) über einen zweiten Zweipol (28b) mit dem Ausgangsknoten (16) verbunden ist.
  6. Treiberschaltung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem mit dem induktiven Zweipol (Lg) in Serie geschalteten ohmschen Widerstand (30).
  7. Treiberschaltung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leistungstransistor (8) ein MOSFET oder IGBT ist.
  8. Verfahren zum Schalten eines Leistungstransistors (8), wobei dieser einen zu dessen Ein- (20a) und Ausschalten (20b) anzusteuernden Schalteingang (9) aufweist, bei dem dem Schalteingang (9) ausgehend von einer steuerbaren Spannungsquelle (+VCC, –VCC, GND) ein Schaltstrom (I) über einen induktiven Zweipol (Lg) zugeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem für die Ein- (20a) und Ausschaltung (20b) verschiedene Induktivitäten (L1, L2) des Zweipols (Lg) verwendet werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem für die Ein- (20a) und Ausschaltung (20b) zwei verschiedene, von unterschiedlichen Spannungsquellen (+VCC, –VCC, GND) gespeiste Zweipole (28a, b) in verschiedenen Signalpfaden (19a, b) verwendet werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der der Schalteingang (9) über einen mit dem induktiven Zweipol (Lg) in Serie geschalteten ohmschen Widerstand (30) angesteuert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem zum Ein- (20a) oder Ausschalten (20b) dem Leistungstransistor (8) ein modulierter Schaltstrom (21a, b) zugeführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem dem Leistungstransistor (8) ein pulsweitenmodulierter Schaltstrom (21a, b) zugeführt wird.
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