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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteinheit zum Ansteuern eines Leistungsschalters, ein Steuergerät mit einem Leistungsschalter und ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last.
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Stand der Technik
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Leistungstransistoren werden in Steuergeräten als Leistungsschalter eingesetzt. Hierbei finden insbesondere Leistungs-MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) breite Verwendung, die in diesem Dokument gemachten Aussagen lassen sich jedoch äquivalent auf andere Typen von Transistoren und elektronischen Schaltern übertragen, auch wenn im Folgenden die Verwendung von MOSFETs vorausgesetzt wird.
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Die Beschaltung der Steuerelektrode (Gate) des Transistors wird üblicherweise durch eine geschaltete Spannungsquelle und ein zwischen die Spannungsquelle und die Steuerelektrode geschaltetes Widerstandsnetzwerk vorgenommen.
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Das Schaltintervall des Leistungsschalters hat bei einem solchen Ansatz gewöhnlich eine Dauer von wenigen hundert Nanosekunden. Die Anstiegs- und Fallzeiten der Spannung über dem Leistungsschalter (Drain-Source-Spannung) beträgt demnach im Durchschnitt verschiedener Transistortypen ebenfalls wenige hundert Nanosekunden, wobei der Schaltvorgang der Drain-Source-Spannung je nach Transistormodell äußerst nichtlinear verläuft. Aufgrund des schnellen Schaltens der elektrischen Last entsteht eine unerwünscht hohe elektromagnetische Abstrahlung, welche gegebenenfalls nicht in Einklang mit gesetzlichen Grenzwerten, insbesondere hinsichtlich der erlaubten Abstrahlung aus Kraftfahrzeugen steht.
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Die Dauer des Schaltintervalls der Drain-Source-Spannung ist unmittelbar mit der Dauer des so genannten Miller-Plateaus (auch Schulterspannung genannt) verbunden. Das Miller-Plateau erscheint während des Schaltvorganges und wird in der Literatur auf den Miller-Effekt zurückgeführt. Es wird hierbei angenommen, dass die zwischen Gate und Drain bestehende Kapazität eine Rückkopplung des sich im Zuge des Schaltvorgangs schnell ändernden Drain-Potentials auf das Gate des Leistungsschalters ergibt, welche dem Schaltvorgang zeitweilig entgegenwirkt und ihn verlangsamt. Es wäre jedoch wünschenswert, den Schaltvorgang noch weiter zu verzögern und somit das Miller-Plateau zu verlängern, weil der schlagartige Abfall beziehungsweise Anstieg der Drain-Source-Spannung während des Miller-Plateaus stattfindet und die störende elektromagnetische Abstrahlung verursacht. Hierzu wurde die Verschaltung eines Kondensators parallel zu der Gate-Drain-Kapazität vorgeschlagen. Dieser Ansatz ist jedoch nachteilig, weil sich dadurch eine hohe Schwingneigung ergibt, so dass bereits ein Abwenden von diesem Ansatz zu verzeichnen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird daher eine Schalteinheit zum Ansteuern eines an eine Ansteuersignalleitung der Schalteinheit angeschlossenen oder anschließbaren Leistungsschalters eingeführt. Erfindungsgemäß besitzt die Schalteinheit eine mit einem ersten Eingang der Schalteinheit verbundene Differenziereinheit, welche ausgebildet ist, ein zu einer Steilheit eines an dem Eingang anliegenden Signals proportionales Ausgangssignal zu erzeugen und an eine erste gesteuerte Stromquelle auszugeben. Die gesteuerte Stromquelle ist ihrerseits ausgebildet, einen zu dem Ausgangssignal proportionalen Strom an die Ansteuersignalleitung auszugeben.
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Die Erfindung beruht auf der Einsicht, dass sich die als Grund für das Erscheinen des Miller-Plateaus angesehene Rückkopplung der Drain-Source-Spannung auf das Gate des Leistungsschalters in einem Regelkreis nachbilden lässt und so eine Einstellung der relevanten Parameter, insbesondere der Anstiegs- und Fallzeiten, gemäß der Randbedingungen des jeweiligen Anwendungszwecks möglich wird. Hierzu wird als Führungsgröße die Steilheit der Spannung an einer Elektrode des Leistungsschalters (gewöhnlich der Drain) erfasst und ein dazu proportionaler Ausgleichsstrom auf die Steuerelektrode des Leistungsschalters geführt, wodurch die Gegenkopplung erreicht wird, weil der Ausgleichsstrom dem Umladevorgang der Miller-Kapazität unmittelbar entgegenwirkt. Diese Gegenkopplung bewirkt aufgrund der verlangsamten Umladung der Miller-Kapazität eine Hinauszögerung des Schaltvorgangs.
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Durch Einstellen der jeweiligen Proportionalitätsfaktoren können dann das gewünschte Schaltverhalten und insbesondere die gewünschte Schaltgeschwindigkeit festgelegt werden. Durch das Verlängern des Miller-Plateaus und des Schaltvorgangs wird auch die elektromagnetische Abstrahlung wie gewünscht abgesenkt.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Proportionalitätsfaktoren konfigurierbar ausgeführt sein können, so dass sich die Schalteinheit durch einfache Parameterwahl an unterschiedliche Leistungsschalter, unterschiedliche zu schaltende Lasten und somit für vielfältige Einsatzzwecke anpassen lässt.
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Ebenfalls von großem Vorteil ist die Tatsache, dass es sich bei der Erfindung um ein selbstspeisendes System handelt, welches weitestgehend unabhängig von parasitären Eigenschaften des verwendeten Leistungsschalters die Parameter des Regelkreises dynamisch anpasst, wodurch produktionsbedingte Streuungen von Parametern des Leistungsschalters keinen bedeutenden Einfluss mehr auf das Verhalten des Gesamtsystems ausüben. Bei bisherigen Ansteuerverfahren erfordern die produktionsbedingten Streuungen wie beispielsweise Schwankungen der Werte der Gate-Kapazitäten oder die schwierige Abschätzbarkeit des Einflusses parasitärer interner Dioden des Leistungsschalters auf den Schaltvorgang komplizierte und ungenaue Toleranzberechnungen und gegebenenfalls schaltungstechnische Maßnahmen, um diese parasitären Effekte zu beherrschen. Derlei Erwägungen und Berechnungen können bei der Vorrichtung der Erfindung entfallen.
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Die Schalteinheit weist bevorzugt einen Steuereingang für ein Steuersignal auf, wobei die Schalteinheit ausgebildet ist, das Steuersignal mit dem zu dem Ausgangssignal proportionalen Strom zu überlagern. Bei dieser Ausführungsform wird das eigentliche Steuersignal für den Leistungsschalter extern erzeugt und von der Schalteinheit selbst dann im Rahmen der beschriebenen Regelung durch Überlagerung des Stromes wie gewünscht modifiziert.
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Die Schalteinheit kann eine zweite gesteuerte Stromquelle besitzen, welche eingangsseitig mit dem Steuereingang der Schalteinheit und ausgangsseitig mit der Ansteuersignalleitung verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform setzt sich das Ansteuersignal für den Leistungsschalter aus dem Strom einer von dem externen Steuersignal gesteuerten Stromquelle und dem durch die Rückkopplung gesteuerten Stromanteil zusammen, so dass sich die Ansteuerung des Leistungsschalters unabhängiger von der genauen Natur des Steuersignals und mit einem höheren Freiheitsmaß einstellen lässt.
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Die Schalteinheit kann auch einen zwischen den Steuereingang und die Ansteuersignalleitung geschalteten Gatevorwiderstand aufweisen. Ein solcher Gatevorwiderstand begrenzt den auf das Gate des Leistungsschalters fließenden Strom vorteilhaft und trägt so zur Verlangsamung des Schaltvorganges bei. Der Gatevorwiderstand weist bevorzugt einen Widerstandswert von nicht mehr als 200 Ohm auf. Obgleich auch größere Gatevorwiderstände eingesetzt werden können, würde sich der Leistungsverbrauch bei der Ansteuerung des Leistungsschalters in unerwünschter Maße erhöhen.
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Die Differenziereinheit ist bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ausgebildet, das Ausgangssignal für ein an dem Eingang anliegendes steigendes Signal mit einem ersten Proportionalitätsfaktor und für ein an dem Eingang anliegendes fallendes Signal mit einem von dem ersten Proportionalitätsfaktor betragsmäßig verschiedenen zweiten Proportionalitätsfaktor zu erzeugen. Die unterschiedlichen Proportionalitätsfaktoren erlauben das getrennte Einstellen der Anstiegs- und Fallzeiten der Drain-Source-Spannung des Leistungsschalters. Die Differenziereinheit kann dazu separate Einheiten für steigende und fallende Flanken umfassen. Bei bisherigen Ansteuerverfahren ist die Anstiegszeit üblicherweise doppelt so lange wie die Fallzeit der Drain-Source-Spannung. Daher verläuft der Ausschaltvorgang (steigende Drain-Source-Spannung des in den sperrenden Zustand übergehenden Leistungsschalters) langsamer und hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit unkritischer, der Einschaltvorgang (fallende Drain-Source-Spannung des in den leitenden Zustand übergehenden Leistungsschalters) bleibt jedoch potentiell kritisch. Will man nun den Einschaltvorgang verlangsamen, um auch diesen elektromagnetisch verträglicher durchführen zu können, werden bei gängigen Techniken wie der Erhöhung des Gatevorwiderstandes in unnötigem Maß die Anstiegszeit weiter verlängert und der Ausschaltvorgang verlangsamt, wodurch auch die Verlustleistung des Gesamtsystems vergrößert wird, da die Abschaltung vergleichsweise verspätet erfolgt. Indem Anstiegs- und Fallzeiten der Drain-Source-Spannung separat eingestellt werden können, können sie auch einander angeglichen werden, was entsprechende Vorteile mit sich bringt.
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Die Schalteinheit kann eine Rückkoppeleinheit besitzen, die ausgebildet ist, eine Schleifenverstärkung eines die Differenziereinheit, die Rückkoppeleinheit, die gesteuerte Stromquelle und den Leistungsschalter umfassenden Regelkreises einzustellen. Die Rückkoppeleinheit ist dabei vorzugsweise ein Verstärker. Die Rückkoppeleinheit bietet durch einen vorgebbaren Verstärkungsfaktor einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Bestimmung der Regelfunktion, was Vorteile bei der Implementierung bieten kann, weil Parameter der anderen Komponenten des Regelkreises nicht notwendigerweise konfigurierbar gestaltet zu werden brauchen.
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Die Differenziereinheit ist bevorzugt ein Hochpassfilter oder ein Differenzierer oder umfasst ein Hochpassfilter oder einen Differenzierer.
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Ein zweiter Erfindungsaspekt führt ein Steuergerät mit einem Leistungsschalter, beispielsweise einem Feldeffekttransistor oder einem Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), und einer Schalteinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ein. Dabei sind eine Steuerelektrode des Leistungsschalters, beispielsweise ein Gate oder eine Basis, mit der Ansteuersignalleitung der Schalteinheit und eine Lastelektrode des Leistungsschalters, beispielsweise ein Drain oder ein Kollektor, mit dem Eingang der Schalteinheit verbunden.
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Ein weiterer Erfindungsaspekt führt ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last ein. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
Erfassen einer Sperrspannung, beispielsweise einer Drain-Source- oder Kollektor-Emitter-Spannung, eines Leistungsschalters;
Erzeugen eines zu einer Steigung der Sperrspannung proportionalen Rückkoppelsignals; und
Ausgeben eines zu dem Rückkoppelsignal proportionalen Stromes an eine Steuerelektrode, beispielsweise ein Gate oder eine Basis, des Leistungsschalters.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Funktionseinheiten. Sofern nichts Abweichendes beschrieben ist, gilt daher das für die anderen Figuren Gesagte entsprechend.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zentrale Element stellt dabei eine Schalteinheit 100 dar, welche von einer Signalquelle 400 ein Steuersignal erhält, das ein gewünschtes Aktivieren oder Deaktivieren eines mit einer zu schaltenden Last 300 verbundenen Leistungsschalters 200 anzeigt. Zwischen die Signalquelle 400 und die Schalteinheit 100 kann optional eine Ansteuereinheit 500 geschaltet sein, welche beispielsweise einen Gatevorwiderstand, einen Verstärker, einen Pegelbegrenzer oder dergleichen enthalten kann, um das Signal der Signalquelle 400 für die Ansteuerung der Schalteinheit 100 aufzubereiten. Erfindungsgemäß wird der Verlauf einer Spannung über den Leistungsschalter 200 an ein Drain oder einer vergleichbaren Elektrode des Leistungsschalters 200 abgegriffen. Ein Eingang der Schalteinheit 100 wird hierzu mit der Elektrode des Leistungsschalters 200 verbunden. Eine Differenziereinheit 110 erzeugt ein zu einer Steilheit des an dem Eingang anliegenden Signals proportionales Ausgangssignal. Im gezeigten Beispiel wird das Ausgangssignal der Differenziereinheit 110 in einer optionalen Rückkoppeleinheit 120 weiterverarbeitet, welche ausgeführt ist, das Ausgangssignal der Differenziereinheit 110 zu verstärken oder abzuschwächen. Die Rückkoppeleinheit 120 kann bei manchen Ausführungsformen der Erfindung ausgebildet sein, ein Ausgangssignal, das eine steigende Flanke repräsentiert, mit einem anderen Proportionalitätsfaktor zu verstärken oder abzuschwächen als ein Ausgangssignal, das eine fallende Flanke repräsentiert. Die Rückkoppeleinheit 120 ist ausgangsseitig mit einer Stromquelle 130 verbunden, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Paar von Stromquellen 130a und 130b ausgeführt ist. Ist keine Rückkoppeleinheit 120 vorgesehen, kann die Differenziereinheit 110 direkt mit der Stromquelle 130 verbunden werden. Die Stromquelle 130 gibt entweder einen Strom an die Steuerelektrode des Leistungsschalters 200 aus (die Stromquelle 130a ist aktiv) oder entlädt die Steuerelektrode des Leistungsschalters 200 durch einen abfließenden Strom (die Stromquelle 130b ist aktiv). Der Betrag des jeweiligen Stromes ist dabei vorzugsweise proportional zum Betrag des Ausgangssignals der Rückkoppeleinheit 120 beziehungsweise der Differenziereinheit 110. Dadurch, dass das Signal der Signalquelle 400 mit dem Strom der Stromquelle 130 überlagert wird, ergibt sich ein entsprechend modifiziertes Ansteuersignal an der Steuerelektrode des Leistungsschalters 200. Indem der Regelkreis der Ursache der Potentialänderung an der Drainelektrode des Leistungsschalters 200, also dem durch die Ansteuerung ausgelösten Schaltvorgang, der die Änderung des Potentials an der Drainelektrode des Leistungsschalters 200 nach sich zieht, entgegenwirkt, wird der Schaltvorgang verlangsamt, wodurch sich die Anstiegsbeziehungsweise Fallzeit der Spannung verlängert. Die verlängerten Anstiegsbeziehungsweise Fallzeiten bewirken eine entsprechende Reduzierung der elektromagnetischen Abstrahlung, die durch das Schalten der Last 300 verursacht wird.
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Die Schalteinheit 100 der Erfindung ist im gezeigten Beispiel als ein Mikrochip ausgeführt, kann jedoch selbstredend auch aus diskreten Komponenten aufgebaut werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Rückkoppeleinheit 120 in zwei Untereinheiten 120a und 120b untergliedert ist.
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Jede Untereinheit 120a, 120b ist für entweder die fallenden oder steigenden Flanken vorgesehen und besitzt gegenüber der jeweils anderen Untereinheit 120a, 120b einen unterschiedlichen Verstärkungsfaktor, so dass das Regelverhalten für steigende und fallende Flanken individuell einstellbar wird. Als weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der 1, welcher auch unabhängig von dem vorgenannten Unterschied verwirklicht werden kann, ist eine zweite Stromquelle 140 vorgesehen, die durch die Signalquelle 400 gesteuert wird und wiederum als ein Paar von Stromquellen 140a, 140b ausgeführt sein kann. Zudem ist die Ansteuereinheit 500 zwischen den gemeinsamen Knoten der beiden Stromquellen 130 und 140 und die Steuerelektrode des Leistungsschalters 200 geschaltet. Diese Unterschiede bewirken, dass der für die Ansteuerung des Leistungsschalters 200 ausgegebene Strom direkt mit dem erfindungsgemäßen Korrekturstrom verrechnet wird, so dass sich der gewünschte, für ein verlangsamtes Durchschalten oder Abschalten angepasste Gesamtansteuerstrom ergibt und über die Ansteuereinheit 500 ausgegeben werden kann. Im Beispiel der 1 wird hingegen der unkorrigierte Ansteuerstrom über die Ansteuereinheit 500 an den Leistungsschalter 200 ausgegeben, woraufhin direkt am Leistungsschalter 200 der durch das erfindungsgemäße Regelsystem kontrollierte Korrekturstrom mit dem unkorrigierten Ansteuerstrom überlagert wird. Indem der unkorrigierte Ansteuerstrom jedoch direkt mit dem Korrekturstrom verrechnet wird, kann der Leistungsverbrauch für die Ansteuerung des Leistungsschalters 200 vorteilhaft gesenkt werden, weil der Korrekturstrom gewöhnlich ein dem unkorrigierten Ansteuerstrom entgegengesetztes Vorzeichen hat.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem zweiten Ausführungsbeispiel, allerdings sind hier auch getrennte Differenziereinheiten 110a und 110b für fallende beziehungsweise steigende Flanken vorgesehen, so dass das Verhalten des Regelkreises für fallende und steigende Flanken noch freier eingestellt werden kann. Die Rückkoppeleinheiten 120a, 120b können in einem solchen Fall. auch entfallen oder in die Differenziereinheiten 110a, 110b integriert werden.
