DE10137752C1

DE10137752C1 - Vorrichtung zur Ansteuerung eines Schaltelements und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10137752C1
Application number: DE2001137752
Authority: DE
Inventors: Cyrille Brando; Mark Elliott; Johann Falter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: WO2003015278A3; WO2003015278A2

Abstract

Vorrichtung zur Ansteuerung eines Schaltelements (T1, T2), mit einer mit dem Steuereingang des Schaltelements verbundenen Signalquelle (3, 5) zur Erzeugung eines Steuersignals, einem Messglied (3, 5) zur Erzeugung eines Steuersignals, einem Messglied (8, 10) zur Erfassung eines Messsignals, das Ausgangsstrom oder -spannung des Schaltelements wiedergibt, einer Steuerschaltung (4, 7), die das Steuersignal (I¶GATE¶) der Signalquelle während eines Schaltvorgangs beeinflusst, wobei die Signalquelle während eines Schaltvorgangs in Abhängigkeit von dem Messsignal nacheinander mindestens drei verschiedene Steuersignale abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Schaltelementes wie beispielsweise einer Leistungsendstufe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein entsprechendes Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Zum Schalten induktiver Verbraucher werden bekanntermaßen Leistungsendstufen mit Transistoren, insbesondere MOSFET- Transistoren, als Leistungsschalter verwendet. Beim Abschal ten der Transistoren muss die in dem induktiven Verbraucher gespeicherte Energie entweder über eine Zenerung der Endstufe oder über eine Freilaufdiode abgebaut werden, wobei für Las ten mit hoher induktiver Energie möglicherweise eine Frei laufdiode verwendet wird. Ein Nachteil derartiger Endstufen besteht darin, dass diese erhebliche elektromagnetische Stö rungen erzeugen. Dies wird bekanntermaßen durch die schnellen Spannungsänderungen am Ausgang der Leistungsschalter und durch schnelle Stromänderungen in der Zuleitung hervorgeru fen.

Aus DE 198 55 604 C1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung einer Leistungsendstufe bekannt, das zu einer Verringerung der e lektromagnetischen Störungen beim Schalten führt. Bei diesen bekannten Steuerverfahren wird die Leistungsendstufe während eines Schaltvorgangs nacheinander mit unterschiedlichen Stromwerten angesteuert. So erfolgt zu Beginn eines Schalt vorgangs jeweils eine Ansteuerung mit einem relativ großen Steuerstrom, um die gewünschte Schaltgeschwindigkeit zu er reichen. Anschließend erfolgt dann jeweils eine Ansteuerung mit einem geringeren Stromwert, um die Änderungsrate (Slew- Rate) am Ausgang der Leistungsendstufe und damit auch die e lektromagnetischen Störungen zu begrenzen. Die Dimensionie rung der beiden während eines Schaltvorgangs aufeinander fol genden Stromwerte zur Ansteuerung der Leistungsendstufe er folgt hierbei im Rahmen eines Kompromisses zwischen dem Ziel einer möglichst hohen Schaltgeschwindigkeit einerseits und dem Ziel möglichst geringer elektromagnetischer Störungen an dererseits.

Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen bekannten Ansteu erverfahren für eine Leistungsendstufe ist zum einen, dass es die Tatsache vernachlässigt, dass Strom und Spannung bei ei nem induktiven Verbraucher nicht in Phase liegen, so dass die Änderungsrate der Spannung von der Änderungsrate des Stroms abweichen kann. Es wäre deshalb wünschenswert, bei der An steuerung der Leistungsendstufe sowohl die Änderungsrate der Spannung als auch die Änderungsrate des Stromes einstellen zu können.

Ein weiterer Nachteil des vorstehend beschriebenen bekannten Ansteuerverfahrens für eine Leistungsendstufe besteht darin, dass die aufeinander folgende Ansteuerung mit nur zwei Strom werten während jedes Schaltvorgangs zwar einen relativ guten Kompromiss zwischen der gewünschten Schaltgeschwindigkeit ei nerseits und der gewünschten Vorbeugung vor elektromagneti schen Störungen andererseits ermöglicht, jedoch im stationä ren Endzustand des Schaltelementes nach Beendigung des jewei ligen Schaltvorgangs zu einem möglicherweise unbefriedigenden Durchgangs- bzw. Sperrwiderstands führt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das vorste hend beschriebene bekannte Ansteuerverfahren dahingehend zu verbessern, dass die Änderungsraten des Stroms und der Span nung getrennt beeinflusst werden können und darüber hinaus nach einem Schaltvorgang ein möglichst geringer Durchgangswi derstand bzw. ein möglichst großer Sperrwiderstand erreicht wird.

Die Erfindung wird, ausgehend von den vorstehend beschriebe nen bekannten Ansteuerverfahren für eine Leistungsendstufe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeich nenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, ein e lektrisches Schaltelement wie beispielsweise eine Leistungs endstufe jeweils während eines Schaltvorgangs nacheinander mit mindestens drei verschiedenen Steuersignalen anzusteuern.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Steuersignalen um Stromsignale mit unterschied lichen Stromwerten, die beispielsweise den Gate-Lade-Strom eines MOSFET-Transistors vorgeben. Das Schaltelement wird hierbei also jeweils während eines Schaltvorgangs nacheinan der mit mindestens drei verschiedenen Stromwerten angesteu ert, wobei vorzugsweise vier verschiedene Stromwerte während eines Schaltvorgangs aufeinander folgen. Der erste Stromwert ist hierbei vorzugsweise relativ groß, um eine möglichst schnelle Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. Der zweite Stromwert ist dagegen vorzugsweise relativ klein und bestimmt die Änderungsrate (Slew-Rate) des Stroms, während der dritte Stromwert vorzugsweise die Änderungsrate (Slew-Rate) der Spannung bestimmt. Bei einem Einschaltvorgang ist der zweite Stromwert vorzugsweise betragsmäßig kleiner als der dritte Stromwert, wohingegen der zweite Stromwert bei einem Aus schaltvorgang vorzugsweise betragsmäßig größer ist als der dritte Stromwert.

Schließlich erfolgt die Ansteuerung des Schaltelementes wäh rend eines Schaltvorgangs vorzugsweise noch mit einem vierten Stromwert, wobei der vierte Stromwert vorzugsweise betragsmä ßig größer ist als die vorangehenden Stromwerte, um nach ei nem Schaltvorgang einen möglichst geringen Durchgangswider stand bzw. einen möglichst großen Sperrwiderstand zu errei chen.

Jeder Schaltvorgang des Schaltelementes teilt sich also bei dem erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren in mindestens drei Phasen auf, in denen die Ansteuerung des Schaltelementes mit unterschiedlichen Steuersignalen bzw. Stromwerten erfolgt.

Der Wechsel zwischen den einzelnen Phasen kann hierbei wäh rend eines Schaltvorgangs jeweils zeitgesteuert erfolgen, in dem jede Phase eine vorgegebene Zeitdauer aufweist.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Wechsel zwischen den einzelnen Phasen während eines Schalt vorgangs jedoch in Abhängigkeit von dem gemessenen Fort schritt des Schaltvorgangs. Hierzu kann beispielsweise der durch das Schaltelement fließende Strom gemessen werden, der sich bereits während eines Schaltvorgangs ändert, so dass der aktuelle Wert des durch das Schaltelement fließenden Stroms eine Information über den Fortschritt des Schaltvorgangs be inhaltet. Es besteht auch die Möglichkeit, die am Ausgang des Schaltelementes anliegende Spannung zu messen, die sich eben falls bereits während eines Schaltvorgangs ändert, so dass auch der aktuelle Wert der Spannung am Ausgang des Schaltele mentes eine Information über den Fortschritt des Schaltvor gangs beinhaltet. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass Strom und Spannung am Ausgang des Schaltelementes bei einem induktiven Verbraucher mit einer Freilaufdiode nicht in Phase liegen, sondern gegeneinander phasenverschoben sind. In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt deshalb sowohl eine Messung des durch das Schaltelement fließenden Stroms als auch eine Messung der Spannung am Ausgang des Schaltelemen tes, um aus diesen beiden Messsignalen Informationen über den Fortschritt des Schaltzustandes ableiten zu können.

Die Bestimmung des Fortschritts des Schaltvorgangs aus den während des Schaltvorgangs ermittelten Messsignalen erfolgt vorzugsweise durch Vergleich mit einem oder mehreren vorgege benen Schwellenwerten.

So wird der durch das Schaltelement fließende Strom jeweils während des Schaltvorgangs vorzugsweise mit einem vorgegebe nen Strom-Grenzwert verglichen, wobei das Steuersignal bzw. der Stromwert zur Ansteuerung des Schaltelementes beim Über- oder Unterschreiten des Strom-Grenzwertes verändert wird.

In ähnlicher Weise besteht auch die Möglichkeit, die während eines Schaltvorgangs am Ausgang des Schaltelementes anliegen de Spannung mit mindestens einem Spannungs-Schwellenwert zu vergleichen und die Ansteuerung des Schaltelementes beim Ü ber- oder Unterschreiten des Spannungs-Schwellenwertes zu verändern.

Andere Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfin dung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteue rung eines Schaltelements für einen Elektromo tor,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung des zeitli chen Verlaufs von Gate-Strom, Drain-Strom und Drain-Spannung bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,

Fig. 3a-3c das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren in Form eine Flussdiagramms, wobei Fig. 3a die Vorein stellungen zeigt, wohingegen Fig. 3b einen Ein schaltvorgang und Fig. 3c einen Ausschaltvor gang wiedergibt.

Die in Fig. 1 in Form eines schematischen Blockschaltbildes dargestellte Anordnung dient zum Ansteuern eines Elektromo tors 1, wobei der Elektromotor 1 mit beliebiger Polarität an gesteuert werden kann, um einen Betrieb in beiden Drehrich tungen zu ermöglichen.

Im folgenden wird zunächst der strukturelle Aufbau der Schal tung beschrieben, um anschließend die Funktionsweise der Schaltung anhand des in Fig. 2 dargestellten Zeitdiagramms und des in den Fig. 3a bis 3b wiedergegebenen Flussdia gramms zu erläutern.

Der Elektromotor 1 weist zwei Anschlüsse auf, wobei der erste Anschluss des Elektromotors 1 über einen Transistor T1 in Form eines MOSFET-Transistors mit einer Batterie U_BAT verbun den ist, während der zweite Anschluss des Elektromotors 1 ü ber einen Transistor T4 an Masse GND angeschlossen ist. Bei einem Durchschalten der Transistoren T1 und T4 wird der E lektromotor 1 also mit Spannung beaufschlagt und dreht sich somit in einer vorgegebenen ersten Drehrichtung.

Darüber hinaus ist der erste Anschluss des Elektromotors 1 ü ber einen Transistor T3 mit Masse GND verbunden, während der zweite Anschluss des Elektromotors 1 über einen Transistor T2 mit der Batterie U_BAT verbunden ist. Bei einem Durchschalten der Transistoren T2 und T3 wird der Elektromotor 1 also mit einer umgekehrten gepolten Spannung beaufschlagt und dreht sich deshalb in einer vorgegebenen zweiten Drehrichtung.

Die Ansteuerung der Transistoren T3 und T4 kann in herkömmli cher Weise erfolgen und spielt für die Erfindung keine weite re Rolle. Es ist jedoch auch möglich, die Transistoren T3 und T4 ebenfalls in der erfindungsgemäßen Weise anzusteuern.

Es wird darauf hingewiesen, dass die in Fig. 1 dargestellte Schaltung spiegelbildlich aufgebaut ist, wobei die Schal tungsanordnung zur Ansteuerung des Transistors T1 nahezu i dentisch mit der Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des Transistors T2 ist. Im folgenden wird deshalb zur Vereinfa chung nur der Teil der in Fig. 1 dargestellten Schaltung be schrieben, der zur Ansteuerung des Transistors T1 dient, wo bei für den zur Ansteuerung des Transistors T2 dienenden Teil der Schaltung jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet wer den.

Der Unterschied zwischen der zur Ansteuerung des Transistors T1 verwendeten Schaltungsanordnung und der zur Ansteuerung des Transistors T2 verwendeten Schaltungsanordnung besteht lediglich darin, dass die für die Ansteuerung des Transistors T2 verwendete Schaltungsanordnung in PMOS-Technik realisiert ist, wohingegen die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des Transistors T1 in NMOS-Technik realisiert ist, so dass zu sätzlich eine Ladungspumpe 2 erforderlich ist.

Der Gate-Eingang des Transistors T1 ist über eine steuerbare Stromsenke 3 mit Masse verbunden, wobei die Stromsenke 3 wäh rend eines Ausschaltvorgangs des Transistors T1 einen Strom zieht, der von einer Steuereinheit 4 vorgegeben wird, wie noch detailliert beschrieben wird.

Weiterhin ist der Gate-Eingang des Transistors T1 mit einer steuerbaren Stromquelle 5 verbunden, die während eines Ein schaltvorgangs einen Gate-Strom treibt, der durch die Steuer einheit 4 vorgegeben wird, wie ebenfalls noch detailliert zu beschreiben ist.

Die steuerbare Stromquelle 5 ist mit einer Spannungsversor gungseinheit 6 verbunden, die wiederum an Masse GND ange schlossen ist.

Die Steuerung des Einschaltvorgangs bzw. des Ausschaltvor gangs des Transistors T1 erfolgt durch eine Logikeinheit 7, wobei von der Steuereinheit jedoch der aktuelle Fortschritt des Schaltvorgangs berücksichtigt wird.

Zur Ermittlung des aktuellen Fortschritts des Schaltvorgangs ist zum einen ein Stromsensor 8 vorgesehen, der nur schema tisch dargestellt ist und den durch den Transistor T1 flie ßenden elektrischen Strom I_DRAIN misst.

Ausgangsseitig ist der Stromsensor 8 mit einer Vergleicher einheit 9 verbunden, die jeweils während eines Schaltvor gangs den durch den Transistor T1 fließenden Strom I_DRAIN mit einem vorgegebenen Strom-Grenzwert I_TH vergleicht, um den ak tuellen Fortschritt des Schaltvorgangs zu ermitteln. Die Vergleichereinheit 9 gibt deshalb ein Zustandssignal an die Steuereinheit 4, das angibt, ob der durch den Transistor T1 fließende Strom oberhalb oder unterhalb des Strom-Grenzwertes I_TH liegt.

Zur Ermittlung des aktuellen Fortschritts des Schaltvorgangs ist weiterhin ein Spannungssensor 10 vorgesehen, der die Source-Spannung am Ausgang des Transistors T1, d. h. zwischen dem Transistor T1 und dem Elektromotor 1, misst.

Ausgangsseitig ist der Spannungssensor 10 mit einer Verglei chereinheit 11 verbunden, die die gemessene Source-Spannung des Transistors T1 mit zwei vorgegebenen Spannungs- Grenzwerten U_TE1 und U_TH2 vergleicht. Ausgangsseitig gibt die Vergleichereinheit 11 ein Zustandssignal an die Steuereinheit 4 weiter, das angibt, ob die Source-Spannung des Transistors über oder unter den beiden Spannungs-Grenzwerten U_TH1 und U_TH2 liegt.

In Abhängigkeit von den durch die Vergleichereinheiten 9 und 11 erzeugten Zustandssignalen und in Abhängigkeit von der Lo gikeinheit 7 steuert die Steuereinheit 4 dann die steuerbare Stromquelle 5 bzw. die steuerbare Stromsenke 3 so an, dass sich der gewünschte Gate-Strom für den Transistor T1 ein stellt.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 dargestellte Zeitdiagramm und das in den Fig. 3a bis 3b dargestellte Flussdiagramm die Funktionsweise der erfindungs gemäßen Schaltung geschrieben.

So zeigt das Zeitdiagramm in Fig. 2 einen Ein- und Aus schaltvorgang des Transistors T1. Die Schaltzeiten des Tran sistors sind klein gegenüber der Zeitkonstante der Last. Zwi schen den Zeitpunkten t₁ und t₅ zeigt das Diagramm einen Ein schaltvorgang des Transistors T1 und zwischen den Zeitpunkten t₆ und t₁₀ einen Ausschaltvorgang des Transistors T1, während der Transistor T4 statisch eingeschaltet ist. Zwischen den Zeitpunkten t₅ und t₆ ist der Transistor T1 dagegen durchge schaltet, während der Transistor T1 ab dem Zeitpunkt t₁₀ ge sperrt ist.

In Fig. 2 ist oben der zeitliche Verlauf des Gate-Stroms des Transistors T1 dargestellt, wobei erkennbar ist, dass sich jeder Schaltvorgang in vier Phasen mit unterschiedlichen Gate-Strömen aufteilt.

Im folgenden werden zunächst die einzelne Phasen während ei nes Einschaltvorgangs zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₅ be schrieben. In der ersten Phase des Einschaltvorgangs zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ nimmt der Gate-Strom zunächst einen relativ großen Wert T_S1 an, um eine möglichst schnelle Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. In der zweiten Phase des Einschaltvorganges zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ nimmt der Gate-Strom dann auf einen relativ kleinen Wert I_A ab, um die Änderungsrate (Slew-Rate) des Ausgangsstroms zu begren zen. In der dritten Phase des Einschaltvorgangs zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄ nimmt der Gate-Strom dann wieder auf einen etwas größeren Wert I_B zu, wobei der Wert I_B die Ände rungsrate (Slew-Rate) der Ausgangsspannung bestimmt. Schließ lich nimmt der Gate-Strom für den Transistor T1 in der vier ten Phase des Einschaltvorgangs zwischen den Zeitpunkten t₄ und t₅ auf einen relativ großen Wert I_CP1 zu, wobei dieser Stromwert I_CP1 hinreichend groß ist, um den Transistor voll ständig aufzusteuern und dadurch nach Beendigung des Schalt vorgangs einen möglichst geringen Durchgangswiderstand zu er reichen.

Im folgenden werden nun die einzelnen Phasen des Ausschalt vorgangs des Transistors T1 zwischen den Zeitpunkten t₆ und t₁₀ beschrieben, wobei sich die folgenden Angaben jeweils auf eine umgekehrte Polarität des Gate-Stroms beziehen. In der ersten Phase des Ausschaltvorgangs zwischen den Zeitpunkten t₆ und t₇, nimmt der Gate-Strom zunächst einen relativ großen Wert I_S2 an, um eine möglichst große Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. In der zweiten Phase des Ausschaltvorgangs zwi schen den Zeitpunkten t₇ und t₈ sinkt der Gate-Strom dann auf einen kleineren Wert I_B ab, wobei dieser Wert die Änderungs werte (Slew-Rate) der Ausgangsspannung des Transistors T1 be stimmt. In der dritten Phase des Ausschaltvorgangs zwischen den Zeitpunkten t₈ und t₉ sinkt der Gate-Strom dann auf einen noch kleineren Wert I_A ab, wobei dieser Wert I_A die Ände rungsrate (Slew-Rate) des Drain-Stroms des Transistors T1 be stimmt. In der vierten Phase des Ausschaltvorgangs zwischen den Zeitpunkten t₉ und t₁₀ nimmt der Gate-Strom des Transis tors T1 dann schließlich wieder einen relativ großen Wert I_CP2 an, um den Transistor T1 möglichst vollständig zuzusteuern und dadurch nach dem Ende des Ausschaltvorgangs einen mög lichst großen Sperrwiderstand zu erreichen.

Im folgenden wird nun beschrieben, wie während des Einschalt vorgangs der Wechsel zwischen den einzelnen Phasen des Ein schaltvorgangs erfolgt, wobei auf den in Fig. 2 mittig dar gestellten zeitlichen Verlauf des Drain-Stroms und den in Fig. 2 unten dargestellten Verlauf der Source-Spannung des Transistors T1 Bezug genommen wird.

So erfolgt der Wechsel von der ersten Phase des Einschaltvor gangs zu der zweiten Phase des Einschaltvorgangs dann, wenn der Drain-Strom I_DRAIN den vorgegebenen Strom-Grenzwert I_TH ü berschreitet, was in dem dargestellten Beispiel zum Zeitpunkt t₂ der Fall ist. Der Wechsel von der zweiten Phase des Ein schaltvorganges zu der dritten Phase des Einschaltvorganges erfolgt dagegen dann, wenn die Source-Spannung des Transis tors T1 den vorgegebenen ersten Spannungs-Grenzwert U_TH1 über schreitet, was hier zum Zeitpunkt t₃ der Fall ist. Schließ lich erfolgt der Wechsel von der dritten zur vierten Phase des Einschaltvorganges dann, wenn die Source-Spannung U_SOURCE des Transistors T1 den vorgegebenen zweiten Spannungs- Grenzwert U_TH2 überschreitet.

Im folgenden wird nun der Wechsel zwischen den einzelnen Pha sen des Ausschaltvorganges des Transistors T1 beschrieben. So erfolgt der Wechsel von der ersten Phase zur zweiten Phase des Einschaltvorganges dann, wenn die Source-Spannung des Transistors T1 den vorgegebenen zweiten Spannungs-Grenzwert U_TH2 unterschreitet, was hier zum Zeitpunkt t₇ der Fall ist. Der Wechsel von der zweiten Phase zur dritten Phase des Aus schaltvorgangs erfolgt dagegen dann, wenn die Source-Spannung U_SOURCE den ersten Spannungs-Grenzwert U_TH1 unterschreitet, was zum Zeitpunkt t₈ der Fall ist. Schließlich erfolgt der Wech sel von der dritten zur vierten Phase des Ausschaltvorganges hier zum Zeitpunkt t₉, wenn der Drain-Strom I_DRAIN den vorgege benen Strom-Grenzwert I_TH unterschreitet.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das in den Fig. 3a bis 3c dargestellte Flussdiagramm das Betriebsverfahren der in Fig. 1 dargestellten Schaltung erläutert.

Zu Beginn erfolgt zunächst ein Einstellungsvorgang, der in Fig. 3a dargestellt ist, wobei im Rahmen des Einstellungs vorgangs die Werte des Gate-Stroms in den einzelnen Phasen des Ein- bzw. Ausschaltvorgangs bestimmt werden.

So erfolgt in den beiden ersten Schritten des Einstellungs vorgangs zunächst die Bestimmung des Gate-Stroms I_S1 für die erste Phase des Einschaltvorgangs, wobei dieser Stromwert die Einschaltdauer beeinflusst und deshalb in Abhängigkeit von der gewünschten Einschaltdauer T_ON bestimmt wird.

In den nächsten beiden Schritten des Einstellungsvorgangs wird dann der Gate-Strom I_S2 für die erste Phase des Aus schaltvorgangs bestimmt, wobei dieser Stromwert die Aus schaltdauer beeinflusst und deshalb in Abhängigkeit von der gewünschten Ausschaltdauer T_OFF festgelegt wird.

Anschließend wird dann in den beiden nächsten Schritten der Gate-Strom I_A für die zweite Phase des Einschaltvorgangs und die dritte Phase des Ausschaltvorgangs bestimmt, wobei dieser Stromwert I_A die Änderungsrate (Slew-Rate) für die Source- Spannung des Transistors T1 beeinflusst und deshalb in Abhän gigkeit von der maximal zulässigen Änderungsrate SRU für die Source-Spannung bestimmt wird.

Daraufhin wird dann in den nächsten beiden Schritten der Gate-Strom I_B für die dritte Phase des Einschaltvorgangs und die zweite Phase des Ausschaltvorgangs bestimmt, wobei dieser Stromwert I_B die Änderungsrate (Slew-Rate) der Source- Spannung beeinflusst und deshalb in Abhängigkeit von der ma ximal zulässigen Änderungsrate SRU der Source-Spannung be stimmt wird.

Ferner wird noch der Gate-Strom I_CP1 für die vierte Phase des Einschaltvorgangs festgelegt, wobei dieser Wert den Durch gangswiderstand des Transistors T1 nach Beendigung des Ein schaltvorgangs beeinflusst und deshalb in Abhängigkeit von dem gewünschten Durchgangswiderstand R_D festgelegt wird.

Schließlich wird noch der Gate-Strom I_CP2 für die vierte Phase des Ausschaltvorgangs bestimmt, wobei dieser Wert den Sperr widerstand R_S des Transistors T1 nach Beendigung des Aus schaltvorgangs beeinflusst und deshalb in Abhängigkeit von dem gewünschten Sperrwiderstand festgelegt wird.

Im folgenden wird nun das Flussdiagramm in Fig. 3b erläu tert, das einen Einschaltvorgang des Transistors T1 zeigt. So wird der Gate-Strom I_S1 solange beibehalten, bis der gemesse ne Drain-Strom I_DRAIN des Transistors T1 den vorgegebenen Strom-Grenzwert I_TH überschreitet, woraufhin dann der Gate- Strom I_A für die zweite Phase des Einschaltvorgangs einge stellt wird.

Anschließend wird dieser Gate-Strom I_A solange beibehalten, bis die Source-Spannung U_SOURCE des Transistors T1 den vorgege benen ersten Spannungs-Grenzwert U_TH1 überschreitet, woraufhin dann der Gate-Strom I_B für die dritte Phase des Einschaltvor gangs eingestellt wird.

Anschließend wird dieser Wert I_B dann solange beibehalten, bis die Source-Spannung U_SOURCE auch den zweiten vorgegebenen Spannungs-Grenzwert U_TH2 überschreitet, woraufhin dann der Gate-Strom I_CP1 für die vierte Phase des Einschaltvorgangs eingestellt wird.

Im folgenden wird nun das in Fig. 3c dargestellte Flussdia gramm erläutert, das einen Ausschaltvorgang des Transistors T1 wiedergibt.

So wird zunächst in der ersten Phase des Ausschaltvorgangs der Gate-Strom I_S2 eingestellt, wobei dieser Stromwert solan ge beibehalten wird, bis die Source-Spannung U_SOURCE den zwei ten Spannungs-Grenzwert U_TH2 wieder unterschreitet, woraufhin dann der Stromwert I_B für die zweite Phase des Ausschaltvor ganges eingestellt wird.

Dieser Stromwert I_B wird dann in der zweiten Phase des Aus schaltvorganges zwischen den Zeitpunkten t₇ und t₈ solange beibehalten, bis die Source-Spannung U_SOURCE auch den vorgege benen ersten Spannungs-Grenzwert U_TH1 unterschreitet, worauf hin dann der Gate-Strom auf den vorgegebenen Stromwert I_A für die dritte Phase des Ausschaltvorgangs eingestellt wird.

Dieser Wert I_A für den Gate-Strom wird solange beibehalten, bis der Drain-Strom I_DRAIN des Transistors T1 den vorgegebenen Strom-Grenzwert I_TH unterschreitet, woraufhin dann der Gate- Strom auf den Stromwert I_CP2 eingestellt wird, um den Transis tor T1 möglichst vollständig zuzusteuern.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene be vorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die eben falls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims

1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Steuereingangs eines steuerbaren Schaltelements, mit
einer ausgangsseitig mit dem Steuereingang des Schaltelements (T1, T2) verbundenen Signalquelle (3, 5) zur Erzeugung eines Steuersignals (I_GATE), das den Schaltzustand des Schaltele ments (T1, T2) bestimmt,
einem ersten Messglied (8, 10) zur Erfassung eines ersten Messsignals (I_DRAIN, U_SOURCE), das den durch das Schaltelement (T1, T2) fließenden Strom oder die Spannung am Ausgang des Schaltelements (T1, T2) wiedergibt,
einer eingangsseitig mit dem ersten Messglied (8, 10) und ausgangsseitig mit der Signalquelle (3, 5) verbundenen Steu erschaltung (4, 7), die das von der Signalquelle (3, 5) abge gebene Steuersignal (I_GATE) während eines Schaltvorgangs in Abhängigkeit von dem ersten Messsignal beeinflusst,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Signalquelle (3, 5) während eines Schaltvorgangs in Abhängigkeit von dem ersten Messsignal nacheinander mindes tens drei verschiedene Steuersignale (I_S1, I_A, I_B, I_CP1) ab gibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquelle eine steuerbare Stromquelle (5) auf weist, die spannungsseitig mit dem Steuereingang des Schalt elements (T1, T2) verbunden ist, wobei der Ausgangsstrom der Stromquelle (5) von dem ersten Messsignal abhängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquelle eine steuerbare Stromsenke (3) aufweist, die masseseitig mit dem Steuereingang des Schaltelements (T1, T2) verbunden ist, wobei der Eingangsstrom der Stromsenke von dem ersten Messsignal abhängt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom der Stromquelle und/oder der Eingangs strom der Stromsenke während eines Schaltvorgangs in Abhän gigkeit von dem ersten Messsignal nacheinander mindestens drei diskrete Stromwerte (I_S1, I_A, I_B, I_CP1) annimmt.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (4, 7) eingangsseitig zusätzlich mit einem zweiten Messglied (8, 10) verbunden ist, das ein zwei tes Messsignal erzeugt, wobei die Steuerschaltung (4, 7) das von der Signalquelle (3, 5) abgegebene Steuersignal (I_GATE) während eines Schaltvorgangs in Abhängigkeit von dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal beeinflusst.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Messglied ein Stromsensor (8) ist, der als das erste Messsignal den durch das Schaltelement fließenden Strom misst, und
dass das zweite Messglied ein Spannungssensor (10) ist, der als das zweite Messsignal die Spannung am Ausgang des Schalt elements (T1, T2) misst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass der Stromsensor (8) ausgangsseitig mit einer ersten Vergleichereinheit (9) verbunden ist, die den durch das Schaltelement fließenden Strom (I_DRAIN) mit einem vorgegebenen Strom-Grenzwert (I_TH) vergleicht,
wobei sich das Steuersignal (I_GATE) bei einem Einschaltvorgang von einem betragsmäßig größeren ersten Stromwert (I_S1) auf einen betragsmäßig kleineren zweiten Stromwert (I_A) ändert, wenn der durch das Schaltelement fließende Strom (I_DRAIN) den Strom-Grenzwert (I_TH) überschreitet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der Spannungssensor (10) ausgangsseitig mit einer zwei ten Vergleichereinheit (11) verbunden ist, die die Spannung (U_DRAIN, U_SOURCE) am Ausgang des Schaltelements (T1, T2) mit mindestens einem vorgegebenen ersten Spannungs-Grenzwert (U_TH1, U_TH2) vergleicht,
wobei sich das Steuersignal (I_GATE) von dem zweiten Stromwert (I_A, I_B) auf einen dritten Stromwert (I_B, I_A) ändert, wenn die am Ausgang des Schaltelements (T1, T2) anliegende Spannung den ersten Spannungs-Grenzwert (U_TH1) bei einem Einschaltvor gang überschreitet oder bei einem Ausschaltvorgang unter schreitet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromwert (I_A) betragsmäßig kleiner ist als der dritte Stromwert (I_B).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Vergleichereinheit (11) die Spannung am Aus gang des Schaltelements (T1, T2) mit einem vorgegebenen zwei ten Spannungsgrenzwert (U_TH2) vergleicht,
wobei sich das Steuersignal bei einem Einschaltvorgang von dem dritten Stromwert (I_B) auf einen vierten Stromwert (I_CP1) ändert, wenn die gemessene Spannung am Ausgang des Schaltele ments (T1, T2) den zweiten Spannungs-Grenzwert (U_TH2) über schreitet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Steuersignal (I_GATE) bei einem Ausschaltvorgang von dem ersten Stromwert (I_S2) auf den dritten Stromwert (I_B) ändert, wenn die gemessene Spannung am Ausgang des Schaltele ments (T1, T2) den zweiten Spannungs-Grenzwert (U_TH2) unter schreitet.

12. Verfahren zum Ansteuern eines steuerbaren Schaltelements (T1, T2), mit den folgenden Schritten:

- Ansteuerung des Schaltelements (T1, T2) mit einem vorgege benen Steuersignal (I_GATE) zur Veränderung des Schaltzu stands des Schaltelements (T1, T2),
- Erfassung eines ersten Messsignals (I_DRAIN, U_SOURCE) während des Schaltvorgangs, wobei das erste Messsignal den durch das Schaltelement fließenden Strom oder die Spannung am Ausgang des Schaltelements (T1, T2) wiedergibt,
- Änderung des Steuersignals während des Schaltvorgangs in Abhängigkeit von dem ersten Messsignal,

dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (I_GATE) während eines Schaltvorgangs in Abhängigkeit von dem ersten Messsignal nacheinander mindes tens drei verschiedene Werte (I_S1, I_A, I_B, I_CP1) annimmt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass während des Schaltvorgangs zusätzlich zu dem ersten Messsignal (I_DRAIN) ein zweites Messsignal (U_SOURCE) erfasst wird,
wobei das erste Messsignal den durch das Schaltelement flie ßenden Strom und das zweite Messsignal die Spannung am Aus gang des Schaltelements (T1, T2) wiedergibt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Messsignal während des Schaltvorgangs mit ei nem vorgegebenen Strom-Grenzwert (I_TH) verglichen wird, wobei das Steuersignal (I_GATE) beim Unter- oder Überschreiten des Strom-Grenzwerts verändert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Messsignal (U_SOURCE) während des Schaltvorgangs mit mindestens einem vorgegebenen Spannungs-Grenzwert (U_TH1, U_TH2) verglichen wird, wobei das Steuersignal (I_GATE) beim Un ter- oder Überschreiten des Spannungs-Grenzwerts verändert wird.

16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn eines Ein- und/oder Ausschaltvorgangs in Ab hängigkeit von der gewünschten Schaltgeschwindigkeit zunächst ein erster Wert (I_S1, I_S2) für das Steuersignal (I_GATE) vorge geben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersignal (I_GATE) bei einem Einschaltvorgang von dem ersten Wert (I_S1) auf einen zweiten Wert (I_A) verändert wird, wenn das erste Messsignal (I_DRAIN) den vorgegebenen Strom-Grenzwert (I_TH) überschreitet,
wobei der zweite Wert (I_A) des Steuersignals (I_GATE) in Abhän gigkeit von der maximal zulässigen Änderungsrate des durch das Schaltelement fließenden Stroms vorgegeben wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersignal (I_GATE) bei einem Einschaltvorgang von dem zweiten Wert (I_A) auf einen dritten Wert (I_B) verändert wird, wenn das zweite Messsignal (U_SOURCE) den vorgegebenen ersten Spannungs-Grenzwert (U_TH1) überschreitet,
wobei der dritte Wert (I_B) des Steuersignals (I_GATE) in Abhän gigkeit von der maximal zulässigen Änderungsrate der am Aus gang des Schaltelements (T1, T2) anliegenden Spannung (U_SOURCE) vorgegeben wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersignal (I_GATE) bei einem Einschaltvorgang von dem dritten Wert (I_B) auf einen vierten Wert (I_CP1) verändert wird, wenn das zweite Messsignal (U_SOURCE) den vorgegebenen zweiten Spannungs-Grenzwert (U_TH2) überschreitet,
wobei der vierte Wert (I_CP1) des Steuersignals in Abhängigkeit von dem gewünschten Durchgangswiderstand des Schaltelements (T1, T2) vorgegeben wird.

20. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersignal (I_GATE) bei einem Ausschaltvorgang von dem ersten Wert (I_S2) auf den dritten Wert (I_B) verändert wird, wenn das zweite Messsignal (U_SOURCE) den vorgegebenen zweiten Spannungs-Grenzwert (U_TH2) unterschreitet,
wobei der dritte Wert (I_B) des Steuersignals in Abhängigkeit von der maximal zulässigen Änderungsrate der am Ausgang des Schaltelements (T1, T2) anliegenden Spannung vorgegeben wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersignal (I_GATE) bei einem Ausschaltvorgang von dem dritten Wert (I_B) auf den zweiten Wert (I_A) verändert wird, wenn das zweite Messsignal (U_SOURCE) den vorgegebenen ersten Spannungs-Grenzwert (U_TH1) unterschreitet,
wobei der zweite Wert (I_A) des Steuersignals (I_GATE) in Abhän gigkeit von der maximal zulässigen Änderungsrate des durch das Schaltelement fließenden Stroms (I_DRAIN) vorgegeben wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersignal (I_GATE) bei einem Ausschaltvorgang von dem zweiten Wert (I_A) auf einen fünften Wert (I_CP2) verändert wird, wenn das erste Messsignal (I_DRAIN) den vorgegebenen Strom-Grenzwert (I_TH) unterschreitet,
wobei der fünfte Wert (I_CP2) des Steuersignals (I_GATE) in Ab hängigkeit von dem gewünschten Sperrwiderstand des Schaltele ments (T1, T2) vorgegeben wird.