DE102018214579A1 - Converter with clamp diode - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter (11) umfassend mindestens eine Stromrichteranordnung (12). Die Stromrichteranordnung (12) umfasst einen Wechselstromanschluss (13), mindestens einen ersten Transistor (14) und mindestens einen zweiten Transistor (15). Der erste Transistor (14) und der zweite Transistor (15) sind in der Stromrichteranordnung (12) hintereinandergeschaltet. Der Wechselstromanschluss (13) ist zwischen dem ersten Transistor (14) und dem zweiten Transistor (15) angeschlossen. Bekannte Stromrichter mit (MOSFET)-Transistoren anstelle von gewöhnlichen Dioden weisen geringere Verlustleistungen auf, weisen jedoch nur einen unzureichenden Schutz beim Lastabwurf oder bei Spannungsspitzen auf. Erfindungsgemäß wird ein Stromrichter (11) der oben genannten Art zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Gate-Kontakt (20) und dem zugehörigen Drain-Kontakt (21) des ersten Transistors (14) eine Klammerdiode (22) angeordnet ist. Dadurch wird ein verbesserter Schutz der Elektronik beim Lastabwurf und bei Spannungsspitzen erreicht.The invention relates to a converter (11) comprising at least one converter arrangement (12). The converter arrangement (12) comprises an alternating current connection (13), at least one first transistor (14) and at least one second transistor (15). The first transistor (14) and the second transistor (15) are connected in series in the converter arrangement (12). The AC connection (13) is connected between the first transistor (14) and the second transistor (15). Known power converters with (MOSFET) transistors instead of ordinary diodes have lower power losses, but only have inadequate protection during load shedding or voltage peaks. According to the invention, a converter (11) of the type mentioned above is provided, characterized in that a clamp diode (22) is arranged between a gate contact (20) and the associated drain contact (21) of the first transistor (14). This improves the protection of the electronics during load shedding and voltage peaks.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter umfassend mindestens eine Stromrichteranordnung, wobei die Stromrichteranordnung einen Wechselstromanschluss, mindestens einen ersten Transistor und mindestens einen zweiten Transistor umfasst, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor in der Stromrichteranordnung hintereinandergeschaltet sind, und wobei der Wechselstromanschluss zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor angeschlossen ist.The present invention relates to a converter comprising at least one converter arrangement, the converter arrangement comprising an alternating current connection, at least one first transistor and at least one second transistor, the first transistor and the second transistor being connected in series in the converter arrangement, and the alternating current connection between the first transistor and the second transistor is connected.

Stand der TechnikState of the art

Zur Speisung von Gleichstromsystemen aus Drehstromsystemen (zum Beispiel dem öffentlichen Drehstromnetz) werden im allgemeinen Stromrichter verwendet. Diese Stromrichter sind dabei meist in Brückenschaltung aufgebaut. Als Stromrichterelemente dienen oftmals Dioden. Die Dioden benötigen keine weitere Ansteuerschaltung, da sie selbstständig zum richtigen Zeitpunkt in den leitenden oder sperrenden Zustand übergehen. Diese Brückenstromrichter in 6-pulsiger Ausführung werden auch als Stromrichter in Kfz-Drehstromgeneratoren verwendet. Diese Generatoren besitzen einen ausgeprägten induktiven Innenwiderstand. Der Stromrichter hat eine durch die Dioden und den Ausgangsstrom vorgegebene Verlustleistung. Durch schaltungstechnische Maßnahmen (zum Beispiel Parallelschalten von Dioden) lassen sich diese Verluste nur unwesentlich verkleinern.Power converters are generally used to supply direct current systems from three-phase systems (for example the public three-phase network). These converters are usually built in a bridge circuit. Diodes are often used as converter elements. The diodes do not require any further control circuitry, since they automatically switch to the conductive or blocking state at the right time. These 6-pulse bridge converters are also used as converters in automotive three-phase generators. These generators have a distinctive inductive internal resistance. The converter has a power loss specified by the diodes and the output current. These losses can only be reduced insignificantly by means of circuitry measures (for example parallel connection of diodes).

Ein kritischer Fehlerfall, der beim Entwurf eines Stromrichters mitbedacht werden muss, ist der Lastabwurf (engl. „load dump“). Dieser tritt dann auf, wenn bei entsprechend hoch erregtem Generator und einem entsprechend hohen abgegebenen Strom sich die Last am Generator schlagartig verringert und nicht durch kapazitiv wirkende Elemente im Bordnetz (wie zum Beispiel eine Batterie) abgefangen werden kann. Der Generator kann dann bis zu ca. 300-500 ms weiter Energie ins Bordnetz liefern. Diese Energie muss im Stromrichter umgesetzt werden, um elektrische Komponenten, die mit dem Generator verbunden sind, vor Schädigung durch Überspannung zu schützen.A critical fault that must be taken into account when designing a converter is load dump. This occurs when, with a correspondingly highly excited generator and a correspondingly high delivered current, the load on the generator suddenly drops and cannot be intercepted by capacitively acting elements in the vehicle electrical system (such as a battery). The generator can then continue to supply energy to the vehicle electrical system for up to 300-500 ms. This energy must be converted in the converter in order to protect electrical components that are connected to the generator from damage caused by overvoltage.

Werden nun die zuvor erwähnten Dioden jedoch durch aktive Schalter (zum Beispiel MOSFET-Transistoren) ersetzt, um die Verluste wesentlich zu verkleinern, gilt es neue Schutzstrategien einzusetzen, um Schäden an lastseitig angeschlossenen Komponenten durch Lastabwurf zu vermeiden. Dies gilt sowohl für aktive Stromrichter als auch für Elektronik, die einen generatorischen und einen motorischen Betrieb erlaubt. Dafür gibt es Lösungsansätze für 12 V (‚integrierter Startergenerator‘), für 48 V (boost rekuperations Maschine) als auch höhere Spannungslagen (>200 V).However, if the aforementioned diodes are replaced by active switches (for example MOSFET transistors) in order to significantly reduce the losses, new protection strategies have to be used in order to avoid damage to components connected to the load by load shedding. This applies to both active power converters and electronics, which allow generator and motor operation. There are solutions for 12 V ('integrated starter generator'), for 48 V (boost recuperation machine) as well as higher voltage levels (> 200 V).

Es ist üblich, in Stromrichtern (bspw. aktiven Invertern) im Fall eines Lastabwurfes einen aktiven Kurzschluss zu setzen. Dadurch werden alle aus der Maschine kommenden Ströme kurzgeschlossen. Es kann daher kein schädigender Strom mehr ins Bordnetz fließen. Dazu wird beispielsweise ein parallel zum Bordnetz geschalteter Kondensator verwendet.It is common to set an active short circuit in power converters (e.g. active inverters) in the event of a load shedding. This will short-circuit all currents coming from the machine. Damaging electricity can therefore no longer flow into the vehicle electrical system. For example, a capacitor connected in parallel to the vehicle electrical system is used for this purpose.

Problematisch an diesem Lösungsansatz ist, dass ein kritischer Zustand - also insbesondere das Vorliegen eines Lastabwurfs - erst erkannt werden muss und dann durch Setzen eines aktiven Kurzschlusses behandelt werden kann. Bei einer Steuerung durch einen Kondensator entsteht typischerweise eine Totzeit. Nun darf innerhalb dieser Totzeit keine kritische Spannungsschwelle überschritten werden, die zu einer Beschädigung der lastseitig angeschlossenen Elektronikkomponenten führen könnte. Der Spannungsanstieg erfolgt gemäß der Formel: Δ u / dt = I c / C

Figure DE102018214579A1_0001
Wobei Ic der Strom ist, mit dem der Kondensator geladen wird, C die Kapazität des Kondensators ist und Au/dt den Spannungsanstieg am Kondensator beschreibt. Bei einem vorgegebenen Kondensator, einem Ladestrom einer Erkennungsschwelle und einer maximal erlaubten Spannungsschwelle ergibt sich damit automatisch eine maximal erlaubte Reaktionszeit. Wenn diese Reaktionszeit nicht eingehalten werden kann, so kann es zu einer Schädigung von Elektronikkomponenten im Stromrichter oder im Bordnetz kommen.The problem with this approach is that a critical condition - in particular the presence of a load shedding - must first be recognized and then dealt with by setting an active short circuit. Control by a capacitor typically results in a dead time. Now no critical voltage threshold may be exceeded within this dead time, which could damage the electronic components connected on the load side. The voltage rise occurs according to the formula: Δ u / German = I c / C
Figure DE102018214579A1_0001
 Where Ic is the current with which the capacitor is charged, C is the capacitance of the capacitor and Au / dt describes the voltage rise across the capacitor. With a given capacitor, a charging current of a detection threshold and a maximum permitted voltage threshold, this automatically results in a maximum permitted reaction time. If this response time cannot be observed, electronic components in the converter or in the vehicle electrical system can be damaged.

Nun können bei hohen Generatorströmen und/oder niedrigen Zwischenkreiskomponenten Reaktionszeiten gefordert sein, die herkömmlich nicht mehr über eine Schaltung, die mittels einer einfachen Spannungsschwelle geschaltet wird, gelöst werden können.In the case of high generator currents and / or low intermediate circuit components, reaction times can now be required which, conventionally, can no longer be achieved using a circuit which is switched by means of a simple voltage threshold.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Stromrichter der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Gate-Kontakt und dem zugehörigen Drain-Kontakt des ersten Transistors eine Klammerdiode angeordnet ist.According to the invention, a converter of the type mentioned at the outset is provided, characterized in that a clamp diode is arranged between a gate contact and the associated drain contact of the first transistor.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Eine Klammerung der Spannung erfolgt im Stand der Technik üblicherweise über eine oder mehrere Zenerdioden, die parallel zur Lastseite und zum Kondensator geschaltet sind. Dies hat folgende Nachteile:

  • - Die Spannungslage an herkömmlichen Zenerdioden kann nur schwer eingestellt werden,
  • - in den Zenerdioden werden konzentriert hohe Verlustleistungen umgesetzt,
  • - die Zenerdioden werden im Normalfall nicht benutzt, sondern nur für den seltenen und ungewöhnlichen Fall des Lastabwurfs,
  • - im Fall von gewöhnlichen Schaltspitzen kann es sein, dass die Zenerdioden keine Klammerwirkung entfalten, weil sie induktiv zu weit entfernt sind von der Erzeugung der Schaltspitze, und damit ist ein Schutz der Elektronik im gesamten auftretenden Spannungsbereich der Schaltung nicht gegeben.
In the prior art, the voltage is usually bracketed via one or more Zener diodes which are connected in parallel to the load side and to the capacitor. This has the following disadvantages:
  • - The voltage level on conventional Zener diodes is difficult to set
  • - high power losses are concentrated in the Zener diodes,
  • - the Zener diodes are normally not used, but only for the rare and unusual case of load shedding,
  • - In the case of ordinary switching peaks, the Zener diodes may not have a clamp effect because they are inductively too far away from the generation of the switching tip, and thus there is no protection of the electronics in the entire voltage range of the circuit.

Die erfindungsgemäße Lösung überwindet diese Nachteile, da die mindestens eine Klammerdiode einem einzelnen Transistor zugeordnet ist. Sie kann somit beispielsweise auch den zugeordneten Transistor vor Schaltspitzen schützen und gleichzeitig für den Fall eines Lastabwurfs einen kontrollierten Kurzschluss mit auseichend kurzer Reaktionszeit ermöglichen.The solution according to the invention overcomes these disadvantages, since the at least one clamp diode is assigned to a single transistor. It can thus, for example, also protect the assigned transistor from switching peaks and at the same time enable a controlled short circuit with a sufficiently short reaction time in the event of a load shedding.

Der erfindungsgemäße Stromrichter weist vorzugsweise sowohl Funktionalitäten eines Gleichrichters (im generatorischen Betrieb) als auch eines Wechselrichters (zur Begrenzung von Schaltspitzen) auf.The converter according to the invention preferably has both functionalities of a rectifier (in generator mode) and an inverter (for limiting switching peaks).

Der Stromrichter kann mehrere Stromrichteranordnungen umfassen, die vorzugsweise parallel zueinander geschaltet sind. Jede der Stromrichteranordnungen kann einen eigenen Wechselstromanschluss umfassen. Vorzugsweise ist jeder erste Transistor dann mit einer Klammerdiode zwischen Gate-Kontakt und Drain-Kontakt versehen. Die Stromrichteranordnungen bilden vorzugsweise eine Brückenschaltung, wobei die ersten Transistoren alle auf einer Seite der Brückenschaltung angeordnet sind und die zweiten Transistoren alle auf der anderen Seite der Brückenschaltung angeordnet sind.The converter can comprise a plurality of converter arrangements, which are preferably connected in parallel to one another. Each of the converter arrangements can have its own AC connection. Each first transistor is then preferably provided with a clamp diode between the gate contact and the drain contact. The converter arrangements preferably form a bridge circuit, the first transistors all being arranged on one side of the bridge circuit and the second transistors all being arranged on the other side of the bridge circuit.

Vorzugsweise umfasst die Klammerdiode eine Zenerdiode mit Durchlassrichtung zum Drain-Kontakt des ersten Transistors sowie eine in Reihe dazu geschaltete Diode mit Durchlassrichtung zum Gate-Kontakt des ersten Transistors. Die Klammerdiode wird dann bei Überschreitung der Durchbruchspannung der Zenerdiode vom Drain-Kontakt in Richtung Gate-Kontakt durchlässig. Die Durchbruchspannung kann so gewählt werden, dass bereits Schaltspitzen zu einem kontrollierten Kurzschluss führen können und somit sowohl Überspannungsschäden durch einen (selten auftretenden) Lastabwurf als auch durch Schaltspitzen vermieden werden können.The clamp diode preferably comprises a zener diode with a forward direction to the drain contact of the first transistor and a diode connected in series with a forward direction to the gate contact of the first transistor. The clamp diode then becomes transparent when the breakdown voltage of the zener diode is exceeded from the drain contact towards the gate contact. The breakdown voltage can be selected in such a way that switching peaks can lead to a controlled short circuit and thus overvoltage damage caused by (rarely occurring) load shedding as well as switching peaks can be avoided.

Es ist bevorzugt, wenn der Stromrichter mindestens zwei Stromrichteranordnungen umfasst, die parallelgeschaltet sind, wobei der Stromrichter zwei Lastanschlüsse umfasst, die parallel zu den mindestens zwei Stromrichteranordnungen geschaltet sind. Es können auch mehr Stromrichteranordnungen vorgesehen sein, beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr. Vorzugsweise umfasst jeder erste Transistor eine Klammerdiode zwischen Gate-Kontakt und Drain-Kontakt.It is preferred if the converter comprises at least two converter arrangements which are connected in parallel, the converter comprising two load connections which are connected in parallel to the at least two converter arrangements. More converter arrangements can also be provided, for example three, four, five or more. Each first transistor preferably comprises a clamp diode between the gate contact and drain contact.

Vorzugsweise umfasst der Stromrichter mindestens einen Kondensator, der parallel zu der mindestens einen Stromrichteranordnung geschaltet ist. Der Kondensator dient dann zur temporären Aufnahme eines Großteils des Laststroms oder des gesamten Laststroms im Falle eines Lastabwurfs.The converter preferably comprises at least one capacitor which is connected in parallel with the at least one converter arrangement. The capacitor then serves to temporarily absorb a large part of the load current or the entire load current in the event of a load shedding.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen einem Gate-Kontakt und dem zugehörigen Drain-Kontakt mindestens eines zweiten Transistors eine Klammerdiode angeordnet. Damit können auch im zweiten Transistor Schäden durch Schaltspitzen effektiver vermieden werden. Die Klammerdiode kann dabei über den Wechselstromanschluss der Stromrichteranordnung mit dem Drain-Kontakt des zweiten Transistors verbunden sein.In a preferred embodiment, a clamp diode is arranged between a gate contact and the associated drain contact of at least one second transistor. Damage caused by switching peaks can thus be avoided more effectively in the second transistor. The clamp diode can be connected to the drain contact of the second transistor via the AC connection of the converter arrangement.

Es ist bevorzugt, wenn die Klammerdiode eine Zenerdiode mit Durchlassrichtung zum Drain-Kontakt des zweiten Transistors sowie eine in Reihe dazu geschaltete Diode mit Durchlassrichtung zum Gate-Kontakt des zweiten Transistors umfasst. Die Klammerdiode wird dann bei Überschreitung der Durchbruchspannung der Zenerdiode vom Drain-Kontakt in Richtung Gate-Kontakt durchlässig. Die Durchbruchspannung kann so gewählt werden, dass bereits Schaltspitzen zu einem kontrollierten Kurzschluss führen können und somit sowohl Überspannungsschäden durch einen (selten auftretenden) Lastabwurf als auch durch Schaltspitzen vermieden werden können.It is preferred if the clamp diode comprises a zener diode with a forward direction to the drain contact of the second transistor and a diode connected in series with a forward direction to the gate contact of the second transistor. The clamp diode then becomes transparent when the breakdown voltage of the zener diode is exceeded from the drain contact towards the gate contact. The breakdown voltage can be selected in such a way that switching peaks can lead to a controlled short circuit and thus overvoltage damage caused by (rarely occurring) load shedding as well as switching peaks can be avoided.

Es ist bevorzugt, wenn mindestens ein erster Transistor und/oder mindestens ein zweiter Transistor ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), vorzugsweise ein normal sperrender n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist. Vorzugsweise sind alle ersten Transistoren und/oder alle zweiten Transistoren Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, vorzugsweise normal sperrende n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren.It is preferred if at least one first transistor and / or at least one second transistor is a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), preferably a normally blocking n-channel metal oxide semiconductor field effect transistor. All first transistors and / or all second transistors are preferably metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, preferably normally blocking n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors.

Bei der Realisierung einer Klammerfunktion, insbesondere in modernen MOSFET, kann es aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten der Schwellenspannung zu einem sogenannten Filamentierungseffekt kommen. Hierbei konzentrieren sich im Klammereffekt die Ströme auf einzelne Zellen des MOSFET, die dann leicht überhitzen können. Ob dieser Effekt eintreten kann, ist von den verwendeten MOSFET, sowie von Spannung, Strom und Temperatur abhängig. Hier ist aus der Literatur ein sogenannter temperaturstabiler Punkt bekannt. Bei hohen Strömen ist eine bessere Stabilität gegeben als bei niedrigen Temperaturen. Um diesen Punkt schneller zu erreichen, werden hier zwei Möglichkeiten beschrieben, um in der Klammerfunktion nur einen Teil der Transistor-Zellen (insbesondere des ersten Transistors) anzusteuern und damit den Strom künstlich in die Höhe zu treiben.When a clamp function is implemented, particularly in modern MOSFETs, a so-called filamentation effect can occur due to the negative temperature coefficient of the threshold voltage. In the bracket effect, the currents concentrate on individual cells of the MOSFET, which can then easily overheat. Whether this effect can occur depends on the used MOSFET, as well as voltage, current and temperature. A so-called temperature-stable point is known from the literature here. At high currents there is better stability than at low temperatures. In order to reach this point more quickly, two options are described here to control only a part of the transistor cells (in particular the first transistor) in the bracket function and thus to artificially drive the current up.

Vorzugsweise weist mindestens ein Transistor einen ersten Gate-Kontakt und einen zweiten Gate-Kontakt auf, wobei der erste Gate-Kontakt mit allen Zellen des Transistors verbunden ist, und wobei der zweite Gate-Kontakt nur mit einem Teil der Zellen des Transistors verbunden ist, und wobei die zum entsprechenden Transistor gehörige Klammerdiode mit dem zweiten Gate-Kontakt verbunden ist. Dies ist die erste Möglichkeit, den temperaturstabilen Punkt schneller zu erreichen. Nur ein Teil der Transistor-Zellen wird in der Klammerfunktion angesteuert. Es werden zwei Gate-Anschlüsse vorgesehen, wobei über den einen Gate-Anschluss flächendeckend alle Transistor-Zellen (insbesondere alle MOSFET-Zellen) angesteuert werden. Nur ein ausgewählter Teil der Transistor-Zellen (insbesondere der MOSFET-Zellen) werden über den zweiten Gate-Kontakt angesteuert. Dieser zweite Gate-Kontakt ist mit der zugehörigen Klammerdiode verbunden.At least one transistor preferably has a first gate contact and a second gate contact, the first gate contact being connected to all cells of the transistor and the second gate contact being connected only to some of the cells of the transistor, and wherein the clamp diode associated with the corresponding transistor is connected to the second gate contact. This is the first way to reach the temperature stable point faster. Only a part of the transistor cells is activated in the bracket function. Two gate connections are provided, all transistor cells (in particular all MOSFET cells) being driven across the entire area via the one gate connection. Only a selected part of the transistor cells (in particular the MOSFET cells) are controlled via the second gate contact. This second gate contact is connected to the associated clamp diode.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst mindestens ein Transistor einen ersten Zellentyp und einen zweiten Zellentyp, wobei die Zellentypen eine unterschiedliche Dotierung aufweisen, sodass der erste Zellentyp eine niedrigere Schwellenspannung aufweist als der zweite Zellentyp. Dies ist die zweite Möglichkeit, den temperaturstabilen Punkt schneller zu erreichen. Einzelne Transistor-Zellen (insbesondere MOSFET-Zellen) besitzen durch eine geänderte Dotierung eine veränderte Charakteristik mit einer niedrigeren Schwellenspannung im Vergleich zu dem Rest der Transistor-Zellen (insbesondere MOSFET-Zellen). Hierbei besitzt der erste Zellentyp eine Ansteuerkennlinie, die bereits bei niedrigen Gate-Spannungen anfängt, leitfähig zu werden. Der zweite Zellentyp folgt einer anderen Ansteuerkennlinie. Hier ist im unteren Bereich der Ansteuerkennlinie eine höhere Gate-Spannung notwendig, um einen Stromfluss zu erreichen. Wird nun ein erster (oder zweiter) Transistor mit einer erfindungsgemäßen Klammerdiode betrieben, so hält sich die Gate-Spannung auf einem niedrigen Niveau. Damit wird nur der erste Zellentyp angesteuert und die Stromdichte in diesen Zellen so weit erhöht, dass der Transistor (insbesondere der MOSFET) oberhalb des temperaturstabilen Punktes arbeitet.In a preferred embodiment, at least one transistor comprises a first cell type and a second cell type, the cell types having different doping, so that the first cell type has a lower threshold voltage than the second cell type. This is the second way to reach the temperature stable point faster. Individual transistor cells (in particular MOSFET cells) have a changed characteristic due to a changed doping with a lower threshold voltage compared to the rest of the transistor cells (in particular MOSFET cells). The first cell type has a control characteristic that starts to become conductive even at low gate voltages. The second cell type follows a different control characteristic. Here, a higher gate voltage is necessary in the lower area of the control characteristic in order to achieve a current flow. If a first (or second) transistor is now operated with a clamp diode according to the invention, the gate voltage is kept at a low level. This only controls the first cell type and increases the current density in these cells to such an extent that the transistor (in particular the MOSFET) operates above the temperature-stable point.

Vorzugsweise ist mindestens eine Klammerdiode in den entsprechenden Transistor integriert.At least one clamp diode is preferably integrated in the corresponding transistor.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 einen Stromrichter des Standes der Technik,
  • 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters, und
  • 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description. Show it:
  • 1 a power converter of the prior art,
  • 2 a first embodiment of a power converter according to the invention, and
  • 3 a second embodiment of a converter according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist ein Stromrichter 1 des Standes der Technik dargestellt. Der Stromrichter 1 umfasst hier fünf Stromrichteranordnungen 2. Jede Stromrichteranordnung 2 umfasst einen Wechselstromanschluss 3, einen ersten Transistor 4 und einen zweiten Transistor 5. Der erste Transistor 4 und der zweite Transistor 5 sind in der Stromrichteranordnung 2 hintereinandergeschaltet. Der Wechselstromanschluss 3 ist zwischen dem ersten Transistor 4 und dem zweiten Transistor 5 angeschlossen.In the 1 is a power converter 1 of the prior art. The converter 1 here comprises five converter arrangements 2 , Any converter arrangement 2 includes an AC connector 3 , a first transistor 4 and a second transistor 5 , The first transistor 4 and the second transistor 5 are in the converter arrangement 2 connected in series. The AC power connection 3 is between the first transistor 4 and the second transistor 5 connected.

Der Stromrichter 1 umfasst einen Kondensator 6, der parallel zu den Stromrichteranordnungen 2 geschaltet ist. Der Stromrichter 1 umfasst zwei Lastanschlüsse 7, die parallel zu den Stromrichteranordnungen 2 geschaltet sind. Eine Bordnetzlast 8 ist an die Lastanschlüsse 7 angeschlossen und wird über den Stromrichter 1 von einem Generator 9 mit Leistung versorgt. Eine Zenerdiode 10 ist parallel zu den Stromrichteranordnungen 2 geschaltet.The converter 1 includes a capacitor 6 , which is parallel to the converter arrangements 2 is switched. The converter 1 includes two load connections 7 that are parallel to the converter arrangements 2 are switched. An electrical system load 8th is to the load connections 7 connected and is via the converter 1 from a generator 9 powered. A zener diode 10 is parallel to the converter arrangements 2 switched.

Diese Lösung hat folgende Nachteile:

  • - Die Spannungslage an der herkömmlichen Zenerdiode 10 kann nur schwer eingestellt werden,
  • - in der Zenerdiode 10 wird konzentriert eine hohe Verlustleistung umgesetzt,
  • - die Zenerdiode 10 wird im Normalfall nicht benutzt, sondern nur für den seltenen und ungewöhnlichen Fall des Lastabwurfs,
  • - im Fall von gewöhnlichen Schaltspitzen kann es sein, dass die Zenerdiode 10 keine Klammerwirkung entfaltet, weil sie induktiv zu weit entfernt ist von der Erzeugung der Schaltspitze, und damit ist ein Schutz der Elektronik (insbesondere im Bordnetz 8) im gesamten auftretenden Spannungsbereich des Stromrichters 1 nicht gegeben.
This solution has the following disadvantages:
  • - The voltage level on the conventional Zener diode 10 is difficult to adjust
  • - in the zener diode 10 a high power loss is concentrated,
  • - the zener diode 10 is normally not used, but only for the rare and unusual case of load shedding,
  • - In the case of ordinary switching peaks, it may be that the zener diode 10 there is no bracket effect because it is inductively too far away from the generation of the switching tip, and thus protects the electronics (especially in the vehicle electrical system 8th ) in the entire voltage range of the converter 1 not given.

In 2 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters 11 dargestellt. Der Stromrichter 11 umfasst fünf Stromrichteranordnungen 12. Jede Stromrichteranordnung 12 umfasst einen Wechselstromanschluss 13, einen ersten Transistor 14 und einen zweiten Transistor 15. Der erste Transistor 14 und der zweite Transistor 15 sind in der Stromrichteranordnung 12 hintereinandergeschaltet. Der Wechselstromanschluss 13 ist zwischen dem ersten Transistor 14 und dem zweiten Transistor 15 angeschlossen.In 2 is a first embodiment of a converter according to the invention 11 shown. The converter 11 comprises five converter arrangements 12 , Any converter arrangement 12 includes an AC connector 13 , a first transistor 14 and a second transistor 15 , The first transistor 14 and the second transistor 15 are in the converter arrangement 12 connected in series. The AC power connection 13 is between the first transistor 14 and the second transistor 15 connected.

Der Stromrichter 11 umfasst einen Kondensator 16, der parallel zu den Stromrichteranordnungen 12 geschaltet ist. Der Stromrichter 11 umfasst zwei Lastanschlüsse 17, die parallel zu den Stromrichteranordnungen 12 geschaltet sind. Eine Bordnetzlast 18 ist an die Lastanschlüsse 17 angeschlossen und wird über den Stromrichter 11 von einem Generator 19 mit Leistung versorgt.The converter 11 includes a capacitor 16 , which is parallel to the converter arrangements 12 is switched. The converter 11 includes two load connections 17 that are parallel to the converter arrangements 12 are switched. An electrical system load 18th is to the load connections 17 connected and is via the converter 11 from a generator 19 powered.

Zwischen einem Gate-Kontakt 20 und dem zugehörigen Drain-Kontakt 21 des ersten Transistors 14 ist eine Klammerdiode 22 angeordnet. Vorzugsweise ist jeder erste Transistor 14 mit einer Klammerdiode 22 zwischen dem jeweiligen Gate-Kontakt 20 und dem jeweiligen Drain-Kontakt 21 versehen.Between a gate contact 20th and the associated drain contact 21 of the first transistor 14 is a clamp diode 22 arranged. Each first transistor is preferably 14 with a clamp diode 22 between the respective gate contact 20th and the respective drain contact 21 Mistake.

Die Klammerdiode 22 umfasst hier eine Zenerdiode 23 mit Durchlassrichtung zum Drain-Kontakt 21 des ersten Transistors 14 sowie eine in Reihe dazu geschaltete Diode 24 mit Durchlassrichtung zum Gate-Kontakt 20 des ersten Transistors 14. Die Klammerdiode 22 wird dann bei Überschreitung der Durchbruchspannung der Zenerdiode 23 vom Drain-Kontakt 21 in Richtung Gate-Kontakt 20 durchlässig.The clamp diode 22 here comprises a zener diode 23 with forward direction to drain contact 21 of the first transistor 14 as well as a diode connected in series 24 with forward direction to gate contact 20th of the first transistor 14 , The clamp diode 22 is then when the breakdown voltage of the Zener diode is exceeded 23 from the drain contact 21 towards the gate contact 20th permeable.

In 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters 11 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente zur ersten Ausführungsform. Alle bezüglich der ersten Ausführungsform der 2 offenbarten Merkmale treffen auch bezüglich der zweiten Ausführungsform zu.In 3 is a second embodiment of a converter according to the invention 11 shown. The same reference numerals designate the same elements as in the first embodiment. All related to the first embodiment of the 2 Features disclosed also apply to the second embodiment.

Zusätzlich ist hier auch zwischen einem Gate-Kontakt 20 und dem zugehörigen Drain-Kontakt 21 des zweiten Transistors 15 eine Klammerdiode 25 angeordnet. Damit können auch im zweiten Transistor 16 Schäden durch Schaltspitzen und Lastabwurf effektiver vermieden werden.In addition, there is also between a gate contact 20th and the associated drain contact 21 of the second transistor 15 a clamp diode 25th arranged. This can also be used in the second transistor 16 Damage caused by switching peaks and load shedding can be avoided more effectively.

Die Klammerdiode 25 umfasst auch hier eine Zenerdiode 26 mit Durchlassrichtung zum Drain-Kontakt 21 des zweiten Transistors 15 sowie eine in Reihe dazu geschaltete Diode 27 mit Durchlassrichtung zum Gate-Kontakt 20 des zweiten Transistors 16. Die Klammerdiode 25 wird dann bei Überschreitung der Durchbruchspannung der Zenerdiode 26 vom Drain-Kontakt 21 in Richtung Gate-Kontakt 20 durchlässig.The clamp diode 25th here also includes a zener diode 26 with forward direction to drain contact 21 of the second transistor 15 as well as a diode connected in series 27 with forward direction to gate contact 20th of the second transistor 16 , The clamp diode 25th is then when the breakdown voltage of the Zener diode is exceeded 26 from the drain contact 21 towards the gate contact 20th permeable.

Sowohl die ersten Transistoren 14 als auch die zweiten Transistoren 15 sind in beiden Ausführungsformen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), insbesondere normal sperrende n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren.Both the first transistors 14 as well as the second transistors 15 are metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) in both embodiments, in particular normally blocking n-channel metal oxide semiconductor field effect transistors.

Mindestens ein Transistor 14, 15 weist einen ersten Gate-Kontakt 20 und einen zweiten Gate-Kontakt 20 auf, wobei der erste Gate-Kontakt 20 mit allen Zellen des Transistors 14, 15 verbunden ist, und wobei der zweite Gate-Kontakt 20 nur mit einem Teil der Zellen des Transistors 14, 15 verbunden ist. Die zum entsprechenden Transistor 14, 15 gehörige Klammerdiode 22, 25 ist dann mit dem zweiten Gate-Kontakt 20 verbunden. Dies ist die erste Möglichkeit, einen temperaturstabilen Punkt des Transistors schneller zu erreichen. Nur ein Teil der Transistor-Zellen wird in der Klammerfunktion angesteuert.At least one transistor 14 . 15 has a first gate contact 20th and a second gate contact 20th on, with the first gate contact 20th with all the cells of the transistor 14 . 15 is connected, and wherein the second gate contact 20th only with part of the cells of the transistor 14 . 15 connected is. The corresponding transistor 14 . 15 appropriate clamp diode 22 . 25th is then with the second gate contact 20th connected. This is the first way to reach a temperature stable point of the transistor faster. Only a part of the transistor cells is activated in the bracket function.

Alternativ oder zusätzlich umfasst mindestens ein Transistor 14, 15 einen ersten Zellentyp und einen zweiten Zellentyp, wobei die Zellentypen eine unterschiedliche Dotierung aufweisen, sodass der erste Zellentyp eine niedrigere Schwellenspannung aufweist als der zweite Zellentyp. Dies ist die zweite Möglichkeit, den temperaturstabilen Punkt schneller zu erreichen. Einzelne Transistor-Zellen (insbesondere MOSFET-Zellen) besitzen durch eine geänderte Dotierung eine veränderte Charakteristik mit einer niedrigeren Schwellenspannung im Vergleich zu dem Rest der Transistor-Zellen (insbesondere MOSFET-Zellen).Alternatively or additionally comprises at least one transistor 14 . 15 a first cell type and a second cell type, the cell types having different doping, so that the first cell type has a lower threshold voltage than the second cell type. This is the second way to reach the temperature stable point faster. Individual transistor cells (in particular MOSFET cells) have a changed characteristic due to a changed doping with a lower threshold voltage compared to the rest of the transistor cells (in particular MOSFET cells).

Claims (10)

Stromrichter (11) umfassend mindestens eine Stromrichteranordnung (12), wobei die Stromrichteranordnung (12) umfasst: - einen Wechselstromanschluss (13), - mindestens einen ersten Transistor (14), und - mindestens einen zweiten Transistor (15), wobei der erste Transistor (14) und der zweite Transistor (15) in der Stromrichteranordnung (12) hintereinandergeschaltet sind, und wobei der Wechselstromanschluss (13) zwischen dem ersten Transistor (14) und dem zweiten Transistor (15) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Gate-Kontakt (20) und dem zugehörigen Drain-Kontakt (21) des ersten Transistors (14) eine Klammerdiode (22) angeordnet ist.Power converter (11) comprising at least one power converter arrangement (12), the power converter arrangement (12) comprising: - an alternating current connection (13), - at least one first transistor (14), and - at least one second transistor (15), the first transistor (14) and the second transistor (15) are connected in series in the converter arrangement (12), and wherein the AC connection (13) is connected between the first transistor (14) and the second transistor (15), characterized in that between a gate -Contact (20) and the associated drain contact (21) of the first transistor (14) a clamp diode (22) is arranged. Stromrichter (11) nach Anspruch 1, wobei die Klammerdiode (22) eine Zenerdiode (23) mit Durchlassrichtung zum Drain-Kontakt (21) des ersten Transistors (14) sowie eine in Reihe dazu geschaltete Diode (24) mit Durchlassrichtung zum Gate-Kontakt (20) des ersten Transistors (14) umfasst.Converter (11) after Claim 1 , wherein the clamp diode (22) is a zener diode (23) with the forward direction to the drain contact (21) of the first transistor (14) and a series-connected diode (24) with the forward direction to the gate contact (20) of the first transistor ( 14) includes. Stromrichter (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromrichter (11) mindestens zwei Stromrichteranordnungen (12) umfasst, die parallelgeschaltet sind, wobei der Stromrichter (11) zwei Lastanschlüsse (17) umfasst, die parallel zu den mindestens zwei Stromrichteranordnungen (12) geschaltet sind. Converter (11) after Claim 1 or 2 The converter (11) comprises at least two converter arrangements (12) which are connected in parallel, the converter (11) comprising two load connections (17) which are connected in parallel to the at least two converter arrangements (12). Stromrichter (11) nach Anspruch 3, wobei der Stromrichter (11) mindestens einen Kondensator (16) umfasst, der parallel zu der mindestens einen Stromrichteranordnung (12) geschaltet ist.Converter (11) after Claim 3 The converter (11) comprises at least one capacitor (16) which is connected in parallel to the at least one converter arrangement (12). Stromrichter (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen einem Gate-Kontakt (20) und dem zugehörigen Drain-Kontakt (21) mindestens eines zweiten Transistors (15) eine Klammerdiode (25) angeordnet ist.Power converter (11) according to one of the preceding claims, wherein a clamp diode (25) is arranged between a gate contact (20) and the associated drain contact (21) of at least one second transistor (15). Stromrichter (11) nach Anspruch 5, wobei die Klammerdiode (25) eine Zenerdiode (26) mit Durchlassrichtung zum Drain-Kontakt (21) des zweiten Transistors (15) sowie eine in Reihe dazu geschaltete Diode (27) mit Durchlassrichtung zum Gate-Kontakt (20) des zweiten Transistors (15) umfasst.Converter (11) after Claim 5 , wherein the clamp diode (25) is a zener diode (26) with a forward direction to the drain contact (21) of the second transistor (15) and a series-connected diode (27) with a forward direction to the gate contact (20) of the second transistor ( 15) includes. Stromrichter (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein erster Transistor (14) und/oder mindestens ein zweiter Transistor (15) ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, vorzugsweise ein normal sperrender n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist.Converter (11) according to one of the preceding claims, wherein at least a first transistor (14) and / or at least a second transistor (15) is a metal oxide semiconductor field effect transistor, preferably a normally blocking n-channel metal oxide semiconductor Field effect transistor is. Stromrichter (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Transistor (14, 15) einen ersten Gate-Kontakt (20) und einen zweiten Gate-Kontakt (20) aufweist, wobei der erste Gate-Kontakt (20) mit allen Zellen des Transistors (14, 15) verbunden ist, und wobei der zweite Gate-Kontakt (20) nur mit einem Teil der Zellen des Transistors (14, 15) verbunden ist, und wobei die zum entsprechenden Transistor (14, 15) gehörige Klammerdiode (22, 25) mit dem zweiten Gate-Kontakt (20) verbunden ist.Converter (11) according to one of the preceding claims, wherein at least one transistor (14, 15) has a first gate contact (20) and a second gate contact (20), the first gate contact (20) having all cells of the transistor (14, 15), and wherein the second gate contact (20) is only connected to a part of the cells of the transistor (14, 15), and wherein the clamp diode associated with the corresponding transistor (14, 15) 22, 25) is connected to the second gate contact (20). Stromrichter (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Transistor (14, 15) einen ersten Zellentyp und einen zweiten Zellentyp umfasst, wobei die Zellentypen eine unterschiedliche Dotierung aufweisen, sodass der erste Zellentyp eine niedrigere Schwellenspannung aufweist als der zweite Zellentyp.Converter (11) according to one of the preceding claims, wherein at least one transistor (14, 15) comprises a first cell type and a second cell type, the cell types having a different doping, so that the first cell type has a lower threshold voltage than the second cell type. Stromrichter (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Klammerdiode (22, 25) in den entsprechenden Transistor (14, 15) integriert ist.Converter (11) according to one of the preceding claims, wherein at least one clamp diode (22, 25) is integrated in the corresponding transistor (14, 15).
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