DE102009046255A1 - Ansteuerverfahren für einen Halbleiterschalter - Google Patents

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Abstract

Ein Beispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines Boost-Ladestroms für ein Gate eines Schalttransistors. Das Verfahren umfasst Folgendes: Aufladen eines ersten Kondensators (Boost-Kondensators) bis die Kondensatorspannung einen Wert erreicht, der über einem Gate-Source-Spannungssollwert liegt; Verbinden des ersten Kondensators mit dem Gate des Schalttransistors am Beginn eines Einschaltvorgangs; und Trennen des ersten Kondensators von dem Gate des Schalttransistors nachdem die Kondensatorspannung auf oder unter den Gate-Source-Spannungssollwert gefallen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Schaltungsanordnung bzw. ein Verfahren zum intelligenten Steuern von Gate-Strömen von Schalttransistoren.
  • In Anwendungen mit Leistungsinverter (z. B. in Stromrichtern) und Freilaufdioden betrifft ein bekannter negativer Effekt die Kommutierung des Stroms von einer Freilaufdiode zu dem Schalttransistor. Dieser Effekt soll anhand der 1 und 2 erläutert werden. 1 zeigt eine Inverter-Halbbrückenschaltung 100 mit einem High-Side-Schalter 101, einem Low-Side-Schalter 102, Freilaufdioden 103 und 104 und einer (z. B. induktiven) Last 105. Wenn der High-Side-Schalter 101 geöffnet wird übernimmt die Freilaufdiode 104 den Laststrom iL. Wenn der High-Side-Schalter 101 wieder geschlossen wird – zu Beginn der nächsten Schaltperiode – tritt eine Stromspitze auf. Diese Stromspitze resultiert aus der Tatsache, dass die Diode 104 nicht schlagartig den Strom zum Beginn der Kommutierung sperren kann. Als Folge davon entsteht eine Stromspitze aufgrund eines Kurzschlusses der Inverter-Halbbrücke. Die Stromspitze hängt von jener Zeit ab, die benötigt wird, um die Diode 104 von internen Ladungsträgern auszuräumen (Ausräumzeit). Es wäre wünschenswert, diese Stromspitze soweit wie möglich zu reduzieren, um die Belastung der Halbleiterschalter zu reduzieren und die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern.
  • Der High-Side-Schalter 101 sowie der Low-Side-Schalter 102 können z. B. MOS-Feldeffekttransistor oder auch Bipolar-Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sein. Die 2 illustriert beispielhaft Strom- und Spannungspegel in einem MOSFET Halbleiterschalter während der Stromkommutierung der Schaltung 100 (siehe 1). Die Kurve 201 repräsentiert den Stromfluss durch den High-Side-Schalter 101, die Kurve 202 den Spannungsabfall über dem High-Side-Schalter 101. Die Kurve 203 stellt die Gate-Spannung am High-Side-Schalter 101 dar und definiert den Schaltzeitpunkt.
  • Der Gate-Strom wird durch einen Gate-Treiber erzeugt. Die Steilheit des Stromanstiegs (häufig auch als ”Slew-Rate bezeichnet”) des Stroms durch den High-Side-Schalter 101 bzw. den Low-Side-Schalter 102 ist als jener Strom definiert, wenn die Gate-Spannung die Threshold-Spannung des Transistors erreicht, unmittelbar vor dem Miller-Plateau (d. h. der Beginn der in 3 dargestellten Phase 2). Wenn der Gate-Strom zu hoch ist, dann beginnt der Schalter sehr schnell zu leiten und die Stromspitze 204 entsteht. Um diese Stromspitze 204 zu reduzieren muss der Gate-Strom am High-Side-Schalter 101 (siehe 1) reduziert werden.
  • Der Gate-Strom soll auf einen Wert gesetzt werden, der zu der aktuellen Strombelastung passt. Der Laststrom iL bestimmt, wie schnell die Diode in der Lage ist, den Strom zu sperren. Ein höherer Laststrom hat ein schnelleres Sperren zur Folge, was die Stromspitze reduziert. Der einfachste Weg, den Gate-Strom zu reduzieren, besteht darin, den Gate-Treiber dadurch zu adaptieren, dass ein Serienwiderstand zwischen der Ausgangsstufe des Gate-Treibers und der Gate-Elektrode des Halbleiterschalters geschaltet wird (Gate-Widerstand). In jenen Fällen, in denen der Serienwiderstand zwischen der Ausgangsstufe des Gate-Treibers und der Gate-Elektrode des Halbleiterschalters zu gering ist, tritt die erwähnte Stromspitze auf. In jenen Fällen, in denen der Serienwiderstand zwischen der Ausgangsstufe des Gate-Treibers und der Gate-Elektrode des Schalttransistors zu hoch ist, dauert der Schaltvorgang entsprechend länger, wodurch die Schaltverluste erhöht werden. Des Weiteren führt ein hoher Serienwiderstand zu einer Verlängerung der in 3 dargestellten Phase 1 und folglich zu einer unerwünschten Schaltverzögerung.
  • Bei bekannten Ansteuerschaltungen bzw. Gate-Treibern für Halbleiterschalter ist der Gate-Strom üblicherweise an eine Nennlast angepasst und kann nicht dynamisch verändert werden, was zur Folge hat, dass bei niedrigen Lasten eine Stromspitze auftritt und bei höheren Lasten die Schaltverluste steigen.
  • Die dieser Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Ansteuern eines Halbleiterschalters zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, den Schalter derart optimal anzusteuern, dass einerseits Stromspitzen und andererseits unnötig hohe Schaltverluste vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 11 bzw. durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 18 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein Beispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines Boost-Ladestroms für ein Gate eines Schalttransistors. Das Verfahren umfasst folgendes: Aufladen eines ersten Kondensators (Boost-Kondensators) bis die Kondensatorspannung einen Wert erreicht, der über einem Gate-Source-Spannungssollwert liegt; Verbinden des ersten Kondensators mit dem Gate des Schalttransistors am Beginn eines Einschaltvorgangs; und Trennen des ersten Kondensators von dem Gate des Schalttransistors nachdem die Kondensatorspannung auf oder unter den Gate-Source-Spannungssollwert gefallen ist.
  • Der erste Kondensator wird wiederaufgeladen bis die Kondensatorspannung den Wert erreicht, der über dem Gate-Source-Spannungssollwert liegt, nachdem ersten Kondensator von dem Schalttransistor getrennt wurde und vor dem Beginn eines dem Einschaltvorgang nachfolgenden Einschaltvorgangs.
  • Ein erster Widerstandes kann zwischen eine Versorgungsspannung und das Gate des Schalttransistors geschaltet sein, wo bei der Wert des ersten Widerstandes so gewählt wird, dass der Gate-Strom während einer Phase des Einschaltvorgangs einen definierten Sollwert annimmt. Der erste Widerstand kann zwischen eine Versorgungsspannung und das Gate des Schalttransistors geschalten sein bzw. werden, wann der ersten Kondensators mit dem Gate des Schalttransistors verbunden wird oder wann der ersten Kondensators von dem Gate des Schalttransistors getrennt wird. Der Wert des ersten Widerstandes kann abhängig von der Detektion einer Stromspitze in einem durch den Schalttransistor fließenden Laststrom gewählt werden, wobei die Stromspitze dadurch detektiert werden kann, dass ein Gradient des durch den Schalttransistor fließenden Laststroms ausgewertet wird.
  • Des weiteren wird ein zweiter Kondensators (Boost-Kondensator) aufgeladen bis dessen Kondensatorspannung einen Wert erreicht, der unter einem Gate-Source-Spannungssollwert liegt. Der zweiten Kondensators wird mit dem Gate des Schalttransistors am Beginn eines Ausschaltvorgangs verbunden wieder von dem Gate des Schalttransistors getrennt, nachdem dessen Kondensatorspannung auf oder über den Gate-Source-Spannungssollwert gestiegen ist. Der zweiten Kondensators kann wiederaufgeladen werden, bis dessen Kondensatorspannung den Wert erreicht, der unter dem Gate-Source-Spannungssollwert liegt, nachdem Schritt des zweiten Kondensators von dem Schalttransistor getrennt wurde und vor einem dem Ausschaltvorgang nachfolgenden Ausschaltvorgang.
  • Ein zweiter Widerstandes kann zwischen eine Versorgungsspannung und das Gate des Schalttransistors geschalten werden, wobei der Wert des zweiten Widerstandes so gewählt wird, dass der Gate-Strom während einer Phase des Ausschaltvorgangs einen definierten Sollwert annimmt.
  • Ein weiteres Beispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen eines von einem Gate-Treiber bereitgestellten Gate-Stromes für einen Schalttransistor. Das Verfahren um fasst das Überwachen eines Laststromes des Schalttransistors, um eine Stromspitze in dem Laststrom zu detektieren. Es umfasst weiter das Ermitteln einer Maßzahl, welche die Größe eines der Stromspitze folgenden Stromgradienten repräsentiert, und das Vergleichen dieser Maßzahl mit einem oder mehreren Referenzwerten. Abhängig von der Beziehung zwischen der Maßzahl und dem bzw. den Referenzwert(en) wird der Gate-Strom angepasst.
  • Als Maßzahl, die die Größe des der Stromspitze folgenden Stromgradienten repräsentiert, kann eine Stromdifferenz zwischen einem Spitzenwert des Laststromes und einem eingeschwungenen Wert des Laststromes herangezogen werden. Die Ergebnisse des Vergleichs können vor dem Anpassen des Gate-Stromes gefiltert werden, wobei das Filtern mit einem Tiefpassfilter oder einem Dezimationsfilter erfolgen kann.
  • Abhängig von dem Vergleichsergebnis können Folgende Maßnahmen getroffe werden: Reduzieren des Gate-Stromes, wenn die Maßzahl über einem oberen Referenzwert liegt; Erhöhen des Gate-Stromes, wenn die Maßzahl unter einem unteren Referenzwert liegt; Beibehalten der Höhe des Gate-Stromes, wenn die Maßzahl zwischen dem oberen und dem unteren Referenzwert liegt.
  • Ein weiteres Beispiel der Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Gates eines Schalttransistors.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Abbildungen dargestellten Figuren näher erläutert. In den Abbildungen zeigen:
  • 1 eine Inverter-Halbbrückenschaltung;
  • 2 ein beispielhaftes Zeitdiagramm der Strom- und Spannungspegel in einem Halbleiterschalter während der Stromkommutierung;
  • 3 in einem Zeitdiagramm die Ausgangsspannung des Gate-Treibers während einer Einschaltphase des Schalttransistors;
  • 4 in einem Diagramm ein Beispiel einer „Booster-Schaltung” einer Gate- Ansteuerschaltung;
  • 5 ein Beispiel einer Gate-Ansteuerschaltung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 in einem Zeitdiagramm den durch den Schalttransistor fließenden Laststrom während der Kommutierung; und
  • 7 in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung. Die Beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen im Wesentlichen zum besseren Verständnis der unterschiedlichen Möglichkeiten der Ausführung der vorliegenden Erfindung und sollen den Schutzbereich der anschließenden Patentansprüche in keiner Weise einschränken.
  • Wie oben bereits erläutert besteht eine Möglichkeit zur Anpassung des vom Gate-Treiber zur Verfügung gestellten Gate-Stromes darin, einen Serienwiderstand am Treiberausgang einzufügen, wodurch der maximale Ausgangsstrom des Gate-Treibers beschränkt wird. Die Verwendung eines einzigen Widerstandswertes kann nachteilig sein, weil bei einer niedrigen Last Stromspitzen entstehen und bei hoher Last die Schaltverluste unerwünscht hoch werden. In einem Ausführungsbeispiel werden mehrere Widerstände in Serie zu dem Ausgang des Gate-Treibers geschaltet. Der an der Ausgangsstufe des Gate-Treibers tatsächlich wirksame Widerstand kann in Stufen entsprechend den momentanen Anforderungen der jeweiligen Anmeldung adaptiert werden. Die Verwendung von Serienwiderständen am Ausgang des Gate-Treibers führt jedoch in Kombination mit der Gate-Kapazität des Schalttransistors zu einem Tiefpassverhalten der gesamten Schaltungsanordnung.
  • Die 3 zeigt in einem Zeitdiagramm den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung 300 eines Gate-Treibers während der Einschaltphase eines Schalttransistors. In 3 sind die drei wesentlichen Phasen eines Einschaltvorgangs dargestellt. In Phase 1 (Bezugszeichen 301) wird die Gate-Source-Kapazität des Transistors auf die Threshold-Spannung des Transistors aufgeladen. Während der Phase 2 (Bezugszeichen 302) steigt die wirksame Gate-Source-Kapazität stark an und die Gate-Spannung bleibt annähernd konstant auf dem sogenannten ”Miller-Plateau”. Am Beginn der Phase 2 bestimmt der Gate-Strom die Anstiegsrate (d. h. die Slew-Rate) des Laststroms, der gerade beginnt durch den Transistor zu fließen. In Phase 3 (Bezugszeichen 303) wird das Gate (d. h. die Gate-Source-Kapazität) weiter aufgeladen bis die maximale Ausgangsspannung der Gate-Treiberschaltung erreicht ist.
  • Das Vorhandensein eines Serienwiderstandes am Ausgang des Gate-Treibers erhöht die Dauer der Phase 1 (301), wobei diese die Verzögerung zwischen dem Beginn des Ladevorgangs der Gate-Source-Kapazität und dem tatsächlichen Beginn des Stromflusses durch den Transistor repräsentiert. Es ist wünschenswert, diese Phase 1 so kurz wie möglich zu halten. Die Transistoreigenschaften, welche die zeitliche Länge der Phase 1 bestimmen variieren von Bauelement zu Bauelement und von Transistortyp zu Transistortyp, jedoch ändert sich die Gate-Kapazität in Phase 1 nicht signifikant mit anderen Parametern wie z. B. die Temperatur oder den Laststrom.
  • Es gibt unterschiedliche Ansätze, während den drei in 3 dargestellten Phasen eines Einschaltvorgangs unterschiedliche Gate-Ströme einzustellen. Z. B. kann das Gate mit einem hohen Strom (einem sogenannten ”current boost”) während der Phase 1 und mit einem niedrigeren Strom während der Phase 2 aufgeladen werden. Damit wird erreicht, dass die Verzögerungszeit beim Schalten kurz ist, der Stromanstieg jedoch nicht zu schnell. Ein Schlüsselproblem ist die zeitliche Länge der Phase 1 zu definieren und zu reproduzieren. Wenn der Steuermechanismus des Gate-Treibers einen hohen Gate-Strom am Ende der Phase 1 nicht reduziert bzw. stoppt, dann wird die Anstiegsrate des Laststroms durch den Transistor zu hoch. Wenn der Steuermechanismus des Gate-Treibers den hohen Gate-Strom während der Phase 1 früh reduziert bzw. stoppt, dann erhöht sich in unerwünschter Weise die Schaltzeit. In unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der dem Schalttransistor zugeführte Gate-Strom adaptiert, um die Schaltgeschwindigkeit des Transistors zu steuern.
  • Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein sogenannter „Boost-Mechanismus” für die Phase 1 implementiert (d. h. eine Ansteuerung mit hohem Gate-Strom – ”current boost” – während der Phase 1), der keine präzise und schnelle Detektion des Übergangs von Phase 1 in Phase 2 (d. h. eine Detektion des Beginns der Miller-Plateau-Phase) benötigt. Stattdessen wird in den Ausführungsbeispielen eine indirekte Methode verwendet, welche den hohen Gate-Strom (boost-current) während der Phase 1 automatisch reduziert. Der Boost-Mechanismus verwendet einen indirekten Steuerparameter, um eine Messung der Gate-Spannung und die Notwendigkeit von sehr kurzen Zeitschritten (Abtastzeiten) zu vermeiden. Obwohl in der folgenden Beschreibung nur die Einschaltphase beschrieben ist, gilt das Gleiche für den Beginn der Ausschaltphase, um das Gate schnell auf einen Sollwert zu entladen bevor ein definierter Gate-(Entlade-)Strom angelegt wird.
  • Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung wird ein vorgeladener Kondensator während der Phase 1 parallel zu dem Gate-Source-Kondensator des Halbleiterschalters geschaltet. Der Ausgleich der in den Kapazitäten gespeicherten Ladungen zwischen den beiden Kondensatoren führt zu einer Erhöhung („boost”) der Kondensatorladung der Gate-Source-Kapazität, welche automatisch dann endet, wenn beide Kapazitäten die gleiche Spannung erreicht haben, wobei diese Spannung auf oder geringfügig unterhalb der Threshold-Spannung des Halbleiterschalters liegt. Die Spannung, auf die der zusätzliche Kondensator vorgeladen wird ist einfacher zu steuern als die Gate-Source-Spannung selbst. So ist eine Steuerung der Gate-Spannung über einen größeren Bereich möglich und die erwünschte Präzision kann mit Hilfe dieses zusätzlichen Kondensators erreicht werden.
  • Nach dem Ende der Phase 1 wird der zusätzliche Kondensator von dem Gate-Source-Kondensator des Schalttransistors wieder getrennt. Der zusätzliche Kondensator kann dann wieder für die nächste Schaltphase vorgeladen werden. Dies ermöglicht eine längere Zeit, den erwünschten Ladungspegel zu steuern bzw. zu regeln. Wie oben erwähnt kann auch der gleiche Mechanismus dazu verwendet werden, die Verzögerung beim Ausschalten des Schalttransistors zu reduzieren.
  • 4 zeigt ein Schaltdiagramm eines Beispiels der oben beschrieben „Boost-Schaltung” 400, welche mit dem Schalttransistor 401 verbunden ist. Die „Boost-Schaltung” 400 kann Bestandteil des in 1 dargestellten Gate-Treibers sein. Der als Boost-Kondensator bezeichnete Kondensator CA wird dazu verwendet, während einer Einschaltphase den dem Gate des Schalttransistors THS zugeführten Strom zu für eine bestimmte Zeitdauer erhöhen. Der Kondensator CB erfüllt die gleiche Funktion während der Ausschaltphase. In einem Ausführungsbeispiel wird der Kondensator CA auf einen Spannungswert vorgeladen, der über einer Soll-Gate-Source-Spannung (z. B. die Gate-Source Spannung am Miller-Plateau) des Schalttransistors CHS liegt und der Kondensator CB wird vorgeladen auf einen Spannungswert, der unterhalb der Soll-Gate-Source-Spannung liegt. Dabei ist die Soll-Gate-Source-Spannung z. B. die wäh rend der Millerplateau-Phase (Phase 2 in 3), nämlich jener Spannungswert, den die Gate-Source-Spannung zu Beginn der eigentlichen Einschaltphase bzw. Ausschaltphase hat. Die Schalter SA und SB sind mit den Kondensatoren CA bzw. CB verbunden. Der Schalter SA ist während der Phase 1 der Einschaltphase geschlossen, um den Kondensator CA mit dem Gate des Schalttransistors THS zu verbinden. In einem Ausführungsbeispiel bleibt der Schalter SA geschlossen bis die Kondensatorspannung ungefähr auf die gewünschte Gate-Source-Spannung fällt und folglich der Ladungsausgleich abgeschlossen ist.
  • Der Schalter SB ist während der Phase 1 des Ausschaltvorgangs geschlossen, um den Kondensator CB mit dem Gate des Schalttransistors CHS zu verbinden. In einem Ausführungsbeispiel bleibt der Schalter SB geschlossen bis die Kondensatorspannung auf den erwünschten Sollwert der Gate-Source-Spannung angestiegen ist und folglich der Ladungsausgleich abgeschlossen ist.
  • Die Schalter S1, S2, S3 und S4 und die Widerstände RA sowie RB werden verwendet, um die Kondensatoren CA bzw. CB auf die gewünschte Spannung aufzuladen. Nachdem der Schalter SA am Ende der Phase 1 des Einschaltvorganges wieder geöffnet wird, werden die Schalter S1 und S2 in geeigneter Weise geöffnet bzw. geschlossen, um den Kondensator CA auf einen gewünschten Sollwert (auf die sogenannte Boost-Spannung) aufzuladen. Analog werden, nachdem der Schalter SB am Ende der Phase 1 des Ausschaltvorganges wieder geöffnet wird, die Schalter S3 und S4 in geeigneter Weise geöffnet bzw. geschlossen, um den Kondensator CB auf den erwünschten Sollwert für die Kondensatorspannung aufzuladen. Die Kondensatoren CA und CB können innerhalb des Gate-Treibers oder auch außerhalb desselben angeordnet sein.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird der Widerstand R2A mit dem Gate des Schalttransistor THS über den Schalter S2A während der Phase 2 des Einschaltvorgangs verbunden. In anderen Aus führungsbeispielen ist der Schalter S2A auch während der Phase 1 des Einschaltvorgangs geschlossen. So wird ein Gate-Strom dem Gate des Schalttransistors THS über den Widerstand R2A während der Phase 2 des Einschaltvorgangs zugeführt und, in manchen Ausführungsbeispielen, auch während der Phase 1. Der Widerstand R2B und der Schalter S2B werden in ähnlicher Weise wie der Widerstand R2A und der Schalter S2A betrieben, jedoch während der Phase 2 (und optional auch während der Phase 1) des Ausschaltvorgangs. In dem Beispiel aus 4 wird während des Ausschaltvorganges das Gate gegen Masse entladen. Es ist, je nach Ausführungsform, jedoch auch möglich, eine negative Spannung an das Gate anzulegen, sofern eine negative Spannungsversorgung verfügbar ist. Unter bestimmten Bedingungen kann eine Entladung des Gates gegen eine negative Spannung besser sein, als eine Entladung gegen Masse (0 V), insbesondere bei sehr schnellen Übergängen des Phasenknotens (d. h. bei sehr schnellem Potentialwechsel am Brückenausgang der Halbbrücke, siehe 1).
  • Der Gate-Strom kann angepasst werden durch ein Hinzufügen eines Serienwiderstandes wie z. B. Widerstand R2A zwischen der Ausgangsstufe des Gate-Treibers (in 4 links als Gate-Ansteuerschaltung angedeutet) und der Gate-Elektrode des Schalters. Wenn der Serienwiderstand zu gering ist, kann eine Stromspitze auftreten, wie z. B. die Stromspitze 204 (siehe 2). Wenn der Serienwiderstand zu hoch ist, dann dauert der Schaltvorgang länger, was mit entsprechenden Schaltverlusten verbunden ist. In bekannten Gate-Treibern ist der Gate-Strom an eine nominelle Last angepasst und kann nicht dynamisch geregelt werden. Folglich treten bei geringen Lasten Stromspitzen auf, und Schaltverluste werden höher bei großen Lasten.
  • Im Folgenden wird wieder auf 1 Bezug genommen. Das Sperrverhalten der Diode 104 hängt, wie bereits erläutert, vom Laststrom ab. Der Serienwiderstand bzw. der Verlauf der Gate-Spannung oder des Gate-Stroms während des Schaltvorgan ges soll dynamisch an den tatsächlichen Laststrom angepasst werden, um Schaltverluste zu verringern und die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern. Es ist nicht einfach, bei einem geschlossenen Regelkreis den Laststrom zu messen und den Gate-Strom entsprechend zu adaptieren. Der Wert des Laststroms ist nicht die einzige Variable, welche das Schaltverhalten beeinflusst. Variationen von weiteren Parametern des Schalttransistors beeinflussen ebenfalls das Schaltverhalten. Ein Problem dabei ist, dass diese Parameter des Schalttransistors keiner direkten Messung zugänglich sind. Der Laststrom kann lediglich als Indikator für den benötigten oder tolerierbaren Gate-Strom dienen.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung findet eine dynamische Anpassung an den Laststrom statt, um Variationen der erwähnten Transistorparameter zu kompensieren, ohne die Transistorparameter tatsächlich zu kennen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Stromgradient des durch den Halbleiterschalter fließenden Stroms während der Kommutierung (während des Schaltvorgangs) analysiert wird. Insbesondere wird ein negativer Gradient (d. h. sinkender Strom) des durch den Schalter fließenden Stroms berücksichtigt.
  • Die 5 zeigt beispielhaft eine Steuerschaltung eines Gate-Treibers gemäß einem Beispiel der Erfindung. Der Strommess- und Steuerblock 501 (Steuerschaltung) adaptiert den vom Gate-Treiber 502 zur Verfügung gestellten Strom. Dies kann auch indirekt dadurch realisiert werden, dass die Sollwerte für die Kondensatorspannung der Boost-Kondensatoren CA und CB entsprechend angepasst werden. In 5 wird zur Strommessung ein Shunt dargestellt, jedoch können auch andere Sensoren wie z. B. Hallsensoren oder eine Rogowski-Spule verwendet werden. Die Steuerschaltung 501 beobachtet den Strom durch den Schalttransistor 503 während der Kommutierung. Ein kurzes Mess-Zeitfenster, welches ungefähr mit der Aktivierung des Treibers beginnt, wird definiert, um sicher zu stellen, dass nur die Kommutierung berücksichtigt wird.
  • 6 zeigt einen vereinfachten Zeitverlauf des durch den Halbleiterschalter 503 (siehe 5) fließenden Stromes während des Kommutierungsvorgangs. In dem betrachteten Beispiel wird ein negativer Gradient 601 dazu verwendet, das Vorhandensein und die Größe einer Stromspitze 602 zu bestimmen. In einem Beispiel wird ein Spitzenwertdetektor verwendet, um die Stromspitze zu erkennen und den höchsten Stromwert iLP zu messen. Der Strom am Ende des Messzeitfensters ist der (Soll-)Laststrom im eingeschwungenen Zustand iLS. Die Differenz iLP – iLS zwischen dem Spitzenstrom iLP und dem Laststrom im eingeschwungenen Zustand iLS wird als Amplitude der Stromspitze bezeichnet.
  • Es können auch andere Methoden verwendet werden, um den negativen Gradienten zu detektieren und zu analysieren. Z. B. werden in einem anderen Ausführungsbeispiel die negativen Werte des Stromgradienten während des Messzeitfensters integriert, um Informationen über die Stromspitze des Laststromes zu erhalten.
  • Der Wert des negativen Gradienten, welcher entweder explizit gemessen, oder integriert werden kann, wird mit zumindest einem Referenzwert verglichen. Eine Stromspitze wird dann detektiert, wenn der gemessene Wert den Referenzwert überschreitet. Wenn der Wert dem Referenzwert entspricht oder darunter liegt, dann war die Kommutierung gerade richtig oder zu langsam. Abhängig von der Dynamik der Regelschleife und/oder zur Reduzierung von rauschbedingten Effekten kann ein Tiefpassfilter zwischen die Steuerschaltung (vgl. Bezugszeichen 501 in 5) und den Gate-Treiber (vgl. Bezugszeichen 502 in 5) geschaltet werden.
  • Nach jedem Schaltzyklus oder zu einem anderen Zeitpunkt kann die Ausgangscharakteristik (d. h. der Gatestromverlauf bzw. der Gatespannungsverlauf während des Schaltvorgangs) des Gate-Treibers basierend auf den Messergebnissen, die während der vorherigen Kommutierung gewonnen wurden, angepasst werden. Wenn eine Stromspitze detektiert wurde, was dann der Fall ist, wenn ein negativer Gradient mit einem entsprechend hohen Wert erkannt wurde, dann wird die Ausgangscharakteristik des Gate-Treibers so verändert, dass bei der folgenden Kommutierung die Schaltgeschwindigkeit des Schalttransistors reduziert wird. Wenn kein Stromspitze detektiert wurde, dann kann die Ausgangscharakteristik so verändert werden, dass die Schaltgeschwindigkeit erhöht wird, um so die Schaltverluste zu verringern.
  • Ein zweiter Referenzwert kann ebenfalls verwendet werden. Wenn der Messwert, der den negativen Gradienten repräsentiert, zwischen den beiden Referenzwerten liegt, dann kann die momentan eingestellte Ausgangscharakteristik des Gate-Treibers als optimiert angesehen werden, und keine weiteren Anpassungen werden vorgenommen. Wenn der Messwert unter beiden Referenzwerten liegt, dann wird die Ausgangscharakteristik so angepasst, dass künftige Schaltvorgänge schneller erfolgen. Wenn der Messwert über beiden Referenzwerten liegt, dann soll die Ausgangscharakteristik des Gate-Treibers so angepasst werden, dass die Schaltgeschwindigkeit bei künftigen Schaltzyklen reduziert wird, um Stromspitzen zu vermeiden. Ein Aufwärts-/Abwärts-Zähler kann beispielsweise dazu verwendet werden, die passende Strom-Ausgangscharakteristik des Gate-Treibers einzustellen.
  • Ein Vorteil der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung besteht darin, dass der erfindungsgemäße Mechanismus in der Lage ist, sich selbstständig variierenden Lastströmen anzupassen. Des Weiteren ist die Steuerschaltung nicht empfindlich auf Parameterschwankungen der Treiber bzw. der Halbleiterschalter. Im Gegensatz zu bekannten Steuerschaltungen bzw. Verfahren, die dazu verwendet werden, den Gate-Strom während des Ein- bzw. Ausschaltvorgangs zu variieren ist bei der vorliegenden Erfindung weder eine Spannungsmessung an der Last oder am Halbleiterschalter, noch eine Messung des absoluten Stromwertes des Laststroms, noch irgendwelche anderen davon abgeleiteten absoluten Größen notwendig. Stattdessen werden nur die relativen Änderungen des durch den Halbleiterschalter fließenden Laststromes während der Phase der Kommutierung berücksichtigt. Folglich ist der absolute Betrag des Laststroms bei der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung.
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. In Schritt 701 wird eine eventuell vorhandene Stromspitze detektiert und sowohl der Spitzenwert, als auch der Sollwert des Laststroms erfasst. Im Schritt 702 wird die Differenz zwischen dem Spitzenwert dem Sollwert des Laststroms als Maßzahl für die Größe des negativen Laststromgradienten bestimmt. Diese Differenz kann auch durch Integration des negativen Gradienten zwischen jenem Zeitpunkt an dem der Spitzenwert detektiert wird und jenem Zeitpunkt zu dem der Strom auf den Sollwert gesunken ist bestimmt werden. In Schritt 703 wird die Stromdifferenz mit einem oder mehreren Referenzwerten verglichen. Ein Tiefpass- oder ein Dezimationsfilter kann in Schritt 704 dazu verwendet werden, Rauschen zu eliminieren oder die Dynamik der Rückkoppelschleife anzupassen. In anderen Ausführungsbeispielen, je nach dem verwendeten Algorithmus bzw. je nach Art der Implementierung (digital oder analog), kann der Schritt 704 vor oder nach dem Schritt 703 durchgeführt oder auch weggelassen werden. Die Ausgangscharakteristik des Gate-Treibers wird in Schritt 705 angepasst. Wenn die Stromdifferenz bzw. der negative Gradient über dem oberen Referenzwert aus Schritt 703 liegt, dann wird der Gate-Strom reduziert. Wenn die Stromdifferenz bzw. der negative Gradient unter dem unteren Referenzwert aus Schritt 703 liegt, dann wird der Gate-Strom erhöht. Wenn die Stromdifferenz bzw. der negative Gradient zwischen den beiden Referenzwerten aus Schritt 703 liegt, dann wird die momentane Einstellung beibehalten, es findet keine Veränderung des Gate-Stromverlaufs im Vergleich zum vorherigen Schaltvorgang statt. In Schritt 706 wird der gegebenenfalls angepasste Gate-Strom dem Gate des Schalttransistors zugeführt.
  • Das oben beschriebene Verfahren kann auch dazu verwendet werden, die Ladung bzw. die Kondensatorspannung des Kondensators CA anzupassen, wobei in diesem Fall die Serienwiderstände R2A bzw. R2B unverändert bleiben. Diese „Lernphase” kann auch einmal während eines finalen Tests am Ende des Herstellungsprozesses des Leistungsinverters stattfinden, bevor dieser an den Kunden ausgeliefert wird. Die benötigten Einstellungen können dabei durch externe Komponenten wie z. B. Widerstände eingestellt werden.

Claims (21)

  1. Ein Verfahren zum Bereitstellen eines Ladestroms für ein Gate eines Schalttransistors (THS), das folgendes umfasst: Aufladen eines ersten Kondensators (CA) bis die Kondensatorspannung (VCA) einen Wert erreicht, der über einem Gate-Source-Spannungssollwert liegt; Verbinden des ersten Kondensators (CA) mit dem Gate des Schalttransistors (THS) am Beginn eines Einschaltvorgangs; und Trennen des ersten Kondensators (CA) von dem Gate des Schalttransistors (THS) nachdem die Kondensatorspannung (VCA) auf oder unter den Gate-Source-Spannungssollwert gefallen ist.
  2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiter umfasst: Wiederaufladen des ersten Kondensators (CA) bis die Kondensatorspannung (VCA) einen Wert erreicht, der über dem Gate-Source-Spannungssollwert liegt, nach dem Schritt des Trennens des ersten Kondensators (CA) von dem Schalttransistor (THS) und vor einem dem Einschaltvorgang nachfolgenden Einschaltvorgang.
  3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, das weiter umfasst: Schalten eines ersten Widerstandes (R2A) zwischen eine Versorgungsspannung und das Gate des Schalttransistors (THS), wobei der Wert des ersten Widerstandes (R2A) so gewählt wird, dass der Gate-Strom während einer Phase des Einschaltvorgangs einen definierten Sollwert annimmt.
  4. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der erste Widerstand (R2A) zwischen eine Versorgungsspannung und das Gate des Schalttransistors (THS) geschaltet ist bzw. wird, wann der ersten Kondensators (CA) mit dem Gate des Schalttransistors (THS) verbunden wird.
  5. Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem der erste Widerstand (R2A) zwischen eine Versorgungsspannung und das Gate des Schalttransistors (THS) geschaltet ist bzw. wird, wann der ersten Kondensators (CA) von dem Gate des Schalttransistors (THS) getrennt wird.
  6. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Wahl des Wertes des ersten Widerstandes (R2A) abhängig von der Detektion einer Stromspitze (204; 602) in einem durch den Schalttransistor (THS) fließenden Laststrom (iL) getroffen wird.
  7. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Stromspitze (204; 602) dadurch detektiert wird, dass ein Gradient des durch den Schalttransistor (THS) fließenden Laststroms (iL) ausgewertet wird.
  8. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das weiter umfasst: Aufladen eines zweiten Kondensators (CB) bis dessen Kondensatorspannung (VCB) einen Wert erreicht, der unter einem Gate-Source-Spannungssollwert liegt; Verbinden des zweiten Kondensators (CB) mit dem Gate des Schalttransistors (THS) am Beginn eines Ausschaltvorgangs; und Trennen des zweiten Kondensators (CB) von dem Gate des Schalttransistors (THS) nachdem dessen Kondensatorspannung (VCB) auf oder über den Gate-Source-Spannungssollwert gestiegen ist.
  9. Das Verfahren gemäß Anspruch 8, das weiter umfasst: Wiederaufladen des zweiten Kondensators (CB) bis dessen Kondensatorspannung (VCB) einen Wert erreicht, der unter dem Gate-Source-Spannungssollwert liegt, nach dem Schritt des Trennens des zweiten Kondensators (CB) von dem Schalttransistor (THS) und vor einem dem Ausschaltvorgang nachfolgenden Ausschaltvorgang.
  10. Das Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, das weiter umfasst: Schalten eines zweiten Widerstandes (R2B) zwischen eine Versorgungsspannung und das Gate des Schalttransistors (THS), wobei der Wert des zweiten Widerstandes (R2B) so gewählt wird, dass der Gate-Strom während einer Phase des Ausschaltvorgangs einen definierten Sollwert annimmt.
  11. Ein Verfahren zum Anpassen eines von einem Gate-Treiber (502) bereitgestellten Gate-Stromes für einen Schalttransistor (THS); das Verfahren umfasst folgendes: Überwachen eines Laststromes (iL) des Schalttransistors (THS), um eine Stromspitze (204; 602) in dem Laststrom (iL) zu detektieren; Ermitteln einer Maßzahl, welche die Größe eines der Stromspitze (602) folgenden Stromgradienten (601) repräsentiert; Vergleichen dieser Maßzahl mit einem oder mehreren Referenzwerten; Anpassen des Gate-Stromes abhängig von der Beziehung zwischen der Maßzahl und dem/den Referenzwert(en).
  12. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem als Maßzahl eine Stromdifferenz zwischen einem Spitzenwert des Laststromes (iL) und einem eingeschwungenen Wert des Laststromes (iL) herangezogen wird.
  13. Das Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem die Ergebnisse des Vergleichs vor dem Anpassen des Gate-Stromes gefiltert werden.
  14. Das Verfahren gemäß Anspruch 13 bei dem das Filtern mit einem Tiefpassfilter oder einem Dezimationsfilter erfolgt.
  15. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, das weiter umfasst: Reduzieren des Gate-Stromes, wenn die Maßzahl über einem oberen Referenzwert liegt; und/oder Erhöhen des Gate-Stromes, wenn die Maßzahl unter einem unteren Referenzwert liegt; Beibehalten der Höhe des Gate-Stromes, wenn die Maßzahl zwischen dem oberen und dem unteren Referenzwert liegt.
  16. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Gatestrom nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15 angepasst wird.
  17. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der Gate-Strom durch Verändern des Gate-Source-Spannungssollwert angepasst wird.
  18. Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Gates eines Schalttransistors (THS), der folgendes umfasst: eine Gate-Treiberschaltung (502), die dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal (iG, VG) zum Ansteuern des Gates zu erzeugen, um den Schalttransistors (THS) ein- oder auszuschalten, wobei die Gate-Treiberschaltung (502) eine adaptierbare Ausgangscharakteristik aufweist, welche den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignal (iG, VG) während eines Schaltvorgangs festlegt; eine Steuerschaltung (501), die dazu ausgebildet ist, abhängig von einer während eines Ein- bzw. Ausschaltvorgangs beobachteten Signalform des durch den Schalttransistor (THS) fließenden Laststroms (iL) die Ausgangscharakteristik der Gate-Treiberschaltung (502) für den auf den Schaltvorgang folgenden Ein- bzw. Ausschaltvorgang anzupassen.
  19. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 18, bei der die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, die Ausgangscharakteristik der Steuerschaltung (501) abhängig von einer für einen Ein- bzw. Ausschaltvorgang ermittelten Maßzahl, welche die Größe eines einer Stromspitze (602) im Laststrom (iL) folgenden Stromgradienten (601) repräsentiert, anzupassen.
  20. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei mit einer Anpassung der Ausgangscharakteristik des Gate-Treiberschaltung (502) die Höhe des Gatestromes zumindest während einer Phase des Ein- bzw. Ausschaltvorganges, insbesondere während einer der Miller-Plateauphase vorangehenden Phase, angepasst wird.
  21. Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei der die Gate-Treiberschaltung (502) zumindest einen Boost-Kondensator (CA, CB) aufweist, der während einer Phase des Ein- bzw. Ausschaltvorganges, insbesondere während einer der Miller-Plateauphase vorangehenden Phase, einer intrinsischen Gate-Source-Kapazität des Schalttransistors (THS) parallelgeschalten ist.
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