DE19524529A1 - Leistungsarme Treiberstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine leistungsarme Treiberstu­ fe für einen spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschal­ ter.

Spannungsgesteuerte Leistungshalbleiterschalter, dazu gehören Metalloxidschicht-Feldeffekttransistoren (MOSFET) Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und MOS Controlled Thyri­ stors (MCT), zeichnen sich durch kleine Ansteuerleistungen, kurze Schaltleistungen und zugleich relativ große Strombe­ lastbarkeiten bei hoher Pulsfrequenz aus. Sie werden mit IC′s, Komplementärtransistoren oder Transformatoren direkt angesteuert und finden hauptsächlich Anwendung bei selbstge­ führten Stromrichtern, insbesondere in der Antriebstechnik und bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Im statischen Betriebszustand benötigt der spannungsgesteuerte Leistungs­ halbleiterschalter keinen Steuerstrom. Nur beim Ein- und Aus­ schalten entstehen aufgrund der Eingangskapazität kurze Steu­ erstromimpulse, deren Höhe durch einen Steuerkreiswiderstand R_G begrenzt wird. Sollen die Ein- und Abschaltvorgänge des spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschalters unabhängig voneinander beeinflußt und optimiert werden, so kann man den Steuerkreiswiderstand R_G auf zwei Widerstände R₁ und R₂ auf­ teilen und unterschiedlich dimensionieren. Dabei bleibt trotz verschiedener Spitzenwerte des Steuerstromes die Steuerver­ lustleistung gleichmäßig auf Ein- und Abschaltvorgang ver­ teilt.

Die Fig. 1 zeigt eine konventionelle Treiberstufe 2 für einen spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschalter 4, beispielsweise einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). Diese Treiberstufe 2 besteht aus einer Gegentaktstufe 6, einer positiven und negativen Leerlaufspannungsquelle 8 und 10 und den Steuerkreiswiderständen R₁ und R₂ für den Ein- und Abschaltvorgang. Der Ein- und der Ausschaltkreis sind durch Entkopplungsdioden D₁ und D₂ voneinander elektrisch ge­ trennt. Am Steuereingang 12 der Gegentaktstufe 6 steht ein Steuersignal S_St an, mit dem Transistoren T1 und T2, bei­ spielsweise MOSFETs, der Gegentaktstufe 6 ein- bzw. ausge­ schaltet werden. Sehr oft ist der Gegentaktstufe 6 eine Ver­ stärkerstufe zur Signalanpassung vorgeschaltet. Eine gemäß dieser Fig. 1 dargestellte Treiberstufe 2 ist beispielsweise aus der DE-Zeitschrift "Elektronik", Band 24, 1990, Seiten 62 bis 67 bekannt.

Wegen relativ geringer Steuerverlustleistungen lassen sich in der Treiberstufe 2 bei spannungsgesteuerten Leistungshalblei­ terschaltern auch handelsübliche IC-Bausteine einsetzen, die für das Ansteuern von beispielsweise MOSFETs konzipiert sind. In dem bereits genannten Aufsatz sind Schaltungsbeispiele für Treiberstufen mit IC-Bausteinen und eine Tabelle von Herstel­ lern für IC-Bausteine für Treiberstufen angegeben.

Durch Verändern der Leerlaufspannung und und des Steuerkreiswiderstandes R_G bzw. R₁ und R₂ lassen sich die Kollektor-Emitter-Spannung im Sättigungsbereich, die Schalt­ zeiten sowie die Schaltverlustleistungen beeinflussen. Der von der Treiberstufe 2 abzugebende Steuerstrom i_G kann einen Spitzenwert i_GM erreichen von:

() / RG

Die dabei hauptsächlich am Steuerwiderstand R_G in Wärme umge­ setzte Steuerverlustleistung P_G resultiert im wesentlichen aus der Differenz der Leerlaufspannungen und , der Eingangskapazität C_GE des spannungsgesteuerten Leistungshalb­ leiterschalters 4 und der Impulsfrequenz f₀. Sie läßt sich näherungsweise wie folgt ermitteln:

P_G ≈ · C_GE · f₀

Die Transistoren T₁ und T₂ der Gegentaktstufe 6 bilden einen MOS-Inverter. Mit fallendem Steuersignal S_St wird der Tran­ sistor T₁ durchgeschaltet. Über den strombegrenzenden Wider­ stand R₁ bildet sich der Gatestrom i_G aus. Dieser springt bei kleinen parasitären Induktivitäten im Gatekreis auf den durch die Spannungsdifferenz vorgegebenen Wert. Danach folgt das exponentielle Abklingen des Stromes. Erreicht die Gate-Emitter-Spannung den Wert , so ist für den folgenden Zeitraum der Stromfluß i_G konstant. Nach diesem Zeitraum steigt die Gate-Emitter-Spannung exponentiell an. Der Gate- Strom i_G weist entgegengesetztes Verhalten auf. Das Abschal­ ten des spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschalters 4 erfolgt analog.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Treiber­ stufe für einen spannungsgesteuerten Leistungshalbleiter­ schalter anzugeben, die leistungsärmer ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Durch die Verwendung einer Induktivität anstelle eines Steu­ erkreiswiderstandes zur Strombegrenzung ist diese Treiberstu­ fe verlustfreier. Durch die Verwendung von vier elektroni­ schen Schaltern in Brückenschaltungen kann die in den statio­ nären Zuständen des spannungsgesteuerten Leistungshalbleiter­ schalters gespeicherte Energie der Eingangskapazität, auch Gate-Emitter-Kapazität genannt, während des Umladens dieser Kapazität in die Treiberstufe zurückgeführt werden. Außerdem kann mittels dieser elektronischen Schalter in Brückenschal­ tung die Abmagnetisierung der Induktivität sichergestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Treiberstufe für einen spannungsge­ steuerten Leistungshalbleiterschalter werden die diagonal gegenüberliegenden elektronischen Schalter für den Ein- oder Abschaltvorgang des spannungsgesteuerten Leistungshalblei­ terschalters nicht alternierend ein- und ausgeschaltet, son­ dern ein zweiter elektronischer Schalter wird zum bereits eingeschalteten elektronischen Schalter ebenfalls eingeschal­ tet. Dadurch bleibt der spannungsgesteuerte Leistungshalb­ leiterschalter noch aus- bzw. eingeschaltet, jedoch die In­ duktivität in der Brückendiagonale der Treiberstufe wird vor­ gestromt. Dadurch wird Einfluß auf die Schaltgeschwindigkeit des spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschalters genom­ men.

Weitere Ausgestaltungen der Treiberstufe sind den Unteran­ sprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt eine konventionelle Treiberstufe eines span­ nungsgesteuerten Leistungshalbleiterschalters, in

Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Treiberstufe dargestellt, die

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm über der Zeit t mehrere Stromverläufe in der Induktivität der Treiberstufe, wogegen die

Fig. 4 in einem Diagrainin über der Zeit t mehrere Spannungs­ verläufe der Steuerspannung eines spannungsgesteuer­ ten Leistungshalbleiterschalters veranschaulicht und die

Fig. 5 stellt in einem Diagramm über der Frequenz die Lei­ stungsaufnahmen einer konventionellen Treiberstufe einer erfindungsgemäßen Treiberstufe gegenüber.

Die Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfin­ dungsgemäßen Treiberstufe 2, die vier elektronische Schalter T1, . . ., T4, eine positive und negative Spannungsquelle 8 und 10 und eine Induktivität 12 aufweist. Diese vier elektroni­ schen Schalter T1, . . ., T4 sind in einer Brückenschaltung 14 angeordnet, wobei die beiden Spannungsquellen 8 und 10 in einer ersten Brückendiagonalen 16 und die Induktivität 12 in einer zweiten Brückendiagonalen 18 angeordnet sind. Als In­ duktivität 12 ist eine HF-Drossel vorgesehen. Jedem elektro­ nischen Schalter T1, . . ., T4 ist ein Freilaufzweig zugeordnet, wobei dieser jeweils durch eine Diode D1 bzw. D2 bzw. D3 bzw. D4 realisiert wird. Dabei sind diese Dioden T1, . . ., D4 invers zur Stromrichtung des zugehörigen elektronischen Schalters T1, . . ., T4 angeordnet. Die Freilaufdioden D1, . . ., D4 können vorteilhaft als Schottky-Dioden ausgeführt werden, da diese kurze Schaltzeiten aufweisen und verlustarm sind. Diese Frei­ laufdioden T1, . . ., D4 können jedoch auch die interne Inversdi­ ode eines elektronischen Schalters T1, . . ., T4 beispielsweise eines MOSFET sein. In dieser Darstellung sind als elektroni­ sche Schalter T1, . . ., T4 jeweils selbstsperrende Metalloxid­ schicht-Feldeffekttransistoren, auch Enhancement-MOSFET ge­ nannt, vorgesehen. Der Verbindungspunkt 20 der elektrisch in Reihe geschalteten Spannungsquellen 8 und 10 ist mit einem Bezugsanschluß 22 der Treiberstufe 2 und ein Verbindungspunkt 24 zweier elektronischer Schalter T3 und T4 und der Indukti­ vität 12 ist mit einem Steueranschluß 26 der Treiberstufe 2 verbunden. Der spannungsgesteuerte Leistungshalbleiterschal­ ter 4 wird mit seiner Steuer- bzw. Gate-Elektrode an den Steueranschluß 26 und mit seiner Source- bzw. Emitter-Elek­ trode an den Bezugsanschluß 22 der Treiberstufe 2 angeschlos­ sen. Als positive und negative Leerlaufspannungsquelle 8 und 10 kann jeweils ein Kondensator vorgesehen sein, an dem die Leerlaufspannungen und abfallen. Die elektronischen Schalter T1, . . ., T4 werden aus einem nicht näher dargestell­ ten Steuersatz angesteuert, der aus einem Steuersignal S_St die Steuersignale für diese elektronischen Schalter T1, . . ., T4 generiert.

Im folgenden wird anhand der schematischen Darstellung der erfindungsgemäßen Treiberstufe 2 gemäß Fig. 2 und der anhand der Diagramme gemäß den Fig. 3 und 4 die Funktionsweise dieser Treiberstufe 2 erläutert:

Bei der Funktionsbeschreibung wird von einem sperrenden Zu­ stand des spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschalters 4 ausgegangen. Dieser Zustand wird dadurch erreicht, daß der elektronische Schalter T4 der Treiberstufe 2 eingeschaltet ist.

Wechselt nun das Steuersignal S_St vom High-Zustand in den Low-Zustand, was bedeutet, daß der spannungsgesteuerte Lei­ stungshalbleiterschalter 4 leitend werden soll, so wird der elektronische Schalter T1 eingeschaltet und der elektronische Schalter T4 ausgeschaltet. Es bildet sich dadurch eine Schwingung über die in der Brückendiagonalen 18 angeordnete Induktivität 12 aus. Die Steuerspannung des spannungsgesteu­ erten Leistungshalbleiterschalters 4 steigt (Phase 2 der Fig. 4). Erreicht die Steuerspannung bzw. die Gate-Emitter- Spannung den Wert der Leerlaufspannungsquelle 8, so wird diese durch die Freilaufdiode D3 geklemmt. Der Strom durch­ fließt dadurch nun die Freilaufdiode D3, den elektronischen Schalter T1 und die Induktivität 12. Der elektronische Schal­ ter T3, dessen Drain-Source-Spannung zur Ermittlung eines Einschaltzeitpunktes detektiert wird, kann jetzt zur nieder­ ohmigen Festlegung der Gate-Emitter-Spannung des spannungsge­ steuerten Leistungshalbleiterschalters 4 durchgesteuert wer­ den. Dadurch ist der Steueranschluß 26 der Treiberstufe 2 direkt mit der positiven Leerlaufspannungsquelle 8 elektrisch leitend verbunden.

Nun wird der elektronische Schalter T1 ausgeschaltet, wodurch der Strom auf die Freilaufdiode D2 kommutiert. Dadurch ist die an der Induktivität 12 anliegende Spannung dem momentanen Stromfluß entgegengerichtet, so daß die Induktivität 12 abma­ gnetisiert wird (Phase 3 der Fig. 3). Dadurch wird die Aus­ gangssituation für den Ausschaltvorgang des spannungsgesteu­ erten Leistungshalbleiterschalters 4 erreicht.

Wechselt nun das Steuersignal S_St vom Low-Zustand in den High-Zustand, was bedeutet, daß der spannungsgesteuerte Lei­ stungshalbleiterschalter 4 sperrend werden soll, so wird der elektronische Schalter T2 eingeschaltet und gleichzeitig der elektronische Schalter T3 ausgeschaltet. Dadurch bildet sich eine Schwingung entgegengesetzt zur Schwingung des Einschalt­ vorgangs aus, so daß die Energie der Eingangskapazität C_GE des spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschalters 4 in die Treiberstufe 2 zurückgeführt wird. Dadurch sinkt die Steuerspannung bzw. die Gate-Emitter-Spannung des Leistungs­ halbleiterschalters 4 ab. Erreicht diese absinkende Spannung den Wert der negativen Leerlaufspannungsquelle 10, so wird diese durch die Freilaufdiode D4 geklemmt. Der Strom durchfließt nun durch die Freilaufdiode D4, den elektroni­ schen Schalter T2 und die Induktivität 12. Der elektronische Schalter T4, dessen Drain-Source-Spannung zur Ermittlung eines Einschaltzeitpunktes detektiert wird, kann nun zur nie­ derohmigen Festlegung der Gate-Emitter-Spannung des Lei­ stungshalbleiterschalters 4 durchgesteuert werden. Anschlie­ ßend wird der elektronische Schalter T2 ausgeschaltet, wo­ durch der Strom auf die Freilaufdiode D1 kommutiert und die Induktivität 12 abmagnetisiert wird.

Bei einem vorteilhaften Steuerverfahren der erfindungsgemäßen Treiberstufe 2 werden die elektronischen Schalter T1, T4 bzw. T2 und T3 nicht gleichzeitig ein- und ausgeschaltet, sondern die elektronischen Schalter T4 bzw. T3 bleiben beim Einschal­ ten des elektronischen Schalters T1 bzw. T2 eingeschaltet. Dadurch ändert sich der Zustand (Ein bzw. Aus) des spannungs­ gesteuerten Leistungshalbleiterschalters 4 zuerst nicht - die Änderung tritt mit dem Sperren der Transistoren T₃, T₄ ein -, sondern die Induktivität 12 wird vorgestromt. Durch diese Vorstromung der Induktivität 12 wird Einfluß auf die Schalt­ geschwindigkeit des Leistungshalbleiterschalters 4 beim Ein- bzw. Ausschalten genommen (Phase 1 der Fig. 4). Bei einer möglichen intelligenten Treiberschaltung, die durch Messung von Strom, Spannung und Temperatur am spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterschalter 4 eine kennfeldgesteuerte Ansteu­ erung zur Verringerung der Schaltverluste des Leistungshalb­ leiterschalters 4 vornimmt, könnte diese Möglichkeit vorteil­ haft eingesetzt werden.

Der Leistungsbedarf, dargestellt in der Fig. 5, einer rea­ len Treiberstufe 2, setzt sich aus mehreren Teilen zusammen:

• - Eine Leistung P₀, die nicht von der Frequenz abhängt, wird für diverse Schutzfunktionen der Treiberschaltung benö­ tigt.
• - Die realisierte Treiberstufe besitzt des weiteren aufgrund der verwendeten MOS-Technik einen frequenzproportionalen Anteil P_F; dieser beträgt ca. 1 mW/kHz.
• - Der weitaus größere Anteil, P_reso für die resonante An­ steuerung und P_resis für die konventionelle, resistive Gateansteuerung, wird jedoch für die Lade- bzw. Entlade­ vorgänge des Gates des spannungsgesteuerten Leistungshalb­ leiterschalters 4 benötigt.

Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, kann dieser Leistungsanteil durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Treiberstufe re­ duziert werden. Mit der erfindungsgemäßen Treiberstufe 2 be­ nötigt man für einen Schaltvorgang nur noch ca. ein Drittel der Energie, die bei der konventionellen Treiberstufe 2 gemäß Fig. 1 benötigt wird.

Claims (10)

1. Leistungsarme Treiberstufe (2) für einen spannungsge­ steuerten Leistungshalbleiterschalter (4) mit vier elektroni­ schen Schaltern (T1, T2, T3, T4) mit zugehörigen Freilaufzweigen in einer Brückenschaltung (14) mit einer in einer ersten Brückendiagonalen (16) angeordneten positiven und negativen Leerlaufspannungsquelle (8, 10) und einer in einer zweiten Brückendiagonalen (18) angeordneten Induktivität (12), wobei ein Verbindungspunkt (20) der beiden Leerlaufspannungsquellen (8, 10) einem Bezugsanschlußpunkt (22) und ein Verbindungs­ punkt (24) zweier elektronischer Schalter (T3, T4) und der In­ duktivität (12) einen Steueranschluß (26) der Treiberstufe (2) bilden.

2. Leistungsarme Treiberstufe (2) nach Anspruch 1, wobei als Induktivität (12) eine HF-Drossel vorgesehen ist.

3. Leistungsarme Treiberstufe (2) nach Anspruch 1, wobei als elektronische Schalter (T1, . . . , T4) jeweils ein Transistor vorgesehen ist.

4. Leistungsarme Treiberstufe (2) nach Anspruch 3, wobei als Transistor ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.

5. Leistungsarme Treiberstufe (2) nach Anspruch 4, wobei als Feldeffekttransistor ein selbstsperrender Metalloxidschicht- Feldeffekttransistor vorgesehen ist.

6. Leistungsarme Treiberstufe (2) nach Anspruch 1, wobei als Freilaufzweig eine Freilaufdiode (D1, D2, D3, D4) vorgesehen ist.

7. Leistungsarme Treiberstufe (2) nach Anspruch 6, wobei als Freilaufdiode (D1, . . . , D4) eine Schottky-Diode vorgesehen ist.

8. Leistungsarme Treiberstufe (2) nach Anspruch 1, wobei als positive bzw. negative Leerlaufspannungsquelle (8 bzw. 10) ein Kondensator vorgesehen ist.

9. Verfahren zur Steuerung der leistungsarmen Treiberstufe (2) nach Anspruch 1, wobei die elektronischen Schalter (T1, T4 bzw. T2, T3) für den Ein- bzw. Ausschaltvorgang des spannungs­ gesteuerten Leistungshalbleiterschalters (4) gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.

10. Verfahren zur Steuerung der leistungsarmen Treiberstufe (2) nach Anspruch 1, wobei die elektronischen Schalter (T1 bzw. T2) für den Ein- bzw. Ausschaltvorgang des spannungs­ gesteuerten Leistungshalbleiterschalters (4) eingeschaltet werden, wobei die bereits eingeschalteten elektronischen Schalter (T4 bzw. T3) für eine vorbestimmte Zeit eingeschal­ tet bleiben.