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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter.
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Aus der
DE 10 2014 110 768 B3 ist eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter bekannt, die den durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Strom überwacht. Falls der durch den Leistungshalbleiterschalter fließende Strom im eingeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterschalters, z.B. bei einem Kurzschluss, sehr groß wird, steigt die zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss des Leistungshalbleiterschalters anliegende Spannung stark an, was zu einem Spannungsanstieg an einem ersten Kondensator der Steuereinrichtung führt, so dass der erste Kondensator aufgeladen wird. Wenn die Kondensatorspannung eine Referenzspannung übersteigt, wird von einem Vergleicher der Steuereinrichtung ein Überstromfehlersignal erzeugt, das ein Abschalten des Leistungshalbleiterschalters bewirkt. Der Leistungshalbleiterschalter wird hierdurch vor dem durch ihn fließenden Überstrom geschützt. Diese Steuereinrichtung weist den Nachteil auf, dass von Leistungshalbleiterschalterseite einkoppelnde Störspannungen zu Fehlauslösungen führen können.
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Aus der
DE 31 41 471 A1 ist eine Kurzschlussschutzeinrichtung für Transistoren beı der einem ersten NAND-Glied über seinen ersten Eingang Ansteuersignale für den Transistor sowıe über seinen zweiten Eingang Ausgangssignale eınes zweiten NAND-Gliedes zugeführt werden, bekannt. Am ersten Eingang des zweıten NAND-Gliedes liegen Ansteuersignale für den Transistor über eine Verzögerungsschaltung an und am zweıten Eingang des zweiten NAND-Gliedes lıegt eine von der Spannung des Transıstors abhängige Signalspannung an. Der Ausgang des ersten NAND-Glıedes ıst über einen Inverter mit dem Steueranschluss des Transıstors verbunden. Bei Kurzschluss oder Überlastung des Transistors steigt die Spannung am Transistor an und die Anschlusssignale werden infolge Durchschaltens des zweiten NAND-Gliedes unterdrückt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter zu schaffen, die im Falle eines durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Überstroms, den Überstrom schnell detektiert und gegenüber von Leistungshalbleiterschalterseite einkoppelnden Störspannungen eine hohe Resistenz aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter, der einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss und einen Steueranschluss aufweist, aufweisend,
- – einen elektrischen ersten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem ersten Laststromanschluss vorgesehen ist, einen elektrischen zweiten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem zweiten Laststromanschluss vorgesehen ist und einen elektrischen dritten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem Steueranschluss vorgesehen ist,
- – eine Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist in Abhängigkeit eines Steuersignals am dritten Steuereinrichtungsanschluss eine Ansteuerspannung zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen,
- – eine Überstromdetektionsschaltung, mit einer elektrischen ersten Reihenschaltung, die einen ersten, zweiten und dritten Widerstand aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der erste und zweite Widerstand über einen ersten Stromzweig und der zweite und dritte Widerstand über einen zweiten Stromzweig elektrisch verbunden sind, wobei die erste Reihenschaltung elektrisch zwischen eine Spannungsquelle und dem zweiten Steuereinrichtungsanschluss geschaltet ist, und mit einer Diode, die elektrisch zwischen den ersten Stromzweig und den ersten Steuereinrichtungsanschluss geschaltet ist und/oder einem Entkopplungskondensator, der elektrisch zwischen den ersten Stromzweig und den ersten Steuereinrichtungsanschluss geschaltet ist, und mit einem ersten Kondensator, der elektrisch zwischen den ersten Stromzweig und den zweiten Steuereinrichtungsanschluss geschaltet ist, und mit einem, einen ersten und einen zweiten Eingang aufweisenden, ersten Vergleicher, wobei der erste Eingang des ersten Vergleichers mit dem zweiten Stromzweig elektrisch verbunden ist, wobei der erste Vergleicher ausgebildet ist ein Überstromdetektionssignal zu erzeugen, wenn eine am ersten Eingang des ersten Vergleichers anliegende erste Spannung höher ist als eine am zweiten Eingang des ersten Vergleichers anliegende zweite Spannung,
- – eine Auswertschaltung, die ausgebildet ist, nach einer bestimmten Wartezeit ab Beginn der Erzeugung einer Ansteuerspannung zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters durch die Ansteuereinrichtung ein Freigabesignal zu erzeugen, wobei die Auswerteinrichtung ausgebildet ist, bei gleichzeitigem Vorliegen des Überstromdetektionssignals und des Freigabesignals, ein Überstromfehlersignal zu erzeugen.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die zweite Spannung einen zeitlich konstanten Spannungswert aufweist, da dann nach dem vollständigen Einschalten des Leistungshalbleiterschalters eine einheitliche Überstromdetektionsempfindlichkeit erzielt wird.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Überstromdetektionsschaltung eine elektrische zweite Reihenschaltung aufweist, die einen vierten und einen fünften Widerstand aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der vierte und fünfte Widerstand über einen dritten Stromzweig elektrisch verbunden sind, wobei die zweite Reihenschaltung elektrisch zwischen die Spannungsquelle und den zweiten Steuereinrichtungsanschluss geschaltet ist, wobei der zweite Eingang des ersten Vergleichers mit dem dritten Stromzweig elektrisch verbunden ist. Hierdurch wird auf einfache Art und Weise eine zuverlässige Erzeugung der zweiten Spannung erzielt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der die Auswerteschaltung einen, einen ersten und einen zweiten Eingang aufweisenden, zweiten Vergleicher aufweist, wobei am ersten Eingang des zweiten Vergleichers eine Vergleichsspannung anliegt und der zweite Eingang des zweiten Vergleichers über einen Halbleiterschalter mit der Spannungsquelle verbunden ist und über einen zweiten Kondensator zu dem eine Stromquelle elektrisch parallel geschaltet ist, mit dem zweiten Steuereinrichtungsanschluss elektrisch verbunden ist, wobei die Ansteuereinrichtung ausgebildet ist, bei Beginn der Erzeugung einer Ansteuerspannung zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters ein Ausschalten des Halbleiterschalters zu bewirken und bei Erzeugung einer Ansteuerspannung zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters ein Einschalten des Halbleiterschalters zu bewirken. Hierdurch wird auf einfache Art und Weise eine zuverlässige Erzeugung des Freigabesignals erzielt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Leistungshalbleiterschalter als n-Kanal Leistungshalbleiterschalter ausgebildet ist und die Diode elektrisch zwischen den ersten Stromzweig und den ersten Steuereinrichtungsanschluss geschaltet ist, wobei die Kathode der Diode elektrisch dem ersten Steuereinrichtungsanschluss zugewandt angeordnet ist. Die Überstromdetektionsschaltung ist dann besonders einfach und zuverlässig ausgebildet.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Leistungshalbleiterschalter als p-Kanal Leistungshalbleiterschalter ausgebildet ist und die Diode elektrisch zwischen den ersten Stromzweig und den ersten Steuereinrichtungsanschluss geschaltet ist, wobei die Kathode der Diode elektrisch dem ersten Steuereinrichtungsanschluss zugewandt angeordnet ist. Die Überstromdetektionsschaltung ist dann besonders einfach und zuverlässig ausgebildet.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Wartezeit mindestens eine so große Zeitdauer aufweist, dass der Leistungshalbleiterschalter am Ende der Wartezeit vollständig eingeschaltet ist, da dann die Steuereinrichtung gegenüber einkoppelnden Störspannungen eine besonders hohe Resistenz aufweist und so eine fehlerhafte Detektion eines Überstroms auch bei vorhanden sein von sehr hohen Störspannungen zuverlässig vermieden wird.
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Weiterhin erweist sich eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für den Leistungshalbleiterschalter, wobei der erste Steuereinrichtungsanschluss elektrisch mit dem ersten Lastromanschluss des Leistungshalbleiterschalters und der zweite Steuereinrichtungsanschluss elektrisch mit dem zweiten Lastromanschluss des Leistungshalbleiterschalters und der dritte Steuereinrichtungsanschluss elektrisch mit Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters verbunden ist, als vorteilhaft, da dann ein durch den Leistungshalbleiterschalter der Leistungshalbleiterschaltung fließender Überstrom schnell und zuverlässig detektiert werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem als n-Kanal ausgebildeten Leistungshalbleiterschalter und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für den Leistungshalbleiterschalter,
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2 in einer Überstromdetektionsschaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung auftretende Spannungsverläufe bei einem als n-Kanal ausgebildeten Leistungshalbleiterschalter,
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3 in einer Auswerteschaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung auftretende Spannungsverläufe bei einem als n-Kanal ausgebildeten Leistungshalbleiterschalter und
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4 eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem als p-Kanal ausgebildeten Leistungshalbleiterschalter und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für den Leistungshalbleiterschalter.
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In 1 ist eine Leistungshalbleiterschaltung 1 dargestellt, die einen als n-Kanal ausgebildeten Leistungshalbleiterschalter T und eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung 1 für den Leistungshalbleiterschalter T aufweist, wobei die Steuereinrichtung 1 mit dem Leistungshalbleiterschalter T elektrisch verbunden ist.
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Der Leistungshalbleiterschalter T weist einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss C und E und einen Steueranschluss G auf. Der Leistungshalbleiterunterschalter T liegt vorzugsweise in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder eines MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vor. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels liegt der Leistungshalbleiterschalter T in Form eines IGBTs vor, wobei der erste Laststromanschluss C in Form des Kollektors des IGBTs, der zweite Laststromanschluss E in Form des Emitters des IGBTs und der Steueranschluss G in Form des Gates des IGBTs vorliegt.
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Die Steuereinrichtung 1 weist einen elektrischen ersten Steuereinrichtungsanschluss A1, der zur elektrischen Verbindung mit dem ersten Laststromanschluss C des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehen ist, einen elektrischen zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2, der zur elektrischen Verbindung mit dem zweiten Laststromanschluss E vorgesehen ist und einen elektrischen dritten Steuereinrichtungsanschluss, der zur elektrischen Verbindung mit dem Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T vorgesehen ist, auf.
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Der erste Steuereinrichtungsanschluss A1 ist bei der Leistungshalbleiterschaltung 1 elektrisch mit dem ersten Lastromanschluss C des Leistungshalbleiterschalters T, der zweite Steuereinrichtungsanschluss A2 ist elektrisch mit dem zweiten Lastromanschluss E des Leistungshalbleiterschalters T und der dritte Steuereinrichtungsanschluss A3 ist elektrisch mit Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T verbunden.
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Die Steuereinrichtung 1 weist weiterhin eine Ansteuereinrichtung 3 auf, die ausgebildet ist in Abhängigkeit eines Steuersignals A am dritten Steuereinrichtungsanschluss A3 eine Ansteuerspannung Ua zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen. Die Ansteuereinrichtung 3 erzeugt hierzu in Abhängigkeit von einem Steuersignal A, welches z.B. von einer übergeordneten Steuerung (nicht dargestellt) erzeugt wird, die Ansteuerspannung Ua am Steuereinrichtungsanschluss A3 und damit am Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T. Beim Ausführungsbeispiel erzeugt die Ansteuereinrichtung 3 eine Ansteuerspannung Ua von 15V zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T und eine Ansteuerspannung Ua von –8V zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T. Der Leistungshalbleiterschalters T schaltet sich in Abhängigkeit vom Spannungswert der Ansteuerspannung Ua ein und aus.
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Die Steuereinrichtung 1 weist weiterhin eine Überstromdetektionsschaltung 8 auf, die eine elektrische erste Reihenschaltung 10, eine Diode D, einen ersten Kondensator C1, eine Spannungsquelle 4 und einen ersten Vergleicher V1 aufweist. Die erste Reihenschaltung 10 weist einen ersten, einen zweiten und einen dritten Widerstand R1, R2 und R3 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und solchermaßen eine Spannungsteilerschaltung ausbilden. Der erste und zweite Widerstand R1 und R2 sind über einen ersten Stromzweig 5 und der zweite und dritte Widerstand R2 und R3 sind über einen zweiten Stromzweig 6 elektrisch verbunden. Die erste Reihenschaltung 10 ist elektrisch zwischen die Spannungsquelle 4, die eine Versorgungsspannung Uv erzeugt und dem zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2 geschaltet. Die Diode D ist elektrisch zwischen den ersten Stromzweig 5 und den ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 geschaltet. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist die Anode der Diode D mit dem ersten und zweiten Widerstand R1 und R2 elektrisch verbunden und die Kathode der Diode D ist elektrisch mit dem ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 verbunden. Die Kathode der Diode D ist somit im Rahmen des Ausführungsbeispiels dem ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 zugewandt angeordnet. Der erste Kondensator C1 ist elektrisch zwischen den ersten Stromzweig 5 und den zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2 geschalten. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist ein elektrischer erster Anschluss des ersten Kondensators C1 elektrisch mit dem ersten und zweiten Widerstand R1 und R2 und der Anode der Diode D verbunden und ein elektrischer zweiter Anschluss des ersten Kondensators C1 ist elektrisch mit dem zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2 verbunden. Der erste Vergleicher V1 weist einen ersten und einen zweiten Eingang E1 und E2 auf, wobei der erste Eingang E1 des ersten Vergleichers V1 mit dem zweiten Stromzweig 6 elektrisch verbunden ist. Der erste Eingang E1 des ersten Vergleichers V1 ist somit elektrisch mit dem zweiten und dritten Widerstand R2 und R3 verbunden. Der erste Vergleicher V1 erzeugt ein Überstromdetektionssignal US, wenn eine am ersten Eingang E1 des ersten Vergleichers V1 anliegende erste Spannung U1 höher ist als eine am zweiten Eingang E2 des ersten Vergleichers V1 anliegende zweite Spannung U2. auf. Der erste Vergleicher V1 liegt in Form eines Komparators, der z.B. in Form eines Operationsverstärkers vorliegen kann, vor.
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Die zweite Spannung U2 weist vorzugsweise einen zeitlich konstanten Spannungswert Uc (siehe 2) auf. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Überstromdetektionsschaltung 8 zur Erzeugung der zweiten Spannung U2 eine elektrische zweite Reihenschaltung 11 auf, die einen vierten und einen fünften Widerstand R4 und R5 aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der vierte und fünfte Widerstand R4 und R5 über einen dritten Stromzweig 7 elektrisch verbunden sind. Die zweite Reihenschaltung 11 ist elektrisch zwischen die Spannungsquelle 4 und den zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2 geschaltet. Der zweite Eingang E2 des ersten Vergleichers V1 ist mit dem dritten Stromzweig 7 elektrisch verbunden. Der zweite Eingang E2 des ersten Vergleichers V1 ist somit elektrisch mit dem vierten und fünften Widerstand R4 und R5 verbunden. Die Reihenschaltung 11 bildet einen Spannungsteiler aus, der die Versorgungsspannung Uv herunterteilt, so dass am dritten Stromzweig 7 die zweite Spannung U2 anliegt. Die zweite Spannung U2 fällt über dem fünften Widerstand R5 ab.
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Die Steuereinrichtung 1 weist weiterhin eine Auswertschaltung 9 auf, die ausgebildet ist, nach einer bestimmten Wartezeit Tw ab Beginn t0 (siehe 3) der Erzeugung einer Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T durch die Ansteuereinrichtung 3 ein Freigabesignal FR zu erzeugen, wobei die Auswerteinrichtung 9 ausgebildet ist, bei gleichzeitigem Vorliegen des Überstromdetektionssignals US und des Freigabesignals FR, ein Überstromfehlersignal FS zu erzeugen. Die Wartezeit Tw weist vorzugsweise mindestens eine so große Zeitdauer auf, dass der Leistungshalbleiterschalter T am Ende der Wartezeit Tw vollständig eingeschaltet ist.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Auswertschaltung 9 einen, einen ersten und einen zweiten Eingang E1‘ und E2‘ aufweisenden, zweiten Vergleicher V2, einen zweiten Kondensator C2, einen Halbleiterschalter S, eine Stromquelle SQ und ein logisches UND-Gatter AND, das eine logische UND-Verknüpfung seiner Eingangssignale durchführt, auf. Am ersten Eingang E1‘ des zweiten Vergleichers V2 liegt eine Vergleichsspannung Ug, die vorzugsweise einen konstanten Spannungswert aufweist, an. Der zweite Eingang E2‘ des zweiten Vergleichers V2 ist elektrisch über den Halbleiterschalter S mit der Spannungsquelle 4 verbunden und über einen zweiten Kondensator C2 zu dem die Stromquelle SQ, die solange die dritte Spannung U3 nicht Null ist, einen konstanten Strom Is erzeugt, elektrisch parallel geschaltet ist, mit dem zweiten Steuereinrichtungsanschluss A2 elektrisch verbunden. Die Stromquelle SQ kann z.B. einem Transistor und eine Ansteuerschaltung, die den Transistor ansteuert, aufweisen, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, den Transistor derart anzusteuern um dessen Durchlasswiderstand derart zu ändern, dass bei einer sich zeitlich verändernden dritten Spannung U3 ein konstanter Strom Is fließt. Der zweite Vergleicher V2 erzeugt das Freigabesignal FR, wenn eine am zweiten Eingang E2‘ des zweiten Vergleichers V2 anliegende dritte Spannung U3 kleiner ist als die am ersten Eingang E1‘ des zweiten Vergleichers V2 anliegende Vergleichsspannung Ug. Der zweite Vergleicher V2 liegt in Form eines Komparators, der z.B. in Form eines Operationsverstärkers vorliegen kann, vor. Die Ansteuereinrichtung 3 ist ausgebildet, bei Beginn t0 der Erzeugung einer Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T ein Ausschalten des Halbleiterschalters S zu bewirken und bei Erzeugung einer Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T ein Einschalten des Halbleiterschalters S zu bewirken. Der Halbleiterschalters S kann z.B. in Form eines MOSFET vorliegen. Die Ansteuereinrichtung 3 bewirkt im Rahmen des Ausführungsbeispiels das Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters S, indem sie ein entsprechendes Halbleiterschalteransteuersignal Sa an den Steuereingang des Halbleiterschalters S sendet. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weisen das Überstromdetektionssignal US, das Freigabesignal FR, und das Überstromfehlersignal FS bei Ihrem Vorhandensein einen Wert von logisch „1“ auf und bei Ihrem nicht Vorhandensein einen Wert von logisch „0“ auf. Das Überstromdetektionssignal US und das Freigabesignal FR werden dem UND-Gatter AND als Eingangsgrößen zugeführt, das ausgangsseitig das Überstromfehlersignal FS erzeugt, das signalisiert, dass ein Überstrom durch den Leistungshalbleiterschalters T fließt.
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Die Ansteuereinrichtung 3 ist vorzugsweise ausgebildet, bei vorhanden sein des Überstromfehlersignals FS eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen. Hierzu wird das Überstromfehlersignal FS der Ansteuereinrichtung 3 als Eingangsgröße zugeführt, worauf die Ansteuereinrichtung 3 eine Ansteuerspannung Ua erzeugt, die eine Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T bewirkt. Die Ansteuereinrichtung 3 schützt solchermaßen den Leistungshalbleiterschalter T vor dem durch ihn fließenden Überstrom. Alternativ hierzu könnte das Überstromfehlersignal FS z.B. aber auch an eine übergeordnete Steuerung (nicht dargestellt) übermittelt werden, die komplexere Maßnahmen zur Behebung des Überstromzustands veranlasst.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der Steuereinrichtung 2 beschrieben. In 2 sind die in der Überstromdetektionsschaltung 8 und in 3 die in der Auswerteschaltung 9 auftretenden Spannungsverläufe im Falle, dass der Leistungshalbleiterschalter T als n-Kanal Leistungshalbleiterschalter ausgebildet ist dargestellt.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist der zweite Laststromanschluss E des Leistungshalbleiterschalters T mit einer elektrischen Last L (z.B. einem Elektromotor) elektrisch verbunden. In dem vor dem Zeitpunkt t0 in 2 und 3 dargestellten Zeitraum ist der Leistungshalbleiterschalter T ausgeschaltet. Die zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss C und E anliegende elektrische Leistungshalbleiterschalterspannung Uce ist deshalb sehr hoch und entspricht im Rahmen des Ausführungsbeispiels einer am ersten Laststromanschluss C des Leistungshalbleiterschalter T anliegenden hohen externen Spannung Ue von über 1000V. Die Versorgungsspannung Uv beträgt im Rahmen des Ausführungsbeispiels 15V. Die Diode D ist infolge bei ausgeschalteten Leistungshalbleiterschalter T in einem gesperrten Zustand und entkoppelt das auf Seite des Leistungshalbleiterschalter T auftretende hohe Spannungsniveau vor dem auf Seite der Steuereinrichtung 2 vorhandenen niedrigen Spannungsniveau. Der Spannungswert Ua der am ersten Stromzweig 5 anliegenden vierten Spannung U4 ergibt sich aus den ohmschen Widerstandwerten des ersten, zweiten und dritten Widerstands R1, R2 und R3 der ersten Reihenschaltung 10. Der ohmsche Widerstandswert des ersten Widerstands R1 ist vorzugsweise erheblich niedriger wie die ohmschen Widerstandswerte des zweiten und dritten Widerstands R2 und R3, so dass der Spannungswert Ua nur geringfügig kleiner ist als die Versorgungsspannung Uv. Der Spannungswert Ub der am ersten Eingang E1 des ersten Vergleichers V1 anliegenden ersten Spannung U1 ergibt sich ebenfalls aus den ohmschen Widerstandwerten des ersten, zweiten und dritten Widerstands R1, R2 und R3 der ersten Reihenschaltung 10. Die erste Spannung U1 ist ein Bruchteil der vierten Spannung U4, die am ersten Stromzweig 5 anliegt bzw. über dem ersten Kondensator C1 abfällt. Der erste Kondensator C1 ist auf den Spannungswert Ua aufgeladen. Der Spannungswert Uc der am zweiten Eingang E2 des ersten Vergleichers V1 anliegenden zweiten Spannung U2 ergibt sich aus den ohmschen Widerstandswerten des vierten und fünften Widerstands R4 und R5, die die Versorgungspannung Uv herunterteilen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die zweite Spannung U2 somit den zeitlich konstanten Spannungswert Uc auf. In dem vor dem Zeitpunkt t0 in 2 und 3 dargestellten Zeitraum ist der Halbleiterschalter S eingeschaltet, d.h. geschlossen. Der Spannungswert der dritten Spannung U3 entspricht somit der Versorgungsspannung Uv. Der zweite Kondensator C2 ist somit elektrisch auf den Spannungswert von 15V der Versorgungsspannung Uv aufgeladen. Beim Ausführungsbeispiel erzeugt die Ansteuereinrichtung 3 in dem vor dem Zeitpunkt t0 in 2 und 3 dargestellten Zeitraum eine Ansteuerspannung Ua von –8V, so dass der Leistungshalbleiterschalter T ausgeschaltet, d.h. geöffnet, ist.
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Zum Zeitpunkt t0 erhält die Ansteuereinrichtung 3 ein Steuersignal A, das vorgibt, dass der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet werden soll, worauf die Ansteuereinrichtung 3 zum Zeitpunkt t0 mit der Erzeugung einer Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T beginnt, d.h. beginnt mit der Erzeugung einer Ansteuerspannung Ua, die ein Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T bewirkt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiel erhöht die Ansteuereinrichtung 3 hierzu, beginnend zum Zeitpunkt t0, die Ansteuerspannung Ua von –8V auf +15V. Wenn die Ansteuerspannung Ua zum Zeitpunkt t2 ca. auf 10V angestiegen ist, ist der Leistungshalbleiterschalter T beim Ausführungsbeispiel vollständig eingeschaltet, was daran zu erkennen ist, dass die vierte Spannung U4 (und damit die erste Spannung U1) nicht weiter sinkt, sondern auf einem Spannungswert verbleibt, der der Summe aus der über der Diode D abfallenden Diodenspannung Ud und der im Durchlasszustand des Leistungshalbleiterschalters T noch vorhandenen Leistungshalbleiterschalterspannung Uce entspricht. Zum Zeitpunkt t1 ist der Einschaltvorgang des Leistungshalbleiterschalters T bereits so weit fortgeschritten, dass die Leistungshalbleiterschalterspannung Uce soweit abgesunken ist, dass die Diode D in ihren leitfähigen Zustand übergeht, wodurch der erste Kondensator C1 im Zeitraum vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 über die Diode D entladen wird.
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Weiterhin schaltet die Ansteuereinrichtung 3 zum Zeitpunkt t0 den Halbleiterschalter S mittels des Halbleiterschalteransteuersignals Sa aus. Der zweite Kondensator C2 wird infolge durch die Stromquelle SQ mit einem konstanten Strom Is entladen, so dass die dritte Spannung U3 zeitlich linear sinkt. Die Kapazität des zweiten Kondensators C2 und die Stromstärke des Stroms Is sind dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels so gewählt, dass zum Zeitpunkt t2 die dritte Spannung U3 die Vergleichsspannung Ug unterschreitet, wodurch infolge der zweite Vergleicher V2 ab dem Zeitpunkt t2, das Freigabesignal FR erzeugt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels entspricht die bestimmte Wartezeit Tw somit der Zeitdauer vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t2. Wie aus 2 ersichtlich kann die Wartezeit Tw gegebenenfalls noch etwas reduziert werden oder gegebenenfalls vergrößert werden. Die Wartezeit Tw muss mindestens eine so lange Zeitdauer aufweisen, dass ab Beginn der Erzeugung einer Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T durch die Ansteuereinrichtung 3, die Erzeugung des Freigabesignals FR zeitlich nach dem Zeitpunkt tk liegt an dem die erste Spannung U1 die zweite Spannung U2 unterschreitet.
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Beim Ausführungsbeispiel entsteht auf Leistungshalbleiterschalterseite zum Zeitpunkt t3 ein Fehler, z.B. ein elektrischer Kurzschluss, der zu einem starken Anstieg des durch den Leistungshalbleiterschalters T fließenden Strom I1 führt und somit zu einem durch den Leistungshalbleiterschalter T fließenden Überstrom führt. Infolge des durch den Leistungshalbleiterschalter T ansteigenden fließenden Stroms I1, steigt die Leistungshalbleiterschalterspannung Uce und somit auch die vierte und erste Spannung U4 und U1 an. Zum Zeitpunkt t4 ist die am ersten Eingang E1 des ersten Vergleichers V1 anliegende erste Spannung U1 höher als die am zweiten Eingang E2 des ersten Vergleichers V1 anliegende zweite Spannung U2, so dass der erste Vergleicher V1 zum Zeitpunkt t4 das Überstromdetektionssignal US erzeugt. Somit liegen zum Zeitpunkt t4 sowohl das Überstromdetektionssignal US als auch das Freigabesignal FR vor, d.h. es liegt ein gleichzeitiges Vorliegen des Überstromdetektionssignals US und des Freigabesignals FR vor, so dass das UND-Gatter AND das Überstromfehlersignal FS erzeugt und im Rahmen des Ausführungsbeispiels an die Ansteuereinrichtung 3 übermittelt.
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Die Ansteuereinrichtung 3 erzeugt im Rahmen des Ausführungsbeispiels bei vorhanden sein des Überstromfehlersignals FS eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T, d.h. eine Ansteuerspannung Ua, die ein Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T bewirkt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiel erniedrigt die Ansteuereinrichtung 3 hierzu, beginnend zum Zeitpunkt t4, die Ansteuerspannung Ua von 15V auf –8V. Zum Zeitpunkt t5 ist die Leistungshalbleiterschalterspannung Uce soweit angestiegen, dass die Diode D in ihren sperrenden Zustand übergeht und die vierte Spannung U4 auf den Spannungswert Ua begrenzt und somit die erste Spannung U1 auf den Spannungswert Ub begrenzt.
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Die Überstromdetektionsschaltung 8 kann anstatt der Diode D oder zusätzlich zur Diode D, wie in 1 beispielhaft gestrichelt gezeichnet dargestellt, einen Entkopplungskondensator Ce, der elektrisch zwischen den ersten Stromzweig 5 und den ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 geschaltet ist, aufweisen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist somit der erste Anschluss des Kondensators Ce elektrisch mit dem ersten und zweiten Widerstand R1 und R2 verbunden und der zweite Anschluss des Kondensators Ce ist elektrisch mit dem ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 verbunden. Der als Entkopplungskondensator Ce bezeichnete elektrische Kondensator führt ähnlich wie die Diode D1 eine elektrische Entkopplung der auf Leistungshalbleiterschalterseite vorhanden Hochspannung von der auf Seite der Steuereinrichtung 2 vorhandenen Niederspannung durch.
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Von der Leistungshalbleiterschalterseite über die Diode D und/oder über den Entkopplungskondensator Ce in die Steuereinrichtung 2 einkoppelnde Störspannungen, werden durch die erste Reihenschaltung 10 heruntergeteilt, wodurch sie nur eine geringe Auswirkung auf den im Vergleicher V1 durchgeführten Vergleich der ersten Spannung U1 mit der zweiten Spannung U2 haben. Innerhalb der Auswertschaltung 9, wird zuverlässig in für Fehlauslösungen kritischen Zeitabschnitten, die Erzeugung des Überstromfehlersignals blockiert, so dass die Auslöseschwelle, d.h. der Spannungswert Uc der zweiten Spannung U2 in 2 relativ niedrig gewählt werden kann, so dass im Falle eines Überstroms die erste Spannung U1 die zweite Spannung U2 zeitlich sehr schnell überschreitet und der Überstrom somit sehr schnell detektiert werden kann. Hierdurch wird bei einem durch den Leistungshalbleiterschalter T fließen Überstrom ein schnelles Abschalten des Leistungshalbleiterschalter T ermöglicht.
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Die Vergleichsspannung Ug wird im Rahmen des Ausführungsbeispiels von der Steuereinrichtung 2 erzeugt, was der Übersichtlichkeit halber und da zum Verständnis der Erfindung unwesentlich in den Figuren nicht dargestellt ist.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels gemäß 1 ist der Leistungshalbleiterschalter T als n-Kanal Leistungshalbleiterschalter, genauer ausgedrückt als n-Kanal IGBT ausgebildet und die Kathode der Diode D ist elektrisch dem ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 zugewandt angeordnet somit mit dem ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 elektrisch verbunden.
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Alternativ hierzu kann, wie beispielhaft in 4 dargestellt, der Leistungshalbleiterschalter T auch als p-Kanal Leistungshalbleiterschalter T, genauer ausgedrückt als p-Kanal IGBT ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die oben bezüglich eines n-Kanal Leistungshalbleiterschalters T angegeben Spannungswerte und Spannungsverläufe negiert, d.h. heißt mit einem negativen Vorzeichen zu versehen sind. Bei Ausführungsbeispiel gemäß 4 erzeugt die Ansteuereinrichtung 3 solchermaßen eine Ansteuerspannung Ua von –15V zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T und eine Ansteuerspannung Ua von 8V zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T. Die Anode der Diode D ist bei einem als p-Kanal Leistungshalbleiterschalter ausgebildeten Leistungshalbleiterschalters T elektrisch dem ersten Steuereinrichtungsanschluss A1 zugewandt angeordnet. Die Spannungsverläufe verlaufen in diesem Fall wie bezüglich der Zeitachse t gespiegelte Spannungsverläufe der in 2 und 3 dargestellten Spannungsverläufe. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 4 dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Es sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung hinsichtlich eines Vergleichs von Spannungen gleichen Vorzeichens eine Spannung höher ist als eine andere Spannung, wenn deren Betrag der Spannung höher ist als der Betrag der anderen Spannung. So ist z.B. hinsichtlich eines Vergleichs von Spannungen im Sinne der Erfindung +8V höher als +7V und –8V ist höher als –7V.
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Die Ansteuereinrichtung 3 kann z.B. in Form einer einzelnen integrierten Schaltung oder mehrerer integrierter Schaltungen, wobei gegebenenfalls zusätzlich diskrete elektrische Bauelemente vorhanden sein können, vorliegen.
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Es sei weiterhin angemerkt, dass Im Sinne der vorliegenden Erfindung, der Begriff Emitter auch den bei einem anderen Leistungshalbleitertyp zum Emitter analogen Anschluss, der Begriff Kollektor auch den bei einem anderen Leistungshalbleitertyp zum Kollektor analogen Anschluss und der Begriff Gate auch den bei einem anderen Leistungshalbleiterschaltertyp zum Gate analogen Anschluss mit einschließt. Bei einem MOSFET wird z.B. fachspezifisch der bei einem IGBT mit Emitter bezeichnete Anschluss als Source bezeichnet und der bei einem IGBT mit Kollektor bezeichnete Anschluss als Drain bezeichnet. Es sei deshalb angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung, der Begriff Emitter auch den Begriff Source mit einschließt und der Begriff Kollektor auch den Begriff Drain mit einschließt.
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Es sei weiterhin angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können.
