DE19630697A1 - Überstromüberwachung für Leistungshalbleiterschalter - Google Patents
Überstromüberwachung für LeistungshalbleiterschalterInfo
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Description
Die Erfindung beschreibt eine Überstromüberwachung für Leistungshalbleiterbauelemente in
Schaltungsanordnungen nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Überstromüberwachungen sind mehrfach aus der Literatur durch Beschreiben ihrer
Anordnungen bekannt.
Die dem Stand der Technik zuordenbaren Vorveröffentlichungen beschränken sich
hauptsächlich auf die Verbesserung der Kurzschlußbeständigkeit von Leistungsschaltern. Dabei
wird immer von dem geöffneten oder dem geschlossenen Stromkreis des Schalters
ausgegangen. In DE 44 10 978 A1 wird beispielhaft ein Verfahren und eine dazu vorgestellte
Schaltung zur Verbesserung der Kurzschlußfestigkeit eines bipolaren IGBT vorgestellt. Durch
Einbinden eines MOSFET in den Gate-Ansteuerkreis wird der Stromfluß im Kurzschlußfall
begrenzt.
Bei eng gestapelten Hauptstrom- und Ansteuerverbindungen in Schaltungsanordnungen hoher
Packungsdichte, insbesondere bei Leistungsschaltern mit hoher Schaltgeschwindigkeit und
großen Werten von di/dt beeinflußt das Magnetfeld der Hauptstromführungen, das jede
einzelne Leistungsschiene bei Betrieb aufbaut, jeden in unmittelbarer Nähe liegenden
Ansteuerkreis, was in statisch vorgegebener Ansteuerung unberücksichtigt bleibt.
Eine eigene frühere Anmeldung (P 195 38 328.1-32) hatte sich die Aufgabe gestellt, eine
rückwirkungsfreie Ansteuerung von Leistungshalbleiterbauelementen ohne
Transformatortrennung in Leistungsschaltungen durch magnetische Entkoppelung von
Ansteuerkreis und Hauptstromkreis vorzustellen. Die Aufgabe wird dort durch genaue
Vorschriften für die geometrische Anordnung der elektrischen Zuleitungen für den
Ansteuerkreis gelöst.
Das dynamische Verhalten der Leistungsschalter und deren Unterschiede entsprechend dem
"technologischen Vorleben" jedes einzelnen Schalterexemplares wird nach dem Stand der
Technik schaltungstechnisch in der Ansteuerung nicht berücksichtigt. Der Stand der Technik
wird vorteilhaft im nachfolgenden Vergleich mit der eigenen erfinderischen Lösung erläutert.
Fig. 1 zeigt den Stand der Schaltungstechnik. Im Blockschaltbild wird die Ansteuerungs
schaltung eines einzelnen Leistungsschalters mit integrierter Kurzschlußüberwachung
dargestellt. Fig. 1 stellt dabei einen Teil aus dem Zusammenhang der Gesamtheit aller parallel
oder in Reihe geschalteten weiteren Leistungsschalter der gleichen Art herausgelöst und in
gleicher Weise nur den für die Erfindung maßgebenden Teil der Ansteuerung der
Gesamtschaltungsanordnung dar.
Die Überwachung der Gate-Ansteuerung erfolgt durch die Messung der Durchlaßspannung,
die proportional zum Strom durch den Leistungshalbleiterschalter gegeben ist. Übersteigt die
Durchlaßspannung eine eingestellte "Schwelle", so wird der Leistungshalbleiterschalter
automatisch und selbständig abgeschaltet und somit vor Zerstörung geschützt.
Durch das dynamische Verhalten des Leistungshalbleiterschalters, der Temperaturabhängigkeit
seiner elektrischen Schalteigenschaften und der Höhe der angesteuerten Gatespannung
verändert sich das Schaltverhalten des einzelnen Halbleiterschalters, so daß die vorgegebenen
Schaltinhalte (Stromfluß, Spannungen und Zeitabläufe) verändert werden können. Mit
steigender Temperatur und mit fallender Gatespannung steigt beispielhaft die
Durchlaßspannung der meisten Leistungshalbleiterschalter an. Andererseits verlangsamen
sinkende Gateversorgungsspannungen das Schalten der Leistungshalbleiterschalter, was bei
einer vorgegebenen festen Zeitfolge zu Fehlverhalten führen kann.
Das Schaltsignal in Fig. 1 steuert sowohl das Gateansteuermodul, als auch die Freigabe der
Durchlaßspannungsmessung an. Als Folge davon schaltet das Gateansteuermodul den
Leistungshalbleiter ein und nach einer fest eingestellten Verzögerungszeit (z. B. Vorgabe durch
ein RC-Glied) beginnt die Messung der Durchlaßspannung. Diese Verzögerungszeit ist
sowohl vom verwendeten Leistungshalbleiterschalter als auch von dessen Gate-Widerstand
abhängig und muß anwendungsspezifisch eingestellt werden. Steigt in dem Beispiel der Fig. 1
die Durchlaßspannung über eine fest eingestellte "Schwelle", so schaltet die
Überstromüberwachung den Leistungshalbleiter ab.
Die Freigabe der Durchlaßspannungsmessung erfolgt nach einer fest eingestellten Zeit und
arbeitet somit unabhängig vom tatsächlichen Schaltzustand des Leistungshalbleiterschalters.
Bei einer verringerten Gate-Versorgungsspannung schaltet aber der Leistungshalbleiterschalter
deutlich langsamer ein, das führt zum Fehlverhalten der Überstromüberwachung. Weiterhin ist
die Durchlaßspannung bei geringer Gate-Spannung höher, was zur Folge hat, daß bereits
geringe Ströme im Leistungshalbleiterschalter von der Überstromüberwachung als Kurzschluß
interpretiert werden und deshalb ein fehlerhaftes zu frühes Ansprechen der Überwachung
verursachen.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine einfache dynamische
Gateansteuerung von Leistungshalbleiterschaltern bei deren Anwendung bis hin zu
parallelgeschalteten Halbbrücken unter Berücksichtigung der effektiven
Gatespannungsversorgung zur Überstromüberwachung vorzustellen.
Die Aufgabe wird bei Leistungshalbleiterschaftern der dargestellten Art durch die Maßnahmen
des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in
den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die erfinderische Lösung wird anhand der Fig. 2 bis 5 erläutert.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfinderisch verbesserten Ansteuerung des
Leistungshalbleiterschalters.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer gegenüber Fig. 2 weiter verbesserten Ansteuerung des
Leistungshalbleiterschalters.
Fig. 4 stellt den konkreten Schaltungsauszug zu Fig. 3 dar.
Fig. 5 skizziert Kurvenverläufe der erfinderischen Lösung.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfinderisch verbesserten Ansteuerung des
Leistungshalbleiterschalters, dessen Schaltzustand hierin berücksichtigt wird. In dieser
Lösungsvariante steuert das Schaltsignal lediglich das Gate-Ansteuermodul an, das seinerseits
den Leistungshalbleiterschalter schaltet, abhängig vom Schaltzustand wird die Messung der
Durchlaßspannung freigegeben.
Steigt nun die Durchlaßspannung über eine fest eingestellte Schwelle, so schaltet das
Überstromüberwachungsmodul den Leistungshalbleiterschalter ab. Die Freigabe der
Durchlaßspannung erfolgt somit abhängig vom tatsächlichen Schaltzustand des
Leistungshalbleiterschalters, was bei unterschiedlichen Schaltzeiten und Strömen immer eine
fehlerfreie Überwachungsmessung gewährleistet. Die Messung beginnt nicht mehr nach einer
fest vorgelegten Zeit, wie in Fig. 1, sondern genau zu dem Zeitpunkt, bei dem der
Leistungshalbleiterschalter leitend ist.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer gegenüber Fig. 2 weiter verbesserten Ansteuerung des
Leistungshalbleiterschalters. Neben der Berücksichtigung des Schaltzustandes des
Leistungshalbleiterschalters wird hier der Istwert der Gatespannung beachtet. Ausgehend von
dem Schaltsignal, das hier wiederum lediglich das Gate-Ansteuermodul schaltet, wird der
Leistungshalbleiterschalter geschaltet. Das Gate-Ansteuermodul gibt abhängig vom
Schaltzustand wiederum die Messung der Durchlaßspannung frei. Zusätzlich wird die Gate-
Versorgungsspannung erfaßt und davon abhängig die variable Überstromschaltschwelle gesetzt
und als Sollwert der Überstromüberwachung vorgegeben.
Steigt die Durchlaßspannung über diese variable Schwelle, so schaltet das
Überstromüberwachungsmodul den Leistungshalbleiterschalter ab.
Fig. 4 stellt den konkreten Schaltungsauszug zu Fig. 3 dar. Es wird der Funktionsablauf der
von der Gatespannung abhängigen Überstromüberwachung dargestellt. Die Gate-Anteuerung
aus Fig. 3 wird realisiert durch die Transistoren V1 und V2, durch die Widerstände R1 und R2
sowie durch die Spannungsversorgung +VG und -VG. Als Leistungshalbleiterschalter V3 dient
hier beispielhaft ein MOSFET, hier könnte in gleicher Weise ein IGBT-Leistungstransistor
eingesetzt sein. Die "Freigabe Durchlaßspannungsmessung" wird hier beispielhaft über einen
Kornparator U1 im Verbund mit der Referenzspannung "Ref1" realisiert. An der Stelle des
Komparators könnte hier auch ein entsprechender Transistor oder ein Operationsverstärker
fungieren. Die "Durchlaßspannungsmessung" besteht aus der Versorgungsspannung +V, R7
und der Diode D1.
Die "variable Überstromschaltschwelle" besteht aus dem Operationsverstärker U3 mit den
Widerständen R5 und R6, der Referenzspannung Ref.2 sowie dem Spannungsteiler R3 und R4.
Schließlich wird die Überstromüberwachung beispielhaft durch den Komparator U2
dargestellt.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird zunächst der "Normalbetrieb" dargestellt. Der
Leistungshalbleiter sei abgeschaltet, das Gate des Leistungshalbleiterschalters V3 liegt über R1
und V2 an der Gatespannungsversorgung (-VG). Beim Einschaltvorgang wird Transistor V2
ausgeschaltet und Transistor V1 eingeschaltet, damit erhält der Gateanschluß des
Leistungshalbleiterschalters V3 die Spannung (+VG). Das Gate wird nun aufgeladen und der
hier beispielhaft arbeitende Leistungs-MOSFET V3 schaltet ein. Mit dem Einschalten des
MOSFET V3 kann die Durchlaßspannungsmessung erfolgen, da in diesem Schaltungszustand
der Stromkreis (+V) über R7 über D1 über V3 zur Masse geschlossen ist.
Die Messung der Durchlaßspannung wird jedoch so lange unterdrückt, wie der Kornparator
U1 das Meßsignal auf Masse zieht. Erst in der Schaltphase, wenn die Gatespannung höher als
die Schaltschwelle Ref.1 ist, schaltet der Kornparator U1 die Messung der Durchlaßspannung
frei. Jetzt liegt die Durchlaßspannung am Kornparator U2 an und wird dort mit der
Überstromschaltschwelle verglichen. Diese Schwelle wird durch eine feste Referenzspannung
Ref.2 und der über den Spannungsteiler R3, R4 abgebildeten Gatespannung in dem
Subtrahierer U3, R5 und R6 erzeugt.
Wird die Durchlaßspannung größer als die Überstromschwelle, so schaltet der Kornparator U2
um, das Schaltsignal bewirkt seinerseits ein sofortiges Abschalten des Leistungshalbleiter
schalters V3. Diese Funktionsweise arbeitet ebenso bei einer verminderten Spannung der
Gateversorgung.
Ist die Gateversorgungsspannung geringer als die Nennspannung, so schaltet der
Leistungshalbleiterschalter V3 langsamer ein, da das Gate in seiner Kapazität nicht so schnell
gesättigt ist, also langsamer aufgeladen wird. Die Freigabe der Durchlaßspannungsmessung
erfolgt jedoch erst, wenn das Gate eine bestimmte Spannung erreicht hat, was einem
definierten und garantierten Schaftzustand des Leistungshalbleiterschalters entspricht.
Durch diesen zeitlichen Schaltungsablauf wird vermieden, daß die Durchlaßspannungs
messung zu früh vorgenommen wird, wenn nämlich der Leistungshalbleiterschalter V3 noch
nicht vollständig durchgeschaltet hat. Eine fehlerhafte Bewertung und somit ein falsches
Ansprechen der Überstromüberwachung wäre die Folge.
Weiterhin ist beachtlich, daß bei geringerer Gateversorgungsspannung und gleichartigem
Stromfluß die Durchlaßspannung des Leistungshalbleiterschalters V3 höher als bei der
Nennversorgungsspannung ist. Um in einem solchen Betriebszustand ein fehlerhaftes
Abschalten der Überstromüberwachung zu vermeiden, muß sich die Überstromschaltschwelle
abhängig von der Gateversorgungsspannung verändern, um immer den gleichen Strom als
Überstrom zu detektieren.
Die Variabilität ist erfindungsgemäß durch einen Subtrahierer realisiert worden, dem die
Gatespannung auf dem negativen Eingang und eine feste Schwelle auf dem positiven Eingang
zugeführt wurde. Durch diese Schaltung ist die Schaltschwelle am Ausgang des Subtrahierers
groß, wenn die Gatespannung gering ist. Die Schaltschwelle ist kleiner, wenn das Gate des
Leistungshalbleiterschalters V3 mit einer höheren Spannung versorgt wird. Durch den
Subtrahierer wird somit eine Anpassung der Durchlaßspannungsschwelle, abhängig von der
treibenden Gateversorgungsspannung, erreicht. Eine verringerte Gatespannung bewirkt eine
hohe Durchlaßspannungsschwelle und umgekehrt.
Fig. 5 skizziert Kurvenverläufe der erfinderischen Lösung. In Fig. 5a ist der Gateeinschalt
prozeß bei einer herabgesetzten Gatespannungsversorgung 1 dargestellt. Durch das
Schaltsignal (Kurvenverlauf 3) im Kurvenast 9 wird der Einschaltprozeß ausgelöst. Nach
dem Einschaltzeitpunkt baut sich zunächst entsprechend dem Kurvenverlauf 4 die
Gatespannung (Kurve 1) auf. In dem Kurvenabschnitt 5 erhöht sich die Gatespannung nicht,
denn es findet bei dieser Spannung (ca. 6 bis 10 Volt) die Aufladung der Millerkapazitäten
statt. Eine mit Sicherheit größere Spannung als die Spannung des Kurvenverlaufes 5 des
Millerplateaus wird als Schaltschwelle Ref.1 dem beispielhaft eingesetzten Komparator
vorgegeben.
Nach Sättigung der Millerkapazitäten erhöht sich die Gatespannung (Kurve 1) weiter, was im
Kurvenast 6 zu erkennen ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Messung der Durchlaßspannung
(Kurvenpunkt 10 im Kurvenverlauf 2) freigegeben. Bis zu dieser Zeit (Kurventeilabschnitt 7)
war die Durchlaßspannungsmessung (Kurve 2) unterdrückt. Die Durchlaßspannung (Kurvenast
8) ist abhängig von dem Laststrom des Leistungshalbleiterschalters. Sie wird zur Überwachung
einem zweiten Kornparator zugeführt, wie das bereits zu Fig. 4 dargestellt wurde.
Fig. 5b zeigt mit gleicher Bezeichnung eine mit dem Spannungsverlauf der Fig. 5a
vergleichbare Einschaltsituation des Gates eines Leistungshalbleiterschalters. Aus der
unterschiedlichen Höhe der Gatespannungsversorgung sollen die für die Erfindung
signifikanten Merkmale aufgezeigt werden. In Fig. 5a liegt die eingespeiste Gateversorgung bei
einer Spannung von 11 Volt, in Fig. 5b dagegen bei 15 Volt. Deutlich sind die gemessenen
Unterschiede in dem Plateau 5 zu erkennen. Bei 15 Volt Gateversorgungsspannung (Fig. 5b)
findet das Sättigen der Millerkapazitäten in einer wesentlich kürzeren Zeit statt, als bei einer
Versorgungsspannung von 11 Volt (Fig. 5a). Entsprechend später wird bei einem
erfinderischen Schaltungsaufbau in dem Falle einer niederen Gateversorgungsspannung die
Bewertung und Verarbeitung der Durchlaßspannung beginnen. Messungen des
Leistungshalbleiterschalters mit und ohne Last zeigen die gleiche Relation der
Verzögerungszeit zwischen dem Schaltsignal und dem Einsetzen der Durchlaßspannungs
messung. Die Zeitunterschiede zwischen dem Schaltsignal 9 und dem Einsetzen der
Durchlaßspannungsmessung 10 lagen bei den geprüften Meßaufbauten bei über 1 µs, was
beachtlich ist.
Claims (3)
1. Überstromüberwachung für Leistungshalbleiterschaltungsanordnungen, insbesondere
MOSFET oder IGBT der Leistungsklasse
dadurch gekennzeichnet, daß
mittels einer Gatespannungsüberwachung bei Überschreiten eines Vorgabewertes
der Gatespannung eine Durchlaßspannungsmessung zugeschaltet wird und/oder
diese Durchlaßspannungsmessung mit einer variablen Durchlaßspannungsabschaltschwelle,
die von der Höhe der Gatespannung abhängt, bewertet wird und das Abschalten des
Leistungshalbleiterschalters bei Auftreten eines Überstromes bewirkt.
2. Überstromüberwachung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gatespannung einem Komparator, einem Differentialverstärker oder einem Transistor
zugeführt wird, der bei Erreichen einer vorgegebenen Schwelle die Messung der
Durchlaßspannung freigibt.
3. Überstromüberwachung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Durchlaßspannungsschwelle zum Detektieren eines Fehlerstromes durch einen
Differentialverstärker, abhängig von der Gateversorgungsspannung oder der tatsächlichen
Gatespannung, und einer Referenzspannung gebildet wird.
Priority Applications (1)
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