DE102016216508A1

DE102016216508A1 - Steuern eines Halbleiterschalters in einem Schaltbetrieb

Info

Publication number: DE102016216508A1
Application number: DE102016216508.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Hoffmann; Daniel Zitzmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN109792241A; JP2019530397A; WO2018041971A1; JP7083338B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Halbleiterschalters (10) in einem Schaltbetrieb, bei dem eine Schaltstrecke (12) des Halbleiterschalters (10) mittels eines elektrischen Schaltpotentials an einer Steuerelektrode (14) des Halbleiterschalters (10) derart gesteuert wird, dass die Schaltstrecke (12) abhängig von dem elektrischen Schaltpotential einen ausgeschalteten oder einen eingeschalteten Zustand einnimmt, wobei während eines Schaltvorgangs der Schaltstrecke (12) vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand eine elektrische Schaltstreckenspannung an der Schaltstrecke (12) erfasst wird und bei Erreichen einer Maximalspannung durch die Schaltstreckenspannung die Steuerelektrode (14) mit einem elektrischen Begrenzungspotential beaufschlagt wird, das die Schaltstrecke (12) in einen elektrisch leitenden Zustand versetzt, um die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung zu begrenzen, wobei mittels eines thermisch mit der Schaltstrecke (12) gekoppelten Temperatursensors (96) eine Temperatur der Schaltstrecke (12) erfasst wird und die Maximalspannung abhängig von der erfassten Temperatur ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Halbleiterschalters in einem Schaltbetrieb, bei dem eine Schaltstrecke des Halbleiterschalters mittels eines elektrischen Schaltpotentials an einer Steuerelektrode des Halbleiterschalters derart gesteuert wird, dass die Schaltstrecke abhängig von dem elektrischen Schaltpotential einen ausgeschalteten oder einen eingeschalteten Zustand einnimmt, wobei während eines Schaltvorgangs der Schaltstrecke vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand eine elektrische Schaltstreckenspannung an der Schaltstrecke erfasst wird und bei Erreichen einer Maximalspannung durch die Schaltstreckenspannung die Steuerelektrode mit einem elektrischen Begrenzungspotential beaufschlagt wird, das die Schaltstrecke in einen elektrisch leitenden Zustand versetzt, um die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung zu begrenzen. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuerschaltung zum Steuern eines Halbleiterschalters in einem Schaltbetrieb, wobei der Halbleiterschalter eine über eine Steuerelektrode steuerbare Schaltstrecke aufweist, die ausgebildet ist, abhängig von einem elektrischen Schaltpotential an der Steuerelektrode des Halbleiterschalters einen ausgeschalteten oder einen eingeschalteten Zustand einzunehmen, mit einer an die Steuerelektrode anschließbaren Treibereinheit zum Beaufschlagen der Steuerelektrode mit dem Schaltpotential, die einen an die Schaltstrecke anschließbaren Spannungssensor zum Erfassen einer elektrischen Schaltstreckenspannung aufweist, wobei die Treibereinheit ausgebildet ist, zumindest während eines Schaltvorgangs der Schaltstrecke vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand bei Erreichen einer Maximalspannung durch die Schaltstreckenspannung die Steuerelektrode mit einem elektrischen Begrenzungspotential zu beaufschlagen, um die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung durch Versetzen der Schaltstrecke in einen elektrisch leitenden Zustand zu begrenzen. Schließlich betrifft die Erfindung auch einen getakteten Energiewandler mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss, wenigstens einem Halbleiterschalter und einer an eine Steuerelektrode des wenigstens einen Halbleiterschalters angeschlossenen Steuerschaltung, die ausgebildet ist, den Halbleiterschalter zum energietechnischen Koppeln des ersten Anschlusses mit dem zweiten Anschluss zu steuern.
Getaktete Energiewandler, Halbleiterschalter sowie Verfahren zum Steuern von Halbleiterschaltern sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Halbleiterschalter werden häufig bei getakteten Energiewandlern eingesetzt, um elektrische Energie in eine gewünschte Form umwandeln zu können. Zu diesem Zweck werden die Halbleiterschalter in der Regel im Schaltbetrieb betrieben. Dabei treten aufgrund des Schaltbetriebs der Halbleiterschalter besondere, spezifische Probleme auf, die die Zuverlässigkeit der den Halbleiterschalter enthaltenden Schaltung und damit auch die Zuverlässigkeit des getakteten Energiewandlers, der einen solchen Halbleiterschalter umfasst, beeinträchtigen können.
So können beispielsweise parasitäre Induktivitäten und/oder diskrete Induktivitäten ohne Freilaufpfad am Halbleiterschalter während eines Ausschaltvorgangs dazu führen, dass an der Schaltstrecke des Halbleiterschalters hohe Spannungspegel, insbesondere kurzzeitige hohe Spannungsspitzen, auftreten können. Diese an der Schaltstrecke anliegende Schaltstreckenspannung kann eine Höhe erreichen, die den Halbleiterschalter beschädigt, wenn nicht sogar zerstört. Eine derartige Beschädigung des Halbleiterschalters kann eine beschleunigte Degeneration des Halbleiterschalters insgesamt nach sich ziehen.
Es ist deshalb üblich, bei Halbleiterschaltern, beispielsweise nach Art eines IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor), ein Active-Clamping vorzusehen. Der IGBT weist eine Steuerstrecke auf, die als Steuerstreckenanschlüsse einen Emitter- und einen Kollektoranschluss aufweist und die mittels einer Steuerelektrode, hier ein Gate, hinsichtlich einer elektrischen Leitfähigkeit steuerbar ist. Wird das Gate mit dem Schaltpotential beaufschlagt, wird der IGBT im Schaltbetrieb betrieben. Seine Steuerstrecke wirkt dann im Wesentlichen wie ein elektromechanischer Schalter, weshalb sie im Folgenden auch Schaltstrecke genannt wird. Hierbei wird die Schaltstreckenspannung, bei dem IGBT ist dies seine Kollektor-Emitter-Spannung, mittels einer elektronischen Schaltung auf die Steuerelektrode, bei dem IGBT ist dies das Gate, zurückgekoppelt. Hierdurch kann eine teilweise Leitfähigkeit der Schaltstrecke erreicht werden, sodass es zu einer Reduzierung eines Spannungsgradienten der Schaltstreckenspannung kommen kann, wodurch eine Reduzierung einer Spannungsspitze bei einem Ausschaltvorgang erreicht werden kann. Die vorbeschriebene Problematik ist nicht auf IGBT’s beschränkt, sondern kann allgemein bei Transistoren im Schaltbetrieb auftreten, also auch bei bipolaren Transistoren, Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET’s Metaloxide Semiconductor Field Effect Transistor), und/oder dergleichen.
Die an der Schaltstrecke des Halbleiterschalters auftretende Überspannung kann durch das Active-Clamping auf einen festen maximalen Wert begrenzt werden. Der Vorteil dieses Vorgehens liegt darin, dass eine Abschaltgeschwindigkeit nun nicht mehr auf einen Maximalwert in Bezug auf eine maximal mögliche Überspannung eingestellt zu werden braucht, was in der Regel durch Reduzieren der Abschaltgeschwindigkeit erreicht werden kann, sondern es besteht die Möglichkeit, lediglich auf die vereinzelt auftretenden Überspannungen an der Schaltstrecke zu reagieren und diese auf einen fest eingestellten Wert, ein fest vorgegebener Maximalwert, zu begrenzen. Dadurch kann die Abschaltgeschwindigkeit weiterhin vergleichsweise hoch gehalten werden, wodurch sich insgesamt geringere Schaltverluste bezüglich des Halbleiterschalters ergeben können.
Auch wenn sich das bisherige Vorgehen im Stand der Technik bewährt hat, so besteht dennoch Verbesserungsbedarf. So hat es sich beispielsweise gezeigt, dass die Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke deutlich von der Temperatur des Halbleiterschalters, und hier insbesondere einer Chip-Temperatur, abhängig ist. Dies führt dazu, dass bezüglich der Auslegung des Active-Clamping in der Regel die minimale Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke zugrundegelegt wird. Dies führt dazu, dass das Active-Clamping bereits auch dann aktiv wird, wenn dies aufgrund der Temperatur des Halbleiterschalters ein Eingriff gar nicht nötig wäre. Dadurch werden die Eigenschaften des Halbleiterschalters und des den Halbleiterschalter umfassenden getakteten Energiewandlers unnötig beeinträchtigt.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren Steuern eines Halbleiterschalters in einem Schaltbetrieb, eine Steuerschaltung hierfür sowie einen getakteten Energiewandler zu verbessern.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Verfahren, eine Steuerschaltung sowie ein getakteter Energiewandler gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich gezeigt hat, dass die maximal zulässige Schaltstreckenspannung, mit der die Schaltstrecke des Halbleiterschalters beaufschlagt werden darf, ohne dass die Schaltstrecke beziehungsweise der Halbleiterschalter beschädigt werden, deutlich von der Temperatur abhängig ist. So hat sich insbesondere gezeigt, dass die maximal zulässige Schaltstreckenspannung bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes, deutlich kleiner ist als oberhalb des Gefrierpunktes. Die Temperaturabhängigkeit bezieht sich natürlich auf die Temperatur der Schaltstrecke, beispielsweise einer Chip-Temperatur des Halbleiterschalters. Der Effekt der temperaturabhängigen Sperrfähigkeit der Schaltstrecke ist natürlich nicht auf einen Bereich um den Gefrierpunkt beschränkt, sondern kann sich natürlich auch bei Temperaturen deutlich über dem Gefrierpunkt sowie auch deutlich unter dem Gefrierpunkt noch weiter ausbilden. Der Gefrierpunkt ist jedoch aus praktischen Erwägungen besonders bei kraftfahrzeuggestützten getakteten Energiewandlern von besonderem Interesse. Dem Grunde nach können natürlich auch weitere Randbedingungen zum Tragen kommen, beispielsweise eine Begrenzung aufgrund einer Auslegung von Luft- und Kriechstrecken und/oder dergleichen. Eine weitere Verbesserung in Bezug auf schnelles Schalten könnte somit ergänzend beispielsweise erreicht werden, wenn im Halbleiterschalter größere Luft- und Kriechstecken realisiert werden würden. Entsprechende Maßnahmen könnten jedoch eine größere Bauform erfordern, wodurch Abmessungen des Halbleiterschalters größer ausfallen könnten.
Die Erfindung nutzt diese Erkenntnis, erfasst die Temperatur der Schaltstrecke und ermittelt abhängig von der erfassten Temperatur die Maximalspannung, die für die erfindungsgemäße Verfahrensführung zweckmäßig ist.
Infolgedessen schlägt die Erfindung für ein gattungsgemäßes Verfahren insbesondere vor, dass mittels eines thermisch mit der Schaltstrecke gekoppelten Temperatursensors eine Temperatur der Schaltstrecke erfasst wird und die Maximalspannung abhängig von der erfassten Temperatur ermittelt wird.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Steuerschaltung wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Treibereinheit einen thermisch mit der Schaltstrecke gekoppelten Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der Schaltstrecke aufweist und die Treibereinheit ausgebildet ist, die Maximalspannung abhängig von der erfassten Temperatur zu ermitteln.
Bezüglich eines gattungsgemäßen getakteten Energiewandlers wird insbesondere vorgeschlagen, dass dieser eine Steuerschaltung gemäß der Erfindung umfasst.
Mit der Erfindung ist es somit möglich, das bisher übliche starre Active-Clamping abhängig von der erfassten Temperatur der Schaltstrecke einzustellen, sodass der Eingriff des Active-Clamping nur dann zu erfolgen braucht, wenn dies zum Schutz der Schaltstrecke vor die maximal zulässige Schaltstreckenspannung übersteigenden Schaltstreckenspannungen erforderlich ist. Dadurch kann der Eingriff des Active-Clamping auf absolut notwendige Fälle reduziert werden. Infolgedessen können die durch das Active-Clamping hervorgerufenen Nachteile, insbesondere in Bezug auf den Wirkungsgrad des Halbleiterschalters und dessen Verlustleistung, reduziert werden.
Der Halbleiterschalter ist vorzugsweise ein elektronisches Bauelement, insbesondere ein Transistor, beispielsweise ein bipolarer Transistor, ein IGBT, ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein, aber auch ein Sperrschichtfeldeffekttransistor und/oder dergleichen.
Der Transistor weist eine steuerbare Strecke zwischen zwei Elektroden auf, die beim Halbleiterschalter durch die Schaltstrecke gebildet ist. Diese Elektroden sind bei einem bipolaren Transistor ein Kollektor- und ein Emitteranschluss. Bei einem Feldeffekttransistor sind diese Elektroden ein Drain- und ein Sourceanschluss. Die Schaltstrecke beziehungsweise deren elektrische Leitfähigkeit ist mittels eines elektrischen Potentials an der Steuerelektrode einstellbar. Bei einem bipolaren Transistor ist dies ein Basisanschluss, wohingegen dies bei einem Feldeffekttransistor ein Gateanschluss ist.
Für den Schaltbetrieb ist vorgesehen, dass als elektrische Potentiale an der Steuerelektrode entsprechende Schaltpotentiale genutzt werden, die einem jeweiligen Schaltzustand des Halbleiterschalters beziehungsweise dessen Schaltstrecke zugeordnet sind. Ein erstes Schaltpotential ist somit einem eingeschalteten Schaltzustand der Schaltstrecke zugeordnet, wohingegen ein zweites Schaltpotential dem ausgeschalteten Zustand der Schaltstrecke zugeordnet ist. Im eingeschalteten Zustand der Schaltstrecke ist ein elektrischer Widerstand der Schaltstrecke sehr niederohmig, sodass im Wesentlichen keine oder allenfalls eine Restspannung an der Schaltstrecke abfällt, auch bei einem großen Strom, der die Schaltstrecke passiert. Im ausgeschalteten Zustand ist dagegen ein sehr hoher elektrischer Widerstand erreicht, der einen Stromfluss auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender Schaltstreckenspannung im Wesentlichen verhindert. Allenfalls tritt ein gewisser Reststrom beziehungsweise Leckstrom auf.
Der Schaltbetrieb des Halbleiterschalters sieht vor, dass im Wesentlichen lediglich der eingeschaltete und der ausgeschaltete Zustand der Schaltstrecke eingenommen werden können. Lediglich während eines Übergangs von einem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand oder vom ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand können Zwischenwerte auftreten. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb, bei dem eine Leitfähigkeit der Steuerstrecke des Transistors im Wesentlichen kontinuierlich abhängig von dem elektrischen Potential an der Steuerelektrode eingestellt werden kann. Dies ist jedoch im Schaltbetrieb in der Regel nicht vorgesehen.
Gerade wenn der Schaltzustand der Schaltstrecke vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand wechselt, können durch weitere Schaltungsteile, mit denen der Halbleiterschalter zusammenwirkt, beispielsweise Induktivitäten, parasitäre Induktivitäten und/oder dergleichen in Abhängigkeit von der Ausschaltgeschwindigkeit transiente Überspannungen an der Schaltstrecke entstehen. Mit dem Active-Clamping kann der Halbleiterschalter für die Zeitdauer einer Überspannung in einem Linearbetrieb betrieben werden, das heißt, abweichend vom bestimmungsgemäßen Schaltbetrieb, um die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung zu begrenzen. Diesem Zweck dient das Begrenzungspotential. Mittels des Begrenzungspotentials, welches auf die Steuerelektrode einwirkt, kann die Schaltstrecke somit in einem teilweise leitfähigen Zustand versetzt werden, in dem bei im Wesentlichen Aufrechterhaltung der Schaltstreckenspannung ein Stromfluss freigegeben wird, der einen Energieabbau ermöglicht, sodass die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung begrenzt werden kann. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Schaltstreckenspannung erfasst wird und zum Steuern im Rahmen des Active-Clamping genutzt werden kann. Damit kann die Steuerstrecke mittels des elektrischen Potentials in der Steuerelektrode derart gesteuert werden, dass die Schaltstreckenspannung die Maximalspannung nicht übersteigt.
Der Temperatursensor kann dem Grunde nach ein beliebiger, geeigneter Temperatursensor sein, der thermisch mit der Schaltstrecke gekoppelt ist, damit die Temperatur der Schaltstrecke erfasst werden kann. Zu diesem Zweck kann der Temperatursensor einstückig mit einem Halbleiter-Chip ausgebildet sein, der zugleich auch die Schaltstrecke bereitstellt. Es kann aber auch ein separates Bauteil vorgesehen sein, welches beispielsweise am Halbleiterschalter, insbesondere im Bereich einer Kühlfläche des Halbleiterschalters, angeordnet ist, um diesen, insbesondere seine Kühlfläche, zu kontaktieren. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Temperatursensor an einer Wärmesenke angeordnet ist, die auch die Schaltstrecke thermisch koppelt, um beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Halbleiterschalters freigesetzte Wärmeenergie abführen zu können. Der Temperatursensor kann dem Grunde nach ein elektrischer Widerstand sein, der einen elektrischen Widerstandswert aufweist, der sich abhängig von der Temperatur verändert.
Mittels der Steuereinheit, die an den Temperatursensor angeschlossen ist, können Sensorsignale des Temperatursensors ausgewertet werden, die vom Temperatursensor abhängig von der erfassten Temperatur erzeugt werden. Die Steuereinheit ermittelt dann auf Basis der Signale des Temperatursensors die Temperatur der Schaltstrecke, sofern sie nicht bereits unmittelbar dem Signal entspricht. Auch unter Berücksichtigung der ermittelten Temperatur wird sodann die Maximalspannung ermittelt, die für die Funktion des Active-Clamping bereitgestellt wird. Die Funktion des Active-Clamping berücksichtigt diese ermittelte Maximalspannung hinsichtlich ihrer Funktion und greift nur so weit in den bestimmungsgemäßen Betrieb des Halbleiterschalters ein, wie es erforderlich ist, um die Schaltstrecke vor einer höheren Spannung als die Maximalspannung zu schützen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Temperatur mittels des Temperatursensors kontinuierlich oder auch zu vorgegebenen Zeitpunkten wiederholt erfasst wird, um die Maximalspannung neu zu ermitteln beziehungsweise zu aktualisieren. Dadurch ist es möglich, die Funktion des Active-Clamping auch während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Halbleiterschalters anzupassen.
Zum Ermitteln der Maximalspannung kann die Steuereinheit von einer vorgegebenen Maximalspannung ausgehen, die geeignet ist, unabhängig von der erfassten Temperatur den bestimmungsgemäßen Betrieb über den gesamten Temperaturbereich sicherzustellen. Die vorgegebene Maximalspannung ist somit ein minimaler Wert, dessen Einhalten die Schaltstrecke vor dem Einwirken von Überspannungen unabhängig von der Temperatur der Schaltstrecke schützt.
Von dieser vorgegebenen Maximalspannung ausgehend ermittelt dann die Treibereinheit die Maximalspannung unter Berücksichtigung der erfassten Temperatur, indem ein entsprechender Zuschlag aufgerechnet wird. Ist beispielsweise die Temperatur der Schaltstrecke deutlich über dem Gefrierpunkt, kann ein entsprechender Faktor vorgesehen sein, der es ermöglicht, aus der vorgegebenen Maximalspannung die Maximalspannung für den Betrieb des Active-Clamping zu ermitteln. Natürlich können auch alternative Ermittlungsmethoden vorgesehen sein, beispielsweise das Ermitteln der Maximalspannung anhand einer Tabelle, in der entsprechende Wertepaare von erfasster Temperatur und Maximalspannung gespeichert sind, oder dergleichen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schaltstrecke mittels des Begrenzungspotentials außerhalb des Schaltbetriebs betrieben wird. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Betrieb um einen Linearbetrieb. Dies ermöglicht es, dass an der Schaltstrecke die Maximalspannung anliegt, wobei zugleich vorgesehen ist, dass durch den Linearbetrieb ein gewisser Stromfluss ermöglicht ist, der so gewählt ist, dass die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung begrenzt werden kann. Entsprechend wird die Steuerelektrode mit dem hierfür geeigneten Begrenzungspotential beaufschlagt.
Das Begrenzungspotential kann ein elektrisches Potential sein, welches in Bezug auf eine Bezugselektrode der Schaltstrecke ermittelt wird. Bei einem bipolaren Transistor ist dies beispielsweise der Emitteranschluss und bei einem Feldeffekttransistor ist dies beispielsweise der Sourceanschluss. Entsprechend wird an die Steuerelektrode eine elektrische Spannung gegenüber dieser Bezugselektrode des Halbleiterschalters angelegt, um als Begrenzungspotential das gewünschte elektrische Potential an der Steuerelektrode bereitstellen zu können.
Eine Weiterbildung schlägt vor, dass eine Schaltflanke des Schaltpotentials zumindest während des Schaltvorgangs der Schaltstrecke vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand abhängig vom Erreichen der Maximalspannung durch die Schaltstreckenspannung geregelt wird. Dadurch kann die Funktion des Active-Clamping weiter verbessert werden. Durch ein Einwirken auf die Schaltflanke des Schaltpotentials kann nämlich ein Übergangszustand zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand zusätzlich genutzt werden, um die gewünschte Funktion des Active-Clampings zu realisieren oder zu unterstützen.
Vorzugsweise weist der Temperatursensor wenigstens zwei in Reihe geschaltete elektrische Widerstände auf, wobei bei wenigstens einem der Widerstände ein Wert des elektrischen Widerstands von der Temperatur abhängig veränderlich ist. Dadurch kann auf einfache Weise eine Erfassung der Temperatur der Schaltstrecke erreicht werden. Der elektrische Widerstand, dessen Wert von der Temperatur abhängig veränderlich ist, kann beispielsweise ein PTC(Positive Temperature Coefficient)-Widerstand sein. Dadurch kann der Temperatursensor zugleich auch als Spannungssensor für die Erfassung der Schaltstreckenspannung genutzt werden.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der von der Temperatur abhängig veränderliche Widerstand ein NTC(Negative Temperature Coefficient)-Widerstand ist. NTC-Widerstände eignen sich für die Temperaturmessung im besonderen Maße, da sie eine für die Temperaturmessung günstige Kennlinie aufweisen. Darüber hinaus sind sie besonders kostengünstig herstellbar und können auf einfache Weise sogar in einem Gehäuse des Halbleiterschalters integriert werden. Dem Fachmann dürfte klar sein, dass bei Einsatz eines NTC-Widerstands anstelle eines PTC-Widerstands eine entsprechende Anpassung der Schaltungsstruktur vorzusehen ist, damit die gewünschte Temperaturerfassungsfunktion realisiert werden kann. Auf die diesbezüglichen Maßnahmen wird daher nicht weiter eingegangen sondern auf entsprechende Fachliteratur verwiesen, wie zum Beispiel „Kleine Elektronik-Formelsammlung für Radio-Fernsehpraktiker und Elektroniker" von Georg Rose, Franzis-Verlag München, 1977, oder dergleichen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Treibereinheit eine Vergleichsschaltung aufweist, an die der Temperatursensor angeschlossen ist, und die ausgebildet ist, einen Wert eines Messsignals des Temperatursensors auszuwerten, mit einem vorgegebenen Vergleichswert zu vergleichen und bei einem größeren Wert des Messsignals als dem Vergleichswert ein Vergleichssignal für die Treibereinheit bereitzustellen. Die Vergleichsschaltung umfasst vorzugsweise einen Operationsverstärker, der in einem Komparatorbetrieb betrieben wird. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Komparator eine Rückkopplung aufweist, mittels der eine Genauigkeit einer Vergleichsschwelle gut eingestellt werden kann. Der Vergleichswert kann beispielsweise durch eine Spannungsquelle bereitgestellt werden, die eine möglichst konstante elektrische Spannung liefert. Vorzugsweise ist der Vergleichswert von der Temperatur unabhängig. Dadurch können thermische Einflüsse auf die Vergleichsschaltung weitgehend vermieden werden. Ein zuverlässiger Betrieb der Vergleichsschaltung kann somit gewährleistet werden, sodass auch etwaige fehlerhafte Eingriffe des Active-Clamping weitgehend vermieden werden können, die beispielsweise ein Überschreiten der Maximalspannung zur Folge haben könnten. Die Vergleichsschaltung stellt das Vergleichssignal bereit, welches von der Treibereinheit genutzt wird, um die Steuerelektrode mit dem Begrenzungspotential zu beaufschlagen. Die Treibereinheit kann hierfür eine geeignete Anpassungsschaltung aufweisen.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Treibereinheit ausgebildet ist, zum Bereitstellen des Begrenzungspotentials das Vergleichssignal mit dem Schaltpotential für den ausgeschalteten Zustand zu überlagern. Dadurch können in der Treibereinheit getrennte Funktionseinheiten bereitgestellt werden, sodass die Active-Clamping-Funktion auf einfache Weise in die Treibereinheit integriert werden kann. Das Überlagern kann dadurch realisiert werden, dass das Schaltpotential und das Begrenzungspotential mittels einer Verknüpfungsschaltung, wie einem Addierer, einem Subtrahierer und/oder dergleichen, überlagert werden kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Treibereinheit eine Reihenschaltung aus einem elektrischen Widerstand mit einer elektrischen Diode aufweist, wobei die Reihenschaltung mit einem ihrer Anschlüsse mit der Steuerelektrode koppelbar und mit dem anderen ihrer Anschlüsse an die Vergleichsschaltung angeschlossen ist. Dadurch kann eine Entkopplung der Vergleichsschaltung von einem Schaltungsteil der Treibereinheit erreicht werden, der die Schaltpotentiale liefert. Für die Funktion der Reihenschaltung kommt es nicht darauf an, in welcher Reihenfolge die Diode und der Widerstand in Reihe geschaltet sind. Vielmehr ist lediglich die Polarität der Diode hinsichtlich der Funktion des Entkoppelns relevant.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Steuerschaltung angegebenen Vorteile, Merkmale und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für den getakteten Energiewandler. Darüber hinaus gelten die für das Verfahren angegebenen Vorteile und Merkmale ebenso für die erfindungsgemäße Steuerschaltung und umgekehrt.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung ein Diagramm, in dem mittels zweier Graphen das Active-Clamping graphisch dargestellt ist,
2 in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine erste Steuerschaltung mit einer Treiberschaltung und einer Steuerschaltung für das Active-Clamping für einen IGBT, wobei das Active-Clamping unter Nutzung einer Zenerdiode erfolgt,
3 in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine alternative Steuerschaltung für eine Treiberschaltung mit Active-Clamping-Funktion wie 2,
4 in einer schematischen Darstellung ein Diagramm für einen Ausschaltvorgang bei einem IGBT, dessen Chip-Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes liegt,
5 in einer schematischen Darstellung ein Diagramm wie 4, wobei jedoch hier die Chip-Temperatur über dem Gefrierpunkt liegt,
6 in einer schematischen Darstellung ein Diagramm, in dem mittels eines Graphen eine typische Kennlinie eines NTC-Widerstandes dargestellt ist, und
7 in einer schematischen Schaltbilddarstellung ein Schaltbild für eine Steuerschaltung gemäß der Erfindung, die an einem IGBT angeschlossen ist und bei der die Active-Clamping-Funktion eine von der Temperatur abhängige Maximalspannung an einer Schaltstrecke des IGBT nutzt.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Diagramm, mit dem ein Schaltverhalten eines IGBT 10 unter Berücksichtigung eines Active-Clamping dargestellt ist. Eine Abszisse 60 des Diagramms in der 1 bezeichnet eine Zeitachse, wohingegen eine Ordinate 62 des Diagramms in 1 sowohl einen elektrischen Strom durch eine Schaltstrecke 12 des IGBT 10 als auch eine Schaltstreckenspannung der Schaltstrecke des IGBT 10 darstellt. Der Strom ist mit einem Graphen 70 dargestellt, wohingegen die entsprechende Spannung durch einen Graphen 64 dargestellt ist. Ferner ist in 1 eine Gerade dargestellt, die das Bezugszeichen 66 hat und die eine Maximalspannung für die Active-Clamping-Funktion darstellt. Mit 68 ist eine Gerade im Diagramm der 1 bezeichnet, die eine Versorgungsspannung für den IGBT 10 darstellt, die vorliegend eine Zwischenkreisspannung eines nicht weiter dargestellten Gleichspannungszwischenkreises ist.
Aus 1 ist ersichtlich, dass zu einem Zeitpunkt t₁ der IGBT 10 beziehungsweise seine Schaltstrecke 12 im eingeschalteten Zustand ist. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Schaltstrecke 12 durch ein geeignetes Schaltpotential abgeschaltet. Infolgedessen ist mittels des Graphen 64 ersichtlich, dass ausgehend vom Zeitpunkt t₁ die Schaltstreckenspannung ansteigt.
Mit dem Graphen 70 wird in 1 dargestellt, dass zeitlich verzögert der Strom durch die Schaltstrecke 12 abfällt. Zu einem Zeitpunkt t₂ befindet sich die Schaltstrecke 12 des IGBT 10 im ausgeschalteten Zustand. Ersichtlich ist dies dadurch, dass der Graph 70 zu einem in dem Diagramm nicht mehr darstellbaren kleinen Strom führt. Entsprechend nähert sich die Schaltstreckenspannung gemäß dem Graphen 64 der Versorgungsspannung entsprechend der Gerade 68 an.
Zu erkennen ist in 1, dass die Schaltstreckenspannung in einem mittleren Bereich durch die Maximalspannung 66 begrenzt ist. An dieser Stelle würde aufgrund von Schaltungseigenschaften die Schaltstreckenspannung die Maximalspannung 66 überschreiten. Durch das Active-Clamping ist die Schaltstreckenspannung jedoch auf die Maximalspannung 66 begrenzt.
Die 2 und 3 zeigen in einer schematischen jeweiligen Schaltbilddarstellung typische Schaltungsvarianten zur Detektion von transienten Überspannungen an der Schaltstrecke 12 des IGBT 10 einschließlich einer Rückkopplung in eine entsprechend ausgebildete Treibereinheit 20.
2 zeigt eine erste derartige Ausgestaltung mit einer Treibereinheit 20, die in bekannter Weise einen nicht weiter bezeichneten Leistungsverstärker für ein Steuersignal für ein Gate 14 des IGBT 10 bereitstellt. Zu diesem Zweck ist ein Ausgang des Leistungsverstärkers über ein Widerstands-Dioden-Netzwerk an das Gate 14 des IGBT 10 angeschlossen. Darüber hinaus ist eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode 72, einem elektrischen Widerstand 74 sowie einer Diode 76 vorgesehen, die zwischen einem Kollektor 52 des IGBT 10 und dem Gate 14 des IGBT 10 angeschlossen ist. Die Zenerdiode 72 ist hinsichtlich ihrer Zenerspannung so bemessen, dass durch sie die Maximalspannung 66 festgelegt ist.
Sobald die Schaltstreckenspannung zwischen dem Kollektor 52 und dem Emitter 50 des IGBT 10 nach Abzug der Gatesteuerspannung zwischen dem Gate 14 und dem Emitter 50 die Zenerspannung erreicht, wird die Zenerdiode leitend, sodass das Gate 14 mit zusätzlicher Ladung aufgeladen wird, woraufhin die Schaltstrecke 12 des IGBT 10 wieder leitfähig wird. Dadurch wird der in 1 dargestellte Active-Clamping-Effekt erreicht.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung bezüglich der Realisierung einer Active-Clamping-Funktion, wobei ein Komparator 80 vorgesehen ist, der mit einem Schaltsignal 84 beaufschlagt ist. Ausgangsseitig ist der Komparator 80 über einen Gate-Widerstand 82 an das Gate 14 des IGBT 10 angeschlossen. Vorliegend ist eine Auswerteschaltung 78 am Kollektor 52 des IGBT 10 angeschlossen, der ein entsprechendes Auswertesignal an den Komparator 80 liefert. Sobald die Schaltstreckenspannung zwischen dem Kollektor 52 und dem Emitter 50 nach Abzug der Gatespannung die dort vorgegebene Maximalspannung 66 erreicht, wird mittels des Komparators 80 die Schaltstrecke 12 des IGBT 10 leitfähig geschaltet, sodass ebenfalls eine Begrenzung auf die Maximalspannung 66 gemäß 1 erreicht werden kann.
Bei der Auslegung der Schaltungen gemäß 2, 3 wird bislang die kleinste anzunehmende Sperrfähigkeit der Schaltstrecke 12 zugrundegelegt. Diese ergibt sich bei geringen Temperaturen der Schaltstrecke 12 des IGBT 10 und fordert deshalb ein langsameres Abschalten des IGBT 10 als es bei höheren Temperaturen möglich wäre.
Da die Sperrfähigkeit der Schaltstrecke 12 des Halbleiterschalters mit steigender Temperatur zunimmt, steigt damit auch der zur Verfügung stehende Spannungsbereich für den Ausschaltvorgang. Daher kann bei höheren Chip-Temperaturen beziehungsweise höheren Temperaturen der Schaltstrecke 12 eine Anhebung der Abschaltgeschwindigkeit ermöglicht werden. Aufgrund der hier vorgesehenen Reserven bei der Auslegung des Active-Clamping wird das Active-Clamping bereits wirksam, ohne dass die Betriebssituation des Halbleiterschalters 10 dies erfordern würde. Dies wird anhand der 4 und 5 weiter dargestellt, die ein typisches Verhalten des Halbleiterschalters 10 bei unterschiedlichen Chip-Temperaturen darstellen.
Das bedeutet, dass bei einem festen Pegel für die Maximalspannung 66 oder bei einem einstellbaren Pegel für die Maximalspannung 66, welcher nicht temperaturabhängig ist, Potential für eine möglichst verlustleistungsarme Ansteuerung nicht ausgenutzt wird.
4 zeigt in einer ersten Darstellung ein schematisches Diagramm, welches einen Ausschaltvorgang wie 1 bei einer niedrigen Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts darstellt. Der Schaltvorgang ist hier derart verlangsamt, dass ein Active-Clamping gerade nicht erforderlich ist. Das Diagramm entspricht im Wesentlichen dem, wie es bereits anhand von 1 erläutert worden ist, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Vorliegend ist die Chip-Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts. Mit 86 ist eine Gerade dargestellt, die die maximale Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke 12 bei dieser Temperatur angibt. Aus 4 ist ersichtlich, dass die mit dem Graphen 64 dargestellte Schaltstreckenspannung zwischen dem Kollektor 52 und dem Emitter 50 nicht überschritten wird. Ein Eingriff des Active-Clamping ist deshalb hier nicht erforderlich.
5 zeigt nun ein Diagramm wie 4, bei dem jedoch nun die Chip-Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts liegt. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist hier nunmehr eine höhere maximal zulässige Spannung an der Schaltstrecke 12 möglich, die durch die Gerade 88 im Diagramm der 5 dargestellt ist. Infolgedessen kann eine höhere Schaltgeschwindigkeit beim Schalten des IGBT 10 zugrundegelegt werden, die dazu führt, dass auch die Spannung zwischen dem Kollektor 52 und dem Emitter 50 des IGBT 10 höher ausfallen darf, wie in 5 dargestellt ist. Auch hier ist aufgrund der gewählten Schaltgeschwindigkeit ein Active-Clamping nicht in Eingriff.
Die Erfindung nutzt nun diesen Effekt, der anhand der 4 und 5 erläutert wurde, um die Maximalspannung 66 einstellbar auszugestalten. Dadurch kann erreicht werden, dass bei höheren Chip-Temperaturen auch höhere Schaltgeschwindigkeiten realisiert werden können, sodass insgesamt die Verlustleistung des IGBT 10 reduziert und der Wirkungsgrad erhöht werden können. Zu diesem Zweck nutzt die Erfindung der vorliegenden Ausgestaltung einen von der Temperatur abhängig veränderlichen elektrischen Widerstand 16, der vorliegend als NTC-Widerstand ausgebildet ist. Die Variation der Maximalspannung 66 in Abhängigkeit der Temperatur der Schaltstrecke 12 lässt sich durch den elektrischen Widerstand 16 in einem Rückkopplungskreis in der Treibereinheit 20 realisieren. Hierbei wird eine Eigenschaft des negativen Temperaturkoeffizienten von NTC-Widerständen genutzt, wie sie anhand der 6 dargestellt ist.
6 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Diagramm, dessen Abszisse 92 eine Temperatur darstellt, wohingegen die Ordinate 90 einen Widerstandswert angibt. Der Graph 94 stellt den Verlauf des elektrischen Widerstandswertes über der Temperatur dar. Wie aus 6 ersichtlich ist, nimmt der elektrische Widerstandswert mit zunehmender Temperatur ab.
7 zeigt nun in einer schematischen Schaltbildanordnung eine Steuerschaltung 44, die dem Steuern eines Halbleiterschalters, hier der IGBT 10, in einem Schaltbetrieb dient. Der IGBT 10 ist vorliegend Bestandteil eines nicht weiter dargestellten getakteten Energiewandlers, der vorliegend ein Wechselrichter ist. Alternativ kann der Energiewandler natürlich auch ein Umrichter, ein DC/DC-Wandler oder dergleichen sein.
Der IGBT 10 ist in einer nicht weiter dargestellten Schaltungstopologie angeordnet, die an seinem Kollektoranschluss 52 eine parasitäre Induktivität 46 verursacht. Die Induktivität 46 ist zum IGBT 10 in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung aus dem IGBT 10 und der Induktivität 46 ist an eine nicht weiter bezeichnete Zwischenkreisgleichspannung angeschlossen. Ferner ist die Schaltstrecke 12 des IGBT 10 zu einer Diode 48 parallelgeschaltet, die hier eine Inversdiode darstellt. Zu diesem Zweck ist eine Anode der Diode 48 an den Emitter 50 des IGBT 10 angeschlossen, und eine Kathode der Diode 48 ist an den Kollektor 52 des IGBT 10 angeschlossen. Die Inversdiode 48 dient der Ermöglichung eines Stromflusses entgegen der Polarität des IGBT 10.
Der IGBT 10 weist die über das Gate 14 als Steuerelektrode steuerbare Schaltstrecke 12 auf, die ausgebildet ist, abhängig von einem elektrischen Schaltpotential am Gate 14 des IGBT 10 einen ausgeschalteten oder einen eingeschalteten Zustand einzunehmen. Die Steuerschaltung 44 umfasst vorliegend einen an die Schaltstrecke 12 anschließbaren Spannungssensor 18 zum Erfassen einer elektrischen Schaltstreckenspannung und eine an das Gate angeschlossene Treibereinheit 20 zum Beaufschlagen des Gates 14 mit dem Schaltpotential. Die Treibereinheit 20 ist ausgebildet, zumindest während eines Schaltvorgangs der Schaltstrecke 12 vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand die elektrische Schaltstreckenspannung an der Schaltstrecke 12 zu erfassen und bei Erreichen der Maximalspannung 66 durch die Schaltstreckenspannung das Gate 14 mit einem elektrischen Begrenzungspotential zu beaufschlagen, um die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung 66 durch Versetzen der Schaltstrecke 12 in einen elektrisch leitenden Zustand zu begrenzen.
Die Treibereinheit 20 weist hierzu einen thermisch mit der Schaltstrecke 12 gekoppelten Temperatursensor 96 zum Erfassen einer Temperatur der Schaltstrecke 12 auf. Die Treibereinheit 20 ist ferner ausgebildet, die Maximalspannung 66 abhängig von der erfassten Temperatur zu ermitteln.
Der Temperatursensor 96 weist zwei in Reihe geschaltete elektrische Widerstände 16, 22 auf, wobei bei einem der Widerstände 16 ein Wert des elektrischen Widerstands von der Temperatur abhängig veränderlich ist. Der Widerstand 16 ist vorliegend ein NTC-Widerstand, wie er anhand von 6 bereits erläutert wurde.
Die Treibereinheit 20 weist ferner eine Vergleichsschaltung 26 auf, an die der Temperatursensor 96 angeschlossen ist und die ausgebildet ist, einen Wert eines Messsignals des Temperatursensors 96 auszuwerten, mit einem vorgegebenen Vergleichswert 28 zu vergleichen und bei einem größeren Wert des Messsignals als der Vergleichswert 28 ein Vergleichssignal 30 für die Treibereinheit 20 bereitzustellen. Vorliegend ist der Vergleichswert 28 durch eine Konstantspannungsquelle bereitgestellt, die an einen Komparator als Vergleichsschaltung 26 angeschlossen ist. Vorliegend ist der Vergleichswert 28 an einen invertierenden Anschluss des Komparators 26 angeschlossen.
Die Treibereinheit 20 ist ausgebildet zum Bereitstellen des Begrenzungspotentials das Vergleichssignal 30 mit dem Schaltpotential für den ausgeschalteten Zustand zu überlagern. Die Überlagerung erfolgt am Gate 14 des IGBT 12. Zu diesem Zweck weist die Treibereinheit 20 Reihenschaltungen 32, 34 aus jeweils einem elektrischen Widerstand 36, 38 mit jeweils einer elektrischen Diode 40, 42 auf. Die Reihenschaltungen 32, 34 sind mit einem ihrer Anschlüsse mit der Steuerelektrode 14 beziehungsweise einem weiteren Steueranschluss der Treibereinheit 20 gekoppelt und mit ihrem jeweiligen anderen der Anschlüsse an die Vergleichsschaltung 26, und hier einem Ausgangsanschluss des Komparators, angeschlossen, der das Vergleichssignal 30 bereitstellt.
Der Spanungssensor 18 und der Temperatursensor 96 sind hier einstückig ausgebildet. Ein Mittelabgriff des Spanungssensors 18 ist an einen invertierenden Eingangsanschluss des Komparators angeschlossen. Übersteigt die Spannung am Mittelabgriff die Spannung der Konstantspannungsquelle. Liefert der Komparator als Vergleichssignal 30 ein Ausgangssignal, dessen Wert derart ist, dass über die Reihenschaltungen 32, 34 das Gate 14 mit einem Begrenzungspotential beaufschlagt wird, sodass die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung 66 begrenzt wird. Die Maximalspannung 66 ist abhängig von den Widerstandswerten der Widerstände 16, 22 sowie der Spannung der Konstantspannungsquelle. Dadurch, dass der Widerstand 16 als NTC-Widerstand ausgebildet ist und dieser mit einem Halbleiter-Chip des IGBT’s 10 thermisch gekoppelt ist, ändert sich ein Widerstandswert des Widerstands 16 abhängig von der Temperatur des Halbleiter-Chips und damit abhängig von der Temperatur der Schaltstrecke 12. Aufgrund der Schaltungstopologie ändert sich dadurch auch die Maximalspannung 66 abhängig von der Temperatur der Schaltstrecke 12. Dadurch kann die gewünschte Anpassung der Maximalspannung 66 erreicht werden, sodass die Active-Clamping-Funktion verbessert ist.
Das oben angeführte Ausführungsbeispiel veranschaulicht das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Steuerschaltung. Es soll die Erfindung lediglich erläutern und diese nicht beschränken. Selbstverständlich wird der Fachmann bei Bedarf entsprechende Variationen vorsehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen. Natürlich können auch einzelne Merkmale bedarfsgerecht in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus ist die Erfindung natürlich nicht auch IGBT’s beschränkt, sondern kann auch bei anderen Schaltelementen, insbesondere Transistoren im Schaltbetrieb eingesetzt werden. Entsprechendes gilt für getaktete Energiewandler.
Schließlich können insbesondere für Verfahrensmerkmale entsprechende Vorrichtungsmerkmale oder umgekehrt vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Kleine Elektronik-Formelsammlung für Radio-Fernsehpraktiker und Elektroniker“ von Georg Rose, Franzis-Verlag München, 1977 [0029]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Halbleiterschalters (10) in einem Schaltbetrieb, bei dem eine Schaltstrecke (12) des Halbleiterschalters (10) mittels eines elektrischen Schaltpotentials an einer Steuerelektrode (14) des Halbleiterschalters (10) derart gesteuert wird, dass die Schaltstrecke (12) abhängig von dem elektrischen Schaltpotential einen ausgeschalteten oder einen eingeschalteten Zustand einnimmt, wobei während eines Schaltvorgangs der Schaltstrecke (12) vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand eine elektrische Schaltstreckenspannung an der Schaltstrecke (12) erfasst wird und bei Erreichen einer Maximalspannung durch die Schaltstreckenspannung die Steuerelektrode (14) mit einem elektrischen Begrenzungspotential beaufschlagt wird, das die Schaltstrecke (12) in einen elektrisch leitenden Zustand versetzt, um die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines thermisch mit der Schaltstrecke (12) gekoppelten Temperatursensors (96) eine Temperatur der Schaltstrecke (12) erfasst wird und die Maximalspannung abhängig von der erfassten Temperatur ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstrecke (12) mittels des Begrenzungspotentials außerhalb des Schaltbetriebs betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltflanke des Schaltpotentials zumindest während des Schaltvorgangs der Schaltstrecke (12) vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand abhängig vom Erreichen der Maximalspannung durch die Schaltstreckenspannung geregelt wird.
Steuerschaltung (44) zum Steuern eines Halbleiterschalters (10) in einem Schaltbetrieb, wobei der Halbleiterschalter (10) eine über eine Steuerelektrode (14) steuerbare Schaltstrecke (12) aufweist, die ausgebildet ist, abhängig von einem elektrischen Schaltpotential an der Steuerelektrode (14) des Halbleiterschalters (10) einen ausgeschalteten oder einen eingeschalteten Zustand einzunehmen, mit einer an die Steuerelektrode (14) anschließbaren Treibereinheit (20) zum Beaufschlagen der Steuerelektrode (14) mit dem Schaltpotential, die einen an die Schaltstrecke (12) anschließbaren Spannungssensor (18) zum Erfassen einer elektrischen Schaltstreckenspannung aufweist, wobei die Treibereinheit (20) ausgebildet ist, zumindest während eines Schaltvorgangs der Schaltstrecke (12) vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand bei Erreichen einer Maximalspannung durch die Schaltstreckenspannung die Steuerelektrode (14) mit einem elektrischen Begrenzungspotential zu beaufschlagen, um die die Schaltstreckenspannung auf die Maximalspannung durch Versetzen der Schaltstrecke (12) in einen elektrisch leitenden Zustand zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibereinheit (20) einen thermisch mit der Schaltstrecke (12) gekoppelten Temperatursensor (96) zum Erfassen einer Temperatur der Schaltstrecke (12) aufweist und die Treibereinheit (20) ausgebildet ist, die Maximalspannung (66) abhängig von der erfassten Temperatur zu ermitteln.
Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (96) wenigstens zwei in Reihe geschaltete elektrische Widerstände (16, 22) aufweist, wobei bei wenigstens einem der Widerstände (16) ein Wert des elektrischen Widerstands von der Temperatur abhängig veränderlich ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Temperatur abhängig veränderliche elektrische Widerstand (16) ein NTC-Widerstand oder ein PTC-Widerstand ist.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibereinheit (20) eine Vergleichsschaltung (26) aufweist, an die der Temperatursensor (96) angeschlossen ist, und die ausgebildet ist, einen Wert eines Messsignals des Temperatursensors (96) auszuwerten, mit einem vorgegebenen Vergleichswert (28) zu vergleichen und bei einem größeren Wert des Messsignals als dem Vergleichswert (28) ein Vergleichssignal (30) für die Treibereinheit (20) bereitzustellen.
Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibereinheit (20) ausgebildet ist, zum Bereitstellen des Begrenzungspotentials das Vergleichssignal (30) dem Schaltpotential für den ausgeschalteten Zustand zu überlagern.
Steuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibereinheit (20) eine Reihenschaltung (32, 34) aus einem elektrischen Widerstand (36, 38) mit einer elektrischen Diode (40, 42) aufweist, wobei die Reihenschaltung (32, 34) mit einem ihrer Anschlüsse mit der Steuerelektrode (14) koppelbar und mit dem anderen ihrer Anschlüsse an die Vergleichsschaltung (26) angeschlossen ist.
Getakteter Energiewandler mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss, wenigstens einem Halbleiterschalter (10) und einer an eine Steuerelektrode (14) des wenigstens einen Halbleiterschalters (10) angeschlossenen Steuerschaltung, die ausgebildet ist, den Halbleiterschalter (10) zum energietechnischen Koppeln des ersten Anschlusses mit dem zweiten Anschluss zu steuern, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (44) nach einem der Ansprüche 4 bis 9.