Verfahren zum Schalten von Leistungstransistoren

Bei vielen Anwendungen wie zum Beispiel bürstenlosen Gleichstrommotoren und DC/DC-Wandlern werden Leistungs-MOSFETs als Schalter verwendet, um induktive Lasten zu betreiben. In solchen Anwendungen ist das Schalten der MOSFETs normalerweise von Bedeutung für die elektromagnetische Verträglichkeit.

Bei jeder Umschaltung eines der MOSFETs wird infolge parasitärer reaktiver Komponenten ein Schwingkreis angeregt, der in den Strömen und Spannungen am MOSFET Schwingungen (Überschwingen) auslöst. Das Überschwingen kann galvanisch weitergeleitete oder abgestrahlte Emissionen verursachen, die die Grenzen der elektromagnetischen Verträglichkeit überschreiten.

Aus der WO 2014/173969 A1 ist ein Verfahren zum mittels eines Pulsweitenmodulationssignals gesteuerten Einschalten oder Abschalten eines elektronischen Bauelements bekannt, das zur Ausgabe eines mittels eines Steuersignals steuerbaren Ausgabesignals ausgebildet ist. Das Ein- oder Abschalten wird innerhalb einer Pulsweitenmodulationstaktperiode zu einem Pegelwechselzeitpunkt durch eine Änderung des Pulsweitenmodulationssignals initiiert. Es werden wenigstens ein erster Steuerwert und ein zweiter Steuerwert des Steuersignals vorgegeben und das Steuersignal wird innerhalb jeder Pulsweitenmodulationstaktperiode zwischen dem Pegelwechselzeitpunkt und einem ersten Umschaltzeitpunkt auf den ersten Steuerwert, zwischen dem ersten Umschaltzeitpunkt und einem zweiten Umschaltzeitpunkt auf den zweiten Steuerwert und ab dem zweiten Umschaltzeitpunkt bis zum Erreichen eines Gatespannungsendwertes am Gate des elektronischen Bauelements auf einen dritten Steuerwert eingestellt. Jeder Umschaltzeitpunkt einer Pulsweitenmodulationstaktperiode wird in Abhängigkeit von einer während einer vorangehenden Pulsweitenmodulationstaktperiode ermittelten Amplitudengröße derart bestimmt, dass Schwingungsamplituden der Oszillation des Ausgabesignals begrenzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Schalten von Leistungstransistoren anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schalten von Leistungstransistoren in einer Leistungstransistorschaltung, wobei die Leistungstransistoren jeweils ein Gate aufweisen, wird das Gate bei einer Einschaltsequenz und/oder einer Ausschaltsequenz sequentiell mit mindestens drei Steuerwerten angesteuert, zwischen denen zu bestimmten Zeitpunkten umgeschaltet wird. Erfindungsgemäß werden die Zeitpunkte mittels eines Reglers bestimmt oder modifiziert, der von einem Millerplateau-Detektor zur Detektion eines Millerplateaus in einer Gate-Source-Spannung des jeweiligen Leistungstransistors angesteuert wird. Die mindestens drei Steuerwerte können voneinander und/oder von Null verschieden sein, können aber auch teilweise übereinstimmen. Beispielsweise können der erste Steuerwert und der dritte Steuerwert gleich sein.

In einer Ausführungsform wird dem Millerplateau-Detektor eine Phasenspannung einer Halbbrücke, die Teil der Leistungstransistorschaltung ist, oder irgendeine Spannung oder irgendein Strom dieser Halbbrücke, beispielsweise eine Drain-Source-Spannung oder eine Gate-Source-Spannung, zur Detektion des Millerplateaus zugeführt. Der Millerplateau-Detektor kann ebenso auf der Detektion von Spannungstransienten an einem Source-Anschluss eines Leistungstransistors im unteren Brückenzweig dieser Halbbrücke oder auf der Detektion von Überschwingen basieren.

In einer Ausführungsform wird mittels des Millerplateau-Detektors detektiert, wann das Millerplateau beginnt oder wann das Millerplateau beginnt und endet.

In einer Ausführungsform wird das Millerplateau in jedem Arbeitszyklus detektiert, in dem der jeweilige Leistungstransistor nicht freilaufend ist, wobei diese Information verwendet wird, um die Zeitpunkte für den nächsten Arbeitszyklus anzupassen, in dem der jeweilige Leistungstransistor nicht freilaufend ist.

Der Leistungstransistor, insbesondere MOSFET, wird in der vorliegenden Anmeldung als freilaufend bezeichnet, wenn der Leistungstransistor (wenn der Leistungstransistor durchgeschaltet ist) oder eine Body-Diode (wenn der Leistungstransistor nicht durchgeschaltet ist) des Leistungstransistors einen Freilaufstrom einer induktiven Last trägt. In einer Ausführungsform wird das Millerplateau mittels eines im Millerplateau-Detektor enthaltenen Komparators anhand der Phasenspannung detektiert.

In einer Ausführungsform findet beim Einschalten der Wechsel von einem ersten Steuerwert, beispielsweise an einem Gate des Leistungstransistors, insbesondere MOSFETs, zu einem zweiten Steuerwert um eine Zeitdifferenz vor dem Beginn des Millerplateaus statt und/oder der Wechsel vom zweiten Steuerwert zu einem dritten Steuerwert findet beim Einschalten um eine Zeitdifferenz nach dem Beginn des Millerplateaus statt und/oder beim Ausschalten findet der Wechsel vom ersten Steuerwert zum zweiten Steuerwert um eine Zeitdifferenz nach dem Erreichen des Millerplateaus statt. Ebenso kann beim Ausschalten der Wechsel vom ersten Steuerwert zum zweiten Steuerwert um eine Zeitdifferenz nach dem Erreichen des Millerplateaus stattfinden.

In einer Ausführungsform wird der zweite Steuerwert während des Einschaltens und Ausschaltens des Leistungstransistors in Abhängigkeit von einem Pegel eines Laststroms angepasst.

In einer Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung mit mindestens drei Steuerwerten nur für nicht freilaufende Leistungstransistoren in der Leistungstransistorschaltung, während freilaufende Leistungstransistoren mit einem konstanten Steuerwert angesteuert werden.

In einer Ausführungsform wird zur Detektion, ob ein Leistungstransistor in einer Halbbrücke im nächsten Arbeitszyklus freilaufend ist, während einer Totzeit, während der beide Leistungstransistoren der Halbbrücke ausgeschaltet sind, die Phasenspannung gemessen, wobei dann, wenn die Phasenspannung niedrig ist, der Leistungstransistor in einem unteren Zweig der Halbbrücke als im nächsten Arbeitszyklus freilaufend erkannt wird.

In einer Ausführungsform wird in einer Leistungstransistorschaltung mit mindestens zwei Halbbrücken ein Leistungstransistor, der zum Einschalten mit mindestens drei verschiedenen Steuerwerten angesteuert wurde, grundsätzlich auch zum Ausschalten im gleichen Arbeitszyklus mit mindestens drei verschiedenen Steuerwerten angesteuert, und ein Leistungstransistor, der zum Einschalten mit einem konstanten Steuerwert angesteuert wurde, wird grundsätzlich auch zum Ausschalten im gleichen Arbeitszyklus mit konstanten Steuerwert angesteuert, außer wenn ein langer Impuls detektiert wird, der eine Änderung in der Polarität des Phasenstroms der jeweiligen Halbbrücke verursacht.

In einer Ausführungsform wird zum Ermitteln eines langen Impulses beim Einschalten eines Leistungstransistors in einer der Halbbrücken ein Zähler gestartet, dessen Zählerstand jedes Mal, wenn ein neuer Arbeitszyklus auf eine der anderen Halbbrücken angewandt wird, um eins erhöht wird, wobei dann, wenn der Zähler einen bestimmten Wert erreicht hat, das Abschalten des Leistungstransistors unter Verwendung mindestens dreier unterschiedlicher Steuerwerte durchgeführt wird.

In einer Ausführungsform werden die Zeitpunkte und/oder mindestens ein Zielwert mindestens einer der Zeitdifferenzen in Abhängigkeit vom Laststrom variiert.

In einer Ausführungsform wird bei der Verwendung von mindestens drei Steuerwerten der zweite Steuerwert während des Einschaltens und Ausschaltens des Leistungstransistors entsprechend dem Pegel des Laststroms angepasst. Bei Verwendung von drei oder mehr Steuerwerten kann derjenige Steuerwert angepasst werden, der am Ende des Millerplateaus angewandt wird.

In einer Ausführungsform werden die Steuerwerte mittels einer vom Regler angesteuerten Quelle eingestellt, die in einem Stromquellenmodus betrieben wird, wobei die Quelle am Ende der Einschaltsequenz und/oder der Ausschaltsequenz vom Stromquellenmodus in einen Spannungsquellenmodus umgeschaltet wird.

In einer Ausführungsform wird das Ende der Einschaltsequenz und/oder der Ausschaltsequenz mittels

- eines Zeitgebers, der am Beginn des Millerplateaus ausgelöst wird, oder

- eines Komparators für die Gate-Source-Spannung detektiert.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Betriebsstrategie für MOSFETs ermöglicht das Schalten der MOSFETs und die Verringerung von Leistungsverlusten ohne erhöhte elektromagnetische Emissionen zu verursachen. Dies wird durch spezielle in einem integrierten Schaltkreis, beispielsweise einem ASIC oder ASSP, implementierte Merkmale und ohne zusätzliche externe Komponenten erzielt, so dass Kosten und Platzbedarf reduziert werden und durch externe Komponenten verursachte zusätzliche Schaltverluste vermieden werden, da diese das gesamte Schalten verzögern. Externe Komponenten müssen für den schlechtesten Fall (worst case) dimensioniert sein und erhöhen die Schaltzeiten.

Anders als im Stand der Technik wird gemäß der vorliegenden Erfindung kein Überschwingdetektor mit den damit verbundenen Layoutbeschränkungen und hochauflösenden Zeitgebern benötigt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Figur 1 ein schematisches Schaltbild einer Leistungstransistorschaltung aus Leistungstransistoren zum Betrieb einer Last,

Figur 2 ein schematisches Schaltbild einer vereinfachten Halbbrücke,

Figur 3 schematische Diagramme einer Phasenspannung über der Zeit beim Schalten von MOSFETs,

Figur 4 ein schematisches Diagramm einer Gate-Source-Spannung eines MOSFET über der Zeit beim Schalten, wobei eine Totzeit sicherstellt, dass ein MOSFET in einem oberen Brückenzweig niemals gleichzeitig mit einem MOSFET in einem unteren Brückenzweig eingeschaltet ist,

Figur 5 ein schematisches Diagramm einer Schaltsequenz der Halbbrücke bei freilaufendem MOSFET, das heißt während des Fließens eines Freilaufstroms durch das MOSFET im unteren Brückenzweig,

Figur 6 ein schematisches Diagramm einer Schaltsequenz der Halbbrücke bei freilaufendem MOSFET, das heißt während des Fließens eines Freilaufstroms durch das MOSFET im oberen Brückenzweig,

Figur 7 ein schematisches Schaltbild einer Brückenschaltung zum Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors und ein schematisches Diagramm,

Figur 8 ein schematisches Diagramm mit einer Schaltsequenz eines MOSFET, Figur 9 ein schematisches Diagramm mit einer Schaltsequenz eines MOSFET,

Figur 10 eine schematische Ansicht eines Algorithmus zur Ermittlung, welcher MOSFET einer Halbbrücke freilaufend ist, das heißt, durch welches MOSFET der Freilaufstrom fließt,

Figur 11 eine schematische Ansicht einer Zustandsmaschine des MOSFETS für die Anpassung der Zeitpunkte für das Einschalten und für das Ausschalten, wenn der jeweilige MOSFET mit mindestens drei Stromwerten betrieben wird,

Figur 12 schematische Diagramme zur Darstellung des Zusammenhangs eines Drainstroms mit einer Spannung eines Millerplateaus,

Figur 13 ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines Verhältnisses zwischen einem Laststrom und einem Zeitpunkt zum Umschalten eines Stromwerts,

Figur 14 schematische Diagramme einer Einschaltsequenz und einer Ausschaltsequenz eines MOSFET,

Figur 15 ein schematisches Diagramm eines zweiten Stromwertes eines Gatestroms in Abhängigkeit von einem Laststrom,

Figur 16 ein schematisches Diagramm eines gewünschten Wertes einer Zeitdifferenz in Abhängigkeit vom Laststrom,

Figur 17 ein schematisches Diagramm zur Darstellung des Überschwingverhaltens für verschiedene zweite Stromwerte des Gatestroms, und

Figur 18 ein schematisches Diagramm zur Darstellung des Verlustverhaltens für verschiedene zweite Stromwerte des Gatestroms.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Leistungstransistorschaltung, insbesondere einer Brückenschaltung 1 , aus Leistungstransistoren zum Betrieb einer Last L, beispielsweise MOSFETs HS1 , HS2, LS1 , LS2 oder IGBT, auf die im Folgenden als MOSFETs HS1 , HS2, LS1 , LS2 Bezug genommen wird. Die Brückenschaltung 1 ist an einer Spannungsquelle V angeschlossen. Jeder der MOSFETs HS1 , HS2, LS1 , LS2 weist Gate G, Drain D und Source S auf, wobei das Gate G mittels einer Gatetreiberschaltung 2 steuerbar ist, die ein pulsweitenmoduliertes Signal PWM an das Gate G anlegt. Die Gatetreiberschaltung 2 für den MOSFET LS1 ist im Detail dargestellt. Die anderen Gatetreiberschaltungen 2 können auf gleiche Weise gebildet sein. Ebenso kann ein und dieselbe Gatetreiberschaltung 2 die Gates G aller

MOSFETs HS1 , HS2, LS1 , LS2 der Brückenschaltung 1 übernehmen. Die MOSFETs HS1 , HS2, LS1 , LS2 sind in zwei Halbbrücken HB1 , HB2 angeordnet, wobei die MOSFETs HS1 , LS1 der Halbbrücke HB1 und die MOSFETs HS2, LS2 der Halbbrücke HB2 zugeordnet sind. Ferner kann in der Gatetreiberschaltung 2 ein weiterer Detektor 2.5 vorgesehen sein, der dazu konfiguriert ist zu detektieren, ob der Schaltzyklus beendet ist, das heißt ob der MOSFET HS1 , HS2, LS1 , LS2 vollständig ausgeschaltet ist. Dies kann beispielsweise durch Überwachung der Gate-Source-Spannung VGS (unter einem ersten Schwellwert bedeutet ausgeschaltet, über einem zweiten Schwellwert bedeutet eingeschaltet) oder einer Drain-Source-Spannung VDS (Spannungsabfall über Drain/Source ist unterhalb eines Schwellwerts bedeutet vollständig eingeschaltet) erfolgen.

Eine mittels Pulsweitenmodulation gesteuerte Brückenschaltung 1 aus MOSFETs HS1 , HS2, LS1 , LS2, beispielsweise eine H-Brücke, eine Halbbrücke HB1 , HB2 oder andere Konfigurationen können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in Motortreiberschaltungen oder Invertern. Die MOSFETs HS1 , HS2, LS1 , LS2 werden mittels eines pulsweitenmodulierten Signals gesteuert um einen gewünschten Spannungs- und/oder Stromverlauf an die Last L anzulegen.

Bei jeder Umschaltung eines der MOSFETs HS1 , HS2, LS1 , LS2 wird infolge parasitärer reaktiver Komponenten ein Schwingkreis angeregt, der in den Strömen und Spannungen am MOSFET HS1 , HS2, LS1 , LS2 Schwingungen (Überschwingen) auslöst. Das Überschwingen kann galvanisch weitergeleitete oder abgestrahlte Emissionen verursachen, die die Grenzen der elektromagnetischen Verträglichkeit überschreiten. Die Erfindung ermöglicht die Beschränkung der Emissionen und die Minimierung der Schaltzeit durch entsprechendes Formen eines Gatestroms l _g des MOSFET HS1 , HS2, LS1 , LS2 während einer Ein/Ausschalt-Sequenz des MOSFET HS1 , HS2, LS1 , LS2.

Figur 8 zeigt ein schematisches Diagramm mit einer Schaltsequenz eines MOSFET HS, LS.

Während einer Einschaltsequenz, wie in Figur 8 gezeigt, beginnt der Gatestrom l _g mit einem hohen Stromwert lg 1 ON, ZU einem Zeitpunkt t1 ON wird er auf einen niedrigeren Stromwert lg2oN geschaltet und zu einem Zeitpunkt t2oN wird er wieder auf einen hohen Stromwert lg3oN geschaltet, der nicht mit dem Stromwert Igl oN identisch sein muss, jedoch sein kann. Die Stromwerte Igl oN, lg2oN, lg3oN sind vordefinierte Werte. Hingegen werden die Zeitpunkte t1oN und t2oN durch die Gatetreiberschaltung 2 mittels eines Reglers 2.1 ermittelt, der von einem Millerplateau-Detektor 2.2 zur Detektion eines Millerplateaus MP angesteuert wird. Der Regler 2.1 steuert eine Quelle 2.4 an, die den Gatestrom l _g festlegt. Während einer Ausschaltsequenz beginnt der Gatestrom l _g mit einem hohen Stromwert Igl oFF, zu einem Zeitpunkt t1 OFF wird er auf einen niedrigeren Stromwert lg2oFF geschaltet und zu einem Zeitpunkt t2oFF wird er wieder auf einen hohen Stromwert lg3oFF geschaltet, der nicht mit dem Stromwert Igl oFF identisch sein muss. Die Stromwerte Igl oFF, lg2oFF, lg3oFF sind vordefinierte Werte. Hingegen werden die Zeitpunkte H OFF und t2oFF durch die Gatetreiberschaltung 2 mittels eines Reglers 2.1 ermittelt, der von einem Millerplateau-Detektor 2.2 zur Detektion eines Millerplateaus MP angesteuert wird. Die Regelung wird über mehrere Arbeitszyklen der Pulsweitenmodulation ausgeführt. Die Gatetreiberschaltung 2 weist einen Messanschluss 2.3 auf, mittels dessen eine Phasenspannung VPHASE der jeweiligen Halbbrücke HB1 , HB2 messbar und dem Millerplateau-Detektor 2.2 zuführbar ist. In alternativen Ausführungsformen kann durch den Messanschluss 2.3 irgendein Strom oder irgendeine Spannung der Halbbrücke HB1 , HB2 gemessen werden. Ein weiteres Beispiel ist ein Spitzenwert-Detektor, der Spannungstransienten am Source-Anschluss des MOSFET LS im unteren Brückenzweig überwacht.

Statt der Stromwerte können auch Gatespannungsänderungsraten als Steuerwerte verwendet werden. Das Verfahren erlaubt auch die Anpassung des Stromwerts Ig2 anhand des Laststroms und kann daher das Gatestromprofil besser an den Schaltprozess anpassen.

In synchronen DC/DC-Wandlern oder in Motortreiberschaltungen verursacht nicht jeder Schaltvorgang Emissionen, die für die elektromagnetische Verträglichkeit relevant sind. Beispielsweise sind freilaufende MOSFETs HS, LS normalerweise unkritisch bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit. Die Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, MOSFETs HS, LS zu detektieren, die bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit kritisch sind, und das beschriebene Verfahren zur Formung des Gatestroms l _g nur auf diese MOSFETs HS, LS anzuwenden. Freilaufende MOSFETs HS, LS können stattdessen mit einem konstanten Gatestrom l _g betrieben werden.

Der Regelkreis basiert auf der Detektion des Millerplateaus MP. Bei vielen Anwendungen ist der Parameter mit der höchsten Dynamik, der das Millerplateau MP beeinflusst, der Laststrom ILOAD, das heißt bei Motortreiberschaltungen der Phasenstrom IPHASE. ES kann vorkommen, dass ein Regler 2.1 zu langsam ist, um den Fluktuationen des Laststroms ILOAD ZU folgen. Die Erfindung beschreibt daher eine Möglichkeit, die Genauigkeit der Regelung für den Fall schneller, dynamischer Ausgangsströme zu verbessern, um für die elektromagnetische Verträglichkeit relevante Emissionen weiter zu reduzieren. In einer Ausführungsform ist der Regler 2.1 als I-Regler ausgebildet.

Reale Stromquellen können den gewünschten Strom nicht über den gesamten Spannungsbereich liefern. Aus diesem Grund ist es im Stand der Technik nicht möglich, die gewünschte Gate-Source-Spannung VGS am Ende der Einschaltsequenz und der Ausschaltsequenz zu erreichen. Die Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, die gewünschte Gate-Source-Spannung VGS ZU erreichen ohne die elektromagnetische Verträglichkeit zu beeinträchtigen.

Figur 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer vereinfachten Halbbrücke HB1 . Halbbrücken HB1 , HB2 zum Betrieb einer induktiven Last L, beispielsweise DC/DC-Wandler, H-Brücken-Motortreiberschaltungen oder B6- Motortreiberschaltungen, können, wie in Figur 2 gezeigt, vereinfacht werden. In einigen Anwendungen, wie zum Beispiel Einquadranten-DC/DC-Wandlern, hat der Laststrom ILOAD immer die gleiche Polarität. In anderen Anwendungen, wie zum Beispiel Motortreiberschaltungen, kann die Polarität des Laststroms ILOAD sich über die Zeit ändern.

Wenn der Laststrom ILOAD positiv ist wie in Figur 2 links dargestellt, verursacht das Schalten des MOSFET HS im oberen Brückenzweig eine schnelle Änderung des Versorgungsstroms Is und in der Phasenspannung VPHASE und löst Überschwingen aus. In diesem Fall ist der MOSFET LS im unteren Brückenzweig im Freilaufpfad und das Schalten des MOSFET LS verursacht keinerlei Überschwingen, keinerlei Veränderung im Versorgungsstrom Is und nur eine geringe Änderung in der Phasenspannung VPHASE.

Wenn der Laststrom ILOAD negativ ist wie in Figur 2 rechts dargestellt, verursacht das Schalten des MOSFET LS im unteren Brückenzweig eine schnelle Änderung des Versorgungsstroms und in der Phasenspannung VPHASE und löst Überschwingen aus. In diesem Fall ist der MOSFET HS im oberen Brückenzweig freilaufend und das Schalten des MOSFET HS verursacht keinerlei Überschwingen, keinerlei Veränderung im Versorgungsstrom und nur eine geringe Änderung in der Phasenspannung VPHASE.

Überschwingen und schnelle Änderungen im Versorgungsstrom und in der Phasenspannung VPHASE verursachen normalerweise Überschreitungen der galvanisch weitergeleiteten oder abgestrahlten Emissionen bezüglich der Spezifikationen der elektromagnetischen Verträglichkeit. Überschwingen und schnelle Änderungen im Versorgungsstrom Is und in der Phasenspannung VPHASE können reduziert werden, indem der verursachende MOSFET HS, LS, das heißt der MOSFET HS bei positivem Laststrom ILOAD und der der MOSFET LS bei negativem Laststrom ILOAD, entsprechend angesteuert wird.

Um einen Kurzschluss zu vermeiden ist immer eine Totzeit td vorgesehen, während der beide MOSFETs HS, LS der Halbbrücke HB1 ausgeschaltet sind. Während der Totzeit td fließt der Laststrom ILOAD in der Body-Diode des MOSFET HS, LS. Wenn der Laststrom ILOAD positiv ist fließt er in der Body-Diode des MOSFET LS. Wenn der Laststrom ILOAD negativ ist fließt er in der Body-Diode des MOSFET HS. Deshalb ist während der Totzeit td die Phasenspannung VPHASE niedrig, wenn der Phasenstrom IPHASE positiv ist, und die Phasenspannung VPHASE ist hoch, wenn der Phasenstrom IPHASE negativ ist, wie in Figur 3 gezeigt. Figur 3 zeigt schematische Diagramme der Phasenspannung VPHASE über der Zeit t beim Schalten des MOSFETs HS, LS, wobei ein Schaltzustand HS ON den eingeschalteten MOSFET HS im oberen Brückenzweig symbolisiert und LS ON den eingeschalteten MOSFET LS im unteren Brückenzweig symbolisiert.

Die Vorrichtung, in der die vorliegende Erfindung implementiert ist, das heißt die Gatetreiberschaltung 2, kann detektieren, ob beide MOSFETs HS, LS ausgeschaltet sind, und die Phasenspannung VPHASE während der Totzeit td messen. Eine Möglichkeit zu detektieren, dass beide MOSFETS HS, LS ausgeschaltet sind, ist zu überprüfen, wann die beiden Gate-Source-Spannungen VGS beider MOSFETs HS, LS gleichzeitig unterhalb eines Schwellwerts VGS_TH liegen wie in Figur 4 gezeigt ist. Figur 4 zeigt ein schematisches Diagramm der Gate-Source-Spannung VGS eines MOSFET HS, LS über der Zeit t beim Schalten des MOSFETs HS, LS.

Die Messung der Phasenspannung VPHASE wird dann verwendet um zu detektieren, ob der nächste einzuschaltende MOSFET freilaufend ist oder nicht wie im in Figur 10 dargestellten Algorithmus gezeigt wird. Wenn die Phasenspannung VPHASE niedrig ist, dann wird der MOSFET HS im oberen Zweig der Halbbrücke HB1 bis HB3 als nächstes mit mindestens drei verschiedenen Stromwerten Ig 1 , Ig2, Ig3 betrieben. Anderen falls wird der MOSFET LS im unteren Zweig der Halbbrücke HB1 bis HB3 als nächstes mit mindestens drei verschiedenen Stromwerten Ig1 , Ig2, Ig3 betrieben. Die Höhe der Phasenspannung VPHASE kann mit einem Hysteresekomparator ermittelt werden. Beispielsweise wird die Phasenspannung VPHASE als niedrig erachtet, wenn sie unter 25% eines festgelegten Werts liegt, und als hoch erachtet, wenn sie über 75% des festgelegten Werts liegt. Jede Halbbrücke HB1 bis HB3 hat ihre eigene Phasenspannung VPHASE und der Zustand dieser Phasenspannung VPHASE während der Totzeit to bestimmt, wie die MOSFETs HS, LS dieser Halbbrücke HB1 bis HB3 gesteuert werden. Es können ein oder mehrere Halbbrücken HB1 bis HB3 vorgesehen sein. Es können drei oder mehr Stromwerte Ig 1 , Ig2, Ig3 zur Steuerung des Gates G vorgesehen sein.

Figur 10 zeigt eine schematische Ansicht eines Algorithmus zur Ermittlung, welcher MOSFET HS, LS einer Halbbrücke HB1 , HB2 freilaufend ist.

Falls der nächste anzusteuernde MOSFET HS, LS freilaufend ist, wird er mit einem konstanten Gatestrom l _g angesteuert. Anderenfalls wird er während des Schaltens unter Verwendung mindestens dreier unterschiedlicher Stromwerte Ig1 , Ig2, Ig3 angesteuert, wie in WO2014/173969 A1 beschrieben und in Figur 5 für den freilaufenden MOSFET LS und Figur 6 für den freilaufenden MOSFET HS gezeigt ist.

Figur 5 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltsequenz der Halbbrücke HB1 bei freilaufendem MOSFET LS, wobei eine Gate-Source-Spannung VGS_LS des MOSFET LS, eine

Gate-Source-Spannung VGS_HS des MOSFET HS, ein Gatestrom l _g _i_s des MOSFET LS, ein Gatestrom l _g _Hs des MOSFET HS und die

Phasenspannung VPHASE dargestellt sind. Figur 6 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltsequenz der Halbbrücke HB1 bei freilaufendem MOSFET HS, wobei eine Gate-Source-Spannung VGS_LS des MOSFET LS, eine Gate-Source-Spannung VGS_HS des MOSFET HS, ein Gatestrom l _g _i_s des MOSFET LS, ein Gatestrom l _g _Hs des MOSFET HS und die Phasenspannung VPHASE dargestellt sind.

In einer Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung der Gates G entsprechend der in WO 2014/173969 A1 beschriebenen Steuerungsvorrichtung und dem dafür beschriebenen Verfahren, insbesondere gemäß den Figuren 1 und 3 bis 18 und der Beschreibung auf Seiten 8 bis 26. Die WO 2014/173969 A1 wird hiermit vollumfänglich durch Verweis in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen.

Das Ausschalten wird in der gleichen Weise durchgeführt wie das Einschalten: Wenn ein Gatestrom l _g mit mindestens drei verschiedenen

Stromwerten lg 1 , Ig2, Ig3 zum Einschalten verwendet wurde, dann wird er auch beim Ausschalten verwendet. Wenn ein konstanter Strom beim Einschalten verwendet wurde, dann wird er auch beim Ausschalten verwendet, außer wenn lange Impulse detektiert werden, die eine Änderung in der Polarität des Phasenstroms IPHASE verursachen. Bei Anwendungen, in denen ein bürstenloser Gleichstrommotor verwendet wird, könnten lange Impulse entweder auf den MOSFET HS oder den MOSFET LS angewandt werden. Diese Impulse verursachen die Inversion der Polarität des Phasenstroms IPHASE wie in Figur 7 gezeigt ist. Figur 7 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Brückenschaltung 1 zum Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors M, wobei drei

Halbbrücken HB1 , HB2, HB3 fürje eine Phase P1 , P2, P3 vorgesehen sind. Ferner ist ein schematisches Diagramm gezeigt, in dem der Phasenstrom IPHASEI der ersten Halbbrücke HB1 sowie der Schaltzustand LS1_PULSE des MOSFET LS1 der ersten Halbbrücke HB1 , der Schaltzustand HB2_PULSE der zweiten Halbbrücke HB2 und der Schaltzustand HB3_PULSE der dritten Halbbrücke HB3 über der zeit t dargestellt sind. Die Schaltzustände HB2_PULSE und HB3_PULSE entsprechen den pulsweitenmodulierten Signalen zur Steuerung der Halbbrücken HB2, HB3. Beispielsweise kann der MOSFET LS1 , LS2, LS3 im unteren Brückenzweig der jeweiligen Halbbrücke HB1 , HB2, HB3 eingeschaltet werden, wenn das jeweilige pulsweitenmodulierte Signal einen Low-Pegel aufweist und der MOSFET HS1 , HS2, HS3 im oberen Brückenzweig der jeweiligen Halbbrücke HB1 , HB2, HB3 kann eingeschaltet werden, wenn das jeweilige pulsweitenmodulierte Signal einen High-Pegel aufweist. Die pulsweitenmodulierten Signale sind lediglich zur besseren Erkennbarkeit mit unterschiedlichen Amplituden dargestellt. Der Schaltzustand LS1_PULSE entspricht einem invertierten Schaltzustand HB1_PULSE (nicht dargestellt). Bezüglich Figur ? soll beispielhaft angenommen werden, dass der MOSFET LS1 in der Halbbrücke HB1 angeschaltet wird, wenn der entsprechende Phasenstrom IPHASEI positiv ist. Dann ist der MOSFET LS1 beim Einschalten freilaufend. Es soll weiter angenommen werden, dass der

MOSFET LS1 lange genug eingeschaltet bleibt, dass ein Polaritätswechsel auf dem Phasenstrom IPHASEI der Phase P1 stattfindet. Beim Ausschalten ist der

MOSFET LS1 daher nicht freilaufend. Wenn der MOSFET LS1 mit konstantem Gatestrom l _g ausgeschaltet wird, so kann er ein schnelles Schalten generieren, wodurch Probleme bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit verursacht werden können. Die Gatetreiberschaltung 2, in der die Erfindung implementiert ist, ist imstande, lange Impulse beider MOSFETs HS und LS jeder

Halbbrücke HB1 , HB2, HB3 zu detektieren, indem die Impulse auf den anderen Halbbrücken HB1 , HB2, HB3 gezählt werden. Für den in Figur ? betrachteten Fall wird daher, wenn der MOSFET LS1 eingeschaltet wird, ein Zähler gestartet. Der Zählerstand wird jedes Mal, wenn ein neuer Arbeitszyklus der Pulsweitenmodulation auf irgendeine der anderen Halbbrücken HB2, HB3 angewandt wird, um eins erhöht. Wenn der Zähler einen bestimmten Wert erreicht hat, dann wird das Abschalten des MOSFETs LS1 unter Verwendung mindestens dreier unterschiedlicher Stromwerte Ig1 , Ig2, Ig3 durchgeführt.

Das Ziel beim Ansteuern eines MOSFET mit mindestens drei verschiedenen Stromwerten Ig1 , Ig2, Ig3 beim Schalten, wie es in WO2014/173969 A1 beschrieben und in Figur 8 gezeigt ist, besteht darin, bedarfsabhängig Emissionen zu verringern und Schaltverluste zu optimieren. Das in WO2014/173969 A1 beschriebene Verfahren verwendet eine Überschwingmessung, um die Zeitpunkte t1oN, tloFF, t2oN, t2oFF beim Einschalten und Ausschalten in der Regelung anzupassen. Die Überschwingmessung erbringt im Wesentlichen folgende Information: Wann und wie schnell wird beim Einschalten das Millerplateau MP erreicht. Wann und wie schnell wird beim Ausschalten das Millerplateau MP verlassen.

Die vorliegende Erfindung ist daher eine Weiterentwicklung der in WO2014/173969 A1 beschriebenen Vorgehensweise. Die Überschwingmessung kann durch jede andere Methode zur Detektion des Millerplateaus MP ersetzt werden. Sobald die Information über das Millerplateau MP bekannt ist können die Zeitpunkte t1oN, t2oN für das Einschalten und die Zeitpunkte tloFF und t2oFF für das Ausschalten berechnet und ausgehend davon angepasst werden wie in Figur 9 gezeigt. Figur 9 zeigt ein schematisches Diagramm mit einer Schaltsequenz eines

MOSFET HS, LS. Beispielsweise findet beim Einschalten der Wechsel vom Stromwert Igl oN zum Stromwert lg2oN um eine Zeitdifferenz AM ON vor dem Beginn des Millerplateaus MP statt. Der Wechsel vom Stromwert lg2oN zum

Stromwert lg3oN findet beim Einschalten um eine Zeitdifferenz At2oN nach dem Beginn des Millerplateaus MP statt. Beim Ausschalten findet der Wechsel vom Stromwert Igl oFF zum Stromwert lg2oFF um eine Zeitdifferenz At1 OFF nach dem Erreichen des Millerplateaus MP statt. Der Wechsel vom Stromwert lg2oFF zum Stromwert lg3oFF findet beim Ausschalten um eine Zeitdifferenz At2oFF verschoben statt.

Die Zeitdifferenzen AtloN, At2oN, AM OFF und At2oFF können in Abhängigkeit von den Erfordernissen der Anwendung positiv oder negativ sein.

Es werden zwei Typen von Millerplateau-Detektoren 2.2 vorgeschlagen, die für die vorliegende Erfindung besonders geeignet sind:

1 ) Einen Millerplateau-Detektor 2.2, der anzeigt, wann das Millerplateau MP beginnt.

2) Einen Millerplateau-Detektor 2.2, der anzeigt, wann das Millerplateau MP beginnt und endet.

Bei einem Millerplateau-Detektor 2.2 gemäß der ersten Ausführungsform wird das Millerplateau MP in jedem Arbeitszyklus der Pulsweitenmodulation, in der der MOSFET LS, HS nicht freilaufend ist, detektiert, und diese Information wird verwendet, um die Zeitpunkte H ON t2oN für das Einschalten und die Zeitpunkte tloFF und t2oFF für das Ausschalten anzupassen, um die Zeitdifferenzen AtloN, At2oN, AM OFF und At2oFF im nächsten Arbeitszyklus näher an einem Zielwert der Zeitdifferenz At1 ONSET, At2oNSET, At1 OFFSET, At2oFFSET zu erhalten, wie in Figur 11 gezeigt ist. Figur 11 ist eine schematische Ansicht einer Zustandsmaschine des MOSFETS HS oder LS für die Anpassung der Zeitpunkte t1oN, t2oN für das Einschalten und die Zeitpunkte tloFF und t2oFFfür das Ausschalten, wenn der jeweilige MOSFET HS, LS mit mindestens drei Stromwerten Ig1 , Ig2, Ig3 betrieben wird. Figur 11 stellt eine mögliche Ausführungsform des Reglers 2.1 dar. Bei einem Einschaltkommando für den MOSFET HS, LS wird ein Zeitgeber gestartet und der MOSFET HS, LS mit dem Gatestrom l _g angesteuert. Sobald der Millerplateau-Detektor 2.2 ein Millerplateau MP detektiert, wird der entsprechende Zeitpunkt tMON gespeichert. Anschließend wird die Zeitdifferenz AtloN als Differenz der Zeitpunkte tMON und t1oN bestimmt und es wird die Zeitdifferenz At2oN als Differenz der Zeitpunkte t2oN und tMON bestimmt.

Im Arbeitszyklus werden, falls die Differenz zwischen dem Zielwert At1 ONSET, At2oNSET, At1 OFFSET, At2oFFSET und dem jeweiligen gemessenen Wert AtloN, At2oN, Atl oFF, At2oFF nicht 0 ist, die relevanten Zeitpunkte t1oN, t2oN, H OFF und t2oFF um ein Inkrement tloNiNc, t2oNiNc, tl oFFiNc und t2oFFiNc erhöht/verkleinert, welches konstant oder proportional zum Fehlersignal (Differenz zwischen dem Zielwert At und dem gemessenen Wert At) sein kann.

Die Regelung der Zeitpunkte t1oN, t2oN, H OFF und t2oFF basiert auf der Detektion des Millerplateaus MP. Der Laststrom ILOAD ist normalerweise der Parameter mit der schnellsten Dynamik, der das Millerplateau MP beeinflussen kann. Wenn der Laststrom ILOAD beziehungsweise der Drainstrom Id von einem Stromwert Id1 auf einen Stromwert Id2 erhöht wird, erhöht sich auch die Spannung VM1 , VM2 des Millerplateaus MP wie in Figur 12 gezeigt ist (sowohl die Übertragungseigenschaften als auch die Kurven im Zeitbereich). Die Zeitpunkte t1 ON, t2oN, t1 OFF und t2oFF sollen entsprechend der Spannung VM1 , VM2 des Millerplateaus MP angepasst werden, um die gewünschten

Zeitdifferenzen AH ON, At2oN, AH OFF and At2oFF beizubehalten. Wenn beispielsweise die Spannung VM1 , VM2 des Millerplateaus MP sich erhöht, dann soll der Zeitpunkt t1oN auch erhöht werden, um die gewünschte Zeitdifferenz AH ON zu erhalten. Für jeden Zeitpunkt t1oN, t2oN, H OFF und t2oFF ist ein Default-Wert t _x _DEF definiert. Der Default-Wert t _x _DEF wird zu Beginn verwendet, um den Regler 2.1 zu initialisieren. Um den Regler 2.1 zu beschleunigen kann ein Verhältnis (linear oder nicht-linear gemäß Erfordernis) zum Laststrom ILOAD wie in Figur 13 gezeigt implementiert werden (Es werden nur lineare Fälle gezeigt.). Für jeden Laststrom ILOAD (oder Laststrombereich, wenn die Implementierung auf digitale Weise erfolgt) kann der relevante Default-Wert DEF mittels eines konstanten Faktors K berechnet werden (beispielsweise t _x _DEF = t _x _DEFo + K*lLoad). Für jeden Laststrom ILOAD (Laststrombereich) kann der Regler 2.1 dann die Regelung durchführen und den optimalen Wert finden. Der konstante Faktor K kann für die jeweilige Anwendung festgelegt sein.

Ein Regler 2.1 gemäß der zweiten Ausführungsform baut auf der ersten Ausführungsform auf. Bei der Verwendung von mindestens drei Stromwerten Ig 1 , Ig2, Ig3 für den Gatestrom l _g wird der Gatestrom l _g im zweiten Abschnitt während der Kommutierung (Umschaltung) auf den zweiten Stromwert Ig2 heruntergesetzt, damit das Überschwingen in einem akzeptablen Bereich bleibt. Die Detektion des Millerplateaus MP zusammen mit dem Beibehalten der Zielwerte der Zeitdifferenz At1 ONSET, At2oNSET, At1 OFFSET und At2oFFSET stellt sicher, dass das Gate G des MOSFET HS, LS während der Kommutierung (Umschaltung) mit dem gewählten zweiten Stromwert Ig2 des Gatestroms l _g angesteuert wird. Ein fester Stromwert Ig2 des Gatestroms l _g ist jedoch nicht optimal für den gesamten Bereich von Lastströmen ILOAD.

Daher kann bei der Verwendung von mindestens drei Stromwerten Ig1 , Ig2, Ig3 für den Gatestrom l _g der zweite Stromwert Ig2 während des Einschaltens und Ausschaltens des MOSFET HS, LS entsprechend dem Pegel des Laststroms ILOAD angepasst werden (siehe Figur 14). Figur 14 zeigt links ein schematisches Diagramm einer Einschaltsequenz und rechts ein schematisches Diagramm einer Ausschaltsequenz eines MOSFET HS, LS.

Diese Anpassung des Stromwerts Ig2 bietet die zusätzliche Möglichkeit, das Überschwingen und die Leistungsverluste zu optimieren, indem die Steilheit des Anstiegs der Gate-Source-Spannung VGS während der Kommutierung (Umschaltung) des Stroms verändert wird wie in Figur 14 gezeigt ist.

Hierzu wird der Bereich der Lastströme ILOAD in N Unterbereiche unterteilt wie in Figur 15 gezeigt. Figur 15 ist ein schematisches Diagramm des zweiten Stromwertes Ig2 des Gatestroms l _g in Abhängigkeit vom Laststrom ILOAD. Jeder Unterbereich entspricht einem bestimmten Stromwert Ig2. Die Steilheit dieser Kurve wird entsprechend den Erfordernissen der elektromagnetischen Verträglichkeit und den Verlusterfordernissen festgelegt. Für jeden Unterbereich des Laststroms ILOAD wird der Stromwert Ig2 angepasst, um die Zielwerte der Zeitdifferenz At1 ONSET, At2oNSET, At1 OFFSET und At2oFFSET zu regeln. Die Regelung der vorgegebenen Werte der Zeitdifferenz Atx erfolgt analog dem in Figur 11 gezeigten Flowchart. Wenn beispielsweise AtloN größer ist als At1 ONSET, dann wird lg2oN um ein Inkrement lg2oNiNc erhöht. Umgekehrt wird, wenn AtloN kleiner ist als At1 ONSET, IQ2ON um das Inkrement lg2oNiNc verringert. Die Zielwerte der Zeitdifferenz At1 ONSET, At2oNSET, At1 OFFSET und At2oFFSET sind Funktionen der Unterteilung des Laststroms ILOAD. Die Zielwerte der Zeitdifferenz AtxoNSET und AtxoFFSET hängen mit dem Laststrom ILOAD zusammen wie in Figur 16 gezeigt ist. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung in der Gatetreiberschaltung 2. Figur 16 ist ein schematisches Diagramm des gewünschten Wertes AtxoNSET in Abhängigkeit vom Laststrom ILOAD.

Figur 17 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung des Überschwingverhaltens für verschiedene zweite Stromwerte Ig2(1 ) bis Ig2(4) des Gatestroms l _g . Figur 18 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung des Verlustverhaltens für verschiedene zweite Stromwerte Ig2(1 ) bis Ig2(4) des Gatestroms l _g . Da das Verfahren AtxsET-Werte für verschiedene Laststrombereiche vorsieht, wählt der Regelalgorithmus verschiedene Stromwerte Ig2 abhängig vom Unterbereich des Laststroms ILOAD. Dies ermöglicht mehr Flexibilität, um die elektromagnetische Verträglichkeit und die Verluste beim Schalten zu optimieren. Wenn Ig2 beispielsweise von Ig2(4) bis Ig2(1 ) variiert, dann sind die Bereiche oberhalb der gestrichelten Linie Leistungsgewinne. In den Figuren 17 und 18 ist der zweite Stromwert Ig2(1 ) am geringsten und der zweite Stromwert Ig2(4) am höchsten. Wenn beispielsweise Ig2(4) als zweiter Stromwert gewählt wird, so erfolgt das Schalten des MOSFET von Aus nach An oder von An nach Aus schneller, da das Gate schneller aufgeladen wird. Daher fällt der Leistungsverlust während des Schaltens geringer aus, das Überschwingenniveau ist jedoch höher.

Die Default-Werte für t1 _on , t2 ₀ n, t1 off und t1 ₀ ff werden gemäß der ersten Ausführungsform für den ersten Unterbereich des Laststroms ILOAD ermittelt. Die Default-Werte für t1 _on , t2 _on , t1 off und t1 ₀ ff für die anderen Unterbereiche des Laststroms ILOAD hängen untereinander linear oder über eine einfache nichtlineare Funktion zusammen wie in Figur 13 gezeigt ist. Jedes Mal, wenn der Phasenstrom in dem ersten Unterbereich des Laststroms liegt, wird das Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt, um zu den gewünschten Default- Werten t _x _DEF zu gelangen.

Auch dann, wenn die Default-Werte für t1 ₀ n_def nicht innerhalb des einen Zyklus der elektrischen Kommutierung konvergiert werden, beeinträchtigt dies die Leistung nicht drastisch. Dies liegt daran, dass das Überschwingen über einen Bereich von t1 on-Werten konstant ist. Der letzte Wert für t1 _on am Ende der Iteration (in einem Unterbereich des Laststroms ILOAD) kann verwendet werden, um die initialen Werte für t1 ₀ n für die nächsten Unterbereiche zu bilden. Dies trifft auch auf die verbleibenden Default-Werte zu.

Um einen minimalen Durchgangswiderstand Ros/on) am MOSFET HS, LS zu erzielen, soll die Gate-Source-Spannung VGS einen hinreichend hohen Wert erreichen (beispielsweise VGS>1 0V). Dies kann bei Verwendung von Stromquellen mit einer Spannung, die sehr nah an der angestrebten Gate-Source-Spannung VGS liegt, unmöglich sein. Wenn das Einschalten abgeschlossen ist, ist es aus diesem Grund erforderlich, den Stromquellen-Modus zu verlassen, um die finale Gate-Source-Spannung VGS ZU erreichen. Dies erfolgt am Ende des Zeitraums, in dem der dritte Stromwert Ig3 zum Ansteuern des MOSFET HS, LS verwendet wird (Figur 8). Der Zeitpunkt am Ende dieses Zeitraums kann auf verschiedene Weise bestimmt werden, beispielsweise mittels eines Zeitgebers, der am Beginn des Millerplateaus MP ausgelöst wird oder mittels eines Komparators für die Gate-Source-Spannung VGS. Da beim freilaufenden MOSFET HS, LS kein Millerplateau MP vorhanden ist kann das Ende des Stromquellen-Modus durch einen Komparator für die Gate-Source-Spannung VGS oder einen Zeitgeber bestimmt werden, der startet, wenn das Schalten beginnt.

Etwas Ähnliches geschieht auch beim Ausschalten: Während der Aus-Zeit soll unerwünschtes Anschalten des MOSFET HS, LS infolge von Kopplung mit anderen Signalen vermieden werden. In diesem Falle könnte auch die Stromquelle wegen niedriger Versorgungsspannung der Stromquelle selbst nicht den angestrebten Pegel erreichen. Daher muss der Stromquellen-Modus auch in diesem Falle verlassen werden. Dies geschieht, wenn der Zeitraum, in dem der dritte Stromwert Ig3 zum Ansteuern des MOSFET HS, LS verwendet wird, vorüber ist. Das Ende dieses Zeitraums kann mittels derselben Komparatoren für VGS bestimmt werden, die bereits verwendet werden, um zu prüfen wann beide MOSFETs HS, LS ausgeschaltet sind.

Die Gatetreiberschaltung 2 kann vollständig oder teilweise in einem integrierten Schaltkreis, beispielsweises einem ASIC oder ASSP, implementiert sein.