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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Ansteuerung eines rückwärts leitfähigen
IGBT.
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Rückwärts
leitfähige IGBTs sind auch als Reverse Conducting IGBTs
(RC-IGBT) bekannt. Diese RC-IGBTs sind eine Weiterentwicklung der
bekannten rückwärts sperrfähigen IGBTs.
Ein RC-IGBT unterscheidet sich von einem herkömmlichen
IGBT dadurch, dass die Dioden-Funktion und die IGBT-Funktion in
einem Chip vereint sind. Dadurch entsteht ein Leistungshalbleiter,
bei dem die Anodeneffizienz im Dioden-Modus von der Gate-Spannung
abhängig ist. Dies verlangt nach einer Änderung
in der Ansteuerung gegenüber einem herkömmlichen
IGBT.
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Außerdem
ergeben sich Vorteile in der Durchlassspannung, dem thermischen
Verhalten und der Stoßstromfestigkeit. Dadurch weist ein
derartiger Leistungshalbleiter, der dieselbe Siliziumfläche
wie ein herkömmlicher IGBT aufweist, eine höhere
Leistung auf, wodurch ein Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einer
höheren Leistung realisiert werden kann. In der Veröffentlichung "A
High Current 3300 V Module Employing Reverse Conducting IGBTs Setting
a New Benchmark in Output Power Capability" von M. Rahimo,
U. Schlagbach, A. Kopta, J. Vobecky, D. Schneider und A. Baschnagel,
abgedruckt in ISPSD 2008, wird ein Hochstrom 3300 V-RC-IGBT-Modul
vorgestellt. In dieser Veröffentlichung ist ebenfalls ein
Kommutierungsverfahren von einem im Dioden-Modus betriebenen rückwärts
leitfähigen IGBT auf einen im IGBT-Modus betriebenen rückwärts
leitfähigen IGBT, die einen Kommutierungskreis bilden,
beschrieben.
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Bei
einem Brückenzweig eines Spannungszwischenkreis-Umrichters,
der zwei konventionelle IGBTs aufweist, sind diese rückwärts
sperrfähigen IGBTs jeweils eine Diode antiparallel geschaltet.
Diese beiden konventionellen IGBTs eines Brücken zweiges
werden derart gesteuert, dass während eines Übergangs
von einem Zustand in einem anderen Zustand kurzzeitig beide IGBTs
ausgeschaltet sind. Die Ansteuerung dieser beiden konventionellen
IGBTs eines Brückenzweiges erfolgt unabhängig
vom Vorzeichen eines Ausgangsstromes. Für beide Stromrichtungen
stehen zwei Halbleiter zur Verfügung, die einen Ausgangsstrom
führen können.
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Werden
bei einem Spannungszwischenkreis-Umrichter, insbesondere bei einem
lastseitigen Pulsstromrichter, anstelle von rückwärts
sperrfähigen IGBTs rückwärts leitfähige
IGBTs verwendet, ist dieses bekannte Ansteuerverfahren wenig vorteilhaft. Wie
bereits erwähnt, wird ein rückwärts leitfähiger IGBT
in einem Dioden-Modus, d. h. es fließt ein negativer Kollektor-Strom,
oder in einem IGBT-Modus, d. h. es fließt ein positiver
Kollektorstrom, betrieben. Wenn sich die Gate-Emitter-Spannung eines
rückwärts leitfähigen IGBTs oberhalb
seiner Threshold-Spannung befindet, während der Strom vom Emitter
zum Kollektor (negativer Kollektor-Strom) fließt, d. h.
dieser RC-IGBT wird im Dioden-Modus betrieben, wird die Anodeneffizienz
abgesenkt, wodurch die Durchlassspannung erhöht ist. D.
h., um feststellen zu können, in welchem Modus der RC-IGBT
sich befindet, muss ein Ausgangsstrom eines Brückenzweiges
eines Spannungszwischenkreis-Umrichters gemessen werden.
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Bekanntermaßen
ist eine Strommessung stets mit einer gewissen Toleranz verbunden.
Eine Zustandsumschaltung genau bei Strom Null ist also kaum realisierbar.
Da ein IGBT-Modus (positiver Kollektor-Emitter-Strom) bei ausgeschaltetem
Gate nicht möglich ist, ein Dioden-Modus (negativer Kollektor-Emitter-Strom)
bei eingeschaltetem Gate jedoch mit erhöhten Durchlassverlusten
möglich ist, muss bei einem positiven Kollektor-Emitter-Strom das
zugehörige Gate auf jeden Fall eingeschaltet sein.
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Wird
das Vorzeichen eines Ausgangsstromes eines Brückenzweiges
mit zwei rückwärts leitfähigen IGBTs
zur Generierung von Ansteuersignalen verwendet, verändert
das eine Schnittstelle zwischen Steuerung und Leistungsteil des
Umrichters, d. h. konventionelle IGBTs eines lastseitigen Pulsstromrichters
eines Spannungszwischenkreis-Umrichters kann nicht ohne weiteren
Aufwand durch rückwärts leitfähige IGBTs
ersetzt werden.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ansteuerverfahren
und eine Ansteuervorrichtung anzugeben, ohne dass eine Schnittstelle
zwischen Steuerung und einer halbleiternahen Ansteuerung abgeändert
werden muss.
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Diese
Aufgabe wird einerseits mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und andererseits
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 5 erfindungsgemäß gelöst.
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Dadurch,
dass zur Ansteuerung eines rückwärts leitfähigen
IGBT nicht nur eine aus seiner gemessenen Kollektor-Emitter-Spannung
ermittelten Mess-Spannung, sondern auch ein Zustand eines anstehenden
Soll-Steuersignals dieses rückwärts leitfähigen
IGBT verwendet wird, kann auf eine Spannungs-Ermittlung mit hoher
Auflösung verzichtet werden.
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Wechselt
das Soll-Steuersignal eines anzusteuernden rückwärts
leitfähigen IGBT auf einen Schalt-Zustand ”EIN”,
wird in diesem Umschaltmoment die aus der gemessenen Kollektor-Emitter-Spannung
abgeleiteten Mess-Spannung ausgewertet. Dabei wird überprüft,
ob der Wert dieser Mess-Spannung einen niedrigen Wert aufweist. Stimmt
dies zu, so befindet sich der anzusteuernde rückwärts
leitfähige IGBT im Dioden-Modus mit der Konsequenz, dass
das Gate dieses RC-IGBT ausgeschaltet bleiben muss. Ist der Wert
dieser ermittelten Mess-Spannung größer einem
vorbestimmten niedrigen Wert, so ist davon auszugehen, dass der
Wert der zugehörigen Kollektor-Emitter-Spannung annähernd
dem Wert einer Zwischenkreisspannung entspricht. D. h., dass das
Gate eines anzusteuernden RC-IGBT einzuschalten ist, damit dieses
RC-IGBT im IGBT-Modus betrieben werden kann. Weist das Soll-Steuersignal
dieses RC-IGBTs den Schalt-Zustand ”AUS” auf,
so wird dieser RC-IGBT auf jeden Fall ausgeschaltet.
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Der
Referenzwert, mit dem eine ermittelte Mess-Spannung verglichen wird,
kann zwischen dem Wert Null und dem Wert einer minimalen zulässigen Gleichspannung
(Zwischenkreisspannung) gewählt werden. Als Referenzwert
kann auch ein Wert einer gemessenen Zwischenkreisspannung verwendet werden.
Die Messung der Zwischenkreisspannung kann als Differenzspannung
zwischen der Spannung zwischen einem Potential einer positiven Stromschiene
eines Spannungszwischenkreises eines Spannungszwischenkreis-Umrichters
und einem Bezugspotential einer halbleiternahen Ansteuervorrichtung,
sowie der Spannung zwischen einem Potential einer negativen Stromschiene
des Spannungszwischenkreises und dem Bezugspotential der halbleiternahen
Ansteuervorrichtung durchgeführt werden.
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Der
beim Einschalten des anzusteuernden rückwärts
leitfähigen IGBT gewählte Schalt-Zustand wird
abgespeichert und solange beibehalten, bis entweder das Soll-Steuersignal
vom Schalt-Zustand ”EIN” auf den Schalt-Zustand ”AUS” wechselt,
oder bis ein Wechsel eines Vorzeichens eines durch diesen RC-IGBT
fließenden Stromes erfolgt. Diese Stromrichtungsumkehr
wird mittels der Kollektor-Emitter-Spannung ermittelt.
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Zur
weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer Ansteuervorrichtung
schematisch veranschaulicht ist, die das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren
realisiert.
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1 zeigt
einen Brückenzweig mit zwei RC-IGBTs und eine Gleichspannungsquelle
eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, die
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2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Steuerung eines Pulsstromrichters eines
Spannungszwischenkreis-Umrichters mit halbleiternahen Ansteuervorrichtungen
zweier RC-IGBTs eines Brückenzweiges nach 1,
in der
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3 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Ansteuerung eines RC-IGBTs nach der Erfindung veranschaulicht
und in der
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4 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Auswerteeinrichtung
der Vorrichtung gemäß 3 dargestellt.
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In
der 1 sind mit 2 ein Brückenzweig,
mit 4 eine Gleichspannungsquelle, mit 6 eine positive Stromschiene
und mit 8 eine negative Stromschiene bezeichnet. Mittels
dieser beiden Stromschienen 6 und 8 sind der Brückenzweig 2 und
die Gleichspannungsquelle 4 elektrisch parallel geschaltet.
Der Brückenzweig 2 weist zwei rückwärts
leitfähige IGBTs T1 und T2 auf, die elektrisch in Reihe
geschaltet sind. Ein Verbindungspunkt dieser beiden rückwärts
leitfähiger IGBTs T1 und T2 bilden einen wechselspannungsseitigen
Ausgang A, an dem eine Last anschließbar ist. Die Gleichspannungsquelle
weist zwei Kondensatoren 10 und 12 auf, die ebenfalls
elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ein Verbindungspunkt dieser
beiden Kondensatoren 10 und 12 bildet einen Mittelpunkt-Anschluss
M. An diesen beiden elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren 10 und 12 steht
eine Gleichspannung Ud an. Alternativ kann statt
der beiden Kondensatoren 10 und 12 auch nur ein
Kondensator verwendet werden, der zwischen den Stromschienen 6 und 8 angeordnet
ist. Der Mittelpunkt M ist dann nicht zugänglich. Bei einem
Spannungszwischenkreis-Umrichter bildet diese Gleichspannungsquelle 4 einen
Spannungszwischenkreis, wobei die anstehende Gleichspannung Ud als Zwischenkreisspannung bezeichnet wird.
Der Brückenzweig 2 ist bei einem dreiphasigen
Pulsstromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters dreimal
vorhanden. Am wechselspannungsseitigen Ausgang A steht bezogen auf
den Mittelpunkt-Anschluss M der Gleichspannungsquelle 4 eine
pulsweitenmodulierte Rechteckspannung uAM an.
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Die 2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Steuerung 16 eines dreiphasigen
Stromrichters, insbesondere eines Pulsstromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters,
mit zugehörigen halbleiternahen Ansteuervorrichtungen 14 eines
Brückenzweiges 2 dieses Stromrichters. Die Steuerung 16 generiert
in Abhängigkeit eines Sollwertes, beispielsweise eines
Drehzahl-Soll wertes n*, pro Brückenzweig 2 zwei
Soll-Steuersignale S*T1 , S*T2 bzw. S*T3 , S*T4 bzw. S*T5 und S*T6 .
Wegen der Übersichtlichkeit ist von den drei Brückenzweigen
eines dreiphasigen Stromrichters nur ein Brückenzweig 2 dargestellt.
Die beiden Soll-Steuersignale S*T1 , S*T2 sind jeweils einer halbleiternahen
Ansteuervorrichtung 14 eines jeden rückwärts
leitfähigen IGBTs T1 und T2 des Brückenzweiges 2 zugeführt.
Ausgangsseitig steht jeweils ein Ist-Steuersignal ST1 bzw.
ST2 an, mit dem ein Gate eines zugehörigen
rückwärts leitfähigen IGBTs T1 bzw. T2
angesteuert wird. In dieser Darstellung ist der wechselspannungsseitige
Ausgang nicht wie in der 1 mit A sondern mit R bezeichnet.
Die weiteren Brückenzweige mit jeweils einem wechselspannungsseitigen
Ausgang eines dreiphasigen Pulsstromrichters sind nicht dargestellt.
Diese drei Brückenzweige sind elektrisch parallel zur Gleichspannungsquelle 4 geschaltet,
die den Spannungszwischenkreis eines Spannungszwischenkreis-Umrichters
bildet.
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In
der 3 ist ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform
einer halberleiternahen Ansteuervorrichtung 14 nach der
Erfindung schematisch veranschaulicht. Diese halbleiternahe Ansteuervorrichtung 14 weist
einen Spannungsteiler 17, eine Auswerteeinrichtung 18 und
eine Treiberschaltung 20 auf. Der Spannungsteiler 17 ist
elektrisch parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des rückwärts
leitfähigen IGBTS T1 geschaltet. Ein Ausgangs-Anschluss 22 des
Spannungsteilers 17 ist mit einem Eingangs-Anschluss 24 der
Auswerteeinrichtung 18 verknüpft. Ausgangsseitig
ist dieser Auswerteeinrichtung 18 mit einem Eingang der
Treiberschaltung 20 verbunden, die ausgangsseitig mit einem
Gate-Anschluss G des rückwärts leitfähigen
IGBTs T1 verknüpft ist. Der Spannungsteiler 17 besteht
aus einer Reihenschaltung dreier Widerstände R1, R2, und
R3 oder dreier Impedanzen. Die Widerstände R2 und R3 bzw.
die entsprechenden Impedanzen können auch zu einem Widerstand
bzw. einer Impedanz zusammengefasst sein. Der Verbindungspunkt der
beiden Widerstände R1 und R2 bildet den Ausgangs-Anschluss 22 des Spannungsteilers 17.
Das Potential des Emitters E des anzusteuernden rückwärts
leitfähigen IGBTs T1 bil det ein Bezugspotential der halbleiternahen
Ansteuervorrichtung 14. Aus diesem Grund ist ein Bezugs-Anschluss
der Auswerteeinrichtung 18 und der Treiberschaltung 20 mit
dem Emitter-Anschluss E des RC-IGBTs T1 elektrisch leitend verbunden.
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Die 4 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Auswerteeinrichtung 18 der halbleiternahen
Ansteuereinrichtung 14. Diese Ausführungsform
der Auswerteeinrichtung 18 weist eingangsseitig zwei Komparatoren 26 und 28 und
ausgangsseitig eine Logikschaltung 30 auf. Dieses Logikschaltung 30 besteht
aus einem UND-, einem ODER- und einem NICHT-Gatter 32, 34 und 36 und einem
ausgangsseitigen RS-Flip-Flop 38. Der erste Komparator 26 ist
ausgangsseitig mit einem Eingang des UND-Gatters 32 verknüpft,
wobei am zweiten Eingang dieses UND-Gatters 32 ein Soll-Steuersignal S*T1 des
anzusteuernden rückwärts leitfähigen
IGBTs T1 ansteht. Ausgangsseitig ist dieses UND-Gatter 32 mit
einem Setz-Eingang S des RS-Flip-Flops 38 verbunden. Der
zweite Komparator 28 ist ausgangsseitig mit einem Eingang
des ODER-Gatters 34 verbunden, dessen zweiter Eingang mit
dem Ausgang des NICHT-Gatters 36 verknüpft ist,
an dessen Eingang das Soll-Steuersignal S*T1 ansteht. Ausgangsseitig
ist das ODER-Gatter 34 mit einem Rücksetz-Eingang
R des RS-Flip-Flops 38 verbunden. Ausgangsseitig ist dieses
RS-Flip-Flops 38 mit dem Eingang der nachgeschalteten Treiberschaltung 20 verknüpft.
Eine am Eingangs-Anschluss 24 der Auswerteeinrichtung 18 anstehende
ermittelte Mess-Spannung uM ist einerseits
dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Komparators 26 und
andererseits dem invertierenden Eingang des zweiten Komparators 28 zugeführt.
Dem invertierenden Eingang des ersten Komparators 26 ist
ein positiver Referenzwert UR+ und dem nichtinvertierenden
Eingang des zweiten Komparators 28 ist ein negativer Referenzwert
UR– zugeführt.
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Mittels
dieser Auswerteeinrichtung 18 wird aus einem Soll-Steuersignal S*T1 des
rückwärts leitfähigen IGBTs T1 ein Ist-Steuersignal
ST1 generiert, aus dem mittels der Treiberschaltung 20 eine Gate-Spannung
für den RC-IGBT T1 generiert wird.
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Mittels
dieser Auswerteeinrichtung 18 wechselt ein Ist-Steuersignal
ST1 seinen Schalt-Zustand von ”AUS” in ”EIN” genau
dann, wenn ein zugehöriges Soll-Steuersignal S*T1 im
Schaltzustand ”EIN” ist und die ermittelte Mess-Spannung
uM einen Wert aufweist, der den positiven
Referenzwert UR+ übersteigt. Dadurch
wird der rückwärts leitfähige IGBT T1
eingeschaltet. Ist dagegen der Wert der ermittelten Mess-Spannung
uM kleiner als der negative Referenzwert
UR–, wobei der Schalt-Zustand des Soll-Steuersignals S*T1 unverändert
ist, wird der rückwärts leitfähige IGBT
T1 ausgeschaltet. Der beim Einschalten gewählte Schalt-Zustand
wird solange beibehalten, bis entweder das Soll-Steuersignal S*T1 seinen
Schalt-Zustand von ”EIN” auf ”AUS” wechselt, oder
bis eine Stromumkehr erfolgt. Eine Stromumkehr wird daran erkannt,
dass der Wert der ermittelten Mess-Spannung uM kleiner
ist als der negative Referenzwert UR–.
Ist das Soll-Steuersignal S*T1 im Schalt-Zustand ”AUS”,
wird der rückwärts leitfähige IGBT T1
unabhängig vom Wert seiner ermittelten Mess-Spannung uM auf jeden Fall ausgeschaltet.
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Wechselt
der RC-IGBT T1 bei nicht eingeschaltetem Gate G von Dioden – in
den IGBT-Modus, so nimmt der RC-IGBT T1 die Zwischenkreisspannung
auf. Dies wird erkannt, in dem die Mess-Spannung uM den
Referenzwert UR+ überschreitet.
Ein Wechseln vom IGBT-Modus in den Dioden-Modus bei nicht angesteuerten
Gate G des rückwärts leitfähigen IGBTs
T1 führt zu einer Forward-Recovery-Spannung der Diode,
die mindestens eine Zehnerpotenz oberhalb einer stationären
Durchlassspannung liegt und durch Unterschreitung des Referenzwertes
UR– erkannt wird.
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Da
beim Verfahren zum Ansteuern eines rückwärts leitfähigen
IGBT der Schalt-Zustand gespeichert wird, muss die Kollektor-Emitter-Spannung uCE nicht mehr mit einer hohen Auflösung
gemessen werden. Wird nur eine aus einer gemessenen Kollektor-Emitter-Spannung
uCE ermittelte Mess-Spannung uM für
die Bestimmung eines Schalt-Zustands eines Ist-Steuersignals ST1 bzw. ST2 verwendet,
muss eine zugehörige Spannungs-Messeinrichtung einen Spannungswert
von –0,7 V von +0,7 V unterschei den können, wobei
ebenfalls ein hoher Spannungswert einer Gleichspannung (Zwischenkreisspannung)
erfasst werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”A
High Current 3300 V Module Employing Reverse Conducting IGBTs Setting
a New Benchmark in Output Power Capability” von M. Rahimo, U.
Schlagbach, A. Kopta, J. Vobecky, D. Schneider und A. Baschnagel,
abgedruckt in ISPSD 2008 [0003]