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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Begrenzen der Abschaltüberspannung eines Halbleiterschalters, der an einer Gleichspannungsquelle anliegt und eine Last treibt.
Halbleiterschalter, wie z. B. ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) haben gewisse Belastungsgrenzen. So gibt es für den IGBT unter anderem maximal erlaubte Spannungen vom Kollektor zum Emitter als auch maximal erlaubte Kollektorströme. Die Überschreitung dieser Grenzen, insbesondere der Spannungsgrenzen, ist zu verhindern, um eine Beschädigung der Schaltung beziehungsweise des Halbleiterschalters zu vermeiden. Daher ist es wichtig, die nicht zu verhindernde Abschaltüberspannung eines Halbleiterschalters zu limitieren, um die Erreichung der Belastungsgrenzen des Halbleiterschalters zu vermeiden. Diese Problematik tritt besonders bei IGBTs im Allgemeinen bei hohen zu schaltenden Lastströmen ic auf.
Mit konventionellen Techniken ist es nur möglich, das Schaltverhalten eines Halbleiterschalters, wie z. B. ein IGBT, über den Gatewiderstand und eventuell über externe Gate - Emitter Kapazitäten zu beeinflussen, wobei das Abschaltverhalten mit diesen Methoden schlecht einstellbar ist. Die konventionelle Ansteuerungsmethode entspricht in regelungstechnischer Nomenklatur einer Steuerung. Erweiterte Möglichkeiten ergeben sich beim Einsatz einer Regelung, wobei die Regelung aktiv auf das Gate des Halbleiterschalters eingreift und dadurch das Schaltverhalten in gewünschter Weise beeinflusst.
Moderne Ansteuerstrategien
Je nach Realisierung der Regelung bzw. der Ausführung der Rückkopplung spricht man von der #active clamp control", der #active du/dt control" sowie der #active di/dt control" Einrichtung.
Falls in der Regeleinrichtung ein Leistungsverstärker verwendet wird, spricht man auch von einer "boosted" Control - Einrichtung, wie zum Beispiel von einer "active boosted clamp control".
Die Regelungen werden in Analogtechnik ausgeführt. Im Fall der du/dt Control und der clamp control wird die Spannung UCE am Halbleiterschalter erfasst und ein gewünschter Eingriff auf das Gate durchgeführt. Aufgabe der du/dt Controleinrichtung ist es, die Spannungssteilheiten beim Einund Ausschalten des Halbleiterschalters zu begrenzen, wohingegen die clamp-Control Einrichtung nur beim Ausschalten des Halbleiterschalters wirkt und die Abschaltüberspannung (siehe unten) begrenzen soll. Die du/dt Control Einrichtung wird üblicherweise mittels eines Kondensators im Rückkoppelkreis realisiert, wohingegen bei der Clamp Control im Allgemeinen Zener-Dioden zum Einsatz kommen. Bei der di/dt Control wird aufgrund der Stromsteilheiten des Halbleiterschalters ein entsprechender Gateeingriff verwirklicht.
Da sich die vorliegende Patenanmeldung auf eine spezielle Variante einer clamp-Control bezieht, werden hier im folgenden nur bekannte clamp-Control Einrichtungen behandelt (siehe Fig. 1 und 2).
Die bekannte Schaltung nach Fig. 1 wird mittels Zenerdioden und Serienwiderstand Rcl als Rückkopplung realisiert, wobei die Zener Spannung Uzener über der maximal möglichen Dauerspannung UZK liegen muss. Die induktive Last L# (unter anderem zum Beispiel gegeben durch die Streuinduktivität des Motors, etc. ) wirkt während des schnellen Schaltvorganges wie eine Stromquelle. Wenn der Halbleiterschalter 4, hier ein IGBT, eingeschaltet ist, sperrt die Freilaufdiode 5 und der Strom ic fliesst durch den IGBT 4, welcher eine Durchlassspannung von etwa 2V aufweist. Der Rückkoppelkreis führt keinen Strom und die Regeleinrichtung ist nicht aktiv.
Wenn nun der IGBT 4 ausgeschaltet wird, kommt es vorerst zu einem konventionellen Ausschalten über den
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IGBT 4 steigt an und überschreitet nach kurzer Zeit die Sperrspannung der Zenerdiode 8. Ab diesem Zeitpunkt bricht die Zenerdiode 8 durch und ein Strom beginnt über Rcl und dem Abschalt-
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dadurch leicht auf, wodurch die Überspannung am IGBT 4 reduziert wird.
Vorrausetzung für die Funktionsfähigkeit der Schaltung 1 nach Fig. 1 ist eine Zenerspannung UZener, welche höher als die maximal mögliche Zwischenkreisspannung UZK ist, um ein dauerndes Aufsteuern des IGBTs 4
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Voraussetzung muss die Zenerspannung UZener relativ hoch gewählt werden, da auch Bauteiltoleranzen der Zenerdiode 8 und Temperatureinflüsse berücksichtigt werden müssen, wodurch einen beträchtlicher Nachteil entsteht.
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Eine andere bekannte Schaltung wird in Fig. 2 gezeigt: Wenn in Fig. 2a der Halbleiterschalter 4 eingeschaltet ist, wird bei dieser Schaltungsvariante
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leiterschalters 4 kommt es zuerst zu einem konventionellen Abschalten des Halbleiterschalters, wie weiter unten beschrieben. Ab dem Zeitpunkt, bei dem die Spannung am Halbleiterschalter 4 die Zwischenkreisspannung UZK überschreitet, wird die Diode 8 leitend. Wenn Ccl gross genug gewählt
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über einen Leistungsverstärker 7) und somit ein Aufsteuern des Halbleiterschalters zwecks Begrenzung der Abschaltüberspannung. Während dieses Clamp-Eingriffs wird der Kondensator Ccl nur geringfügig über das Niveau der Zwischenkreisspannung UZK aufgeladen. Re wirkt als Entladewiderstand für den Kondensator Ccl und entlädt sich schliesslich auf das Niveau der Zwischenkreisspannung UZK.
Diese Clamp-Schaltung begrenzt die Halbleiterschalter - Abschaltüberspannung ab der Zwischenkreisspannung UZK.
Als gravierender Nachteil dieser Schaltung erweist sich jedoch der erforderliche Anschluss an
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nicht leicht zu realisieren ist. Es ergibt sich somit ein komplexer Schaltungsaufbau. Hinzu kommt, dass bei einem Umrichter, der in bekannter Weise pro Phase zwei Halbleiterschalter benötigt, bei dieser Schaltungsvariante der Schaltungsaufbau für die beiden Halbleiterschalter zwangsweise nicht identisch ist (Fig. 2a und 2b), also unterschiedliche Schaltungen für die beiden Halbleiterschalter notwendig wären, was den Aufwand in der Praxis erhöht.
Ziel der gegenständlichen Erfindung ist es somit, eine Schaltung zum Begrenzen der Abschalt- überspannung eines Halbleiterschalters anzugeben, die die oben angeführten Nachteile der bekannten Schaltungen beseitigt, die also einfach aufgebaut ist und ohne zusätzliche externe Anschlüsse auskommt und die zusätzlich einen einheitlichen Schaltungsaufbau im Falle eines Einsatzes in einem Umrichter ermöglicht. Insbesondere soll die Durchbruchsspannung der Zenerdioden auch kleiner als die maximal mögliche Zwischenkreisspannung gewählt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen Kollektoranschluss und Gateanschluss des Halbleiterschalters eine Zenerdiode in Serie zu einem Clampkondensator geschalten ist.
Eine solche Schaltung ist sehr einfach aufgebaut, da nur einfache elektrische Bauteile erforderlich sind und keine externen Anschlüsse (zur positiven und/oder negativen Versorgungsschiene) notwendig sind.
Weiters kann durch die Verwendung des in Serie geschalteten Clampkondensators eine Zenerdiode mit einer Zenerspannung kleiner der maximalen Zwischenkreisspannung verwendet werden, da dir Spannungsdifferenz vom Clampkondensator aufgenommen wird, was die Schaltung weiter vereinfacht.
Die Schaltung bietet auch gewisse Sicherheiten im Vergleich zu den bekannten Lösungen einer Clampschaltung, da aufgrund des seriellen Clampkondensators bei einem Ausfall der Zenerdiode der Halbleiterschalter und die Ansteuerelektronik weniger stark gefährdet wird, wie es bei herkömmlichen Schaltungen möglich ist.
Der Halbleiterschalter wird vorteilhaft zum Beispiel in einer Stellerkonfiguration an eine Gleichspannungsquelle geschalten.
Bei einer vorteilhaften Verwendung der Schaltung in einem Umrichter kann die Clampschaltung für beide Halbleiterschalter des Umrichters identisch aufgebaut werden, was einen solchen Umrichter erheblich vereinfacht.
Wenn das Durchbruchselement (Zenerdiode) durch zwei gegeneinander geschaltete Dioden ersetzt wird, wobei eine der beiden eine unidirektionale Zenerdiode ist, kann am Punkt zwischen den beiden gegeneinander geschalteten Dioden eine Spannung in Bezug auf Elektronikmasse (GND, Fig. 6) abgegriffen werden, die als gewisses Abbild der Spannung am Halbleiterschalter interpretiert werden kann, die damit sehr einfach für eine Durchlassspannungsüberwachung verwendet werden kann.
Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der schematischen, beispielhaften Figuren 1 bis 4
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beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 und 2 je eine herkömmliche Schaltungsvariante (Stand der Technik),
Fig. 3 den Spannungsverlauf beim Ausschalten eines typischen Halbleiterschalters,
Fig. 4 einen erfindungsgemässen Schaltungsaufbau,
Fig. 5 einen möglichen Einsatz in einem Umrichtersystem und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Durchlassspannungsüberwachung.
Um die Problematik beim Ausschalten eines Halbleiterschalters aufzuzeigen, wird anhand der Fig. 3 vorab ein typischer konventioneller Abschaltvorgang eines Halbleiterschalters 4, hier ein IGBT, beschrieben.
Beim Ausschaltvorgang des IGBTs kommutiert bekannter Weise der über eine Lastdrossel (Induktivität L) eingeprägte Lastrom vom IGBT in die entsprechende zugehörige Freilaufdiode 5. Der Ausschaltvorgang besitzt dabei ein bekanntes charakteristisches Verhalten (siehe Fig. 3). Der Ausschaltvorgang beginnt dabei mit dem Absinken der Gate-Emitterspannung UGE gemäss einer
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flacher Spannungsanstieg, der in einen steilen Spannungsanstieg ab dem Zeitpunkt t2 übergeht, da die bekannte Millerkapazität CGC stark abnimmt. Zum Zeitpunkt t3 erreicht die Kollektor-
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kann nun in die Freilaufdiode kommutieren. Das Absinken der Gate-Emitterspannung UGE auf die Thresholdspannung UTH bestimmt die Abfallsteilheit des Kollektorstromes dic/dt und somit die Abschaltüberspannung am IGBT.
Am IGBT tritt, bedingt durch die Kommutierungsinduktivität L#
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Halbleiterschalter abgeschaltet und die Gate-Emitterspannung uGE sinkt gemäss einer e-Potenz ab. Die Abschaltüberspannung verringert sich dabei durch die verringerte Stromsteilheit des charakteristischen Reststroms (Zeitraum t4 - t5).
Bei der erfinderischen Schaltung, Fig. 4, wird zwischen Kollektor C und Gate G des Halbleiterschalters 4 (hier ein IGBT) eine bidirektionale Zenerdiode 8 in Serie zu einem Clampkondensator
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geschalten ist, geschalten. Der Clampkondensator CCl weist im Beispiel nach Fig. 4 einen parallel geschalteten Entladewiderstand Re auf. Optional kann auch noch ein ebenfalls in Serie geschalteter Clampwiderstand RCl vorgesehen sein.
Am Gateeingang G des IGBT 4 ist ein Gatewiderstand RG vorgesehen. Zusätzlich kann auch eine Verstärkerschaltung, wie z. B. ein Leistungsverstärker 7, vorgesehen sein, um die Ansteuerung des IGBT 4 zu erleichtern beziehungsweise um die elektrischen Verluste im Rückkoppelkreis und die Treiberleistung zu verringern. Zum Schalten des IGBT 4 wird über einen Schalter und
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eventuell mit dem Leistungsverstärker 7 verstärkt wird, an den Gateeingang G des IGBTs gelegt.
Der IGBT 4 wird mit einer Induktivität L# belastet und liegt über eine Freilaufdiode 5 an der Zwischenkreisspannung UZK.
Im Folgenden wird nun die Funktionsweise der erfinderischen Schaltung, Fig. 4, beschrieben : Wenn der IGBT 4 bei hoher Zwischenkreisspannung UZK > UZener ausgeschaltet ist, liegt an der Zenerdiode die Zenerspannung UZener an und sie befindet sich an der Durchbruchsgrenze. Die Zenereinsatzspannung kann nun kleiner als die maximale Zwischenkreisspannung gewählt werden, da der Clampkondensator CCl die fehlende Spannung (Differenzspannung) zur Zwischenkreisspannung UZK aufnimmt. Die Spannung am Clampkondensator CCl ergibt sich damit relativ zur Zwischenkreisspannung UZK. Wenn der IGBT 4 eingeschaltet wird, bleibt die Spannung am Clampkondendsator CCl bis zum nächsten Ausschalten des IGBTs 4 nahezu unverändert stehen, da die Entladezeit des Clampkondendsator Ccl gross gegenüber der Schaltfrequenz gewählt werden kann.
Wird nun der IGBT 4 ausgeschaltet, so wird die Clampeinrichtung aktiv, wenn die Spannung uCE am IGBT 4 die Zwischenkreisspannung UZK übersteigt. Die Schaltung wirkt daher nur beim Ausschalten und ist beim Einschalten nicht aktiv. Wenn CCl gross genug gewählt wird, ergibt sich der
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hebung am Gateeingang G des IGBTs 4 (in Fig. 3 über einen Leistungsverstärker 7) und somit ein Aufsteuern des IGBTs zur Begrenzung der Abschaltüberspannung. Die Abschaltüberspannung wird damit bei jedem Abschaltvorgang begrenzt, womit eine Überschreitung der Belastungsgrenzen des IGBTs 4 verhindert werden kann.
Diese Schaltung ist äusserst flexibel, da die Parameter der Schaltung in weiten Bereichen ge-
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dewiderstand Re in weiten Bereichen je nach Anforderung gewählt werden.
Die Zenerspannung UZener kann kleiner als die maximale Zwischenkreisspannung UZK,max gewählt werden, da sich der Clampkondensator CCl entsprechend auflädt und die sich ergebende Differenzspannung aufnimmt.
In Fig. 5 ist nun schematisch die erfindungsgemässe Verwendung einer solchen Schaltung in einem Umrichter 12 dargestellt. Dabei wird z. B. ein Elektromotor 11, z. B. eines Schienenverkehrsfahrzeuges, mit mehreren Phasen, vorzugsweise drei Phasen, wobei nur eine Phase dargestellt ist, von einem Umrichter 12 angesteuert. Das Fahrzeug greift über einen Abnehmer 10 die Netzspannung des Netzes 9 ab, in diesem Fall eine Gleichspannung, die über eine Netzdrossel LN an einem Zwischenkreiskondensator CZK anliegt und dort eine Gleichspannung UZK bewirkt. Diese Gleichspannung, die Zwischenkreisspannung UZK, wird mit dem Umrichter 12 in bekannter Weise in eine Wechselspannung umgewandelt, die den Motor 11 antreibt. Der Umrichter 12 für eine Phase besteht aus zwei Halbleiterschaltern 4, wie z.B. IGBTs, die von der Ansteuereinrichtung 1 angesteuert werden.
Zu jedem der beiden Halbleiterschalter 4 kann eine erfindungsgemässe Schaltung 1 (Fig. 4), wie oben beschrieben, vorgesehen werden.
Unabhängig von den bisher dargestellten Schaltungen zur Beeinflussung des Schaltverhaltens werden in Umrichtern aus Schutzgründen sogenannte Uce-Überwachungen eingesetzt. Eine UCE- Überwachung ist dabei eine Schaltung, welche die Spannung UCE am Halbleiterschalter 4, bzw. eine davon abgeleitete Grösse während des Einschaltens des IGBTs 4 und in der eingeschalteten Phase mit einem Sollwert URef vergleicht. Im Fehlerfall, wie z. B. ein Kurzschluss etc., entspricht die Spannung UCE am Halbleiterschalter 4 nicht dem erwarteten Wert. Eine Fehlermeldung SError wird ausgelöst und führt im Regelfall zum Ausschalten des Halbleiterschalters 4 mit entsprechender Rückmeldung zur Ansteuereinheit.
Mögliche Lösungen einer UCE Erfassung können mit hochsperrenden Dioden 14, einer Stromquelle 15 und einem Komparator 18 realisiert werden, wobei jedoch eine Vielzahl anderer Schaltungen möglich sind.
Für die Realisierung der UCE-Überwachung ist es nun jedoch möglich, die ursprüngliche bidirektionale Zenerdiode 8 der erfindungsgemässen Schaltung 1 mit zwei gegeneinander geschalteten Dioden 16,17 (Fig.6) zu ersetzen, wobei eine davon eine Zenerdiode 17 ist, wobei dann der Überwachungsabgriff zwischen den beiden gegeneinander geschalteten Dioden 16,17 erfolgt. Damit ändert sich an der Funktionsweise der erfindungsgemässen Schaltung 1, wie zu Fig. 4 beschrieben, nichts.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltung zur Begrenzung der Abschaltüberspannung eines Halbleiterschalters, der an einer Gleichspannungsquelle anliegt und eine Last treibt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kollektoranschluss (C) und Gateanschluss (G) des Halbleiterschalters (4) eine
Zenerdiode (8) in Serie zu einem Clampkondensator (CCl) geschalten ist.