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Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiter-Schaltung für einen
Kommutierungszweig mit einem Halbleiterbauelement, insbesondere einer
Leistungsdiode, durch die zum Ausräumen von Ladungsträgern ein Rückstrom in
Sperrichtung fließt, sowie ein Verfahren zum Steuern des Abschaltverhaltens
einer Leistungshalbleiterschaltung.
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In elektronischen Schaltungen beispielsweise zur Versorgung von elektrischen
Maschinen kommen neben Halbleiterventilen, die über einen Steueranschluß ein-
bzw. ausgeschaltet werden können, Freilaufdioden zum Einsatz, die das
Halbleiterventil vor Zerstörung durch Überspannung bei induktiver Last schützen.
Wird das einer solchen Freilaufdiode gegenüberliegende Halbleiterventil mit
Steueranschluß eingeschaltet, während die Diode noch Strom führt, so kommutiert
der Laststrom von der Diode auf das Halbleiterventil. Die Diode kann jedoch erst
nach Ausräumen einer Sperrverzugsladung Sperrspannung aufnehmen; der diese
Ladung ausräumende Stromfluß reißt je nach Diodentyp und Randbedingungen
sehr schnell, d. h. mit hoher Stromsteilheit di/dt ab. Diese Zusammenhänge sind
beispielsweise in K. Heumann: Grundlagen der Leistungselektronik; B. G.
Teubner, Stuttgart 1989 dargestellt.
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Eine hohe Stromsteilheit di/dt bei Stromabriß in der Diode ist unter verschiedenen
Gesichtspunkten von Nachteil. Einerseits führt sie zu hohen induzierten
Spannungen an parasitären Induktivitäten Lp di/dt, so daß insbesondere in
Schaltungen für Antriebe mit relativ niedrigen Versorgungsspannungen eine
Überdimensionierung der Leistungshalbleiter hinsichtlich ihrer Sperrspannungen
erforderlich ist. Andererseits kann eine steile Flanke mit hohem di/dt vorhandene,
aus Kapazitäten und Induktivitäten bestehende Schwingkreise zum Schwingen
anregen, was den Betrieb der Schaltung stören kann und ihre unerwünschte
Störaussendung erhöht.
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Von schnellen Leistungsdioden wird daher gefordert, daß bei Kommutierung aus
dem Durchlaßzustand das Rückstrommaximum klein ist und der Abfall des
Rückstroms nach dem Rückstrommaximum mit nicht zu großer Steilheit erfolgt.
Es wird also ein sogenanntes weiches Rückwärtserholungs- oder Soft-Recovery-
Verhalten gefordert. Durchlaßspannung und Sperrstrom dürfen dabei bestimmte
Grenzwerte nicht überschreiten.
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Die DE 42 01 183 A1 schlägt vor, das Abschaltverhalten einer Leistungsdiode
dahingehend zu verbessern, daß bei gleicher Durchlaßspannung und gleichem
Soft-Recovery-Verhalten eine verminderte Rückstromspitze auftritt. Dies wird
dadurch erreicht, daß die Leistungsdiode in zwei Teildioden aufgeteilt wird, von
denen die erste eine Innenzonendicke aufweist, die auf die Sperrspannung
abgestimmt ist, während die Innenzonendicke der zweiten Teildiode zur Erzielung
des Soft-Recovery-Verhaltens größer als die Innenzonendicke der ersten Teildiode
ist. Darüber hinaus werden die Minoritätsträger-Lebensdauern beider Teildioden
derart aufeinander abgestimmt, daß der Durchlaßstrom der ersten Teildiode größer
als der Durchlaßstrom der zweiten Teildiode ist. Als nachteilig erweist sich bei
einer solchen Hybrid-Diode, daß die Abschalteigenschaften durch die
technologische Auslegung der beiden Teildioden bei der Chipherstellung
festgelegt ist.
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Die DE 41 35 259 C1 schlägt zur Reduzierung der Schaltungsverluste im
Kommutierungszweig vor, einer Leistungsdiode mit einem weichen
Schaltverhalten eine zweite Leistungsdiode mit einem harten Schaltverhalten
parallel zu schalten. Während im Durchlaßfall die erste Diode den wesentlichen
Teil des Laststroms führt, fließt durch die zweite Diode nach steilem Stromabriß
in der ersten Diode ein mit geringerer Steilheit abklingender Rückstrom, so daß
die nachteiligen Überspannungen vermieden und Oszillationen weniger angeregt
werden. Nachteilig ist jedoch, daß die Abschalteigenschaften durch die
Verwendung spezieller Dioden festgelegt sind.
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J. Lutz, P. Nagengast: Neue Entwicklungen bei schnellen Dioden; ETG-
Fachtagung, Bad Nauheim 1998, S. 27 ff befaßt sich mit der Abhängigkeit des
Schaltverhaltens von Dioden vom Arbeitspunkt, insbesondere Spannung, Strom,
Stromsteilheit und Temperatur. Daraus ergibt sich, daß die technologische
Auslegung von Dioden nach dem Stand der Technik im allgemeinen für den
gesamten Arbeitsbereich niemals optimal sein kann. Es besteht keine Möglichkeit,
festgelegte Diodencharakteristika vom Arbeitspunkt abhängig zu beeinflussen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungshalbleiter-Schaltung für
einen Kommutierungszweig mit verbesserten Abschalteigenschaften zu schaffen,
die in unterschiedlichen Anwendungsfällen universell einsetzbar ist. Darüber
hinaus ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern des
Abschaltverhaltens von Leistungs-Halbleitern mit verbesserten
Abschalteigenschaften anzugeben.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1
bzw. 5 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiter-Schaltung finden zwei parallel
geschaltete Halbleiterschalter Verwendung: Bei dem ersten Halbleiterschalter
handelt es sich um eine Diode, deren Schaltverhalten durch harten Abriß der
Rückstromspitze gekennzeichnet sein kann; der zweite Halbleiterschalter ist so
ausgeführt, daß sein Schaltverhalten beeinflußt werden kann. Zur Einstellung des
Abschaltverhaltens der Leistungshalbleiter-Schaltung ist eine Steuereinrichtung
vorgesehen. Die universelle Einsetzbarkeit der Leistungshalbleiter-Schaltung in
unterschiedlichen Anwendungsfällen ergibt sich daraus, daß die Steilheit des
Abrisses der Rückstromspitze durch die Steuerbarkeit des zweiten
Halbleiterschalters einstellbar ist. Da das Abschaltverhalten der
erfindungsgemäßen Leistungshalbleiter-Schaltung nicht ausschließlich auf der
Chiptechnologie beruht, sondern durch Ansteuerung zu beeinflussen ist, kann es
an den jeweiligen Anwendungsfall individuell angepaßt werden.
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Die Steuereinrichtung steuert den zweiten Halbleiterschalter vorzugsweise derart
an, dass er zusätzliche Ladungsträger bereitstellt, wenn der Durchlassstrom der
Leistungshalbleiter-Schaltung besonders klein und/oder mindestens in der
Größenordnung des Nennstroms ist, und/oder wenn aufgrund des Unterschieds
zwischen der Betriebsspannung und der zulässigen Sperrspannung des ersten und
zweiten Halbleiterschalters nur geringe Überspannungsspitzen zulässig sind,
und/oder wenn der erste Halbleiterschalter eine hohe Sperrschichttemperatur
aufweist.
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Der erste Halbleiterschalter der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltung kann
eine konventionelle Freilaufdiode sein, die sich durch ein hartes Schaltverhalten
(Recovery-Verhalten) auszeichnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Halbleiterschalter ein
Thyristor mit weichem Abschaltverhalten. Grundsätzlich kann der zweite
Halbleiterschalter aber auch ein Transistor oder ein ähnliches
Halbleiterbauelement sein. Allein entscheidend ist, daß nach Ausräumen der
Sperrverzugsladung des ersten Halbleiterschalters mit hartem Abriß der
Rückstromspitze vom zweiten Halbleiterschalter eine zusätzliche
Sperrverzugsladung mit weichem Stromabriß zur Verfügung gestellt wird, so daß
das Abschalten der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiter-Schaltung insgesamt
für die jeweiligen Betriebsbedingungen hinreichend weich erfolgt.
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Bei der Ausführungsform mit dem Thyristor als zweiten Halbleiterschalter kann
die Steuereinrichtung von einer zwischen dessen Gate und Anode geschalteten
Diode gebildet werden. Hierbei handelt es sich um ein relativ einfaches
Ausführungsbeispiel, bei dem das Steuersignal für den Thyristor durch eine mit
wenig Aufwand ins Bauelement integrierbare Steuereinrichtung bereitgestellt
wird. Alternativ kann das Steuersignal aber auch von einer externen
Steuereinrichtung bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn die nötigen Meßsignale ohnehin erfaßt und in einer Steuer- bzw.
Regeleinheit ausgewertet werden. Der Aufwand, diese Einrichtung auch zentral
die Einstellung des Abschaltverhaltens der Leistungshalbleiter-Schaltung
vornehmen zu lassen, ist dann vergleichsweise gering.
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Im folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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Fig. 1 eine konventionelle Freilaufdiode,
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Fig. 2 das Abschaltverhalten der in einen Kommutierungszweig eingebundenen
Freilaufdiode von Fig. 1,
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Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Leistungshalbleiter-Schaltung,
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Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leistungshalbleiter-
Schaltung mit einer Diode als Steuereinrichtung für einen Thyristor,
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Fig. 5 das Abschaltverhalten der Leistungshalbleiter-Schaltung von Fig. 4 und
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Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Leistungshalbleiter-Schaltung mit einer
externen Steuereinrichtung und einem Thyristor als zweiten
Halbleiterschalter.
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Fig. 1 zeigt eine konventionelle Freilaufdiode, wie sie in den bekannten
Kommutierungszweigen eingesetzt wird. Die bekannte Freilaufdiode zeichnet sich
dadurch aus, daß nach Abkommutieren eines Durchlaßstroms in Vorwärtsrichtung
eine Rückstromspitze auftritt, nach deren betragsmäßigem Maximum die Diode
Sperrspannung aufnehmen kann.
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Das Abschaltverhalten der Freilaufdiode von Fig. 1 in einem
Kommutierungszweig zeigt Fig. 2. Es sind Strom (gepunktete Linie) und
Spannung (durchgezogene Linie) als Funktion der Zeit dargestellt. Wenn der
Laststrom von der Freilaufdiode auf das Halbleiterventil kommutiert, nimmt der
durch die Diode fließende Strom von seinem stationären Wert auf den Wert 0 ab,
während der durch das Halbleiterventil fließende Strom entsprechend zunimmt.
Deutlich ist zu erkennen, daß nach dem Nulldurchgang ein Rückstrom in
Sperrichtung durch die Diode fließt. Der steile Abriß der Rückstromspitze führt zu
einer Überspannungsspitze von fast doppelter Zwischenkreisspannung und
anschließender am Spannungsverlauf deutlich erkennbarer Oszillation. In Fig. 2
ist die Rückstromspitze mit einem Pfeil gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Leistungshalbleiter-Schaltung zeigt Fig. 3 in vereinfachter
schematischer Darstellung. Die Schaltung umfaßt die Freilaufdiode D von Fig. 1
als ersten Halbleiterschalter, einen zweiten Halbleiterschalter 1 und eine
Steuereinrichtung 2. Der zweite Halbleiterschalter 1 weist einen Anoden-
Anschluß A, einen Steueranschluß S und einen Kathoden-Anschluß K auf, wobei
der Anoden-Anschluß mit der Anode und der Kathoden-Anschluß mit der
Kathode der Diode D verbunden ist. Der Steueranschluß S ist mit der
Steuereinrichtung 2 verbunden. Die Steuereinrichtung erzeugt ein Steuersignal,
mit dem der zweite Halbleiterschalter derart angesteuert wird, daß die
Leistungshalbleiter-Schaltung ein bestimmtes Abschaltverhalten hat.
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Unter der Annahme, daß die Diode D ein für Epitaxial-Dioden typisches
Abschaltverhalten aufweist, ist ein Steuerverfahren für den zweiten
Halbleiterschalter 1 von der Steuereinrichtung 2 von Vorteil, das elektrische
Parameter, insbesondere Strom und Spannung durch die Leistungshalbleiter-
Schaltung, sowie thermische Größen, insbesondere die Sperrschichttemperatur der
Diode D, auswertet.
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Zunächst wird die Steuerung des Abschaltverhaltens in Abhängigkeit vom Strom
in Vorwärtsrichtung durch die Diode D beschreiben.
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Bei im Vergleich zum Nennstrom sehr kleinen Strömen verstärkt sich die Neigung
von Dioden, elektrisch zu schwingen. Um die bei elektrischen Schwingungen
unter Einbeziehung der Diode D auftretenden Überspannungsspitzen zu
minimieren, kann es vorteilhaft sein, den Schwingkreis durch zusätzliche Ladung
im zweiten Halbleiterschalter 1 zu verstimmen. Handelt es sich beim zweiten
Halbleiterschalter 1 um einen Thyristor Th1, so bedeutet dies, daß dieser
vorzugsweise abgeschaltet wird.
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Bei großen Durchlaßströmen durch die Diode D und mithin in Induktivitäten in
anderen Teilen der Schaltung gespeicherten großen Energien sollte der zweite
Halbleiterschalter 1 den Stromabriß der Leistungshalbleiter-Schaltung ebenfalls
durch zusätzliche Ladung verbessern.
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In einem Zwischenbereich von beispielsweise 25%-50% des Nennstroms kann die
Schaltung auch ohne zusätzliche Ladung aus dem zweiten Halbleiterschalter 1
befriedigend funktionieren. Ein diese Aufgabe wahrnehmender Thyristor Th1 muß
also nicht eingeschaltet werden.
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Das Abschaltverhaltens kann in Abhängigkeit von der Sperrspannung wie folgt
gesteuert werden.
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Je höher die in der Schaltung anliegende Sperrspannung im stationären Zustand
und je niedriger die ausgewiesene Sperrspannung der Diode D, desto weniger
Reserven für Überspannungsspitzen sind vorhanden. Je geringer die Differenz
dieser Spannungen ist, desto vorteilhafter ist es mithin, Überspannungsspitzen
beim Ausschalten der Diode D zu reduzieren, indem der zweite Halbleiterschalter
1 zusätzliche Ladung zur Verfügung stellt. Ein diese Aufgabe wahrnehmender
Thyristor Th1 wird also während der Leitungsdauer von D eingeschaltet.
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Bei batteriegespeisten Spannungszwischenkreis-Umrichtern ist die stationäre
Sperrspannungs-Belastung der Dioden beispielsweise identisch mit der
Batteriespannung. Die Dioden werden in der Regel so ausgewählt, daß ihre
ausgewiesene Sperrspannung etwa das doppelte der Batterie-Nennspannung
beträgt, so daß sich Reserven von lediglich einigen 10 V bis 100 V ergeben.
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Nachfolgend wird die Steuerung des Abschaltverhaltens in Abhängigkeit von der
Sperrschichttemperatur beschrieben:
Niedrige Sperrschichttemperatur führt zu geringer Sperrverzugsladung und
vergleichsweise weichem Abriß der Rückstromspitze in der Diode D, so daß der
zweite Halbleiterschalter 1 keine zusätzliche Ladung bereithalten soll. Handelt es
sich beim zweiten Halbleiterschalter 1 um einen Thyristor Th1, so bedeutet dies,
daß jener nicht eingeschaltet werden soll.
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Umgekehrt führt hohe Sperrschichttemperatur der Diode D zu einer größeren
Sperrverzugsladung mit steilerem Abriß der Rückstromspitze. In diesem Falle soll
also der zweite Halbleiterschalter 1 zusätzliche Ladung bereithalten. Im
Ausführungsbeispiel mit Thyristor Th1 bedeutet dies, daß jener während der
Leitungsdauer der Diode D eingeschaltet wird und mithin einen geringen Teil des
Freilaufstroms führt.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Thyristor Th1 als zweiten
Halbleiterschalter und einer Diode D1 als Steuereinrichtung. Der Thyristor Th1 ist
der Freilaufdiode D parallel geschaltet, wobei die Kathode der Diode D1 mit dem
Gate und die Anode der Diode D1 mit der Anode des Thyristors Th1 verbunden ist.
Die Freilaufdiode zeichnet sich durch einen harten Stromabriß bei geringer
Sperrverzugsladung aus, der Thyristor Th1 durch eine größere Sperrverzugsladung.
Ist die Durchlaßspannung der Freilaufdiode D hinreichend hoch, so wird der
Thyristor Th1 über die Diode D1 gezündet. Man erreicht so, daß der weiche
Stromabriß durch Zuschaltung des Thyristors beim Abschalten größerer Ströme,
bei denen die konventionelle Diode D eine hinreichend hohe Durchlaßspannung
aufbaut, zum Tragen kommt.
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In Fig. 5 ist zu erkennen, daß bei der Leistungshalbleiter-Schaltung von Fig. 4 das
Abschaltverhalten verbessert ist. Im Vergleich zum Abschaltverhalten einer
konventionellen Freilaufdiode D, wie in Fig. 2 gezeigt, zeichnen sich die
aufgenommenen Kurvenverläufe durch eine niedrigere Überspannungsspitze
sowie eine deutlich stärkere Dämpfung der entstehenden Schwingung aus.
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Die alternative Ausführungsform der Leistungshalbleiter-Schaltung von Fig. 6
unterscheidet sich von der Schaltung von Fig. 4 dadurch, daß anstelle der Diode
D1 eine externe Steuereinrichtung 2 vorgesehen ist. Die externe Steuereinrichtung
2 kann beispielsweise Bestandteil der ohnehin in den bekannten Schaltungen der
Leistungselektronik vorgesehenen Einrichtungen für die Auswertung der nötigen
Meßsignale sein. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung den Thyristor Th1 mit
weichem Schaltverhalten erst dann zünden, wenn kritische Parameter
überschritten sind. Als kritische Parameter kommen insbesondere der durch die
Freilaufdiode D fließende Strom oder die Temperatur in Betracht. Insbesondere
sollte der Thyristor nur dann gezündet und damit auf das Abschaltverhalten der
Leistungshalbleiter-Schaltung Einfluß genommen werden, wenn bestimmte
Strom- und/oder Temperaturgrenzwerte unter- oder überschritten werden.