DE19630697C2 - Überstromüberwachung für Leistungshalbleiterschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung mit Überstromüberwachung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

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 (DE 295 21 240 U1) 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.

Federkeil, R. beschreibt in einem Artikel "Kurzschluß ohne verheerende Folgen" (in: Elektronik 3/1994, Seite 78 bis 89) sehr gut den Stand der Technik. Auf Seite 86 wird in der rechten Spalte im dritten Abschnitt die Zeitspanne dargelegt, in der ein Schlupf in der Kurzschlußsicherung besteht. Genau hier beginnt die erfinderische Idee zu greifen.

Aus EP 0 190 925 A1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Stand der Technik bekannt, der als Ausgangsbasis für die eigene erfinderische Idee angesehen werden kann. Aus der dortigen Fig. 14a ist ersichtlich, in welcher Weise die maximal zulässige Durchlaßspannung von der Höhe der Gatespannung abhängt. Dementsprechend wird in diesem Stand der Technik gemäß Fig. 14b die Gatespannung auf einen zulässigen Wert geregelt, abhängig von der gemessenen Durchlaßspannung.

Bei bestimmten Anwendungen ist die Spannungsregelung der Gatespannung nicht unter allen Betriebsbedingungen sichergestellt und ein fehlerhaftes Abschalten des Halbleiterschalters wegen einer überhöhten Durchlaßspannung als Folge einer zu geringen Gatespannung kann nicht unterbunden werden. Aus sicherheitstechnischen Gesichtspunkten ist hier Abhilfe erforderlich, das ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsanordnung zur dynamischen Gateansteuerung von Leistungshalbleiterschaltern unter Berücksichtigung der effektiven Gatespannungsversorgung zur Überstromüberwachung vorzustellen.

Die Aufgabe wird bei Leistungshalbleiterschaltern 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-Ansteuerung 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 Komparator 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 Komparator U1 das Meßsignal auf Masse zieht. Erst in der Schaltphase, wenn die Gatespannung höher als die Schaltschwelle Ref.1 ist, schaltet der Komparator U1 die Messung der Durchlaßspannung frei. Jetzt liegt die Durchlaßspannung am Komparator 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 Komparator 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 Schaltzustand 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 Lastrom des Leistungshalbleiterschalters. Sie wird zur Überwachung einem zweiten Komparator 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. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern insbesondere MOSFET oder IGBT mit Überstromüberwachung, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Gatespannungsüberwachung bei Überschreiten eines Vorgabewertes der Gatespannung eine Durchlaßspannungsmessung zugeschaltet wird und 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 wird, wenn die gemessene Durchlaßspannung die variable Abschaltschwelle übersteigt.

2. Schaltungsanordnung 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. Schaltungsanordnung 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.