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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Begrenzung von Überspannungen
bei Leistungshalbleiterbauelementen sowie ein Verfahren zur Steuerung
eines Leistungshalbleiterbauelementes.
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Es ist bekannt, dass bei der Ansteuerung
von Leistungshalbleiterbauelementen entsprechend dem augenblicklichen
Betriebszustand Überspannungen auftreten
können.
Je nachdem, ob der momentane Betriebszustand durch einen Einschaltvorgang,
einen Ausschaltvorgang, einen Leitzustand oder einen Sperrzustand
gekennzeichnet ist, stellt sich ein unterschiedliches Spannungsverhalten
des Leistungshalbleiterbauelementes ein.
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Zur Begrenzung von Überspannungen
ist bekannt, parallel zu einer Durchlassstrecke des Leistungshalbleiterbauelementes
eine Spannungsteilerschaltung vorzusehen, die eine erste Impedanz
umfasst, die parallel zu einem ersten Anschluss der Durchlassstrecke
und einem Steueranschluss des Leistungshalbleiterbauelementes geschaltet
ist, und die eine zweite Impedanz umfasst, die parallel zu einem
zweiten Anschluss der Durchlassstrecke und dem Steueranschluss des
Leistungshalbleiterbauelementes geschaltet ist. Durch diese Spannungsteilerschalter
wird die Spannung über
dem Leistungshalbleiter erfasst und entsprechend der erfassten Spannung
die Steuerspannung des Leistungshalbleiterbauelementes so eingestellt,
dass eine gewünschte Spannung
nicht überschritten
wird. Hierdurch lässt sich
die Begrenzung von Überspannungen
erzielen.
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Entsprechend der von den Impedanzen
gebildeten Spannungsteilerschaltung ergibt sich ein Verhältnis der
Spannung über
das Leistungshalbleiterbauelement zu der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers
und somit der Steuerspannung des Leistungshalbleiterbauelementes.
Es ist bekannt, dass Impedanzen als Reihen- und/oder Parallelschaltung
von ohmschen Widerständen,
induktiven Widerständen
und/oder kapazitiven Widerständen beschrieben
werden können.
Entsprechend der Beschaltung der Impedanzen ergeben sich differenzierende,
proportionale und integrierende Anteile, die das Übertragungsverhalten
der Spannungsteilerschaltung bestimmen. Bekannt ist, die differenzierenden
und integrierenden Anteile zu Null zu wählen, so dass sich ein frequenzunabhängiges Übertragungsverhältnis einstellt.
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Bekannt ist durch die
DE 195 07 408 A1 beispielsweise
eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Überspannungen bei Leistungshalbleiterbauelementen
mit einer parallel zur Durchlassstrecke des Halbleiterbauelements
angeordneten RC-Beschaltung und einer Diode, wobei der Abgriffpunkt
eines Spannungsteilers mit dem Steuereingang des Leistungshalbleiters
verbunden ist. Bei einer auftretenden Schaltüberspannung wird der Leistungshalbleitar über das
am Abgriffpunkt des Spannungsteilers auftretende Signal in den leitenden
Zustand gesteuert.
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Aus US 2002/0131276 A1 ist eine Schaltungsanordnung
zur Begrenzung von Überspannungen
beim Ausschalten von IGBTs bekannt mit einer parallel zur Durchlassstrecke
liegenden Spannungsteilerschaltung aus einem Kondensator und einer
variabel einstellbaren Impedanz, wobei der Mittelpunkt wiederum
mit dem Steuereingang des IGBT verbunden ist. Die variable Impedanz
wird von einer Einrichtung eingestellt, die die Kollektor-Basis-Spannung mit
einer vorgegebenen Spannung vergleicht. Mit der Schaltung soll eine
schnelle Entladung des Gates bewirkt werden.
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Bei den bekannten Lösungen ist
nachteilig, dass aufgrund der unterschiedlichen möglichen
Betriebszustände
des Leistungshalbleiterbauelementes, das heißt Einschaltvorgang, Aus schaltvorgang, Leitzustand
oder Sperrzustand, das eingestellte Übertragungsverhalten des Spannungsteilers
als Kompromiss hinsichtlich der möglichen Betriebszustände gewählt werden
muss. Das heißt,
betrachtet auf den einzelnen möglichen
Betriebszustand ist das Übertragungsverhältnis der
Spannungsteilerschaltung nicht optimal.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Steuerung
eines Leistungshalbleiterbauelementes anzugeben, mittels denen das Übertragungsverhalten
einer Ansteuerschaltung des Leistungshalbleiterbauelementes an unterschiedliche
momentane Betriebszustände
angepasst werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Schaltungsanordnung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Dadurch, dass wenigstens eine weitere
Impedanz parallel und/oder in Reihe zu der ersten Impedanz und/oder
zweiten Impedanz der parallel zur Durchlassstrecke des Leistungshalbleiterbauelementes
liegenden Spannungsteilerschaltung mittels wenigstens eines Schaltmittels
schaltbar ist, wobei ein Steu eranschluss des wenigstens einen Schaltmittels
mit einer Schaltlogik verbunden ist, deren Schaltzustand in Abhängigkeit
eines Betriebszustandes des Leistungshalbleiterbauelementes veränderbar
ist, ist vorteilhaft möglich,
dass Übertragungsverhalten
der Spannungsteilerschaltung in Abhängigkeit des momentanen Betriebszustandes
des Leistungshalbleiterbauelementes zu verändern. Hierdurch wird eine
Anpassung des Übertragungsverhaltens
der Spannungsteilerschaltung an den momentanen Betriebszustand des
Leistungshalbleiterbauelementes möglich, so dass das Übertragungsverhalten
auf die unterschiedlichen Anforderungen gemäß der möglichen Betriebszustände optimierbar
ist. Insgesamt ist somit eine optimale Begrenzung von Oberspannungen
bei den Leistungshalbleiterbauelementen möglich.
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Entsprechend der möglichen
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lassen
sich durch Zuschalten von parallel und/oder in Reihe liegenden Impedanzen
die differenzierenden, proportionalen und integrierenden Anteile
der Spannungsteilerschaltung verändern.
Eine Erhöhung
des differenzierenden Anteils ist insbesondere vorteilhaft, wenn
eine schnelle Reaktion erfolgen soll oder eine Spannungsänderung
der Spannung über
dem Leistungshalbleiterbauelement anstatt eines Spannungspegels
als Regelgröße verwendet
werden soll. Dies ist insbesondere beim Reagieren auf Überspannungsspitzen
beim Einschalten des Leistungshalbleiterbauelementes vorteilhaft.
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Eine Erhöhung des integrierenden Anteils am Übertragungsverhalten
der Spannungsteilerschaltung ist beispielsweise vorteilhaft, wenn
hochfrequente Störungen
ausgeblendet werden sollen. Dies ist beispielsweise dann erforderlich,
wenn das Leistungshalbleiterbauelement zu Schwingungen in seinem
Schaltverhalten, beispielsweise beim Ausschalten, neigt.
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In bevorzugter Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Schaltmittel
ein Bipolar-Transistor oder ein Feldeffekt-Transistor ist. Hierdurch
lässt sich
in einfacher Weise das wenigstens eine Schaltmittel in die Ansteuerschaltung
des Leistungshalbleiterbauelementes integrieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner durch
ein Verfahren mit den in Anspruch 8 genannten Merkmalen gelöst.
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Dadurch, dass eine Spannung über dem Leistungshalbleiterbauelement
erfasst wird und eine Steuerspannung des Leistungshalbleiterbauelementes
in Abhängigkeit
eines momentanen Betriebszustandes des Leistungshalbleiterbauelementes
so eingestellt wird, dass eine vorgebbare Spannung über dem
Leistungshalbleiterbauelement nicht überschritten wird, wird vorteilhaft
möglich,
die Steuerspannung des Leistungshalbleiterbauelementes aktuell,
das heißt
in Ist-Zeit, an den Betriebszustand des Leistungshalbleiterbauelementes
anzupassen, so dass eine Begrenzung von Oberspannungen effektiv
und in einfacher Weise möglich
ist.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten
Merkmalen.
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Die Erfindung wird nachfolgend in
Ausführungsbeispielen
anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiterbauelementes
gemäß Stand
der Technik und
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2 und 3 verschiedene Ausführungsvarianten
von Schaltungsanordnungen der Ansteuerschaltung von Leistungshalbleiterbauelementen
gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
eine insgesamt mit 10 bezeichnete Ansteuerschaltung für ein Leistungshalbleiterbauelement 12,
das gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
von einem Insulated-Gate-Bipolar-Transistor
(IGBT) gebildet ist. Als anzusteuernde Leistungshalbleiterbauelemente
kommen noch weitere, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen auch andere
Transistoren, Thyristoren oder dergleichen in Betracht.
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Die Ansteuerschaltung 10 besteht
in dem in 1 gezeigten
Stand der Technik aus einem Spannungsteiler 14, der parallel
zu einer Durchlassstrecke 16 (Kollektor-Emitter-Strecke)
des Leistungshalbleiterbauelementes geschaltet ist. Der Spannungsteiler umfasst
eine erste Impedanz Z1, die parallel zu einem ersten Anschluss C
(Kollektor) und einem Steueranschluss G (Gate) des Leistungshalbleiterbauelementes 12 geschaltet
ist. Ferner umfasst der Spannungsteiler 14 eine zweite
Impedanz Z2, die parallel zu einem zweiten Anschluss E (Emitter)
und dem Steueranschluss G (Gate) des Leistungshalbleiterbauelementes 12 geschaltet
ist. Ein Mittelpunkt M des Spannungsteilers 14 ist über einen
Verstärker 18 mit
dem Steueranschluss G (Gate) verbunden.
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Wie 1 verdeutlicht,
wird während
des Betriebes des Leistungshalbleiterbauelementes 12 über den
Spannungsteiler 14 die Kollektor-Emitter-Spannung abgegriffen.
Aus dem Verhältnis
der Impedanzen Z1 und Z2 ergibt sich ein Übertragungsverhältnis des
Spannungsteilers 14, so dass am Mittelpunkt M eine dem Übertragungsverhältnis entsprechende
Spannung Um anliegt. Diese wird über den Verstärker 18 verstärkt und
dient der Ansteuerung des Leistungshalbleiterbauelementes 12.
Es wird deutlich, dass durch das feste Verhältnis der Impedanzen Z1 und
Z2 zueinander ein festes Übertragungsverhältnis gegeben
ist.
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Im Unterschied hierzu zeigt 2 schematisch eine Ansteuerschaltung 20 des
Leistungshalbleiterbauelementes 12 in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante.
Gleiche Teile wie in 1 sind
mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.
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Der Impedanz Z2 ist hier die Reihenschaltung
einer Impedanz Z3 und eines Schaltmittels 22 parallel geschaltet.
Ein Steueranschluss des Schaltmittels 22 ist mit einer
Schaltlogik 24 verbunden. Die Schaltlogik 24 erhält einerseits
ein Signal 26, das dem momentanen Betriebszustand des Leistungshalbleiterbauelementes 12 entspricht.
Diese Betriebszustände
können
ein Einschaltvorgang, Ausschaltvorgang, Leitzustand oder Sperrzustand
sein. Optional ist die Schaltlogik 24 mit einem externen Schaltbefehl 28 beaufschlagbar,
der beispielsweise aus einer übergeordneten
Steuerung oder dergleichen zur Verfügung gestellt wird.
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Die in 2 dargestellte
Ansteuerschaltung 20 zeigt folgende Funktion: Die Schaltlogik 24 erhält über das
Signal 26 und/oder das Signal 28 eine Information über den
momentanen Betriebszustand des Leistungshalbleiterbauelementes 12.
In Abhängigkeit des
momentanen Betriebszustandes wird ein Steuersignal generiert, das
zu einer Betätigung
des Schaltmittels 22 führt.
Durch Schließen
des Schaltmittels 22 wird die Impedanz Z3 der Impedanz
Z2 parallel geschaltet, so dass sich hierdurch das Übertragungsverhältnis des
Spannungsteilers 14 ändert.
Entsprechend kommt es zu einer Änderung
der Mittelpunktspannung Um, die über den
Verstärker 18 als
Steuerspannung am Leistungshalbleiterbauelement anliegt.
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Ob – und wenn ja, wie lange – das Schaltmittel 22 geschlossen
wird, kann beispielsweise durch Abspeichern entsprechender Kennlinien
in einem Speichermittel 30 der Schaltlogik 24 realisiert
werden. Durch Verknüpfung
der Signale 26 und/oder 28 mit den abgespeicherten
Kennlinien ergeben sich dann die Ansteuerfunktionen für das Schaltmittel 22.
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Die in 2 dargestellte
Parallelschaltung der Impedanz Z3 führt entsprechend einer gewählten Auslegung
der Impedanz Z3 zu unterschiedlichen Veränderungen der Übertragungsfunktion des
Spannungsteilers 14. Besitzt die Impedanz Z3 einen überwiegend
kapazitiven Widerstand, werden die integrierenden Anteile des Übertragungsverhaltens
verstärkt.
Bei einer Auslegung der Impedanz Z3 als ohmscher Widerstand werden
die differenzierenden Anteile des Übertragungsverhältnisses
verstärkt.
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Bei Auslegung der Impedanz als ohmscher Widerstand
wird eine Proportionalveränderung
des Übertragungsverhältnisses
erreicht. Es wird deutlich, dass einerseits durch Auslegung der
Impedanz Z3 und durch dessen variable Ansteuerung über das Schaltmittel 22 das Übertragungsverhältnis des Spannungsteilers 14 abhängig vom
momentanen Leistungshalbleiterbauelement 12 flexibel beeinflusst werden
kann. Hierdurch wird eine optimale Begrenzung von Überspannungen
am Leistungshalbleiterbauelement 12 möglich.
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3 zeigt
schematisch ein zu 2 abgewandeltes
Ausführungsbeispiel,
wobei wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und
nicht nochmals erläutert
sind.
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Im Unterschied zu 2 ist hier die Impedanz Z3 zu der Impedanz
Z2 in Reihe geschaltet. Das Schaltmittel 22 ist parallel
zur Impedanz Z3 geschaltet.
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Durch Betätigung des Schaltmittels 22 wird die
Impedanz Z3 kurzgeschlossen, so dass sich das Übertragungsverhältnis der
Ansteuerschaltung 20' aus
dem Verhältnis
der Impedanzen Z1 und Z2 ergibt. Bei geöffnetem Schaltmittel 22 liegt
die Impedanz Z3 in Reihe zu der Impedanz Z2, so dass sich das Übertragungsverhältnis des
Spannungsteilers 14 aus dem Verhältnis der Impedanz Z1 zur Summe
der Impedanzen Z2 und Z3 ergibt. Es wird deutlich, dass auch hier
durch Betätigen
des Schaltmittels 22, insbesondere in Abhängigkeit
des momentanen Betriebszustandes des Leistungshalbleiterbauelementes 12,
das Übertragungsverhältnis der
Ansteuerschaltung 20 verändert werden kann.
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Nach weiteren, nicht dargestellten
Ausführungsbeispielen
sind selbstverständlich
beliebige Kombinationen der in 2 und 3 gezeigten Ausführungsvarianten
denkbar. So können
zur Impedanz Z2 mehrere weitere Impedanzen parallel und/oder in
Reihe geschaltet sein, die durch wenigstens ein, gegebenenfalls
mehrere Schaltmittel 22 zu- beziehungsweise abschaltbar
sind. Entsprechend der Auslegung der einzelnen Impedanzen und der Ansteuerung
der zugeördneten
Schaltmittel lassen sich so unterschiedlichste differenzierende,
proportionale und integrierende Anteile des Übertragungsverhaltens der Ansteuerschaltung 20 einstellen. Grundsätzlich ist
auch die Parallelschaltung beziehungsweise Reihenschaltung weiterer
Impedanzen zur Impedanz Z1 möglich.
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Die Schaltmittel 22 werden
vorzugsweise von Bipolar-Transistoren oder Feldeffekt-Transistoren
gebildet. Vorzugsweise werden alle verwendeten Schaltmittel der
Ansteuerschaltung 20 auf das Spannungsniveau des Emitteranschlusses
bezogen. Dieses Spannungsniveau ist das Referenzpotential für die Gatespannung,
wobei auf dieses Potential alle Spannungsgrößen der Ansteuerschaltung 20 bezogen
werden. Insbesondere bildet dieses Potential auch das Grundpotential
der Schaltlogik 24, so dass die Schaltmittel 22 ohne
Potentialtrennung von der Schaltlogik 24 angesteuert werden
können.
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Es kann selbstverständlich jede
Impedanz durch eine Parallel- und/oder
Reihenschaltung von ohmschen Widerstand, Kondensator und/oder Spule dargestellt
werden, so dass sich entsprechend der Auswahl ganz unterschiedliche
differenzierende, proportionale beziehungsweise integrierende Übertragungsverhältnisse
einstellen lassen.