Schaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors Stand der Technik

Zur Ansteuerung von Leistungshalbleitertransistoren mit kapazitiver

Gateansteuerung (insbesondere sogenannte Bipolartransistoren mit isolierter Gate- Elektrode [IGBTs = Insulated Gate Bipolar Transistor] und Metall-Oxid- Halbleiter- Feldeffekttransistoren [MOSFETs] sowie andere entsprechende Transistoren) werden üblicherweise Gatetreiber mit integrierter oder externer Gegentaktendstufe (auch Push-Pull-Stufe genannt) zur Ansteuerung des Gates des Leistungshalbleitertransistors eingesetzt. Solche Gegentaktendstufen sind üblicherweise an die Steuerelektroden des Leistungshalbleitertransistors angeschlossen. Die Steuerelektroden sind das Gate sowie der Emitter (auch Source genannt).

Die Gegentaktendstufe bildet üblicherweise eine Schaltung, die zwischen einem Treiber zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors und dem

Leistungshalbleitertransistor selbst angeordnet ist, um aus einem

Ansteuerungssignal des Treibers eine Steuerspannung zur Ansteuerung des Gates des Leistungshalbleitertransistors zu formen.

Mit Hilfe der Gegentaktendstufe werden von außen vorgegebene Spannungen an die Steuerelektroden angelegt, die üblicherweise zwischen einer oberen Eingangsspannung (z. B. +15 Volt zum Einschalten) und einer unteren

Eingangsspannung (z. B. -8 Volt zum Ausschalten) geschaltet werden kann.

Um Kurzschlüsse zu beherrschen (d. h. sicher abschalten zu können), kann der Laststrom des Leistungshalbleitertransistors gemessen und von dem Treiber zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors berücksichtigt werden.

Üblicherweise ist der Treiber so eingerichtet, dass dieser anhand des gemessenen Laststroms einen Kurzschluss erkennt und eine geeignete

Kurzschlussabschaltung einleitet, sofern der Laststrom einen zuvor gewählten festen Schwellwert überschreitet. Um Fehlauslösungen der Kurzschlusserkennung zu vermeiden, wird für den Laststrom häufig ein Schwellwert gewählt, der das Doppelte bis Dreifache des höchsten zu erwartenden regelmäßigen Betriebsstroms beträgt. Mit dem

Betriebsstrom ist hier ein Strom gemeint, der während des regulären Betriebs des Leistungshalbleitertransistors maximal auftreten kann.

Bei niedrigeren Schwellwerten für den Laststrom könnten Fehlauslösungen der Kurzschlusserkennung in Folge von transienten Strömen z.B. bei

Ausgleichsvorgängen auftreten. Solche transienten Ströme können den höchsten zu erwartenden regelmäßigen Betriebsstrom überschreiten.

Für den Betrieb eines Leistungshalbleitertransistors ist auch eine geeignete Steuerspannung festzulegen.

Die Wahl der Steuerspannung des Leistungshalbleiters im eingeschalteten Zustand unterliegt einem Zielkonflikt. Je höher die Steuerspannung gewählt wird, desto geringer ist die Kollektor- Emitter-Spannung (zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Leistungshalbleitertransistors). Diese Kollektor- Emitter- Spannung führt zu einem Leistungsverlust in dem Leistungshalbleitertransistor im eingeschalteten Zustand. Durch eine hohe Steuerspannung können demnach Leistungsverluste im Leistungshalbleitertransistor (auch Durchlassverluste genannt) im Regelbetrieb des Leistungshalbleitertransistors reduziert werden. Dies ist erwünscht. Andererseits steigt durch eine höhere Steuerspannung der Entsättigungsstrom des Leistungshalbleitertransistors. Hierdurch steigt der maximale Kurzschlussstrom, der auftreten kann. Letztlich führt dies zu einer erhöhten Belastung des Leistungshalbleiters im Kurzschlussfall. Dies ist unerwünscht, weil der Kurzschlussschutz so ausgelegt sein soll, dass der Leistungshalbleitertransistor durch einen auftretenden Kurzschlussstrom nicht beschädigt werden soll.

Offenbarung der Erfindung

Hier beschrieben werden sollen eine Schaltung und ein Betriebsverfahren für eine solche Schaltung, mit welchen der Kurzschlussstrom begrenzt wird, ohne die Durchlassverluste des Leistungshalbleiters im Regelbetrieb zu erhöhen. Dies wird erreicht durch eine Schaltung zur Ansteuerung eines

Leistungshalbleitertransistors aufweisend eine Ansteuerungsstufe, welche zur Ansteuerung des Gates des Leistungshalbleitertransistors mit einer

Steuerspannung eingerichtet ist und dazu an das Gate und den Emitter des Leistungshalbleitertransistors angeschlossen ist, weiter aufweisend eine

Schutzschaltung, welche ebenfalls zur Ansteuerung des Gates eingerichtet ist und dazu an das Gate und den Emitter des Leistungshalbleitertransistors angeschlossen ist, sowie ein an dem Emitter des Leistungshalbleitertransistors angeschlossener Stromsensor zur Bestimmung eines Laststroms durch den Leistungshalbleitertransistor, wobei ein Ausgang des Stromsensors der

Schutzschaltung zur Verfügung gestellt ist und die Schutzschaltung dazu eingerichtet ist, die Steuerspannung an dem Gate abzusenken, wenn ein Laststrom durch den Leistungshalbleitertransistor größer ist als ein

Schwellwertstrom.

Die Schaltung bildet insbesondere eine Zwischenbaugruppe zwischen einem Treiber zum Betrieb eines Leistungshalbleitertransistors und dem

Leistungshalbleitertransistor selbst. Dazu weist die Schaltung bevorzugt Signaleingänge zum Eingang von Signalen von dem Treiber und Ausgänge zum Anschluss der Schaltung an den Leistungshalbleitertransistor auf. Im Folgenden ist die Schaltung einzeln aber auch zusammen mit dem

Leistungshalbleitertransistor beschrieben.

Der Leistungshalbleitertransistor hat einen üblichen Aufbau mit einem Gate (zum Anlegen einer Steuerspannung, mit welcher der Leistungshalbleitertransistor geschaltet werden kann), einem Emitter und einem Kollektor. Der Emitter ist üblicherweise an ein Grundpotential angeschlossen. Der Emitter und der Kollektor bilden zusammen auch die Anschlüsse für die Ansteuerungsstufe. Die Ansteuerungsstufe und die Schutzschaltung sind zwischen dem Emitter und dem Gate parallel geschaltet und können damit gleichermaßen (beide) die an dem Gate anliegende Steuerspannung beeinflussen. Die Schutzschaltung ist dazu eingerichtet, die an dem Gate anliegende Steuerspannung ausgehend von der von der Ansteuerungsstufe vorgegebenen Steuerspannung anzupassen, um so die Durchlässigkeit des Leistungshalbleitertransistors zu beeinflussen. In

Serie mit dem Leistungshalbleitertransistor ist (bevorzugt zwischen dem Emitter und dem Bezugspotential ein Stromsensor angeordnet, welcher den durch den Leistungshalbleitertransistor fließenden Strom vollständig überwachen kann. Der Stromsensor hat einen Ausgang. An diesem Ausgang ist ein Signal verfügbar, welches Informationen zu dem durch den Leistungshalbleitertransistor fließendem Laststrom beinhaltet. Dieser Ausgang bzw. das an diesem Ausgang verfügbare Signal ist der Schutzschaltung zur Verfügung gestellt. Die

Schutzschaltung ist dazu eingerichtet, die Steuerspannung an dem Gate abzusenken, wenn ein Laststrom größer ist als ein Schwellwertstrom.

Durch die Schutzschaltung findet damit eine Reduzierung (oder auch

Herunterregelung) der Steuerspannung statt, wenn ein großer Laststrom auftritt.

Durch die beschriebene Schaltung kann der Zielkonflikt bei der Festlegung der Steuerspannung zumindest teilweise aufgelöst werden. Die Steuerspannung lässt sich weitestgehend unabhängig von den Anforderungen für den

Kurzschlussschutz festlegen. Die Kurzschlussstrombegrenzung wird nun unabhängig von der Wahl der Steuerspannung durch die zusätzliche

Schutzschaltung realisiert.

Die Schutzschaltung kann auch als„Clamping-Schaltung" bezeichnet werden. Die Schutzschaltung stellt das entscheidende Element der hier beschriebenen Lösung dar.

Der Stromsensor dient dem Zweck, einen an dem Leistungshalbleitertransistor anliegenden Laststrom zu bestimmen. Der Stromsensor kann jedes beliebige Prinzip zur Ermittlung eines Laststroms nutzen.

Wird ein Laststrom des Leistungshalbleitertransistors größer als der höchste zu erwartende regelmäßige Betriebsstrom gemessen, wird die Spannung an den Steuerelektroden des Leistungshalbleiters abgesenkt, wodurch der

Entsättigungsstrom abgesenkt wird. Im Falle eines Kurzschlusses wird somit durch diese Reduzierung des Kurzschlussstroms die Belastung des

Leistungshalbleiters deutlich reduziert.

Ob eine hier beschriebene Schaltung zwischen einem (üblichen) Treiber für einen Leistungshalbleitertransistor und dem Leistungshalbleitertransistor selbst vorgesehen ist, kann beispielsweise durch eine Vermessung der Reaktionen des

Leistungshalbleitertransistors und des Treibers auf bestimmte Eingangssignale nachgewiesen werden. Insbesondere können hierzu Spannungen an den Steuerelektroden bei steigendem Laststrom des Leistungshalbleiters gemessen werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Schutzschaltung so eingerichtet ist, dass sie keine Auswirkungen auf den Emitter und das Gate des Leistungshalbleitertransistor hat, sofern ein von dem Stromsensor gemessener Laststrom kleiner ist als ein

Schwellwertstrom.

Die Schutzschaltung verhält sich bei Lastströmen unterhalb des Schwellwertstroms bevorzugt wie ein sehr hochohmiger Widerstand, der das Verhalten des

Leistungshalbleitertransistors im Zusammenhang mit der Ansteuerungsstufe nicht beeinflusst.

Außerdem besonders vorteilhaft ist, wenn die Schutzschaltung einen Transistor aufweist, mit welchem die Steuerspannung an dem Gate in Abhängigkeit eines von dem Stromsensor gemessenen Stroms reduziert werden kann.

Ein Transistor in der Schutzschaltung ist bevorzugt dazu eingerichtet, eine Verbindung mit einem Bezugspotential herzustellen, über welche die Steuerspannung an dem Gate reduziert werden kann. Das Gate dieses Transistor ist dazu bevorzugt über eine Schaltung bzw. über eine Logik mit dem Stromsensor bzw. dem Ausgang des

Stromsensors verbunden.

Darüber hinaus besonders vorteilhaft ist, wenn der Leistungshalbleitertransistor ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ist.

Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode eigenen sich besonders, um hohe Ströme zu schalten und werden beispielsweise in B-6-Brücken in einem Kraftfahrzeug mit Elektro-Antrieb eingesetzt, um Gleichströme aus einem Akkumulator in

Wechselströme (insbesondere Mehrphasenwechselströme) für einen Antrieb umzuwandeln oder umgekehrt Wechselströme (insbesondere

Mehrphasenwechselströme) aus einer Ladeinfrastruktur oder einem Generator in Gleichströme für einen Akkumulator umzuwandeln. Die hier beschriebene Schaltung ist aber auch anwendbar, wenn der Leistungshalbleitertransistor ein Metalloxid-Feldeffekt- Transistor (MOFSET) oder ein beliebiger anderer spannungsgesteuerter Transistor ist. Auch besonders vorteilhaft ist, wenn die Ansteuerungsstufe nach Art einer

Gegentaktendstufe ausgebildet ist, mit welcher eine Steuerspannung zwischen einer oberen Eingangsspannung und einer unteren Eingangsspannung zur Ansteuerung des Gates bereitgestellt werden kann. Eine Gegentaktendstufe ermöglicht es, ein

Eingangssignal effizient in eine Ausgangsspannung in einem bestimmten

Spannungsbereich zwischen einer (vorgegebenen) oberen Eingangsspannung und einer (vorgegebenen) unteren Eingangsspannung umzusetzen. Eine

Gegentaktendstufe wird dabei häufig auch als„Push-Pull-Stufe" bezeichnet. Eine Gegentaktendstufe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie geringe

Leistungsverluste hat.

Bevorzugt hat die Schaltung auch einen Signaleingang, an welchen ein Treibermodul zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors über die Schaltung anschließbar ist.

Außerdem bevorzugt hat die Schaltung einen Signalausgang, an welchem ein

Treibermodul zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors über die Schaltung anschließbar ist. Der Signaleingang und der Signalausgang können jeweils Übergänge bzw.

Verbindungsleitungen zwischen dem Treiber und der hier beschriebenen Schaltung sein. Es ist auch möglich, dass der Signaleingang und der Signalausgang jeweils veränderbare Verbindungsstellen (bspw. Steckverbindungen) umfassen, mit denen eine Anbindung der Schaltung an verschiedene Treiber möglich ist.

Außerdem ist die Schutzschaltung bevorzugt dazu eingerichtet, festzustellen, ob ein kurzzeitiger, transierter Strom oder ein erhöhter Laststrom vorliegt und eine Absenkung der Steuerspannung an dem Gate nur auszulösen, wenn erhöhter Laststrom vorliegt. Allgemein kann in der Schutzschaltung jede denkbare Logik vorgesehen sein, die nicht nur die Höhe des auftretenden (von dem Stromsensor gemessenen) Stroms durch den Leistungshalbleitertransistor berücksichtigt, sondern zusätzlich Informationen aus dem Verlauf des Stroms (insbesondere aus dem Verlauf des Stromanstiegs, Winkel der ansteigenden Flanke etc.) berücksichtigt. In der Schutzschaltung kann jede beliebige Logik implementiert sein, die dem Zwecke dient, aus den verfügbaren Informationen hinsichtlich des Stroms durch den Leistungshalbleitertransistor, die an dem Ausgang des Stromsensors zur Verfügung stehen, geeignete Maßnahmen zur Beeinflussung der Steuerspannung einzuleiten. Die Schutzschaltung bzw. die in der Schutzschaltung umgesetzte Logik kann auch weitere Informationen bzw. Signaleingänge bei der Beeinflussung der Steuerspannung berücksichtigen.

Die beschriebene Schaltung kann zur Ansteuerung von diversen

Leistungshalbleitern verwendet werden. Die beschriebene Schaltung kann z. B.

auch bei Invertern, DCDC-Wandlern, Solid State Relais, etc. eingesetzt werden.

Die beschriebene Schaltung wird nachfolgend anhand der Figuren noch näher erläutert. Die Figuren erläutern das technische Umfeld und zeigen einzelne

Ausführungsbeispiele der Schaltung, auf weiche die Offenbarung jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigen:

Fig. 1: ein typisches Kennlinienfeld eines Leistungshalbleitertransistors,

Fig. 2: eine beschriebene Schaltung, und Fig. 3: einen zeitlichen Verlauf von Gatespannung und Laststrom eines

Leistungshalbleitertransistors

Die Fig. 1 zeigt ein typisches Kennlinienfeld eines Leistungshalbleitertransistors vom Typ eines Bipolartransistors mit isolierter Gate- Elektrode (IGBT). Zu

erkennen ist der Strom durch den Transistor lc (aufgetragen auf der Stromachse

19), der hier über die anliegende Spannung zwischen Kollektor und Emitter UCE (aufgetragen auf der Spannungsachse 18) für verschiedene Gatespannungen UGE (Spannungen zwischen Gate und Emitter) aufgetragen in Form von

verschiedenen Kennlinien 20 aufgetragen ist.

Das Produkt aus lc und UCE stellt den Leistungsverlust dar, den der Laststrom erfährt, der von dem Leistungshalbleitertransistor durchgelassen wird. Zu

erkennen ist, dass bei steigernder Gatespannung UGE bei gleicher Spannung zwischen Kollektor und Emitter UCE ein höherer Strom lc durch den

Leistungshalbleitertransistor fließen kann. Der Leistungsverlust des

Leistungshalbleitertransistors im Betrieb wird damit durch eine Erhöhung der

Gatespannung UGE geringer. In dem Kennlinienfeld markiert sind ein entsättigter Bereich 22 und ein gesättigter Bereich 23, die von einer Grenzlinie 21 getrennt werden.

In dem gesättigten Bereich ist der Strom lc unabhängig von einem über das Gate an den Emitter abfließenden Strom IB, der auch Basisstrom genannt wird. In dem entsättigten Bereich ist der Strom lc proportional zu dem über das Gate an den Emitter abfließenden Strom IB. Im entsättigten Bereich ist der

Leistungshalbleitertransistor auf leitend geschaltet und es fließt ein Arbeitsstrom lc. Der Entsättigte Bereich wird jedoch nur während des Ein- oder Ausschaltens des Leistungshalbleitertransistors durchführen. Im entsättigten Bereich hat der Leistungshalbleitertransistor hohe Verluste. Daher wird der entsättigte Bereich im statischen Betrieb des Leistungshalbleitertransistors nicht genutzt. Der gesättigte Bereich wird im statischen Betrieb des Leistungshalbleitertransistors genutzt. In dem Diagramm zu erkennen ist, dass lc (und UCE) bei niedrigerer UGE geringer sind, wodurch auch der Strom im Entsättigungsbereich bei geringerer UGE geringer ist.

Fig. 2 zeigt schematisch eine hier beschriebene Schaltung 1., die zwischen einem Treibermodul 14 zur Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors 2 und dem Leistungshalbleitertransistor 2 angeordnet ist. Die Schaltung 2 umfasst die Ansteuerungsschaltung 3, die hier als Gegentaktendstufe ausgebildet ist und aus einem über einem Signaleingang 13 in die Schaltung 1 gelangende

Eingangssignal eine Steuerspannung 12 für das Gate 4 generiert, die zwischen einer oberen Eingangsspannung 10 und einer unteren Eingangsspannung 11 liegt. Der Leistungshalbleitertransistor 2 hat ein Gate 4, einen Emitter 5 und einen Kollektor 9. Der Ausgang der Ansteuerungsstufe 3 ist an dem Gate 4 angeschlossen und dazu eingerichtet, eine Spannung gegenüber dem Emitter 5 an dem Gate 4 bereit zu stellen. Der Emitter 5 ist hier an ein Grundpotential 30 angeschlossen. Parallel zu der Ansteuerungsstufe 3 ist zwischen dem Gate 4 und dem Emitter 5 die Schutzschaltung 6 geschaltet, die dazu eingerichtet ist, die Steuerspannung 12 an dem Gate 4 zu beeinflussen. In Serie mit dem

Leistungshalbleitertransistor 2 ist ein Stromsensor 7 geschaltet, der einen Ausgang 8 aufweist, an welchem ein Signal verfügbar ist, welches für den durch den Leistungshalbleitertransistor 2 fließenden Strom repräsentativ ist. Die

Schutzschaltung ist dazu eingerichtet, bei der Beeinflussung der Steuerspannung 12 dieses Signal von dem Stromsensor 7 zu berücksichtigen. Die Schaltung 1 hat bevorzugt einen Signaleingang 13 über welchen das Treibermodul 14 Signale zur Ansteuerung des Leistungshalbleitertransistors 2 an die Schaltung 1 übergeben kann. Das Treibermodul 14 hat darüber hinaus bevorzugt auch einen Signaleingang 15, über welchen Signale von der Schaltung 1 zurück an das Treibermodul 14 übermittelt werden können. Solche Signale können für den Betriebszustand des Leistungshalbleitertransistors 2 repräsentativ sein. Hier ist beispielhaft gezeigt, dass ein Signal von dem Stromsensor 7 (mit einer

Information über den durch den Leistungshalbleitertransistor 2 fließenden Arbeitsstrom) an dem Signaleingang 15 für das Treibermodul 14 zur Verfügung steht.

Fig. 3 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Strömen und Spannungen in einer beschriebenen Schaltung 1 mit einem Leistungshalbleitertransistor 2. Zum einen sind ein Gate-Spannungsverlauf und ein Arbeitsstromverlauf gezeigt wie sie sich bei der Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors mit der hier

beschriebenen Schaltung 1 einstellen. Zum Vergleich sind auch ein Gate- Spannungsverlauf und ein Arbeitsstromverlauf gezeigt, wie sie sich bei einer Ansteuerung eines Leistungshalbleitertransistors ohne eine derartige Schaltung einstellen. Das obere Diagramm zeigt über die den beiden diagrammen gemeinsame Zeitachse 16 Stromverläufe 17. Das untere Diagramm zeigt über die Zeitachse 16 Spannungsverläufe 24.

Als zeitliches Ereignis ist auf der Zeitachse ein Kurzschlussfall 25 vermerkt. Im oberen Diagramm ist zu erkennen, dass der Stromverlauf mit Schutzschaltung 27 gegenüber dem Stromverlauf ohne Schutzschaltung 26 um die Stromreduzierung 31 reduziert ist. Um die Stromreduzierung 31 wird hier der Kurzschlussstrom gemindert. Dies wird dadurch erreicht, dass der Spannungsverlauf mit

Schutzschaltung 29 gegenüber dem Spannungsverlauf ohne Schutzschaltung 28 im Kurzschlussfall um die Spannungsreduzierung 32 gemindert wird. Hierdurch stellt sich im Diagramm gemäß Fig. 1 ein geringerer Sättigungsstrom ein und der Kurzschlussstrom wird reduziert (siehe oberes Diagramm in der Fig. 3).