DE112016003609B4

DE112016003609B4 - Energie-Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE112016003609B4
Application number: DE112016003609.4T
Authority: DE
Inventors: Shota Morisaki; Yoshiko Tamada; Yoshitaka Naka; Yukihiko Wada; Hiroyuki Takagi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: KR20180023980A; US20180375508A1; US10651839B2; JP6400214B2; CN107980199A; CN107980199B; WO2017026367A1; DE112016003609T5; JPWO2017026367A1; KR101970112B1

Abstract

Energie-Schaltvorrichtung (104-106), die Folgendes aufweist:eine Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b), die parallel zueinander geschaltet sind, wobei die Halbleiter-Schalteinrichtungen jeweils eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode aufweisen;eine Steuerungsschaltung (12), die Folgendes aufweist:mindestens einen Ausgangsknoten (N1, N10, N11) zum Ausgeben eines Steuersignals zum Einschalten und Ausschalten jeder der Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b);ein erstes Widerstandselement (R1) zum Einstellen einer Einschalt-Schaltgeschwindigkeit jeder der Halbleiter-Schalteinrichtungen; undein zweites Widerstandselement (R2) zum Einstellen einer Ausschalt-Schaltgeschwindigkeit jeder der Halbleiter-Schalteinrichtungen;eine Mehrzahl von Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb), die jeweils einer jeweiligen der Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen zugeordnet sind und zwischen die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung und den mindestens einen Ausgangsknoten (N1, N10, N11) geschaltet ist,wobei die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils so konfiguriert sind, dass sie eine parasitäre Schwingung zwischen der Halbleiter-Schalteinrichtung unterbinden, wobei die parasitäre Schwingung während zumindest einem von Einschalten und Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtungen auftritt,wobei die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils so konfiguriert sind, dass ihr Widerstandswert zwischen verschiedenen Werten umgeschaltet wird, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Halbleiter-Schalteinrichtungen gemäß dem Steuersignal eingeschaltet oder ausgeschaltet werden.eine Mehrzahl von ersten Schutzschaltungen (20a, 20b), die jeweils:einer jeweiligen der Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b) zugeordnet sind; unddie Spannung (Vga, Vgb) zwischen der Steuerelektrode und der ersten Hauptelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) verringern, wenn sie einen Überstrom detektieren, der zwischen der ersten Hauptelektrode und der zweiten Hauptelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) fließt; undeine zweite Schutzschaltung (30, 30a, 30b), die zu Folgendem konfiguriert ist:Detektieren eines Stroms (Ig), der durch eine Verbindung fließt, die zum Zuführen des Steuersignals bereitgestellt ist;Bestimmen, auf Basis des detektierten Stroms, ob sich mindestens eine der Mehrzahl der ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand befindet; undwenn eine zugeordnete Schutzschaltung der Mehrzahl von ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand ist, Verändern des Steuersignals, um zu veranlassen, dass jede der Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b) ausgeschaltet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energie-Schaltvorrichtung, die eine Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen, die parallel zueinander geschaltet sind, und eine Gate-Treiberschaltung für diese Halbleiter-Schalteinrichtungen aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Energie-Schaltvorrichtung, die ferner eine Schutzschaltung für diese Halbleiter-Schalteinrichtungen aufweist.
Stand der Technik
Wenn eine Mehrzahl von Leistungs-Halbleiter-Schalteinrichtungen parallel geschaltet sind, wird eine geschlossene Schaltung gebildet, und zwar von den jeweiligen Gate-zu-Drain-Kapazitäten (oder Gate-zu-Source-Kapazitäten) der Halbleiterelemente und einer Verdrahtungs-Induktivität. In dieser geschlossenen Schaltung kann eine Störschwingung bzw. parasitäre Schwingung während des Einschaltens oder Ausschaltens der Halbleiter-Schalteinrichtungen auftreten (es ist insbesondere wahrscheinlich, dass eine parasitäre Schwingung während des Ausschaltens der Halbleiter-Schalteinrichtungen auftritt). Das Auftreten der parasitären Schwingung kann eine Beschädigung der Halbleiter-Schalteinrichtungen bewirken. Diese parasitäre Schwingung ist ein Problem, das besonders bei der Konfiguration auftritt, bei welcher eine Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen parallel geschaltet sind.
Um dieses Problem zu vermeiden, ist im Allgemeinen ein Gate-Widerstand mit einem relativ großen Widerstandswert mit dem Gate jeder Halbleiter-Schalteinrichtung verbunden. Beispielsweise wird gemäß Patentdokument 1 (Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2003 - 88 098 A ) die parasitäre Schwingung mit einem Dämpfungswiderstand auf Seiten des Ausgangsanschlusses einer Gate-Treiberschaltung unterbunden.
Die Druckschrift WO 2014/ 136 252 A1 betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einer Überstromschutzschaltung zum Schützen eines Leistungshalbleiterelements.
Die Druckschrift KR 10 2012 0 124 031 A betrifft eine Leistungshalbleitervorrichtung mit einer Vielzahl von Schaltelementen zum Reduzieren von Schaltverlusten.
Die Druckschrift JP 2008 - 79 379 A betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterelements sowie eine Gate-Treiberschaltung.
Literaturverzeichnis
Patentdokument
Patentdokument 1: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2003 - 88 098 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die Verbindung eines Gate-Widerstands mit einem relativ großen Widerstandswert, wie oben beschrieben, führt zu dem Problem, dass die Zeit zum Einschalten und die Zeit zum Ausschalten zunehmen. Dies rührt daher, dass die Zeit zum Einschalten und die Zeit zum Ausschalten durch das Produkt des Widerstandswerts des Gate-Widerstands mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung bestimmt wird. Die vergrößerte Zeit zum Einschalten und die vergrößerte Zeit zum Ausschalten führen zu einer Zunahme der Verluste beim Einschalten bzw. einer Zunahme der Verluste beim Ausschalten. Demzufolge verursacht ein Hinzufügen des Gate-Widerstands zum Unterbinden der parasitären Schwingung während des Ausschaltens eine unerwünschte Zunahme nicht nur der Verluste beim Einschalten, sondern auch der Verluste beim Ausschalten.
Ein ähnliches Problem ergibt sich, wenn die Störstrahlung infolge einer hohen Schaltgeschwindigkeit der Halbleiter-Schalteinrichtung unterbunden werden soll. Die Störstrahlung wird durch eine abrupte Veränderung der Drain-Spannung und des Drain-Stroms hervorgerufen. Ein Beispiel ist der Fall, in welchem die Störstrahlung, die auftritt, wenn eine Halbleiter-Schalteinrichtung eingeschaltet wird, ein zu lösendes Problem ist. In diesem Fall wird ein Gate-Widerstand mit einem relativ großen Widerstandswert hinzugefügt, um die Veränderungsrate der Drain-Spannung und des Drain-Stroms zu verringern, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung eingeschaltet wird, und es tritt nicht nur eine unerwünschte Zunahme der Verluste beim Einschalten, sondern auch beim Ausschalten auf.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme konzipiert. Sie ist auf eine Energie-Schaltvorrichtung gerichtet, die eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen aufweist. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, Maßnahmen zum Lösen eines Problems zu ergreifen, das bei einem von dem Einschaltvorgang und dem Ausschaltvorgang auftritt, so dass die Verluste bei dem jeweils anderen Vorgang nicht zunehmen.
Lösung des Problems
Eine Energie-Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen auf, die parallel zueinander geschaltet sind, eine Mehrzahl von Ausgleichswiderstandseinheiten, sowie eine Steuerungsschaltung. Die Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen sind parallel zueinander geschaltet und haben jeweils eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode. Die Mehrzahl von Ausgleichswiderstandseinheiten sind jeweils einer jeweiligen der Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen zugeordnet, und deren ein Ende ist jeweils mit der Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung verbunden.
Die Steuerungsschaltung gibt an das andere Ende jeder Ausgleichswiderstandseinheit ein gemeinsames Steuersignal zum Einschalten und Ausschalten jeder Halbleiter-Schalteinrichtung aus. Jede Ausgleichswiderstandseinheit ist so konfiguriert, dass ihr Widerstandswert zwischen verschiedenen Werten umgeschaltet wird, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen gemäß dem Steuersignal eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Die Ausgleichswiderstandseinheit ist für eine Mehrzahl von Leistungs-Halbleiter-Schalteinrichtungen, die parallelgeschaltet sind, als ein Ausgleichswiderstand zum Unterbinden einer parasitären Schwingung bereitgestellt, die während des Schaltens der Halbleiter-Schalteinrichtungen auftritt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Erfindung kann der Widerstandswert von jeder Ausgleichswiderstandseinheit auf verschiedene Werte zum Einschalten und Ausschalten einer Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen eingestellt werden. Wenn Maßnahmen zum Lösen eines Problems ergriffen werden, das bei einem von dem Einschaltvorgang und dem Ausschaltvorgang auftritt, kann daher die Zunahme der Verluste bei dem jeweils anderen Vorgang verhindert werden.
Figurenliste

1 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Schaltvorrichtung 100 in einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 100 in 1 zeigt.
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Schaltvorrichtung 101 in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Schaltvorrichtung 102 in einer dritten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Schaltvorrichtung 103 in einer vierten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Kombination der Energie-Schaltvorrichtung 100 in 1 mit einer Kurzschluss-Schutzschaltung zeigt.
7 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb einer Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb in 6 zeigt.
8 ist ein Diagramm, das einen Pfad für den Gate-Strom Ig im Normalbetrieb der Energie-Schaltvorrichtung 104 in 6 zeigt.
9 ist ein Diagramm, das einen Pfad für den Gate-Strom Ig in einem Kurzschlussbetrieb der Energie-Schaltvorrichtung 104 in 6 zeigt.
10 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Kombination der Energie-Schaltvorrichtung 102 in 4 mit einer Kurzschluss-Schutzschaltung zeigt.
11 ist ein Diagramm, das einen Pfad für den Gate-Strom Ig zeigt, wenn eine Halbleiter-Schalteinrichtung T2a in einer Energie-Schaltvorrichtung 105 in 10 infolge eines Kurzschlusses versagt.
12 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Modifikation der Kombination der Energie-Schaltvorrichtung 102 in 4 mit einer Kurzschluss-Schutzschaltung zeigt.
13 ist ein Diagramm, das einen Pfad für den Gate-Strom Ig zeigt, wenn nur eine Halbleiter-Schalteinrichtung T2a in einer Energie-Schaltvorrichtung 106 in 12 infolge eines Kurzschlusses versagt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird jede Ausführungsform detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die gleichen oder entsprechende Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Erste Ausführungsform
Konfiguration der Energie-Schaltvorrichtung 100
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Schaltvorrichtung 100 in einer ersten Ausführungsform zeigt. Unter Bezugnahme auf 1 gilt Folgendes: Die Energie-Schaltvorrichtung 100 weist Halbleitermodule Ta, Tb auf, die parallel zueinander geschaltet sind, und eine Treiberschaltung GD.
Das Halbleitermodul Ta weist einen Leistungs-n-MOSFET (n-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) als eine Halbleiter-Schalteinrichtung T1a auf, die zwischen einen hochspannungsseitigen Knoten ND und einen niederspannungsseitigen Knoten NS geschaltet ist, sowie eine Diode D1a. Die Diode D1a ist antiparallel zu der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a geschaltet (d. h., das Drain des n-MOSFET (T1a) ist mit der Kathode der Diode D1a verbunden). Die Diode D1a ist dazu bereitgestellt, um zu veranlassen, dass ein Freilaufstrom fließt, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a ausgeschaltet wird. In 1 ist ein innerer Gate-Widerstand des n-MOSFET (T1a) mit ra bezeichnet.
Das Halbleitermodul Tb weist auf ähnliche Weise einen Leistungs-n-MOSFET als eine Halbleiter-Schalteinrichtung T1b auf, die zwischen den hochspannungsseitigen Knoten ND und den niederspannungsseitigen Knoten NS geschaltet ist, sowie eine Diode D1b. Die Diode D1b ist antiparallel zu der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b geschaltet. Die Diode D1b ist dazu bereitgestellt, um zu veranlassen, dass ein Freilaufstrom fließt, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T1b ausgeschaltet wird. In 1 ist ein innerer Gate-Widerstand des n-MOSFET (Tlb) mit rb bezeichnet.
Die Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b sind jeweils eine Halbleitereinrichtung vom Lichtbogen-Selbstlöschtyp, die eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode aufweisen, und sie schalten den Strom, der zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode fließt, gemäß einem Signal ein oder aus, das an die Steuerelektrode angelegt wird. 1 zeigt ein Beispiel, in welchem Leistungs-MOSFETs vom n-Typ als Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b verwendet werden. In diesem Fall ist die erste Hauptelektrode die Source des n-MOSFET, die zweite Hauptelektrode ist das Drain des n-MOSFET, und die Steuerelektrode ist das Gate des n-MOSFET.
Die Treiberschaltung GD weist Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb und eine Steuerungsschaltung 12 auf. Die Ausgleichswiderstandseinheit Ra ist zwischen einen Ausgangsknoten N1a und das Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a geschaltet. Der Ausgangsknoten N1a zweigt vom Ausgangsknoten N1 der Steuerungsschaltung 12 ab, um ein Steuersignal an die Steuerelektrode der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a auszugeben. Die Ausgleichswiderstandseinheit Rb ist zwischen einen Ausgangsknoten N1b und das Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a geschaltet. Der Ausgangsknoten N1b zweigt vom Ausgangsknoten N1 der Steuerungsschaltung 12 ab, um ein Steuersignal an die Steuerelektrode der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b auszugeben. Die Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb sind als Ausgleichswiderstände zum Synchronisieren des Einschalt-/Ausschalttimings der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a mit dem Einschalt-/Ausschalttiming der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b bereitgestellt. Für eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen sind auch Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb bereitgestellt, um die parasitäre Schwingung während des Einschaltens oder Ausschaltens der Leistungs-Halbleiter-Schalteinrichtungen zu unterbinden.
Genauer gesagt: Die Ausgleichswiderstandseinheit Ra weist eine Diode D2a und ein Widerstandselement R3a auf, die zueinander parallelgeschaltet sind. Die Kathode der Diode D2a ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a verbunden, und die Anode der Diode D2a ist mit dem Ausgangsknoten N1a der Steuerungsschaltung 12 verbunden. Die Ausgleichswiderstandseinheit Rb weist auf ähnliche Weise eine Diode D2b und ein Widerstandselement R3b auf, die zueinander parallelgeschaltet sind. Die Kathode der Diode D2b ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b verbunden, und die Anode der Diode D2b ist mit dem Ausgangsknoten N1b der Steuerungsschaltung 12 verbunden.
Die Steuerungsschaltung 12 gibt ein gemeinsames Steuersignal zum Einschalten und Ausschalten einer Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b aus. Genauer gesagt, weist die Steuerungsschaltung 12 Folgendes auf: Eine Schalt-Steuerungs-einheit 13, einen Einschalt-n-MOSFET 14 als ein Schaltelement, einen Ausschalt-p-MOSFET (p-Kanal-MOSFET) 15 als ein Schaltelement, einen Einschalt-Gate-Widerstand R1 zum Einstellen der Schaltgeschwindigkeit beim Einschalten, einen Ausschalt-Gate-Widerstand R2 zum Einstellen der Schaltgeschwindigkeit beim Ausschalten, eine erste DC-Energieversorgung 10 und eine zweite DC-Energieversorgung 11. Der Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 wird so bestimmt, dass eine notwendige Schaltgeschwindigkeit beim Einschalten erzielt wird. Der Widerstandswert des Ausschalt-Gate-Widerstands R2 wird so bestimmt, dass eine notwendige Schaltgeschwindigkeit beim Ausschalten erzielt wird. Der Einschalt-Gate-Widerstand kann hierin als ein erstes Widerstandselement bezeichnet werden, und der Ausschalt-Gate-Widerstand kann hierin als ein zweites Widerstandselement bezeichnet werden.
Die ersten und zweiten DC-Energieversorgungen 10, 11 sind miteinander in Reihe geschaltet (der negative Knoten der DC-Energieversorgung 10 ist mit dem positiven Knoten der DC-Energieversorgung 11 verbunden). Ein Verbindungsknoten N3, der die erste mit der zweiten DC-Energieversorgung 10, 11 verbindet, ist mit der Source N4a des n-MOSFET (T1a) und der Source N4b des n-MOSFET (T1b) verbunden. Nachfolgend sind die jeweiligen Ausgangsspannungen (Energieversorgungsspannungen) der ersten und zweiten DC-Energieversorgung 10, 11 als Vs bezeichnet.
Der Einschalt-Gate-Widerstand R1 und der n-MOSFET 14 sind zwischen dem positiven Knoten N2 der ersten DC-Energieversorgung 10 und den Ausgangsknoten N1 der Steuerungsschaltung 12 in Reihe geschaltet. In 1 gilt Folgendes: Während der Einschalt-Gate-Widerstand R1 mit dem Drain des n-MOSFET 14 verbunden ist, kann der Einschalt-Gate-Widerstand R1 mit der Source des n-MOSFET 14 verbunden sein. Auf ähnliche Weise sind der Ausschalt-Gate-Widerstand R2 und der p-MOSFET 15 in Reihe zwischen dem Ausgangsknoten N1 der Steuerungsschaltung 12 und einem Masseknoten GND geschaltet. In 1 gilt Folgendes: Während der Ausschalt-Gate-Widerstand R2 mit dem Drain des p-MOSFET 15 verbunden ist, kann der Einschalt-Gate-Widerstand R1 mit der Source des p-MOSFET 15 verbunden sein.
Die Schalt-Steuerungseinheit 13 steuert den Einschalt-MOSFET 14 und den Ausschalt-MOSFET 15 in Antwort auf ein externes Steuersignal Sg. In einem Beispiel in der ersten Ausführungsform schaltet die Schalt-Steuerungseinheit 13 den MOSFET 14 ein, und sie schaltet den MOSFET 15 ab, und zwar in Antwort auf ein externes Steuersignal Sg auf dem hohen Pegel (H-Pegel). Im Ergebnis werden die Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b eingeschaltet. Die Schalt-Steuerungseinheit 13 schaltet den MOSFET 14 ein und schaltet den MOSFET 15 aus, und zwar in Antwort auf das externe Steuersignal Sg auf dem niedrigen Pegel (L-Pegel). Im Ergebnis werden die Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b ausgeschaltet.
Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 100
Es wird der Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 100 in 1 beschrieben. Die Leistungs-Halbleitermodule Ta, Tb haben die gleiche Schaltungskonfiguration, und die Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb haben auch die gleiche Schaltungskonfiguration, und daher tritt das Einschalten/Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a nahezu gleichzeitig wie das Einschalten/Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b auf. Nachfolgend wird daher hauptsächlich der Betrieb des Leistungs-Halbleitermoduls Ta beschrieben.
2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 100 in 1 zeigt. 2 zeigt nacheinander von oben Folgendes: Das externe Steuersignal Sg; die Gatespannungen Vga, Vgb der Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, Tlb; den Steuerstrom (Gate-Strom) Ig, der vom Ausgangsknoten N1 der Steuerungsschaltung 12 ausgegeben wird; den Drain-Strom Id, der vom hochspannungsseitigen Knoten ND zu den Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b fließt; und die Drain-Spannung Vd der Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b.Die Horizontalachse stellt die Zeit dar (ZEIT).
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 gilt Folgendes: Zum Zeitpunkt t0 schaltet das externe Steuersignal Sg vom L-Pegel auf den H-Pegel. In Antwort darauf schaltet der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Einschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Ausschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom positiven Knoten N2 der ersten DC-Energieversorgung 10 zur Halbleiter-Schalteinrichtung T1a durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, die Diode D2a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den inneren Gate-Widerstand ra. Im Ergebnis wird eine positive Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt. Im Falle der Ausgleichswiderstandseinheit Ra in 1 fließt im Wesentlichen der gesamte Gatestrom durch die Vorwärtsrichtungs-Diode D2a, und es fließt kein Gate-Strom durch das Widerstandselement R3a.
Zum Zeitpunkt t20 nimmt die Gate-zu-Source-Spannung zu, so dass sie gleich groß wie oder größer wird als eine Schwellenspannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a. Dann wird die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a leitend (eingeschaltet). Der Drain-Strom Id fließt zur Halbleiter-Schalteinrichtung T1a durch eine (nicht dargestellte) Haupt-schaltung, die zwischen Drain und Source der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a geschaltet ist. Die Zeit zum Einschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a und des Einschalt-Gate-Widerstands R1 mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt. Je größer der Widerstandswert, desto länger die Zeit zum Einschalten.
Der Zeitraum vom Zeitpunkt t1 zum Zeitpunkt t2 ist ein Spiegelzeitraum, in welchem die Gate-Spannung Vg durch den Spiegeleffekt der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a konstant gehalten wird. Im Spiegelzeitraum verursacht die Variation der Spannung Vd zwischen den Hauptelektroden eine Variation der parasitären Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, und daher wird die Gate-Spannung Vg konstant gehalten. Zum Zeitpunkt t2 endet der Spiegelzeitraum. Dann nimmt die Gate-Spannung Vg wieder zu. Zum Zeitpunkt t3 erreicht die Gate-Spannung Vga die positive Energie-Versorgungsspannung Vs. Demzufolge endet der Einschaltvorgang.
Zum Zeitpunkt t4 schaltet das externe Steuersignal Sg vom H-Pegel auf den L-Pegel um. In Antwort darauf schaltet der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Ausschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Einschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom Gate der Halbleiter-Schalt-einrichtung T1a zum Masseknoten GND, und zwar nacheinander durch den inneren Gate-Widerstand ra, das Widerstandselement R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Ausschalt-Gate-Widerstand R2.Im Ergebnis wird eine negative Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt. Im Fall der Ausgleichswiderstandseinheit Ra in 1 wird der Gate-Strom in der Rückwärtsrichtung der Diode D2a blockiert, und daher fließt im Wesentlichen der gesamte Gate-Strom durch das Widerstandselement R3a.
Wenn die Gate-zu-Source-Spannung abnimmt, so dass sie niedriger wird als die Schwellenspannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, dann wird die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a ausgeschaltet. Dann fließt der Drain-Strom Id nicht durch die Hauptschaltung (nicht dargestellt), die zwischen Drain und Source geschaltet ist. Die Zeit zum Ausschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstands-werts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, des Widerstandselements R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und des Ausschalt-Gate-Widerstands R2 mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Zum Zeitpunkt t5 beginnt die Spannung Vd zwischen den Hauptelektroden, zuzunehmen. Dann ist der Zeitraum vom Zeitpunkt t5 zum Zeitpunkt t6 ein Spiegelzeitraum, in welchem die Gate-Spannung Vg im Wesentlichen konstant gehalten wird. Zum Zeitpunkt t6 endet der Spiegelzeitraum. Dann beginnt die Gate-Spannung Vg wieder, abzunehmen. Zum Zeitpunkt t7 erreicht die Gate-Spannung Vga die negative Energieversorgungsspannung Vs.
Demzufolge endet der Ausschaltvorgang.
Wirkungen der ersten Ausführungsform
In 1 gilt Folgendes: Falls die Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb nicht mit den Dioden D2a, D2b ausgestattet sind, sondern nur mit den Widerstandselementen R3a, R3b ausgestattet sind, nimmt nicht nur der Ausschalt-Gate-Widerstandswert zu, sondern auch der Einschalt-Gate-Widerstandswert, und demzufolge nehmen nicht nur die Verluste beim Ausschalten zu, sondern auch die Verluste beim Einschalten. Im Stand der Technik wird oft eine solche Konfiguration zu dem Zweck verwendet, die parasitäre Schwingung während des Ausschaltens zu unterbinden.
Im Gegensatz dazu wird in der Energie-Schaltvorrichtung 100 in der vorliegenden Ausführungsform die Ausgleichswiderstandseinheit Ra durch das parallelgeschaltete Widerstandselement R3a und die Diode D2a gebildet. Die Kathode der Diode D2a ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a verbunden. Wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a eingeschaltet wird, fließt demzufolge kein Gate-Strom Ig durch den Widerstand R3a. Im Ergebnis wird der Wert des Einschalt-Gate-Widerstands durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1 und den inneren Gate-Widerstand ra des Leistungs-Halbleitermoduls Ta bestimmt.
Selbst wenn der Widerstandswert des Widerstands R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zu dem Zweck erhöht wird, die parasitäre Schwingung während des Ausschaltens zu unterbinden, nimmt die Zeit zum Einschalten nicht zu. Mit anderen Worten: Bei der Energie-Schaltvorrichtung 100 in der vorliegenden Ausführungsform kann die parasitäre Schwingung unterbunden werden, die während des Schaltvorgangs auftritt, und zwar ohne die Verluste beim Einschalten der parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b zu erhöhen.
Modifikation
Wenn die Zunahme der Verluste beim Ausschalten verhindert werden sollen, wird die Polarität der Dioden D2a, D2b, die die Ausgleichswiderstandseinheit Ra, Rb bilden, hinsichtlich deren Polarität in 1 umgekehrt. Genauer gesagt: Die Kathode der Diode D2a ist mit den Ausgangsknoten N1a der Steuerungsschaltung 12 verbunden, und deren Anode ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a verbunden. Die Kathode der Diode D2b ist mit den Ausgangsknoten N1b der Steuerungsschaltung 12 verbunden, und deren Anode ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b verbunden. Es wird der Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 100 in diesem Fall beschrieben. Insbesondere wird der Betrieb des Halbleitermoduls Ta, der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und der Steuerungsschaltung 12 beschrieben.
In Antwort auf das Schalten des externen Steuersignals Sg vom L-Pegel auf den H-Pegel schaltet der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Einschalt-zustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Ausschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom positiven Knoten N2 der ersten DC-Energieversorgung 10 zur Halbleiter-Schalteinrichtung T1a durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, das Widerstandselement R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den inneren Gate-Widerstand ra des Leistungs-Halbleitermoduls Ta. Im Ergebnis wird eine positive Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt.
Wenn die Gate-zu-Source-Spannung zunimmt, so dass sie gleich groß wie oder größer wird als die Schwellenspannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, dann wird die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a leitend. Die Zeit zum Einschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, des Widerstandselements R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und des Einschalt-Gate-Widerstands R1 mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Im Gegensatz dazu schaltet in Antwort auf das Schalten des externen Steuersignals Sg vom H-Pegel auf den L-Pegel der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Ausschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Einschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a zum Masseknoten GND, und zwar nacheinander durch den inneren Gate-Widerstand ra, die Diode D2a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Ausschalt-Gate-Widerstand R2. Im Ergebnis wird eine negative Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt.
Wenn die Gate-zu-Source-Spannung abnimmt, so dass sie niedriger wird als die Schwellenspannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, dann wird die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a ausgeschaltet. Die Zeit zum Ausschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a und des Ausschalt-Gate-Widerstands R2 mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Wie aus dem Obigen ersichtlich fließt, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a ausgeschaltet wird, kein Gate-Strom durch das Widerstandselement R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra. Selbst wenn der Widerstandswert des Widerstandselements R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zu dem Zweck erhöht wird, die parasitäre Schwingung während des Ausschaltens zu unterbinden, nimmt daher die Zeit zum Ausschalten nicht zu. Mit anderen Worten: Bei der Energie-Schaltvorrichtung in der oben beschriebenen Modifikation kann die parasitäre Schwingung unterbunden werden, die während des Schaltvorgangs auftritt, und zwar ohne die Verluste beim Ausschalten der parallel-geschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b zu erhöhen.
Zweite Ausführungsform
Konfiguration der Energie-Schaltvorrichtung 101
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Schalt-vorrichtung 101 in einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die Energie-Schaltvorrichtung 101 in 3 unterscheidet sich von der Energie-Schaltvorrichtung 100 in 1 durch die Konfiguration der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb. Die anderen Merkmale in 3 sind ähnlich zu denjenigen in 1. Die gleichen oder entsprechende Bestandteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Wie in 3 gezeigt, weist die Ausgleichswiderstandseinheit Ra eine Diode D2a und ein Widerstandselement R4a auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind und zwischen dem Ausgangsknoten N1a der Steuerungsschaltung 12 und dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angeordnet sind. Die Ausgleichswiderstandseinheit Ra weist ferner ein Widerstandselement R3a auf, das parallel zu der Kombination der Diode D2a und dem Widerstandselement R4a geschaltet ist. Die Kathode der Diode D2a ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a verbunden. Die Reihenfolge, in der die Diode D2a und das Widerstandselement R4a geschaltet sind, kann hinsichtlich der in 3 gezeigten Reihenfolge umgekehrt sein.
Die Ausgleichswiderstandseinheit Ra weist eine Diode D2b und ein Widerstandselement R4b auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind und zwischen den Ausgangsknoten N1b der Steuerungsschaltung 12 und das Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b geschaltet sind. Die Ausgleichswiderstandseinheit Rb weist ferner ein Widerstandselement R3b auf, das parallel zu der Kombination der Diode D2b und dem Widerstandselement R4b geschaltet ist. Die Kathode der Diode D2b ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b verbunden. Die Reihenfolge, in der die Diode D2b und das Widerstandselement R4b geschaltet sind, kann hinsichtlich der in 3 gezeigten Reihenfolge umgekehrt sein.
Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 101
Es wird der Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 101 in 3 beschrieben. Die Leistungs-Halbleitermodule Ta, Tb haben die gleiche Schaltungskonfiguration, und die Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb haben auch die gleiche Schaltungskonfiguration, und daher tritt das Einschalten/Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a nahezu gleichzeitig wie das Einschalten/Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b auf. Nachfolgend wird daher hauptsächlich der Betrieb des Leistungs-Halbleitermoduls Ta beschrieben.
In Antwort auf das Schalten des externen Steuersignals Sg vom L-Pegel auf den H-Pegel schaltet der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Einschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Ausschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom positiven Knoten N2 der ersten DC-Energieversorgung 10 zur Halbleiter-Schalteinrichtung T1a durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, die Widerstandselemente R3a, R4a und die Diode D2a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den inneren Gate-Widerstand ra des Leistungs-Halbleiter-moduls Ta. Im Ergebnis wird eine positive Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt, um zu veranlassen, dass die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a eingeschaltet wird. Die Zeit zum Einschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, der Widerstandselemente R3a, R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und des Einschalt-Gate-Widerstands R1 mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Im Gegensatz dazu schaltet in Antwort auf das Schalten des externen Steuersignals Sg vom H-Pegel auf den L-Pegel der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Ausschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Einschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a zum Masseknoten GND, und zwar nacheinander durch den inneren Gate-Widerstand ra, das Widerstandselement R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Ausschalt-Gate-Widerstand R2. Im Ergebnis wird eine negative Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt, um zu veranlassen, dass die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a ausgeschaltet wird. Die Zeit zum Ausschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, des Widerstandselements R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und des Ausschalt-Gate-Widerstands R2 mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Genauer gesagt: Bei der oben beschriebenen Konfiguration ist der Einschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra durch Folgendes gegeben: $R3a R4a / (R3a + R4a) ⊓$
wobei R3a, R4a die jeweiligen Widerstandswerte der Widerstandselemente R3a, R4a sind. Der Ausschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra ist durch R3a gegeben. Es ist daher möglich, den Einschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra kleiner als den Ausschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zu machen.
Im Ergebnis kann die parasitäre Schwingung während des Schaltens unterbunden werden, und zwar ohne eine nutzlose Erhöhung der Verluste beim Einschalten der parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen. Außerdem gehen bei der in 1 gezeigten Konfiguration der ersten Ausführungsform die Ladungen nur durch ein Widerstandselement zwischen dem Gate des Halbleitermoduls Ta und dem Gate des Halbleitermoduls Tb während der parasitären Schwingung. Im Gegensatz dazu gehen die Ladungen durch mehrere Widerstandselemente in der Konfiguration der zweiten Ausführungsform, was eine stärkere Wirkung beim Unterbinden der parasitären Schwingung bewirkt, die während des Schaltens auftritt.
Modifikation]
Wenn die Zunahme der Verluste beim Ausschalten verhindert werden sollen, wird die Polarität der Dioden D2a, D2b, die die Ausgleichswiderstandseinheit Ra, Rb bilden, hinsichtlich deren Polarität in 3 umgekehrt. Genauer gesagt: Die Kathode der Diode D2a ist mit den Ausgangsknoten N1a der Steuerungsschaltung 12 verbunden, und die Kathode der Diode D2b ist mit den Ausgangsknoten N1b der Steuerungsschaltung 12 verbunden.
In diesem Fall ist der Einschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra durch R3a gegeben, und der Ausschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra ist durch den obigen Ausdruck (1) gegeben. Es ist daher möglich, den Ausschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra kleiner als den Einschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zu machen. Im Ergebnis kann der Widerstandswert der Widerstandselemente R3a, R4a so bestimmt werden, dass die parasitäre Schwingung während des Schaltens unterbunden wird, und zwar ohne eine nutzlose Erhöhung der Verluste beim Ausschalten der parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen.
Dritte Ausführungsform
Konfiguration der Energie-Schaltvorrichtung 102
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Schalt-vorrichtung 102 in einer dritten Ausführungsform zeigt. Die Energie-Schaltvorrichtung 102 in 4 unterscheidet sich von der Energie-Schaltvorrichtung 100 in 1 durch die Konfiguration der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb. Die anderen Merkmale in 4 sind ähnlich zu denjenigen in 1. Die gleichen oder entsprechende Bestandteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Wie in 4 gezeigt, weist die Ausgleichswiderstandseinheit Ra eine Diode D2a und ein Widerstandselement R4a auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind und zwischen dem Ausgangsknoten N1a der Steuerungsschaltung 12 und dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angeordnet sind. Die Ausgleichswiderstandseinheit Ra weist ferner ein Widerstandselement R3a und eine Diode D3a auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind und die parallel zu der Kombination der Diode D2a und dem Widerstandselement R4a geschaltet sind.
Die Kathode der Diode D2a ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a verbunden. Die Kathode der Diode D3a ist mit dem Ausgangsknoten N1a der Steuerungsschaltung 12 verbunden. Die Polarität der Diode D2a ist entgegengesetzt zu der Polarität der Diode D3a. Die Reihenfolge, in der die Diode D2a und das Widerstandselement R4a geschaltet sind, kann hinsichtlich der in 4 gezeigten Reihenfolge umgekehrt sein. Die Reihenfolge, in der das Widerstandselement R3a und die Diode D3a geschaltet sind, kann ebenfalls hinsichtlich der in 4 gezeigten Reihenfolge umgekehrt sein.
Die Ausgleichswiderstandseinheit Ra weist eine Diode D2b und ein Widerstandselement R4b auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind und zwischen den Ausgangsknoten N1b der Steuerungsschaltung 12 und das Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b geschaltet sind. Die Ausgleichswiderstandseinheit Rb weist ferner ein Widerstandselement R3b und eine Diode D3b auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind und die parallel zu der Kombination der Diode D2b und dem Widerstandselement R4b geschaltet sind.
Die Kathode der Diode D2b ist mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b verbunden. Die Kathode der Diode D3b ist mit dem Ausgangsknoten N1b der Steuerungsschaltung 12 verbunden. Die Polarität der Diode D2b ist entgegengesetzt zu der Polarität der Diode D3b. Die Reihenfolge, in der die Diode D2b und das Widerstandselement R4b geschaltet sind, kann hinsichtlich der in 4 gezeigten Reihenfolge umgekehrt sein. Die Reihenfolge, in der das Widerstandselement R3b und die Diode D3b geschaltet sind, kann ebenfalls hinsichtlich der in 4 gezeigten Reihenfolge umgekehrt sein.
Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 102
Es wird der Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 102 in 4 beschrieben. Die Leistungs-Halbleitermodule Ta, Tb haben die gleiche Schaltungskonfiguration, und die Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb haben auch die gleiche Schaltungskonfiguration, und daher tritt das Einschalten/Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a nahezu gleichzeitig wie das Einschalten/Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b auf. Nachfolgend wird daher hauptsächlich der Betrieb des Leistungs-Halbleitermoduls Ta beschrieben.
In Antwort auf das Schalten des externen Steuersignals Sg vom L-Pegel auf den H-Pegel schaltet der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Einschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Ausschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom positiven Knoten N2 der ersten DC-Energieversorgung 10 zur Halbleiter-Schalteinrichtung T1a durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, das Widerstandselement R4a und die Diode D2a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den inneren Gate-Widerstand ra des Leistungs-Halbleitermoduls Ta.
Im Ergebnis wird eine positive Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt, um zu veranlassen, dass die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a eingeschaltet wird. Die Zeit zum Einschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und des Einschalt-Gate-Widerstands R1, mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Im Gegensatz dazu schaltet in Antwort auf das Schalten des externen Steuersignals Sg vom H-Pegel auf den L-Pegel der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Ausschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Einschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a zum Masseknoten GND, und zwar nacheinander durch den inneren Gate-Widerstand ra, das Widerstandselement R3a und die Diode D3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Ausschalt-Gate-Widerstand R2. Im Ergebnis wird eine negative Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt, um zu veranlassen, dass die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a ausgeschaltet wird. Die Zeit zum Ausschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, des Widerstandselements R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und des Ausschalt-Gate-Widerstands R2 mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Genauer gesagt: Bei der oben beschriebenen Konfiguration ist der Einschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra durch R4a gegeben, und der Ausschalt-Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra ist durch R3a gegeben, wobei R3a und R4a die jeweiligen Widerstandswerte der Widerstandselemente R3a bzw. R4a sind. Demzufolge können der Einschalt-Widerstandswert (R4a) der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und der Ausschalt-Widerstandswert (R3a) der Ausgleichswiderstandseinheit Ra vollkommen unabhängig voneinander eingestellt werden.
Wenn eine Zunahme der Verluste beim Einschalten verhindert werden soll, kann daher der Widerstandswert des Widerstandselements R3a, der die Ausgleichswiderstandseinheit Ra bildet, größer eingestellt werden, um die parasitäre Schwingung während des Schaltens zu unterdrücken, ohne überhaupt die Verluste beim Einschalten zu beeinflussen. Wenn eine Zunahme der Verluste beim Ausschalten verhindert werden soll, kann auf ähnliche Weise der Widerstandswert des Widerstandselements R4a, der die Ausgleichswiderstandseinheit Ra bildet, größer eingestellt werden, um die parasitäre Schwingung während des Schaltvorgangs der parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen zu unterbinden, und zwar ohne eine nutzlose Erhöhung der Verluste bei irgendeinem von Einschalten und Ausschalten.
Vierte Ausführungsform
Konfiguration der Energie-Schaltvorrichtung 103
5 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Schaltvorrichtung 103 in einer vierten Ausführungsform zeigt. Die Energie-Schaltvorrichtung 103 in 5 unterscheidet sich von der Energie-Schaltvorrichtung 100 in 1 durch die Konfiguration der Steuerungsschaltung 12 und der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb. Die anderen Merkmale in 5 sind ähnlich zu denjenigen in 1. Die gleichen oder entsprechende Bestandteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Wie in 5 gezeigt, weist die Steuerungsschaltung 12 einen Ausgangsknoten N10 auf, der mit der Source des Einschalt-n-MOSFETs 14 verbunden ist, und einen Ausgangsknoten N11, der mit der Source des Ausschalt-p-MOSFETs 15 verbunden ist. Eine Verbindung N10a, die vom Ausgangsknoten N10 abzweigt und die mit der Source des Einschalt-n-MOSFETs 14 verbunden ist, um ein Steuersignal an die Steuerelektrode der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a auszugeben, und eine Verbindung N10b, die vom Ausgangsknoten N10 abzweigt, um ein Steuersignal an die Steuerelektrode der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b auszugeben, sind bereitgestellt. Eine Verbindung N11a, die vom Ausgangsknoten N11 abzweigt und die mit der Source des Ausschalt-n-MOSFETs 15 verbunden ist, um ein Steuersignal an die Steuerelektrode der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a auszugeben, und eine Verbindung N11b, die vom Ausgangsknoten N11 abzweigt, um ein Steuersignal an die Steuerelektrode der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b auszugeben, sind bereitgestellt.
Die Verbindung N10a und die Verbindung N11a sind mit der Steuerelektrode (Gate) der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a verbunden. Die Verbindung N10b und die Verbindung N11b sind mit der Steuerelektrode (Gate) der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b verbunden. Der Ausgangsknoten N10, der mit der Source des Einschalt-n-MOSFETs 14 verbunden ist, kann hierin als ein erster Ausgangsknoten bezeichnet werden, und der Ausgangsknoten N11, der mit der Source des Ausschalt-n-MOSFETs verbunden ist, kann hierin als ein zweiter Ausgangsknoten bezeichnet werden.
Die Ausgleichswiderstandseinheit Ra weist das Widerstandselement R4a auf, das zwischen dem Ausgangsknoten N10 und dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angeordnet ist (d. h. an der Verbindung N10a angeordnet ist), sowie eine Diode D3a und ein Widerstandselement R3a, die miteinander in Reihe geschaltet sind und zwischen dem Ausgangsknoten N11 und dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angeordnet sind (d. h. an der Verbindung N11a angeordnet sind).Die Kathode der Diode D3a ist mit dem Ausgangsknoten N11 verbunden. Die Reihenfolge, in der die Diode D3a und das Widerstandselement R3a geschaltet sind, kann hinsichtlich der in 5. gezeigten Reihenfolge umgekehrt sein. Die Diode D3a kann in Reihe zum Widerstandselement R4a geschaltet sein. In diesem Fall ist die Kathode der Diode D3a mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a verbunden. Auch in diesem Fall ist die Reihenfolge, in welcher die Diode D3a und das Widerstandselement R4a verbunden sind, nicht auf eine bestimmte Reihenfolge beschränkt.
Die Ausgleichswiderstandseinheit Rb weist auf ähnliche Weise das Widerstands-element R4b auf, das zwischen dem Ausgangsknoten N10 und dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b angeordnet ist (d. h. an der Verbindung N10b angeordnet ist), sowie eine Diode D3b und ein Widerstandselement R3b, die miteinander in Reihe geschaltet sind und zwischen dem Ausgangsknoten N11 und dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b angeordnet sind (d. h. an der Verbindung N11b angeordnet sind). Die Kathode der Diode D3b ist mit dem Ausgangsknoten N11 verbunden.
Die Reihenfolge, in der die Diode D3b und das Widerstandselement R3b geschaltet sind, kann hinsichtlich der in 5 gezeigten Reihenfolge umgekehrt sein. Die Diode D3b kann in Reihe zum Widerstandselement R4b geschaltet sein. In diesem Fall ist die Kathode der Diode D3b mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b verbunden. Auch in diesem Fall ist die Reihenfolge, in welcher die Diode D3b und das Widerstands-element R4b verbunden sind, nicht auf eine bestimmte Reihenfolge beschränkt.
Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 103
Es wird der Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 103 in 5 beschrieben.
Die Leistungs-Halbleitermodule Ta, Tb haben die gleiche Schaltungskonfiguration, und die Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb haben auch die gleiche Schaltungskonfiguration, und daher tritt das Einschalten/Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a nahezu gleichzeitig wie das Einschalten/Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung T1b auf. Nachfolgend wird daher hauptsächlich der Betrieb des Leistungs-Halbleitermoduls Ta beschrieben.
In Antwort auf das Schalten des externen Steuersignals Sg vom L-Pegel auf den H-Pegel schaltet der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Einschalt-zustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Ausschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom positiven Knoten N2 der ersten DC-Energieversorgung 10 zur Halbleiter-Schalteinrichtung T1a durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, den Ausgangsknoten 10a, das Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den inneren Gate-Widerstand ra des Leistungs-Halbleitermoduls Ta.
Im Ergebnis wird eine positive Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt, um zu veranlassen, dass die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a eingeschaltet wird. Die Zeit zum Einschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und des Einschalt-Gate-Widerstands R1, mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Im Gegensatz dazu schaltet in Antwort auf das Schalten des externen Steuersignals Sg vom H-Pegel auf den L-Pegel der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Ausschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Einschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a zum Masseknoten GND, und zwar nacheinander durch den inneren Gate-Widerstand ra, das Widerstandselement R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra, den Ausgangsknoten N11 und den Ausschalt-Gate-Widerstand R2.
Im Ergebnis wird eine negative Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T1a angelegt, um zu veranlassen, dass die Halbleiter-Schalteinrichtung T1a ausgeschaltet wird. Die Zeit zum Ausschalten wird zu diesem Zeitpunkt durch das Produkt des Gesamt-Widerstandswerts des inneren Gate-Widerstands ra der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a, des Widerstandselements R3a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und des Ausschalt-Gate-Widerstands R2 mit der Gate-zu-Source-Kapazität der Halbleiter-Schalteinrichtung T1a bestimmt.
Die oben beschriebene Konfiguration bietet ähnliche Wirkungen wie diejenigen der dritten Ausführungsform, und sie ermöglicht ferner eine Verringerung der Anzahl von Bestandteilen der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb relativ zu der dritten Aus-führungsform. Die Konfiguration der Ausgleichswiderstandseinheit Ra, Rb kann durch irgendeine der jeweiligen Konfigurationen in der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform ersetzt werden, die im Zusammenhang mit den 1, 3 und 4 beschrieben sind.
Fünfte Ausführungsform
Gesamtkonfiguration der Energie-Schaltvorrichtung
6 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Kombination der Energie-Schaltvorrichtung 100 in 1 mit einer Kurzschluss-Schutzschaltung zeigt. Das Halbleitermodul Ta in 6 unterscheidet sich von dem Halbleitermodul Ta in 1 darin, dass das erstere außerdem eine Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a (RTC-Schaltung, Real-Time Current Control-Schaltung) aufweist. Das Halbleitermodul Tb in 6 unterscheidet sich von dem Halbleitermodul Tb in 1 darin, dass das erstere außerdem eine Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20b aufweist.
Mit anderen Worten: Es wird eine Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20 (20a, 20b) für jede der Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b bereitgestellt. Im Halbleiter-modul Ta in 6 wird eine Halbleiter-Schalteinrichtung T2a verwendet, die einen Fühleranschluss bzw. Messanschluss ta hat. Im Halbleitermodul Tb in 6 wird eine Halbleiter-Schalteinrichtung T2b verwendet, die einen Fühleranschluss bzw. Messanschluss tb hat.
Die Treiberschaltung GD in 6 unterscheidet sich von der Treiberschaltung GD in 3 darin, dass die erstere außerdem eine Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb aufweist, die mit dem Einschalt-Gate-Widerstand R1 verbunden ist. Die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20 kann hierin als erste Kurzschluss-Schutzschaltung bezeichnet werden, und die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb kann hierin als zweite Kurzschluss-Schutzschaltung bezeichnet werden.
Die anderen Merkmale in 6 sind ähnlich zu denjenigen in 1. Die gleichen oder entsprechende Bestandteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Konfiguration und Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung
Die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b senken jeweils die Gate-zu-Source-Spannung der zugehörigen Halbleiter-Schalteinrichtung T2a, T2b, wenn der Drain-Strom (der Hauptschaltungs-Strom) der zugehörigen Halbleiter-Schalteinrichtung T2a, T2b ein Überstrom wird, um dadurch den Drain-Strom zu verringern. Auf diese Weise werden die Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b geschützt. Die Echtzeit-Stromsteuerungs-schaltungen 20a, 20b haben die gleiche Schaltungskonfiguration, und daher wird nachfolgend nur die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a beschrieben.
Wie in 6 gezeigt, weist die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a einen Messwiderstand R5a, eine Diode D4a, ein Widerstandselement R6a und einen bipolaren npn-Transistor Q1a auf. Der Messwiderstand R5a ist zwischen den Messanschluss ta und einen Knoten N4a geschaltet, der mit der Source der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a verbunden ist. Die Reihenfolge, in der die Diode D4a und das Widerstandselement R6a geschaltet sind, kann umgekehrt sein. Die Basis des bipolaren Transistors Q1a ist mit dem Messanschluss ta der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a verbunden.
Bei der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a, die die obige Konfiguration hat, gilt Folgendes: Wenn der Mess-Strom durch den Messanschluss ta der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a fließt, wird eine Spannung am Messwiderstand R5a erzeugt (d. h. der Mess-Strom wird vom Messwiderstand R5a detektiert). Wenn die am Messwiderstand R5a erzeugte Spannung einen Schwellenwert überschreitet, wird der npn-Transistor Q1a eingeschaltet. Im Ergebnis nimmt die Gate-zu-Source-Spannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a ab, und daher wird der Drain-Strom (der Hauptschaltungsstrom) der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a verringert.
Die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a in 6 ist bloß ein Beispiel. Die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a kann allgemeiner auf andere Weisen konfiguriert werden, solange die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a so konfiguriert ist, dass sie einen Stromdetektor (R5a), der den Drain-Strom (den Hauptschaltungsstrom) detektiert, der durch die Halbleiter-Schalteinrichtungen fließt, und einen Bestimmungsprozessor (Q1a) aufweist, der die Gate-Spannung der Halbleiter-Schalteinrichtung verringert, wenn der detektierte Drain-Strom höher als ein Schwellenwert ist.
Konfiguration und Betrieb der Bestimmungsschaltung für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb
Die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb bestimmt, ob eine (mindestens eine) der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b arbeitet bzw. betrieben wird oder nicht. Wenn die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Strom-steuerungsbetrieb bestimmt, dass eine der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b arbeitet, dann blockiert die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb zwingend die Ausgabe der Steuerungsschaltung 12 (sie zwingt die Steuerungsschaltung 12 dazu, ein Steuersignal auszugeben, das die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a, T2b dazu veranlasst, in den Ausschaltzustand geschaltet zu werden). Genauer gesagt: Die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb weist eine Verzögerungs-schaltung 31 (Maskierungsschaltung), eine Spannungs-Verringerungsschaltung 32 und einen bipolaren pnp-Transistor Q2 auf.
Die Verzögerungsschaltung 31 ist parallel zum Einschalt-Gate-Widerstand R1 geschaltet und weist einen Kondensator C1 und ein Widerstandselement R7 auf, die zueinander in Reihe geschaltet sind. Das eine Ende des Widerstandselements R7 ist mit einem Knoten N5 verbunden, der mit der Niederspannungsseite des Einschalt-Gate-Widerstands R1 verbunden ist.
Die Spannungs-Verringerungsschaltung 32 weist eine Zener-Diode ZD1 und Widerstandselemente R8, R9 auf. Die Anode der Zener-Diode ZD1 ist mit dem anderen Ende N6 des Widerstandselements R7 verbunden. Die Widerstandselemente R8 und R9, die in dieser Reihenfolge verbunden sind, sind zwischen die Kathode der Zener-Diode ZD1 und den positiven Knoten N2 der DC-Energieversorgung 10 geschaltet.
Der Emitter des bipolaren pnp-Transistors Q2 ist mit dem positiven Knoten N2 der DC-Energieversorgung 10 verbunden, und die Basis des Transistors Q2 ist mit einem Verbindungsknoten verbunden, der die Widerstandselemente R8 und R9 verbindet. Vom Kollektor des Transistors Q2 wird ein Signal, das das Bestimmungsergebnis des Betriebs der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b darstellt, an die Schalt-Steuerungseinheit 13 ausgegeben.
7 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb in 6 zeigt. 7 zeigt nacheinander von oben Folgendes: Das externe Steuersignal Sg; die Gatespannungen Vga, Vgb der Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, Tlb; den Steuerstrom (Gate-Strom) Ig, der vom Ausgangsknoten N1 der Steuerungsschaltung 12 ausgegeben wird; den Drain-Strom Id der Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, Tlb; und die Drain-Spannung Vd der Halbleiter-Schalt-einrichtungen T1a, T1b.
7 zeigt außerdem die Spannung Vrg, die am Einschalt-Gate-Widerstand R1 erzeugt wird, und die Basis-zu-Emitter-Spannung Vgf des Transistors Q2.Nachfolgend wird der Betrieb der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a und der Ausgleichswiderstandseinheit Ra beschrieben, wenn der Kurzschlussstrom fließt. Das gleiche gilt ebenfalls für die Halbleiter-Schalteinrichtung T2b und die Ausgleichswiderstandseinheit Rb.
Unter Bezugnahme auf 6 und 7 gilt Folgendes: Zum Zeitpunkt t10 schaltet das externe Steuersignal Sg vom L-Pegel auf den H-Pegel. In Antwort darauf schaltet der Einschalt-MOSFET 14 der Steuerungsschaltung 12 in den Einschaltzustand, und der Ausschalt-MOSFET 15 schaltet in den Ausschaltzustand. Demzufolge fließt der Gate-Strom vom positiven Knoten N2 der ersten DC-Energieversorgung 10 zur Halbleiter-Schalteinrichtung T2a durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, die Diode D2a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den inneren Gate-Widerstand ra. Im Ergebnis wird eine positive Spannung zwischen Gate und Source der ersten Halbleiter-Schalteinrichtung T2a angelegt. Zum Zeitpunkt t21 wird die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a eingeschaltet.
Wenn ein Kurzschlussstrom auftritt, ist die Last niedrig, und daher fließt ein großer Drain-Strom Id (Hauptschaltungsstrom) relativ zum Drain-Strom im Normalbetrieb. Zum Zeitpunkt t11 überschreitet die Spannung, die am Widerstandselement R5a erzeugt wird, eine Schwellenspannung, und daher schaltet der Transistor Q1a in den Einschaltzustand (die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a schaltet in den Betriebszustand bzw. Arbeitszustand). Im Ergebnis nimmt die Gate-Spannung Vga ab. Wenn die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a in den Betriebszustand schaltet, fließt außerdem der Gate-Strom Ig auch noch nach dem Zeitpunkt t11 weiter. Während der Gate-Strom Ig fließt, wird der Kondensator C1 im geladenen Zustand gehalten, und daher nimmt der Absolutwert der Basis-zu-Emitter-Spannung Vgf des Transistors Q2 weiter zu.
Zum Zeitpunkt 113 überschreitet die Gate-zu-Emitter-Spannung Vgf die Schwellenspannung Vgfon des Transistors Q2.Dann schaltet der Transistor Q2 in den Einschaltzustand. Demzufolge wird ein Signal aktiviert, das von der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb an die Schalt-Steuerungseinheit 13 ausgegeben wird und ein Bestimmungsergebnis darstellt (es steigt auf den H-Pegel an). Im Ergebnis veranlasst die Schalt-Steuerungseinheit 13 die Gate-Spannung Vga, 0 V zum Zeitpunkt tl4 zu werden. Wenn das Bestimmungsergebnis durch die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb an die externe Schaltung ausgegeben wird, schaltet außerdem das externe Steuersignal Sg vom H-Pegel auf den L-Pegel um, und zwar zum Zeitpunkt t15.
Nachfolgend werden außerdem die Wirkungen der Spannungs-Verringerungsschaltung 32 beschrieben. Die Schwellenspannung Vgfon des Transistors Q2 ist ungefähr 0,6 V bis 1 V.Das Problem, das sich daraus ergibt, ist wie folgt. Damit der Absolutwert der Gate-Spannung Vgf des Transistors Q2 nicht den Absolutwert der Schwellenspannung Vgfon bei der Zeit zum Einschalten (vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t3 in 2) im Normalbetrieb überschreitet, muss die Zeitkonstante der Verzögerungsschaltung 31 auf einen relativ großen Wert eingestellt werden.
In der in 6 dargestellten Schaltung, die die Spannungs-Verringerungsschaltung 32 enthält, ist die Gate-Spannung Vgf des Transistors Q2 zur Zeit des Einschaltens gleich der Spannung, die bestimmt wird, indem die Zener-Spannung der Zener-Diode ZD1 von der Spannung des Kondensators C1 subtrahiert wird und die so bestimmte Differenz durch die Widerstandselemente R8, R9 geteilt wird. Mit anderen Worten: Der Absolutwert der Gate-Spannung Vgf des Transistors Q2 ist kleiner als derjenige, wenn keine Spannungs-Verringerungsschaltung 32 bereitgestellt ist. Im Ergebnis kann die Zeitkonstante der Verzögerungsschaltung 31 auf einen relativ kleinen Wert eingestellt werden, und daher kann der Kurzschluss-Schutzvorgang schneller gemacht werden.
Die Spannungs-Verringerungsschaltung 32 ist nicht notwendigerweise ein erforderlicher Bestandteil. Genauer gesagt: Die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb weist zumindest die Verzögerungsschaltung (Maskierungs-schaltung) 31 auf, die eine Spannung ausgibt, die durch Verzögern einer Veränderung einer Anschlussspannung des Einschalt-Gate-Widerstands R1 bestimmt wird, sowie eine Bestimmungsschaltung (Q2), die bestimmt, dass die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung arbeitet, wenn die Ausgangsspannung der Verzögerungsschaltung 31 einen Schwellenwert überschreitet.
Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 104
Es wird der Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung beschrieben, inklusive dem Betrieb der Kurzschluss-Schutzschaltung.
8 ist ein Diagramm, das einen Pfad für den Gate-Strom Ig im Normalbetrieb der Energie-Schaltvorrichtung 104 in 6 zeigt. 9 ist ein Diagramm, das einen Pfad für den Gate-Strom Ig in einem Kurzschlussbetrieb der Energie-Schaltvorrichtung 104 in 6 zeigt. In 8 und 9 sind die Pfade für den Gate-Strom Ig mit fetten Linien angezeigt.
Unter Bezugnahme auf 8 wird der Normalbetrieb beschrieben, bei welchem kein Kurzschluss auftritt. Im Normalbetrieb sind die npn-Transistoren Q1a, Q1b im Ausschaltzustand, und daher arbeiten die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b nicht. Zum Einschaltzeitpunkt im Normalbetrieb fließt der Gate-Strom Ig, wie in 8 gezeigt, und zwar nur während eines Zeitraums, in welchem die Eingangs-Kondensatoren der Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b geladen werden, und es wird eine Spannung über den Einschalt-Gate-Widerstand R1 hinweg erzeugt.
Um zu verhindern, dass der pnp-Transistor Q2 zu diesem Zeitpunkt eingeschaltet wird, weist die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb die Verzögerungsschaltung 31 (Maskierungs-schaltung) auf, die von dem Kondensator C1 und dem Widerstand R7 gebildet wird. Die Verzögerungsschaltung 31 verzögert den Anstieg der Spannung, die über den Widerstand R9 hinweg erzeugt wird, und daher wird der Transistor Q2 im Ausschaltzustand gehalten.
Unter Bezugnahme auf 9, wird der Kurzschlussbetrieb beschrieben. Wenn die Hauptschaltung infolge einer Fehlfunktion von z. B. der Schalt-Steuerungseinheit 13 kurzgeschlossen wird, was bewirkt, dass der Hauptschaltungsstrom des Halbleitermoduls Ta und der Hauptschaltungsstrom des Halbleitermoduls Tb gleichzeitig ein Überstrom werden, nimmt auch der Strom, der von jedem der Messanschlüsse ta, tb der Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b fließt, proportional zum Hauptschaltungsstrom zu. Im Ergebnis nehmen die Spannungen zu, die an den Messwiderständen R5a, R5b erzeugt werden, wodurch eine Zunahme der Emitterspannungen der npn-Transistoren Q1a, Q1b bewirkt wird. Wenn die Basis-zu-Emitter-Spannung eine Schwellenspannung von jedem der npn-Transistoren Q1a, Q1b überschreitet, werden die npn-Transistoren Qla, Q1b eingeschaltet.
Wie in 9 gezeigt, fließt im Ergebnis der Gate-Strom Ig nacheinander durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, die Diode D2a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und die Diode D4a und das Widerstandselement R6a in der Echtzeit-Stromsteuerungs-schaltung 20a. Ferner fließt der Gate-Strom Ig nacheinander durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, die Diode D2b der Ausgleichswiderstandseinheit Rb und die Diode D4b und den Widerstand R6b in der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20b. Wenn die npn-Transistoren Q1a, Q1b eingeschaltet werden, nehmen außerdem die Gate-zu-Source-Spannungen der Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b ab, und demzufolge wird der Hauptschaltungsstrom Id verringert.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Gate-zu-Source-Spannung der Halbleiter-Schalt-einrichtung T2a gleich groß wie die Spannung, die am Widerstandselement R6a erzeugt wird. Die Spannung des Widerstandselements R6a ist eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 und die Hälfte des Widerstandswerts des Widerstandselements R6a geteilt wird. Ähnlich ist die Gate-zu-Source-Spannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T2b gleich groß wie die Spannung, die am Widerstandselement R6b erzeugt wird.
Die Spannung des Widerstandselements R6b ist eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 und die Hälfte des Widerstandswerts des Widerstandselements R6b geteilt wird. Der Widerstandswert des Widerstandselements R6a und der Widerstandswert des Widerstandselements R6b, die oben beschrieben sind, sind zueinander gleich. Die Widerstandswerte der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb sind vernachlässigbar, da sie gleich den Widerstandswerten zur Zeit des Einschaltens im Normalbetrieb sind, d. h. den Widerständen im Einschaltzustand der Dioden D2a, D2b.
Nach dem Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung fließt der Gate-Strom Ig weiterhin, und daher wird die Spannung am Einschalt-Gate-Widerstand R1 weiterhin erzeugt. Die am Einschalt-Gate-Widerstand R1 erzeugte Spannung ist eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 und die Hälfte des Widerstandswerts des Widerstands-elements R6a geteilt wird. Im Ergebnis gilt Folgendes: Wenn die Spannung, die am Widerstandselement R9 erzeugt wird, eine Betriebs-Schwellenspannung des pnp-Transistors Q2 überschreitet, wird der pnp-Transistor Q2 eingeschaltet. Im Ergebnis blockiert die Schalt-Steuerungseinheit 13 das externe Steuersignal Sg zwingend.
Die Spannung am Widerstandselement R9 hat einen Wert, der von der Spannung am Einschalt-Gate-Widerstand R1 abhängt. Daher beeinflusst das Spannungsteiler-Verhältnis, das von dem Einschalt-Gate-Widerstand R1 und dem Widerstand R6a der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a bestimmt wird, die Betriebsgenauigkeit der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb. In dem Fall beispielsweise der Konfiguration gemäß dem Stand der Technik, bei welcher die Dioden D2a, D2b in den Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb nicht vorgesehen sind, führt eine Zunahme der Widerstandswerte der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb mit dem Ziel, die parasitäre Schwingung während des Ausschaltens zu unterdrücken, zu einer Verringerung der Spannung, die über den Einschalt-Gate-Widerstand R1 hinweg erzeugt wird.
Dadurch wird der Betrieb der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb verlangsamt. Im schlimmsten Fall kann die Bestimmungsschaltung für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb nicht arbeiten, wenn der Kurzschluss auftritt. Im Gegensatz dazu gilt bei der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform Folgendes: Selbst wenn die Widerstandswerte der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb (d.h. die Widerstandswerte der Widerstandselemente R3a, R3b) zum Zeitpunkt des Ausschaltens mit dem Ziel erhöht werden, die parasitäre Schwingung zu unterdrücken, wird der Einschalt-Gate-Widerstand R1 nicht beeinflusst. Im Ergebnis wird die Spannung, die über den Einschalt-Gate-Widerstand R1 nach dem Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungs-schaltungen 20a, 20b erzeugt wird, ungeachtet der Werte der Widerstandselemente R3a, R3b der Ausgleichswiderstandseinheiten konstant gehalten. Ein genauer Betrieb der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb ist daher möglich.
Wie aus dem Obigen ersichtlich, stellt die Energie-Schaltvorrichtung 104 in der vorliegenden Ausführungsform ähnliche Wirkungen wie diejenigen in der ersten Ausführungsform bereit, und sie ermöglicht der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb, korrekt zu arbeiten, wenn der Kurzschluss auftritt.
Sechste Ausführungsform
Konfiguration der Energie-Schaltvorrichtung 1051
10 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Kombination der Energie-Schaltvorrichtung 102 in 4 mit einer Kurzschluss-Schutzschaltung zeigt. Die Halbleitermodule Ta, Tb in 10 unterscheiden sich von dem Halbleitermodul Ta in 4 darin, dass die ersteren Module Ta, Tb ferner die jeweiligen Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b aufweisen. Die beispielhafte Konfiguration der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b ist die gleiche wie diejenige, die im Zusammenhang mit 6 beschrieben ist. Deren Beschreibung wird daher nicht wiederholt.
Außerdem wird in dem Halbleitermodul Ta in 10 eine Halbleiter-Schalteinrichtung T2a mit einem Messanschluss ta verwendet, und im Halbleitermodul Tb wird eine Halbleiter-Schalteinrichtung T2b mit einem Messanschluss tb verwendet.
Die Treiberschaltung GD in 10 unterscheidet sich von der Treiberschaltung GD in 4 darin, dass die erstere ferner eine Bestimmungsschaltung 30a für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb aufweist, die mit dem Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra verbunden ist, sowie eine Bestimmungsschaltung 30b für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb, die mit dem Widerstandselement R4b der Ausgleichswiderstandseinheit Rb verbunden ist. Die Konfiguration der Bestimmungsschaltungen 30a, 30b für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb ist die gleiche wie diejenige der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb, die im Zusammenhang mit 6 beschrieben ist.
Daher sind diese Bestimmungsschaltungen für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb mit dem gleichen Bezugszeichen wie die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Strom-steuerungsbetrieb in 6 bezeichnet - mit Ausnahme der Suffixe „a“ und „b“ - und deren Beschreibung wird nicht wiederholt. Die Suffixe „a“ und „b“ geben an, dass die zugehörigen Bestandteile den Bestimmungsschaltungen 30a bzw. 30b für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb entsprechen. Die Bestimmungsschaltungen 30a, 30b für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb können mit den entgegengesetzten Enden der zugehörigen Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb verbunden sein.
Die anderen Merkmale in 10 sind die gleichen wie diejenigen in 4. Die gleichen oder entsprechende Bestandteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 105
Es erfolgt eine Beschreibung des Kurzschluss-Schutzbetriebs, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a, die eine der parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b ist, infolge einer gewissen Fehlfunktion kurzgeschlossen wird.
11 ist ein Diagramm, das einen Pfad für den Gate-Strom Ig zeigt, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a in der Energie-Schaltvorrichtung 105 in 10 infolge des Kurzschlusses versagt. In 11 ist der Pfad für den Gate-Strom Ig mit fetten Linien angezeigt.
Wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a infolge einer gewissen Fehlfunktion kurzgeschlossen wird, nimmt der Mess-Strom, der vom Messanschluss ta der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a fließt, proportional zum Hauptstrom zwischen den Hauptelektroden zu. Wenn die am Messwiderstand R5a erzeugte Spannung, d. h. die Basis-zu-Emitter-Spannung des npn-Transistors Qla, eine Schwellenspannung überschreitet, wird dann der npn-Transistor Q1a eingeschaltet.
Wie in 11 gezeigt, fließt im Ergebnis der Gate-Strom Ig nacheinander durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, das Widerstandselement R4a und die Diode D2a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und die Diode D4a und das Widerstandselement R6a in der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a.Wenn der npn-Transistor Q1a eingeschaltet wird, nimmt die Gate-zu-Source-Spannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a ab, und demzufolge wird der Hauptstrom Id verringert.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Gate-zu-Source-Spannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a gleich groß wie die Spannung, die am Widerstandselement R6a erzeugt wird. Die Spannung am Widerstandselement R6a ist eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1, den Widerstandswert des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Widerstandswert des Widerstandselements R6a geteilt wird.
Nach dem Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a fließt der Gate-Strom Ig weiterhin, und daher wird die Spannung über das Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra hinweg weiterhin erzeugt. Die Spannung über das Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra hinweg ist eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1, den Widerstandswert des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Widerstandswert des Widerstandselements R6a geteilt wird. Im Ergebnis gilt Folgendes: Wenn die Spannung über das Widerstandselement R9a hinweg eine Betriebs-Schwellenspannung des pnp-Transistors Q2a überschreitet, wird der pnp-Transistor Q2a eingeschaltet. Im Ergebnis blockiert die Schalt-Steuerungseinheit 13 das externe Steuersignal Sg zwingend.
Die Spannung über das Widerstandselement R9a hinweg hat einen Wert, der von der Spannung am Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra abhängt. Daher beeinflusst das Spannungsteiler-Verhältnis, das von dem Einschalt-Gate-Widerstand R1, dem Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und dem Widerstand R6a der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a bestimmt wird, die Betriebs-genauigkeit der Bestimmungsschaltung 30a für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform wird der Widerstandswert der Ausgleichswiderstands-einheit Ra zur Zeit des Einschaltens und beim Kurzschlussbetrieb von dem Widerstandswert des Widerstandselements R4a bestimmt, und der Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zur Zeit des Ausschaltens wird vom Widerstandswert des Widerstandselements R3a bestimmt.
Mit anderen Worten: Der Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zur Zeit des Einschaltens wird nicht von dem Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zum Zeit des Ausschaltens beeinflusst. Es ist daher möglich, den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 zu verringern und den Widerstandswert des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zu erhöhen. Im Ergebnis kann die Spannung am Widerstand R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra nach dem Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a auf einen relativ großen Wert eingestellt werden, um zu veranlassen, dass die Bestimmungsschaltung 30a für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb genau arbeitet.
Die Schaltungskonfiguration der Ausgleichswiderstandseinheit Ra ist die gleiche wie die Schaltungskonfiguration der Ausgleichswiderstandseinheit Rb, und die Schaltungskonfiguration des Halbleitermoduls Ta ist die gleiche wie die Schaltungs-konfiguration des Halbleitermoduls Tb. Wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T2b infolge eines Kurzschlusses versagt, kann daher ein Kurzschluss-Schutz schnell und genau auf eine ähnliche Weise wie die oben beschrieben durchgeführt werden. Ferner können die Widerstandswerte der Widerstandselemente R4a, R4b der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb erhöht werden, um die Wirkung zum Unterbinden der parasitären Schwingung während des Schaltens zu erzielen, die auftritt, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtungen parallelgeschaltet sind.
Es wird angenommen, dass in der fünften Ausführungsform (Energie-Schalt-vorrichtung 104 in 6) nur die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a kurzgeschlossen wird, und zwar infolge einer gewissen Fehlfunktion, und dass nur die Echtzeit-Stromsteuerungs-schaltung 20a arbeitet. Die am Einschalt-Gate-Widerstand R1 erzeugte Spannung ist in diesem Fall eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 und den Widerstandswert des Widerstandselements R6a geteilt wird. Daher wird die Betriebsgenauigkeit der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb relativ zu dem Fall verringert, in welchem der Kurzschlussstrom gleichzeitig durch die Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b fließt.
Im Gegensatz dazu stellt die vorliegende Ausführungsform den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 auf 0 Ohm ein. Sowohl für den Fall, dass eine der Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b kurzgeschlossen ist, als auch für den Fall, dass beide gleichzeitig kurzgeschlossen sind, ist die Spannung des Widerstandselements R4a nach dem Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung gleich der Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Widerstandswert des Widerstandselements R6b geteilt wird. Es ist daher möglich, die Bestimmungsschaltung 30a für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb dazu zu veranlassen, in beiden Fällen korrekt mit der gleichen Genauigkeit zu arbeiten.
Wirkungen der sechsten Ausführungsform 1
Aus dem Obigen ist ersichtlich: Wenn der Kurzschlussstrom durch mindestens eine der Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b in der Energie-Schaltvorrichtung 105 in der vorliegenden Ausführungsform fließt, ist es möglich, die Bestimmungsschaltungen 30a, 30b für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb dazu zu veranlassen, korrekt zu arbeiten. Im Ergebnis wird ein schneller und korrekter Kurzschluss-Schutz erzielt.
In der fünften Ausführungsform gilt Folgendes: Wenn die Anzahl von parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b größer ist, ist die Betriebsgenauigkeit der Bestimmungsschaltung für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb niedriger, wenn irgendeine der Halbleiter-Schalteinrichtungen infolge einer gewissen Fehlfunktion kurzgeschlossen wird. Im Gegensatz dazu gilt bei der vorliegenden Ausführungsform Folgendes: Selbst wenn die Anzahl von parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b größer ist, bleibt die Betriebsgenauigkeit der Bestimmungs-schaltungen 30a, 30b für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb die gleiche. Die vorliegende Ausführungsform ist daher insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Anzahl von parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen groß ist.
Die Bestimmungsschaltungen 30a, 30b für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb in der vorliegenden Ausführungsform können jeweils mit den entgegengesetzten Enden der zugehörigen Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb oder dem zugehörigen Widerstands-element R4a, R4b verbunden werden, die im Zusammenhang mit 3 beschrieben sind. Die Bestimmungsschaltungen 30a, 30b für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb in der vorliegenden Ausführungsform können auch jeweils mit den entgegengesetzten Enden der zugehörigen Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb oder dem zugehörigen Widerstands-element R4a, R4b verbunden werden, die im Zusammenhang mit 5 beschrieben sind.
Siebte Ausführungsform
Konfiguration der Energie-Schaltvorrichtung 106
12 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Modifikation der Kombination der Energie-Schaltvorrichtung 102 in 4 mit einer Kurzschluss-Schutzschaltung zeigt. Die Halbleitermodule Ta, Tb in 12 unterscheiden sich von dem Halbleitermodul Ta in 4 darin, dass die ersteren Halbleitermodule Ta, Tb ferner jeweils Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b aufweisen. Die beispielhafte Konfiguration der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltungen 20a, 20b ist die gleiche wie diejenige, die im Zusammenhang mit 6. beschrieben ist. Deren Beschreibung wird daher nicht wiederholt.
Außerdem wird für das Halbleitermodul Ta in 12 eine Halbleiter-Schalteinrichtung T2a mit einem Messanschluss ta verwendet, und für das Halbleitermodul Tb in 12 wird eine Halbleiter-Schalteinrichtung T2b mit einem Messanschluss tb verwendet.
Die Treiberschaltung GD in 12 weist ferner die Dioden D5a, D5b auf. Die Kathode der Diode D5a ist mit einer Verbindungsleitung verbunden, die die Ausgleichswiderstandseinheit Ra mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a verbindet. Die Kathode der Diode D5b ist mit einer Verbindungsleitung verbunden, die die Ausgleichswiderstandseinheit Rb mit dem Gate der Halbleiter-Schalteinrichtung T2b verbindet. Die Anode der Diode D5a und die Anode der Diode D5b sind mit einem gemeinsamen Verbindungsknoten N9 verbunden.
Die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb ist zwischen den Ausgangsknoten N1 der Steuerungsschaltung 12 und den Verbindungsknoten N9 geschaltet. Die Konfiguration der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungs-betrieb ist die gleiche wie diejenige, die in Verbindung mit 6 beschrieben wurde. Genauer gesagt: Die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb weist die Verzögerungsschaltung 31 (Maskierungsschaltung), die Spannungs-Verringerungsschaltung 32 und den bipolaren pnp-Transistor Q2 auf. Die Verzögerungsschaltung 31 weist den Kondensator C1 und das Widerstandselement R7 auf, die in Reihe zwischen den Ausgangsknoten N1 und den Verbindungsknoten N9 geschaltet sind (der Kondensator C1 ist derart verbunden, dass der Abstand vom Kondensator C1 zum Ausgangsknoten N1 kürzer ist als der Abstand vom Widerstandselement R7 zum Ausgangsknoten N1).
Die anderen Merkmale in 12 sind die gleichen wie diejenigen in 4. Die gleichen oder entsprechende Bestandteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt. Die Konfiguration der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb und die Konfiguration der Steuerungsschaltung 12 in 12 können irgendeine der Modifikationen aus 1 und der Konfigurationen in 3 und 5 sein. Wenn die vorliegende Ausführungsform mit der Konfiguration in 5 kombiniert wird, ist die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb zwischen den Ausgangsknoten N10 der Steuerungsschaltung 12 und den Verbindungsknoten N9 geschaltet. Der Verbindungsknoten N9 kann hierin als erster Verbindungsknoten bezeichnet werden.
Betrieb der Energie-Schaltvorrichtung 106
Es erfolgt eine Beschreibung des Kurzschluss-Schutzbetriebs, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a, die eine der parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b ist, infolge einer gewissen Fehlfunktion kurzgeschlossen wird.
13 ist ein Diagramm, das einen Pfad für den Gate-Strom Ig zeigt, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a in der Energie-Schaltvorrichtung 106 in 12 infolge des Kurzschlusses versagt. In 13 ist der Pfad für den Gate-Strom Ig mit fetten Linien angezeigt.
Wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a infolge einer gewissen Fehlfunktion kurzgeschlossen wird, nimmt der Mess-Strom, der vom Messanschluss ta der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a fließt, proportional zum Hauptstrom zwischen den Hauptelektroden zu. Wenn die über dem Messwiderstand R5a erzeugte Spannung, d. h. die Basis-zu-Emitter-Spannung des npn-Transistors Qla, eine Schwellenspannung überschreitet, wird dann der npn-Transistor Q1a eingeschaltet.
Wie in 13 gezeigt, fließt im Ergebnis der Gate-Strom Ig nacheinander durch den Einschalt-Gate-Widerstand R1, das Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und die Diode D4a und das Widerstandselement R6a in der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a. Wenn der npn-Transistor Q1a eingeschaltet wird, nimmt die Gate-zu-Source-Spannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a ab, und demzufolge wird der Hauptstrom Id verringert.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Gate-zu-Source-Spannung der Halbleiter-Schalteinrichtung T2a gleich groß wie die Spannung, die am Widerstandselement R6a erzeugt wird. Die Spannung am Widerstandselement R6a ist eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1, den Widerstandswert des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Widerstandswert des Widerstandselements R6a geteilt wird.
Nach dem Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a fließt der Gate-Strom Ig weiterhin, und daher wird die Spannung über dem Einschalt-Gate-Widerstand R1 weiterhin erzeugt. Die über dem Einschalt-Gate-Widerstand R1 erzeugte Spannung ist eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1, den Widerstandswert des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Widerstandswert des Widerstandselements R6a geteilt wird. Im Ergebnis gilt Folgendes: Wenn die Spannung, die am Widerstandselement R9 erzeugt wird, eine Betriebs-Schwellenspannung des pnp-Transistors Q2 überschreitet, wird der pnp-Transistor Q2 eingeschaltet. Im Ergebnis blockiert die Schalt-Steuerungseinheit 13 das externe Steuersignal Sg zwingend.
Die Spannung über dem Widerstandselement R9 hinweg hat einen Wert, der von der Spannung am Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra abhängt. Daher beeinflusst das Spannungsteiler-Verhältnis, das von dem Einschalt-Gate-Widerstand R1, dem Widerstandselement R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und dem Widerstand R6a der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a bestimmt wird, die Betriebsgenauigkeit der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform wird der Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zur Zeit des Einschaltens und beim Kurzschlussbetrieb von dem Widerstandswert des Widerstandselements R4a bestimmt, und der Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zur Zeit des Ausschaltens wird vom Widerstandswert des Widerstandselements R3a bestimmt.
Mit anderen Worten: Der Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zur Zeit des Einschaltens wird nicht von dem Widerstandswert der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zum Zeit des Ausschaltens beeinflusst. Es ist daher möglich, den Widerstandswert des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra zu erhöhen und den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 zu verringern. Im Ergebnis kann die Spannung am Widerstand R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra nach dem Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a auf einen relativ großen Wert eingestellt werden, um zu veranlassen, dass die Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb genau arbeitet.
Die Schaltungskonfiguration der Ausgleichswiderstandseinheit Ra ist die gleiche wie die Schaltungskonfiguration der Ausgleichswiderstandseinheit Rb, und die Schaltungskonfiguration des Halbleitermoduls Ta ist die gleiche wie die Schaltungs-konfiguration des Halbleitermoduls Tb. Wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung T2b infolge eines Kurzschlusses versagt, kann daher ein Kurzschluss-Schutz schnell und genau auf eine ähnliche Weise wie die oben beschrieben durchgeführt werden. Ferner können die Widerstandswerte der Widerstandselemente R4a, R4b der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb erhöht werden, um die parasitäre Schwingung während des Schaltens zu unterbinden, die auftritt, wenn die Halbleiter-Schalteinrichtungen parallelgeschaltet sind.
Es wird angenommen, dass in der fünften Ausführungsform (Energie-Schaltvorrichtung 104 in 6) nur die Halbleiter-Schalteinrichtung T2a kurzgeschlossen wird, und zwar infolge einer gewissen Fehlfunktion, und dass nur die Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung 20a arbeitet. Die am Einschalt-Gate-Widerstand R1 erzeugte Spannung ist in diesem Fall eine Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 und den Widerstandswert des Widerstandselements R6a geteilt wird. Daher wird die Betriebsgenauigkeit der Bestimmungsschaltung 30 für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb relativ zu dem Fall verringert, in welchem der Kurzschlussstrom gleichzeitig durch die Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b fließt.
Im Gegensatz dazu stellt die vorliegende Ausführungsform den Widerstandswert des Einschalt-Gate-Widerstands R1 auf 0 Ohm ein. Sowohl für den Fall, dass eine der Halbleiter-Schalteinrichtungen T2a, T2b kurzgeschlossen ist, als auch für den Fall, dass beide gleichzeitig kurzgeschlossen sind, ist die Spannung des Widerstandselements R4a nach dem Betrieb der Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung gleich der Spannung, die bestimmt wird, indem die Energieversorgungsspannung Vs durch den Widerstandswert des Widerstandselements R4a der Ausgleichswiderstandseinheit Ra und den Widerstandswert des Widerstandselements R6b geteilt wird. Es ist daher möglich, die Bestimmungsschaltung 30a für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb dazu zu veranlassen, in beiden Fällen korrekt mit der gleichen Genauigkeit zu arbeiten.
Wirkungen der siebten Ausführungsform
Die Energie-Schaltvorrichtung 106 in der vorliegenden Ausführungsform stellt ähnliche Wirkungen wie diejenigen in der sechsten Ausführungsform bereit. Während die sechste Ausführungsform die gleiche Anzahl von Bestimmungsschaltungen für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb als die Anzahl von parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen benötigt, benötigt die vorliegende Ausführungsform eine einzige Bestimmungsschaltung für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb ungeachtet der Anzahl von parallelgeschalteten Halbleiter-Schalteinrichtungen, und sie kann daher einen Kostenanstieg infolge einer Zunahme der Anzahl von Bestandteilen und/oder einer Zunahme der Fläche für die Steuerungsschaltung unterbinden.
Gemeinsame Modifikationen der Ausführungsformen
Anstelle des Einschalt-MOSFETs 14 und des Ausschalt-MOSFETs 15, die die Gate-Treiberschaltung Gd bilden, können auch bipolare Transistoren verwendet werden. MOSFETs, die als Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b verwendet werden und die Halbleiter-Schalteinrichtungen Ta, Tb bilden, können durch IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) ersetzt werden. Während zwei Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b parallelgeschaltet sind, können auch drei oder mehr Halbleiter-Schalteinrichtungen parallelgeschaltet sein.
Das Material für die Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b ist nicht auf Si (Silicium) beschränkt, sondern es kann auch ein Halbleiter mit breitem Bandabstand wie z. B. SiC (Siliciumcarbid), GaN (Galliumnitrid) und C (Diamant) sein. Die Halbleiter-Schalteinrichtung mit breitem Bandabstand ist für ein schnelles Schalten geeignet. Für den Fall, dass keine Diode in den Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb ausgebildet ist, gilt wie bei der herkömmlichen Technik Folgendes: Es nimmt nicht nur der Widerstandswert zu, sondern es nimmt auch der Einschalt-Widerstandswert zu, und daher nehmen nicht nur die Verluste beim Ausschalten zu, sondern es nehmen auch die Verluste beim Einschalten zu.
In einem solchen Fall werden die schnellen Schalteinrichtungen der Halbleiterelemente mit breitem Bandabstand nicht wirkungsvoll verwendet. Im Gegensatz dazu können die Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb wie in 1, 3, 4 und 5 konfiguriert sein, um eine parasitäre Schwingung zu unterbinden, die während des Schaltbetriebs auftritt, ohne die Verluste zu vergrößern, die bei irgendeinem von Einschaltvorgang und Ausschaltvorgang auftreten. Daher werden die teuren Halbleiterelemente mit breitem Bandabstand nicht beschädigt. Die Eigenschaften der Halbleiterelemente mit breitem Bandabstand, die zum schnellen Schalten geeignet sind, können daher wirksam ausgenutzt werden.
Weitere Anwendungen
Die Energie-Schaltvorrichtungen in jeder Ausführungsform können auch angewendet werden, um die Störstrahlung infolge einer großen Spannungsvariation dV/dt und Stromvariation dl/dt zwischen Drain und Source der Halbleiter-Schalteinrichtungen T1a, T1b zu unterbinden. Genauer gesagt: Wenn die Störstrahlung, die auf das Ausschalten hin auftritt, ein zu lösendes Problem ist, kann irgendeine der in 1, 3, 4 und 5 gezeigten Konfigurationen als eine Konfiguration der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb verwendet werden, um die Störstrahlung zu begrenzen, die auf das Ausschalten hin auftritt, ohne die Verluste beim Einschalten zu vergrößern.
Im Gegensatz dazu gilt Folgendes, wenn die Störstrahlung, die auf das Einschalten hin auftritt, ein zu lösendes Problem ist: Die Konfiguration in 1 und 3, wo die Polarität der Dioden entgegengesetzt ist, kann als eine Konfiguration der Ausgleichswiderstandseinheiten Ra, Rb verwendet werden, oder ein passender Widerstandswert des Widerstandselements R4a in 4 kann bestimmt werden, oder ein passender Wert des Widerstandselements R4a in 5 kann bestimmt werden, um dadurch die Störstrahlung auf das Einschalten hin zu begrenzen, ohne die Verluste beim Ausschalten zu erhöhen.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen in jeglicher Hinsicht anschaulich und nicht beschränkend sind. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung durch die Ansprüche definiert wird und nicht durch die obige Beschreibung, und dass er sämtliche Modifikationen und Variation einschließt, die äquivalent zu der Bedeutung und dem Umfang der Ansprüche sind.
Bezugszeichenliste

10: erste DC-Energieversorgung
11: zweite DC-Energieversorgung
12: Steuerungsschaltung
13: Schalt-Steuerungseinheit
20, 20a, 20b: Echtzeit-Stromsteuerungsschaltung
30, 30a, 30b: Bestimmungsschaltung für Echtzeit-Stromsteuerungsbetrieb
31: Verzögerungsschaltung
32: Spannungs-Verringerungsschaltung
100-104: Energie-Schaltvorrichtung
GD: Treiberschaltung
Id: Drain-Strom (Hauptstrom)
Ig: Gate-Strom
N1: Ausgangsknoten
N2: positiver Knoten
N3: Verbindungsknoten
ND: hochspannungsseitiger Knoten
NS: niederspannungsseitiger Knoten
Ra, Rb: Ausgleichswiderstandseinheit
Sg: externes Steuersignal
T1a, T1b, T2a, T2b: Halbleiter-Schalteinrichtung
Ta, Tb: Halbleitermodul.

Claims

Energie-Schaltvorrichtung (104-106), die Folgendes aufweist: eine Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b), die parallel zueinander geschaltet sind, wobei die Halbleiter-Schalteinrichtungen jeweils eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode aufweisen; eine Steuerungsschaltung (12), die Folgendes aufweist: mindestens einen Ausgangsknoten (N1, N10, N11) zum Ausgeben eines Steuersignals zum Einschalten und Ausschalten jeder der Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b); ein erstes Widerstandselement (R1) zum Einstellen einer Einschalt-Schaltgeschwindigkeit jeder der Halbleiter-Schalteinrichtungen; und ein zweites Widerstandselement (R2) zum Einstellen einer Ausschalt-Schaltgeschwindigkeit jeder der Halbleiter-Schalteinrichtungen; eine Mehrzahl von Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb), die jeweils einer jeweiligen der Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen zugeordnet sind und zwischen die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung und den mindestens einen Ausgangsknoten (N1, N10, N11) geschaltet ist, wobei die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils so konfiguriert sind, dass sie eine parasitäre Schwingung zwischen der Halbleiter-Schalteinrichtung unterbinden, wobei die parasitäre Schwingung während zumindest einem von Einschalten und Ausschalten der Halbleiter-Schalteinrichtungen auftritt, wobei die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils so konfiguriert sind, dass ihr Widerstandswert zwischen verschiedenen Werten umgeschaltet wird, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Halbleiter-Schalteinrichtungen gemäß dem Steuersignal eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. eine Mehrzahl von ersten Schutzschaltungen (20a, 20b), die jeweils: einer jeweiligen der Mehrzahl von Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b) zugeordnet sind; und die Spannung (Vga, Vgb) zwischen der Steuerelektrode und der ersten Hauptelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) verringern, wenn sie einen Überstrom detektieren, der zwischen der ersten Hauptelektrode und der zweiten Hauptelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) fließt; und eine zweite Schutzschaltung (30, 30a, 30b), die zu Folgendem konfiguriert ist: Detektieren eines Stroms (Ig), der durch eine Verbindung fließt, die zum Zuführen des Steuersignals bereitgestellt ist; Bestimmen, auf Basis des detektierten Stroms, ob sich mindestens eine der Mehrzahl der ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand befindet; und wenn eine zugeordnete Schutzschaltung der Mehrzahl von ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand ist, Verändern des Steuersignals, um zu veranlassen, dass jede der Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b) ausgeschaltet wird.
Energie-Schaltvorrichtung (104) nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltung einen ersten Ausgangsknoten (N1) als den mindestens einen Ausgangsknoten aufweist, die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils Folgendes aufweisen: ein erstes Gleichrichterelement (D2a, D2b), das zwischen den ersten Ausgangsknoten (N1) der Steuerungsschaltung (12) und die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung geschaltet ist; und ein drittes Widerstandselement (R3a, R3b), das parallel zum ersten Gleichrichterelement (D2a, D2b) geschaltet ist, wobei das erste Gleichrichterelement (D2a, D2b) eine Anode hat, die direkt mit dem ersten Ausgangsknoten (N1) der Steuerungsschaltung (12) verbunden ist, die Steuerungsschaltung (12) Folgendes aufweist: ein erstes Schaltelement (14), das zwischen einen Energieversorgungsknoten (N2) und den ersten Ausgangsknoten (N1) der Steuerungsschaltung (12) geschaltet ist; und ein zweites Schaltelement (15), das zwischen einen Masseknoten (GND) und den ersten Ausgangsknoten (N1) geschaltet ist, wobei das erste Widerstandselement (R1) in Reihe mit dem ersten Schaltelement (14) zwischen den Energieversorgungsknoten (N2) und den ersten Ausgangsknoten (N1) geschaltet ist, wobei, wenn das erste Schaltelement (14) im Einschaltzustand ist und das zweite Schaltelement (15) im Ausschaltzustand ist, die Steuerungsschaltung (12) das Steuersignal aus dem ersten Ausgangsknoten (N1) zum Schalten jeder der Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b) in den Einschaltzustand ausgibt, und die zweite Schutzschaltung (30) auf Basis einer Spannung, die am ersten Widerstandselement (R1) erzeugt wird, bestimmt, ob sich mindestens eine der Mehrzahl der ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand befindet.
Energie-Schaltvorrichtung (105) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsschaltung einen ersten Ausgangsknoten (N1) als den mindestens einen Ausgangsknoten aufweist, die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils Folgendes aufweisen: ein erstes Gleichrichterelement (D2a, D2b) und ein drittes Widerstandselement (R4a, R4b), die miteinander in Reihe zwischen den ersten Ausgangsknoten (N1) der Steuerungsschaltung (12) und die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) geschaltet sind; und ein viertes Widerstandselement (R3a, R3b), das parallel zu einer Kombination des ersten Gleichrichterelements (D2b, D2b) und des dritten Widerstandselements (R4a, R4b) geschaltet ist, wobei das erste Gleichrichterelement (D2b, D2b) so konfiguriert ist, dass es den Strom in der Richtung von der Steuerelektrode zum ersten Ausgangsknoten (N1) blockiert, wobei die zweite Schutzschaltung (30a, 30b) für jede der Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) bereitgestellt ist, und die zweite Schutzschaltung (30a, 30b) bestimmt, ob sich die zugeordnete Schutzschaltung der Mehrzahl von ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand befindet, und zwar auf Basis einer Spannung, die am dritten Widerstandselement (R4a, R4b) der zugeordneten Ausgleichswiderstandseinheit erzeugt wird.
Energie-Schaltvorrichtung (105) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungsschaltung einen ersten Ausgangsknoten (N1) als den mindestens einen Ausgangsknoten aufweist, die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils Folgendes aufweisen: ein erstes Gleichrichterelement (D2a, D2b) und ein drittes Widerstandselement (R4a, R4b), die miteinander in Reihe zwischen den ersten Ausgangsknoten (N1) der Steuerungsschaltung (12) und die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) geschaltet sind; und ein zweites Gleichrichterelement (D3a, D3b) und ein viertes Widerstandselement (R3a, R3b), die miteinander in Reihe und parallel zu einer Kombination des ersten Gleichrichterelements (D2a, D2b) und des dritten Widerstandselements (R4a, R4b) geschaltet sind, wobei das erste Gleichrichterelement (D2a, D2b) so konfiguriert ist, dass es den Strom in der Richtung von der Steuerelektrode zum ersten Ausgangsknoten (N1) blockiert, wobei das zweite Gleichrichterelement (D3a, D3b) so konfiguriert ist, dass es den Strom in der Richtung von dem ersten Ausgangsknoten (N1) zu der Steuerelektrode blockiert, wobei die zweite Schutzschaltung (30a, 30b) für jede der Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) bereitgestellt ist, und die zweite Schutzschaltung (30a, 30b) auf Basis einer Spannung, die am dritten Widerstandselement der zugeordneten Ausgleichswiderstandseinheit (R4a, R4b) erzeugt wird, bestimmt, ob sich eine zugeordnete Schutzschaltung (Ra, Rb) der Mehrzahl von ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand befindet.
Energie-Schaltvorrichtung (103, 105) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerungsschaltung (12) als den mindestens einen Ausgangsknoten einen ersten Ausgangsknoten (N10) aufweist, der mit einem Energieversorgungsknoten (N2) verbunden ist, und einen zweiten Ausgangsknoten (N11), der mit einem Masseknoten (GND) verbunden ist, wobei die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils zwischen die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) und jeden von erstem Ausgangsknoten (N10) und zweitem Ausgangsknoten (N11) geschaltet sind, die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils Folgendes aufweisen: ein drittes Widerstandselement (R4a, R4b), das zwischen den ersten Ausgangsknoten (N10) der Steuerungsschaltung (12) und die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) geschaltet ist; ein viertes Widerstandselement (R3a, R3b), das zwischen den zweiten Ausgangsknoten (N11) der Steuerungsschaltung (12) und die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) geschaltet ist; und ein erstes Gleichrichterelement (D2a, D2b, D3a, D3b), das in Reihe mit einem oder beiden von drittem Widerstandselement (R4a, R4b) und viertem Widerstandselement (R3a, R3b) geschaltet ist, wobei die zweite Schutzschaltung (30a, 30b) für jede der Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) bereitgestellt ist, und die zweite Schutzschaltung (30a, 30b) auf Basis einer Spannung, die am dritten Widerstandselement (R4a, R4b) der zugeordneten Ausgleichswiderstandseinheit (Ra, Rb) erzeugt wird, und einer Spannung über der zugeordneten Ausgleichswiderstandseinheit (Ra, Rb) bestimmt, ob sich eine zugeordnete Schutzschaltung der Mehrzahl von ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand befindet.
Energie-Schaltvorrichtung (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerungsschaltung (12) einen ersten Ausgangsknoten (N2) als den mindestens einen Ausgangsknoten aufweist, die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils Folgendes aufweisen: ein erstes Gleichrichterelement (D2a, D2b) und ein drittes Widerstandselement (R4a, R4b), die miteinander in Reihe zwischen den ersten Ausgangsknoten (N1) der Steuerungsschaltung (12) und die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) geschaltet sind; und ein zweites Gleichrichterelement (D3a, D3b) und ein viertes Widerstandselement (R3a, R3b), die miteinander in Reihe und parallel zu einer Kombination des ersten Gleichrichterelements (D2a, D2b) und des dritten Widerstandselements (R4a, R4b) geschaltet sind, wobei das erste Gleichrichterelement (D2a, D2b) den Strom in der Richtung von der Steuerelektrode zum ersten Ausgangsknoten (N1) blockiert, wobei das zweite Gleichrichterelement (D3a, D3b) den Strom in der Richtung von dem ersten Ausgangsknoten (N1) zu der Steuerelektrode blockiert, die Energie-Schaltvorrichtung (106) ferner eine Mehrzahl von dritten Gleichrichterelementen (D5a, D5b) aufweist, die jeweils eine Kathode aufweisen, die mit einer Verbindungsleitung zwischen einer zugeordneten der Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) und der Steuerelektrode einer zugeordneten der Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b) verbunden ist, die dritten Gleichrichterelemente (D5a, D5b) jeweils eine Anode haben, die mit einem gemeinsamen ersten Verbindungsknoten (N9) verbunden sind, die zweite Schutzschaltung (30) zwischen den ersten Ausgangsknoten (N1) und den ersten Verbindungsknoten (N9) geschaltet ist, und die zweite Schutzschaltung (30) auf Basis einer Spannung, die an jeder der Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) erzeugt wird, bestimmt, ob sich mindestens eine der Mehrzahl der ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand befindet.
Energie-Schaltvorrichtung (103, 106) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerungsschaltung (12) als den mindestens einen Ausgangsknoten einen ersten Ausgangsknoten (N10) aufweist, der mit einem Energieversorgungsknoten (N2) verbunden ist, und einen zweiten Ausgangsknoten (N11), der mit einem Masseknoten (GND) verbunden ist, wobei die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils zwischen die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) und jeden von erstem Ausgangsknoten (N10) und zweitem Ausgangsknoten (N11) geschaltet sind, die Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) jeweils Folgendes aufweisen: ein drittes Widerstandselement (R4a, R4b), das zwischen den ersten Ausgangsknoten (N10) der Steuerungsschaltung (12) und die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) geschaltet ist; ein viertes Widerstandselement (R3a, R3b), das zwischen den zweiten Ausgangsknoten (N11) der Steuerungsschaltung (12) und die Steuerelektrode der zugeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (T2a, T2b) geschaltet ist; und ein erstes Gleichrichterelement (D2a, D2b, D3a, D3b), das in Reihe mit einem oder beiden von drittem Widerstandselement (R4a, R4b) und viertem Widerstandselement (R3a, R3b) geschaltet ist, die Energie-Schaltvorrichtung (103, 106) ferner eine Mehrzahl von dritten Gleichrichterelementen (D5a, D5b) aufweist, die jeweils eine Kathode aufweisen, die mit einer Verbindungsleitung zwischen einer zugeordneten der Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) und der Steuerelektrode einer zugeordneten der Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b) verbunden ist, die dritten Gleichrichterelemente (D5a, D5b) jeweils eine Anode aufweisen, die mit einem gemeinsamen ersten Verbindungsknoten (N9) verbunden sind, die zweite Schutzschaltung (30) zwischen den ersten Verbindungsknoten (N9) und einen von erstem Ausgangsknoten (N10) und zweitem Ausgangsknoten (N11) geschaltet ist, und die zweite Schutzschaltung (30) auf Basis einer Spannung, die an jeder der Ausgleichswiderstandseinheiten (Ra, Rb) erzeugt wird, bestimmt, ob sich mindestens eine der Mehrzahl der ersten Schutzschaltungen (20a, 20b) im Betriebszustand befindet.
Energie-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Halbleiter-Schalteinrichtungen (T2a, T2b) jeweils Halbleitereinrichtungen vom Lichtbogen-Selbstlöschtyp sind, die aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand hergestellt sind, dessen Bandabstand breiter ist als der von Silicium.
Energie-Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Halbleiter mit breitem Bandabstand irgendeiner von Siliciumcarbid, Galliumnitrid und Diamant ist.