WO2020043353A1 - Stromrichter mit klammerdiode - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a converter comprising at least one converter arrangement, the converter arrangement comprising one
- AC connection at least one first transistor and at least one second transistor, wherein the first transistor and the second transistor are connected in series in the converter arrangement, and wherein the AC connection is connected between the first transistor and the second transistor.
- 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. As
- Converter elements often serve diodes. 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 one
- the converter has one through the diodes and one
- a critical fault that must be considered when designing a power 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 decreases and not can be intercepted by capacitive 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.
- a capacitor connected in parallel to the vehicle electrical system is used for this purpose.
- a clamp diode is arranged between a gate contact and the associated drain contact of the first transistor.
- Zener diodes are normally not used, but only for the rare and unusual case of load shedding
- 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.
- 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.
- the converter according to the invention preferably has both functionalities of a rectifier (in generator mode) and an inverter (for limiting switching peaks).
- the converter can comprise a plurality of converter arrangements, which are preferably connected in parallel to one another.
- Power converter arrangements can include their own AC connection. Each first transistor is then preferably provided with a clamp diode between the gate contact and the drain contact.
- Power 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.
- 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 so that switching peaks can lead to a controlled short circuit and thus both
- the power converter has at least two
- converter arrangements that are connected in parallel, wherein the converter comprises two load connections that are connected in parallel to the at least two converter arrangements. It can do more
- Each first transistor preferably comprises a clamp diode between the gate contact and drain contact.
- 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
- the clamp diode can be connected to the via the AC connection of the converter arrangement
- Drain contact of the second transistor may be connected.
- 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 so that switching peaks can lead to a controlled short circuit and thus both
- 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.
- MOSFET 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.
- Threshold voltage come to a so-called filament effect.
- the currents concentrate on individual cells of the MOSFET, which can then easily overheat. Whether this effect can occur depends on the MOSFET used, as well as on 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. To reach this point faster, here are two Possibilities described to control only a part of the transistor cells (in particular the first transistor) in the bracket function and thus to artificially drive up the current.
- 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 where the to
- 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
- the first cell type has one
- Control characteristic that begins to become conductive even at low gate voltages.
- the second cell type follows a different control characteristic.
- a higher gate voltage is necessary in the lower area of the control characteristic in order to achieve a current flow.
- 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.
- At least one clamp diode is preferably integrated in the corresponding transistor.
- Figure 2 shows a first embodiment of a converter according to the invention
- Figure 3 shows a second embodiment of a converter according to the invention.
- the converter 1 shows a power converter 1 of the prior art.
- the converter 1 here comprises five converter arrangements 2.
- Converter arrangement 2 comprises an alternating current connection 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
- the AC connection 3 is connected between the first transistor 4 and the second transistor 5.
- the converter 1 comprises a capacitor 6 which is parallel to the
- Converter arrangements 2 is switched.
- the converter 1 comprises two load connections 7 which are connected in parallel to the converter arrangements 2.
- An electrical system load 8 is connected to the load connections 7 and is supplied with power by a generator 9 via the converter 1.
- a zener diode 10 is connected in parallel to the converter arrangements 2.
- the Zener diode 10 is normally not used, but only for the rare and unusual case of load shedding,
- the zener diode 10 may not have a clamp effect because it is inductively too far away from the generation of the switching tip, and thus protects the electronics
- the converter 11 comprises five
- Converter arrangements 12 Each converter arrangement 12 comprises an AC connection 13, a first transistor 14 and a second transistor 15. The first transistor 14 and the second transistor 15 are connected in series in the converter arrangement 12.
- AC connection 13 is connected between the first transistor 14 and the second transistor 15.
- the converter 11 comprises a capacitor 16, which is parallel to the
- Converter assemblies 12 is connected.
- the converter 11 comprises two load connections 17 which are connected in parallel with the converter arrangements 12.
- a vehicle electrical system load 18 is connected to the load connections 17 and is supplied with power by a generator 19 via the converter 11.
- a clamp diode 22 is arranged between a gate contact 20 and the associated drain contact 21 of the first transistor 14.
- Each first transistor 14 is preferably provided with a clamp diode 22 between the respective gate contact 20 and the respective drain contact 21.
- the clamp diode 22 here comprises a zener diode 23 with a forward direction to the drain contact 21 of the first transistor 14 and a diode 24 connected in series with a forward direction to the gate contact 20 of the first transistor 14. The clamp diode 22 is then when the Breakdown voltage of the Zener diode 23 from the drain contact 21 in the direction of the gate contact 20 is permeable.
- a clamp diode 25 is also arranged here between a gate contact 20 and the associated drain contact 21 of the second transistor 15. In this way, damage in the second transistor 16 caused by switching peaks and load shedding can be avoided more effectively.
- the clamp diode 25 also includes a zener diode 26
- Both the first transistors 14 and the second transistors 15 are metal-oxide-semiconductor field-effect transistors in both embodiments
- MOSFET normally blocking n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors.
- At least one transistor 14, 15 has a first gate contact 20 and a second gate contact 20, the first gate contact 20 being connected to all cells of the transistor 14, 15, and the second gate contact 20 being only part of the cells of the transistor 14, 15 is connected.
- the clamp diode 22, 25 belonging to the corresponding transistor 14, 15 is then connected to the second gate contact 20. 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.
- at least one transistor 14, 15 comprises a first cell type and a second cell type, the cell types being one
- 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.
- Transistor cells in particular MOSFET cells have a changed characteristic with a lower characteristic due to a changed doping
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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.
Description
Beschreibung
Titel
Stromrichter mit Klammerdiode
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.
Stand der Technik
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.
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.
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).
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.
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:
Au/dt = lc / C
Wobei lc der Strom ist, mit dem der Kondensator geladen wird, C die Kapazität des Kondensators ist und Äu/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.
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.
Offenbarung der Erfindung
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.
Vorteile der Erfindung
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.
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.
Der erfindungsgemäße Stromrichter weist vorzugsweise sowohl Funktionalitäten eines Gleichrichters (im generatorischen Betrieb) als auch eines Wechselrichters (zur Begrenzung von Schaltspitzen) auf.
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.-
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorzugsweise ist mindestens eine Klammerdiode in den entsprechenden Transistor integriert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Stromrichter des Standes der Technik,
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters, und
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters. Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 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 T ransistor 4 und einen zweiten T ransistor 5. Der erste T ransistor 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.
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.
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.
In Figur 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.
Der Stromrichter 11 umfasst einen Kondensator 16, der parallel zu den
Stromrichteranordnungen 12 geschaltet ist. Der Stromrichter 1 1 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.
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.
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.
In Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Stromrichters 11 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche
Elemente zur ersten Ausführungsform. Alle bezüglich der ersten
Ausführungsform der Figur 2 offenbarten Merkmale treffen auch bezüglich der zweiten Ausführungsform zu.
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.
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.
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.
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.
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).
Claims
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Stromrichter (11) nach Anspruch 3, wobei der Stromrichter (11) mindestens einen Kondensator (16) umfasst, der parallel zu der mindestens einen Stromrichteranordnung (12) geschaltet ist.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Stromrichter (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
mindestens eine Klammerdiode (22, 25) in den entsprechenden Transistor (14, 15) integriert ist.
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- 2019-06-28 WO PCT/EP2019/067306 patent/WO2020043353A1/de active Application Filing
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