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EP1856801A1 - Transistor arrangement for rectifier and inverter - Google Patents

Transistor arrangement for rectifier and inverter

Info

Publication number
EP1856801A1
EP1856801A1 EP06707866A EP06707866A EP1856801A1 EP 1856801 A1 EP1856801 A1 EP 1856801A1 EP 06707866 A EP06707866 A EP 06707866A EP 06707866 A EP06707866 A EP 06707866A EP 1856801 A1 EP1856801 A1 EP 1856801A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transistor
voltage
terminal
control
arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06707866A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stephan Rees
Armin Ruf
Ulrich Ammann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1856801A1 publication Critical patent/EP1856801A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53875Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/02Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal
    • H02M7/04Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/06Modifications for ensuring a fully conducting state
    • H03K17/063Modifications for ensuring a fully conducting state in field-effect transistor switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/30Modifications for providing a predetermined threshold before switching
    • H03K17/302Modifications for providing a predetermined threshold before switching in field-effect transistor switches

Definitions

  • the invention relates to a transistor arrangement according to the preamble of claim 1, an arrangement for DC and / or inverting at least one electrical voltage according to the preamble of claim 12 and a device for DC and / or inverting at least one electrical voltage according to claim 13.
  • the invention also discloses a use for a transistor arrangement or an arrangement according to claim 14, a use for a device according to claim 15 and a method for controlling a transistor according to the preamble of claim 16.
  • DC and inverters are currently widely used in a wide power range of switchable on and off, voltage-controlled transistors.
  • a six-pulse bridge circuit in which a DC voltage source can be connected via throttles / inductances with a three-phase voltage source.
  • field-effect transistors FETs, in particular MOSFETs, are often used for voltages of less than 100V.
  • the source terminal and the drain terminal of the individual transistors are connected to a diode (in a MOSFET, this diode is already inherent in the transistor), the diodes then take over the rectification of the three alternating currents in a simple manner without further control.
  • a specific control of the transistors is required in order to switch them on and off according to a known method (for example using fundamental oscillation clocking or pulse width modulation). It was recognized that these were Judge operation required drive circuit can be advantageously used to relieve the diodes in rectifier operation by turning on the parallel-connected transistors.
  • a transistor arrangement having a transistor, comprising a first and a second terminal and a control connection setting a current flow between the first and second terminals, and also having a differential voltage with a transistor control voltage applied to the control terminal as a function of a first and second terminal voltage beaufschlag- the signal conditioning device, according to the invention one of the signal conditioning device associated and this switching between at least two modes of operation proposed driving device.
  • a transistor is understood to mean any voltage-controlled semiconductor valve. that is, each semiconductor device whose transmission characteristic can be controlled by means of an applied voltage.
  • a first mode of operation makes it possible to control the transistor by means of the differential voltage, which would be used in a DC and inverter circuit for the "synchronous rectifying" mode, ie rectification of an AC voltage.
  • the differential voltage used to drive the transistor is superimposed by or replaced by an additional voltage, the aim being to modify the drive used in the first mode of operation so that the transistor uses one of In this way, a transistor arrangement is realized, which enables both a self-controlling and a third-party actuated control of the transistor
  • the advantages of such an arrangement are illustrated below, in particular in the exemplary embodiments.
  • the transistor is designed as an FET, in particular as a MOSFET, wherein the first terminal is the drain terminal, the second terminal is the source terminal and the control terminal is the gate terminal.
  • the transistor arrangement can thus be produced cheaply and yet can be operated with considerable power.
  • a current flow control element is arranged between the first and second connection.
  • a transistor allows a current flow from the first to the second connection.
  • a current flow control element By means of the current flow control element, a current flow from the second to the first terminal can be made possible, unless the transistor already has such an element anyway due to its design, for example in the case of a MOSFET.
  • the current flow control element is designed as a diode. This is a reliable and inexpensive realization option.
  • a diode body diode
  • the driving device is an inverter driving device outputting a driving signal.
  • Inverter drive devices are used to drive the individual transistors of an inverter circuit.
  • the invention makes it possible for the drive signal of a known inverter drive device to be used to drive the signal conditioning device and thus indirectly the transistor.
  • the drive signal can also be generated separately, an additional control circuit can be dispensed with if an existing inverter control device is used.
  • the on-control device controls the signal conditioning device by means of a substantially rectangular drive signal.
  • the drive signal has two levels, each of the levels corresponding to one of the mentioned modes. Thus, exactly one operating mode is selected in each case.
  • the transistor arrangement has a summation point which adds the drive signal to the differential voltage.
  • the drive signal for switching the various operating states of the signal conditioning device can be fed in a simple manner.
  • the function of a transistor arrangement having a summation point configured in this way is explained in more detail in one exemplary embodiment.
  • the transistor arrangement has a summation point which adds an essentially constant voltage as a function of a drive signal of the drive device temporarily to the differential voltage. This represents a further possibility to feed the drive signal for switching the various operating states of the signal conditioning device in a simple manner.
  • control of the signal conditioning device is thus decoupled from the quality (for example, level-faithfulness) of the signal from the inverter control device.
  • This function of a transistor arrangement with a summation point designed in this way is also explained in more detail in one exemplary embodiment.
  • the signal processing device has an amplifier for amplifying the differential voltage.
  • the differential voltage can be amplified so that a vote between the expected voltage interval of the differential voltage and the voltage required at the control terminal for the correct operation of the transistor voltage interval results.
  • the amplifier is followed by a voltage limiter. This allows the amplifier to be set to a desired gain without the risk of exceeding a maximum desired or allowable level at the control port.
  • control connection can be actuated by means of the activation device, the control connection optionally with a switching device which is dependent on the differential voltage or connected to a voltage independent of the differential voltage. assigned.
  • the operating conditions can be switched easily and without being affected by the quality of the drive signal of the drive device.
  • the invention also relates to an arrangement for DC and / or inversion of at least one electrical voltage, with a first and a second transistor arrangement and a branch point arranged between the transistor arrangements, the transistor arrangements being formed with one or more of the preceding claims, and also a device for DC and / or inverting at least one electrical voltage with a plurality of just mentioned, parallel-connected arrangements.
  • Such arrangements or devices can also be selectively used only for a change direction or a rectification, but results in the entire advantage of the invention, especially in a mixed DC and inverter operation.
  • the invention further relates to the use of a previously mentioned transistor arrangement and a previously mentioned arrangement in a DC and / or inverter circuit; in addition, the use of a previously mentioned device for an electrical machine of a motor vehicle, in particular for a claw pole generator.
  • the invention relates to a method for controlling a transistor having a first and a second terminal and a current flow between the first and second terminal adjusting control terminal, wherein the control terminal is applied in response to a voltage applied between the first and second terminal differential voltage with a transistor control voltage and the transistor control voltage is temporarily affected by a voltage independent of the differential voltage.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a transistor arrangement with a summation of the differential voltage and the drive signal
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a transistor arrangement in which the control terminal is optionally subjected to a voltage which is dependent or independent of the differential voltage
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a transistor arrangement with a summation of the differential voltage and a voltage temporarily switched on by means of the drive signal
  • Figure 4 shows an embodiment of an arrangement for Gleich- and / or inverting
  • Figure 5 shows an embodiment of a device for DC and / or inverting.
  • a transistor arrangement 1 comprising a transistor 10, here designed as a MOSFET, having a first terminal 12, here the drain terminal D, a second terminal 14, here the source terminal S, and a control terminal 16 , here the gate connection G.
  • a current flow control element 18 is shown, which is here a diode 20, which is included in the structure of the transistor 10 due to design.
  • a drain current i D flows and via the transistor 10, that is, from the drain terminal D to the source terminal S, a differential voltage U D S drops, here the so-called drain-source voltage.
  • the transistor arrangement 1 furthermore has a signal conditioning device 22, which is supplied, inter alia, with the differential voltage U D S and acts on the gate terminal G with a transistor control voltage UGS. As a function of the transistor control voltage UGS, the drain current i D sets in a known manner.
  • the signal conditioning device 22 is also supplied with an inverter signal U WR from a control device 23, in this case an inverter drive device 25, at a summation point 24, at which the differential voltage U D S is already present.
  • the inverter signal U WR is a rectangular signal with a peak value Ü WR , as used to drive known inverter circuits.
  • the peak value Ü WR is chosen larger than a maximum permanently occurring drain-source voltage.
  • the voltage -U D S + U WR is present at the summation point 24, the value of which alternately results in -UDS or -UDS + ÜWR.
  • the voltage -U D S + U WR is then supplied to the amplifier 26, which has a gain K and thus outputs a voltage K » (-UDS + UWR).
  • This voltage is kept within certain limits by a limiter 28 connected downstream of the amplifier 26, namely between a minimum voltage value U GS min and a maximum voltage value U GS m a x.
  • the transistor arrangement 1 is then switched to its second operating mode, which -in a corresponding circuit-provides the basis for an inverter operation. While the transistor control voltage UGS is thus dependent on the differential voltage U D S in the first operating mode, this dependence is canceled in the second operating mode by the described signal addition and the transistor is switched on permanently.
  • FIG. 2 shows in a second exemplary embodiment a further possibility for effecting the two operating states.
  • a switching device 30 with a first switching state S1 and a second switching state S2 was arranged between the amplifier 26 and the limiter 28.
  • the switching device 30 connects the amplifier 26 to the limiter 28, so that the already known first mode is present.
  • the input of the limiter 28 is now connected to a voltage source with the voltage Up 0S in this embodiment.
  • the value Up 0S is chosen so large that sets the known second mode in which the transistor control voltage UGS is independent of the differential voltage U D S SO large that the transistor 10 turns on.
  • the operation of the switching device 30 takes place here by means of the signal U WR from the inverter drive device 25. If the level below a certain threshold, in particular approximately zero, the switching state S1 is set, the level is above this threshold, in particular at Ü WR , the Switching state S2 reached.
  • a certain threshold in particular approximately zero
  • the switching state S1 is set, the level is above this threshold, in particular at Ü WR , the Switching state S2 reached.
  • a third embodiment is shown in FIG.
  • the difference voltage U D S and a switchable by means of a switch 34 voltage U pos are added to a summation point 32.
  • the operation of the switch 34 takes place by means of the signal U WR from the inverter drive device 25.
  • the voltage U pos is decoupled from the summation point 32. It is then the known first mode before.
  • the summing point 32 is supplied with the voltage Up 0S , which is selected to be so large that the transistor control voltage UGS becomes large regardless of the difference voltage U D S-SO, so that the transistor 10 turns on. Then, the transistor device 1 is in the second mode.
  • this variant has the advantage that the switch 34 switches between a conductive and a high-resistance state, while the switching device 30 is used as a switch between two different conductive states.
  • the switch 34 can therefore be advantageously designed as a semiconductor switch, in particular FET.
  • FIG. 4 shows an embodiment of an arrangement 36 for rectifying and / or inverting at least one electrical voltage, having a first and a second transistor arrangement V H1 V L and a branching point 42 disposed between the transistor arrangements V H , V L.
  • an inductance L is arranged in the branch 43 .
  • the mode of operation of the arrangement 36 is, taking into account the knowledge of the person skilled in the art, of DC and / or inverter circuits and the above statements on the radio frequency tion manner of the transistor arrangements V H , V L immediately apparent.
  • level shifter 44 which is required to adjust the inverter drive signal for the first transistor arrangement V H.
  • the arrangement 36 permits simplified control during operation as a ground frequency-controlled inverter.
  • FIG. 5 shows a device 46 for rectification and / or inversion with three arrangements 36 comprising the transistor arrangements Vi to V 6 , which have already been explained in detail.
  • the required level changers are integrated here into the inverter control device 25.
  • On one side of the device 46 is a DC voltage U ZK and on the other side three AC voltages Ui, U2, U 3 at.
  • the operation of the device 46 is immediately apparent taking into account the knowledge of the art to DC and / or inverter circuits and the foregoing on the operation of the transistor arrangements Vi to V 6 and the arrangements 36 and therefore needs no further explanation.
  • the invention is particularly suitable for the connection of claw pole generators for motor vehicles to the motor vehicle electrical system.
  • the inverter function can be used to advantage as a starter for the operation of the claw pole generator.
  • the optimized synchronous rectifier function improves the overall efficiency of energy production and reduces the so-called "start-up speed" of the generator.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

The invention relates to a transistor arrangement (1) comprising a transistor (10), which is provided with first and second connections (12, 14) and a control connection (16) for controlling a current flow (i<SUB>D</SUB>) between said first and second connections (12, 14), a signal processing device (22) exposed to the transistor control voltage (uDS) for admitting said controll connection (16) according to a differential voltage (uDS) supplied between the first and second connections (12, 14) and a control device (23) which is associated with the signal processing device (22) and switches it between at least two operating modes. An inverter signal (uWR) causes, for an uWR value=0, an effect in such a way that the transistor (10) is used in the form of a conductor for uDS < 0 and is locked for uDS > 0. For uWR = uWR, said transistor (10) is permanently conductive.

Description

Transistoranordnung für Gleich- und WechselrichterTransistor arrangement for rectifier and inverter
Die Erfindung betrifft eine Transistoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , eine Anordnung zum Gleich- und/oder Wechselrichten mindestens einer elektrischen Spannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und eine Vorrichtung zum Gleich- und/oder Wechselrichten mindestens einer elektrischen Spannung gemäß dem Anspruch 13. Die Erfindung offenbart zudem eine Verwendung für eine Transistoranordnung oder eine Anordnung gemäß Anspruch 14, eine Verwendung für eine Vorrichtung gemäß Anspruch 15 sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Transistors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.The invention relates to a transistor arrangement according to the preamble of claim 1, an arrangement for DC and / or inverting at least one electrical voltage according to the preamble of claim 12 and a device for DC and / or inverting at least one electrical voltage according to claim 13. The invention also discloses a use for a transistor arrangement or an arrangement according to claim 14, a use for a device according to claim 15 and a method for controlling a transistor according to the preamble of claim 16.
Stand der TechnikState of the art
Gleich- und Wechselrichter werden derzeit in einem weiten Leistungsbereich vielfach aus ein- und ausschaltbaren, spannungsgesteuerten Transistoren aufgebaut. Dabei ist insbesondere für die Wandlung einer Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspan- nung, beziehungsweise umgekehrt, eine sechspulsige Brückenschaltung bekannt, bei der eine Gleichspannungsquelle über Drosseln/Induktivitäten mit einer Drehspannungsquelle verbunden werden kann. Dabei werden für Spannungen von unter 100 V oft Feldeffekttransistoren (FET), insbesondere MOSFETs, verwendet. Dabei sind der Source-Anschluss und der Drain-Anschluss der einzelnen Transistoren mit einer Diode verbunden (bei einem MOSFET ist diese Diode bereits prinzipbedingt im Transistor enthalten), wobei die Dioden dann die Gleichrichtung der drei Wechselströme in einfacher Weise ohne weitere Steuerung übernehmen. Für die Wechselrich- tung der Gleichspannung, also dem umgekehrten Fall, ist eine spezifische Ansteuerung der Transistoren erforderlich, um diese nach einem bekannten Verfahren (zum Beispiel unter Verwendung einer Grundschwingungstaktung oder Pulsweitenmodulation) ein- und auszuschalten. Dabei wurde erkannt, dass diese für den Wechsel- richterbetrieb benötigte Ansteuerschaltung vorteilhaft verwendet werden kann, um die Dioden im Gleichrichterbetrieb durch Einschalten der parallel geschalteten Transistoren zu entlasten. Ein solches Verfahren ist unter anderem unter dem Begriff „synchrones Gleich- richten" bekannt und verringert den Spannungsverlust bei der Gleichrichtung. Dabei ist es jedoch nachteilig, dass für die Bestimmung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Dioden sowie der MOSFETs, insbesondere unter Berücksichtigung der erforderlichen Schutzzeiten, zusätzlicher Bedarf für eine Steuerung besteht. Dieser Aufwand kann bei Verwendung eines selbst gesteuerten Transistors, wie er aus den Veröffentlichungen „Neuartige Gleichrichterprinzipien zur effizienten Speisung von Kfz-Bordnetzen aus Klauenpolgeneratoren" (U. Ammann; Diplomarbeit am Institut für Leistungselektronik und Regelungstechnik der Universität Stuttgart, 2002) und ,A Smart Synchro- nous Rectifier for 12 V Automobile Alternators" (S. Rees, U. Ammann; Proceedings of the 34th IEEE PESC Conference 2003, S. 1516ff.; Acapulco, Mexico) bekannt ist, eingespart werden, allerdings bei gleichzeitigem Verzicht auf die Möglichkeit eines Wechselrichterbetriebs. Es verbleibt daher der Wunsch nach einem vereinfachten, effektiven Gleich- und Wechselrichter.DC and inverters are currently widely used in a wide power range of switchable on and off, voltage-controlled transistors. In this case, in particular for the conversion of a DC voltage into a three-phase AC voltage, or vice versa, a six-pulse bridge circuit is known, in which a DC voltage source can be connected via throttles / inductances with a three-phase voltage source. In the process, field-effect transistors (FETs), in particular MOSFETs, are often used for voltages of less than 100V. In this case, the source terminal and the drain terminal of the individual transistors are connected to a diode (in a MOSFET, this diode is already inherent in the transistor), the diodes then take over the rectification of the three alternating currents in a simple manner without further control. For the direction of the DC voltage, that is to say the reverse case, a specific control of the transistors is required in order to switch them on and off according to a known method (for example using fundamental oscillation clocking or pulse width modulation). It was recognized that these were Judge operation required drive circuit can be advantageously used to relieve the diodes in rectifier operation by turning on the parallel-connected transistors. Such a method is known inter alia by the term "synchronous rectification" and reduces the voltage loss in the rectification, but it is disadvantageous that for determining the on and off times of the diodes and the MOSFETs, especially taking into account the required This effort can be achieved by using a self-controlled transistor, as described in the publications "Novel Rectifier Principles for the Efficient Powering of Automotive Wiring Systems from Claw Pole Generators" (U. Ammann, Diploma thesis at the Institute of Power Electronics and Control Engineering of the University of Stuttgart, 2002) and "A Smart Synchronous Rectifier for 12 V Automobile Alternators" (Rees, U. Ammann, Proceedings of the 34th IEEE PESC Conference 2003, pp. 1516 et seq., Acapulco, Mexico) but at the same time waiving the possibility of a W echselrichterbetriebs. There remains therefore the desire for a simplified, efficient DC and inverter.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Bei einer Transistoranordnung mit einem Transistor, aufweisend ei- nen ersten und einen zweiten Anschluss und einen einen Stromfluss zwischen erstem und zweitem Anschluss einstellenden Steueran- schluss, und ferner mit einer den Steueranschluss in Abhängigkeit von einer zwischen erstem und zweitem Anschluss anliegenden Differenzspannung mit einer Transistorsteuerspannung beaufschlagen- den Signalaufbereitungseinrichtung, wird erfindungsgemäß eine der Signalaufbereitungseinrichtung zugeordnete und diese zwischen mindestens zwei Betriebsarten schaltende Ansteuerungsvorrichtung vorgeschlagen. Unter einem Transistor soll dabei im Rahmen dieser Anmeldung jegliches spannungsgesteuerte Halbleiterventil verstan- den werden, also jedes Halbleiterbauteil, dessen Durchlasseigenschaft mittels einer anliegenden Spannung gesteuert werden kann. Eine erste Betriebsart ermöglicht es, den Transistor über die Differenzspannung anzusteuern, was in einer erwähnten Gleich- und Wechselrichterschaltung für die selbststeuernde Betriebsart „synchrones Gleichrichten" genutzt würde, also bei einer Gleichrichtung einer Wechselspannung. In der zweiten Betriebsart, die in einer erwähnten Gleich- und Wechselrichterschaltung für die Wechselrichtung einer Gleichspannung genutzt würde, wird die zur Ansteuerung des Transistors verwendete Differenzspannung von einer zusätzlichen Spannung überlagert oder durch diese ersetzt. Ziel ist es dabei, die in der ersten Betriebsart eingesetzte Ansteuerung so zu modifizieren, dass der Transistor mittels einer von der Differenzspannung unabhängigen Spannung gesteuert wird, insbesondere eingeschaltet beziehungsweise leitend geschaltet wird. Auf diese Weise wird eine Transistoranordnung realisiert, die sowohl eine selbststeuernde als auch eine fremd betätigte Ansteuerung des Transistors ermöglicht. Die Vorteile einer solchen Anordnung werden im Folgenden, insbesondere in den Ausführungsbeispielen, verdeutlicht.In a transistor arrangement having a transistor, comprising a first and a second terminal and a control connection setting a current flow between the first and second terminals, and also having a differential voltage with a transistor control voltage applied to the control terminal as a function of a first and second terminal voltage beaufschlag- the signal conditioning device, according to the invention one of the signal conditioning device associated and this switching between at least two modes of operation proposed driving device. In the context of this application, a transistor is understood to mean any voltage-controlled semiconductor valve. that is, each semiconductor device whose transmission characteristic can be controlled by means of an applied voltage. A first mode of operation makes it possible to control the transistor by means of the differential voltage, which would be used in a DC and inverter circuit for the "synchronous rectifying" mode, ie rectification of an AC voltage. In the case of a DC and DC inverter, the differential voltage used to drive the transistor is superimposed by or replaced by an additional voltage, the aim being to modify the drive used in the first mode of operation so that the transistor uses one of In this way, a transistor arrangement is realized, which enables both a self-controlling and a third-party actuated control of the transistor The advantages of such an arrangement are illustrated below, in particular in the exemplary embodiments.
Vorteilhafterweise ist der Transistor als FET, insbesondere als MOS- FET, ausgeführt, wobei der erste Anschluss der Drain-Anschluss, der zweite Anschluss der Source-Anschluss und der Steueranschluss der Gate-Anschluss ist. Für eine Vielzahl von Anwendungen lässt sich so die Transistoranordnung günstig produzieren und kann dennoch mit einer erheblichen Leistung betrieben werden.Advantageously, the transistor is designed as an FET, in particular as a MOSFET, wherein the first terminal is the drain terminal, the second terminal is the source terminal and the control terminal is the gate terminal. For a variety of applications, the transistor arrangement can thus be produced cheaply and yet can be operated with considerable power.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen erstem und zweitem Anschluss ein Stromflusssteuerelement angeordnet. Übli- cherweise erlaubt ein Transistor einen Stromfluss vom ersten zum zweiten Anschluss. Mittels des Stromflusssteuerelements kann ein Stromfluss vom zweiten zum ersten Anschluss ermöglicht werden, sofern der Transistor nicht ohnehin aufgrund seiner Bauart bereits ein solches Element aufweist, beispielsweise bei einem MOSFET. - A -According to one embodiment of the invention, a current flow control element is arranged between the first and second connection. Usually, a transistor allows a current flow from the first to the second connection. By means of the current flow control element, a current flow from the second to the first terminal can be made possible, unless the transistor already has such an element anyway due to its design, for example in the case of a MOSFET. - A -
Es ist vorteilhaft, wenn das Stromflusssteuerelement als Diode ausgebildet ist. Dies ist eine zuverlässige und preiswerte Realisierungsmöglichkeit. Bei einem MOSFET ist eine solche Diode (Body-Diode) bereits bauartbedingt enthalten.It is advantageous if the current flow control element is designed as a diode. This is a reliable and inexpensive realization option. In the case of a MOSFET, such a diode (body diode) is already included in the design.
Bevorzugt ist die Ansteuerungsvorrichtung eine ein Ansteuersignal ausgebende Wechselrichteransteuerungsvorrichtung. Wechselrich- teransteuerungsvorrichtungen werden verwendet, um die einzelnen Transistoren einer Wechselrichterschaltung anzusteuern. Die Erfindung ermöglicht es, dass zur Ansteuerung der Signalaufbereitungseinrichtung und damit indirekt des Transistors, das Ansteuersignal einer bekannten Wechselrichteransteuerungsvorrichtung verwendet werden kann. Zwar kann das Ansteuersignal auch gesondert gene- riert werden, doch kann bei Nutzung einer vorhandenen Wechsel- richteransteuerungsvorrichtung auf eine zusätzliche Steuerschaltung verzichtet werden.Preferably, the driving device is an inverter driving device outputting a driving signal. Inverter drive devices are used to drive the individual transistors of an inverter circuit. The invention makes it possible for the drive signal of a known inverter drive device to be used to drive the signal conditioning device and thus indirectly the transistor. Although the drive signal can also be generated separately, an additional control circuit can be dispensed with if an existing inverter control device is used.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung steuert die An- Steuerungsvorrichtung die Signalaufbereitungseinrichtung mittels eines im Wesentlichen rechteckförmigen Ansteuersignals an. Dies bedeutet, dass das Ansteuersignal zwei Pegel aufweist, wobei jeder der Pegel mit einer der genannten Betriebsarten korrespondiert. Damit wird also jeweils genau eine Betriebsart ausgewählt.In an advantageous embodiment of the invention, the on-control device controls the signal conditioning device by means of a substantially rectangular drive signal. This means that the drive signal has two levels, each of the levels corresponding to one of the mentioned modes. Thus, exactly one operating mode is selected in each case.
Vorteilhafterweise weist die Transistoranordnung einen das Ansteuersignal zur Differenzspannung addierenden Summationspunkt auf. Dadurch kann auf einfache Weise das Ansteuersignal zur Schaltung der verschiedenen Betriebszustände der Signalaufbereitungseinrich- tung eingespeist werden. Die Funktion einer Transistoranordnung mit einem derartig ausgestalteten Summationspunkt wird in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Bevorzugt weist die Transistoranordnung einen eine im Wesentlichen konstante Spannung in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal der Ansteuerungsvorrichtung zeitweise zur Differenzspannung addierenden Summationspunkt auf. Dies stellt eine weitere Möglichkeit dar, auf einfache Weise das Ansteuersignal zur Schaltung der verschiedenen Betriebszustände der Signalaufbereitungseinrichtung einzuspeisen. Im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Alternative, wird so die Ansteuerung der Signalaufbereitungseinrichtung von der Güte (zum Beispiel Pegeltreue) des Signals von der Wechselrichteran- Steuerungsvorrichtung entkoppelt. Auch diese Funktion einer Transistoranordnung mit einem derartig ausgestalteten Summationspunkt wird in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.Advantageously, the transistor arrangement has a summation point which adds the drive signal to the differential voltage. As a result, the drive signal for switching the various operating states of the signal conditioning device can be fed in a simple manner. The function of a transistor arrangement having a summation point configured in this way is explained in more detail in one exemplary embodiment. Preferably, the transistor arrangement has a summation point which adds an essentially constant voltage as a function of a drive signal of the drive device temporarily to the differential voltage. This represents a further possibility to feed the drive signal for switching the various operating states of the signal conditioning device in a simple manner. In comparison to the alternative described above, the control of the signal conditioning device is thus decoupled from the quality (for example, level-faithfulness) of the signal from the inverter control device. This function of a transistor arrangement with a summation point designed in this way is also explained in more detail in one exemplary embodiment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Signalaufberei- tungseinrichtung einen Verstärker zur Verstärkung der Differenzspannung auf. Mittels des Verstärkers lässt sich die Differenzspannung so verstärken, dass sich eine Abstimmung zwischen dem zu erwartenden Spannungsintervall der Differenzspannung und dem am Steueranschluss für den korrekten Betrieb des Transistors benötig- ten Spannungsintervall ergibt.According to a preferred embodiment, the signal processing device has an amplifier for amplifying the differential voltage. By means of the amplifier, the differential voltage can be amplified so that a vote between the expected voltage interval of the differential voltage and the voltage required at the control terminal for the correct operation of the transistor voltage interval results.
Mit Vorteil ist dem Verstärker ein Spannungsbegrenzer nachgeschaltet. Dadurch kann der Verstärker auf eine gewünschte Verstärkung eingestellt werden ohne die Gefahr einer Überschreitung eines ma- ximal gewünschten oder zulässigen Pegels am Steueranschluss. Außerdem ist es so möglich ein zusätzliches Signal in die Signalaufbereitungseinrichtung einzubringen ohne Gefahr zu laufen, dass mit dem zusätzlichen Signal der zulässige Pegel am Steueranschluss überschritten wird.Advantageously, the amplifier is followed by a voltage limiter. This allows the amplifier to be set to a desired gain without the risk of exceeding a maximum desired or allowable level at the control port. In addition, it is possible to introduce an additional signal into the signal conditioning device without running the risk that the permissible level at the control connection is exceeded with the additional signal.
Bevorzugt ist dem Steueranschluss eine mittels der Ansteuerungsvorrichtung betätigbare, den Steueranschluss wahlweise mit einer von der Differenzspannung abhängigen oder mit einer von der Differenzspannung unabhängigen Spannung verbindende Schalteinrich- tung zugeordnet. Auf diese Weise können die Betriebzustände einfach und ohne eine Beeinflussung durch die Güte des Ansteuersignals der Ansteuerungsvorrichtung geschaltet werden.Preferably, the control connection can be actuated by means of the activation device, the control connection optionally with a switching device which is dependent on the differential voltage or connected to a voltage independent of the differential voltage. assigned. In this way, the operating conditions can be switched easily and without being affected by the quality of the drive signal of the drive device.
Die Erfindung betrifft zudem eine Anordnung zum Gleich- und/oder Wechselrichten mindestens einer elektrischen Spannung, mit einer ersten und einer zweiten Transistoranordnung und einer zwischen den Transistoranordnungen angeordneten Abzweigstelle, wobei die Transistoranordnungen mit einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche ausgebildet sind, und auch eine Vorrichtung zum Gleich- und/oder Wechselrichten mindestens einer elektrischen Spannung mit mehreren der gerade genannten, parallel geschalteten Anordnungen. Derartige Anordnungen oder Vorrichtungen können auch gezielt nur für eine Wechsel richtung oder eine Gleichrichtung eingesetzt werden, doch ergibt sich der gesamte Vorteil der Erfindung gerade bei einem gemischten Gleich- und Wechselrichterbetrieb.The invention also relates to an arrangement for DC and / or inversion of at least one electrical voltage, with a first and a second transistor arrangement and a branch point arranged between the transistor arrangements, the transistor arrangements being formed with one or more of the preceding claims, and also a device for DC and / or inverting at least one electrical voltage with a plurality of just mentioned, parallel-connected arrangements. Such arrangements or devices can also be selectively used only for a change direction or a rectification, but results in the entire advantage of the invention, especially in a mixed DC and inverter operation.
Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung einer zuvor ge- nannten Transistoranordnung und einer zuvor genannten Anordnung in einer Gleich- und/oder Wechselrichterschaltung; außerdem die Verwendung einer zuvor genannten Vorrichtung für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Klauenpol- generator.The invention further relates to the use of a previously mentioned transistor arrangement and a previously mentioned arrangement in a DC and / or inverter circuit; in addition, the use of a previously mentioned device for an electrical machine of a motor vehicle, in particular for a claw pole generator.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Transistors aufweisend einen ersten und einen zweiten Anschluss und einen einen Stromfluss zwischen erstem und zweitem Anschluss einstellenden Steueranschluss, wobei der Steueranschluss in Ab- hängigkeit von einer zwischen erstem und zweitem Anschluss anliegenden Differenzspannung mit einer Transistorsteuerspannung beaufschlagt wird und die Transistorsteuerspannung zeitweise durch eine von der Differenzspannung unabhängige Spannung beeinflusst wird. ZeichnungenFinally, the invention relates to a method for controlling a transistor having a first and a second terminal and a current flow between the first and second terminal adjusting control terminal, wherein the control terminal is applied in response to a voltage applied between the first and second terminal differential voltage with a transistor control voltage and the transistor control voltage is temporarily affected by a voltage independent of the differential voltage. drawings
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigenThe invention will now be explained in more detail with reference to exemplary embodiments. Show
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Transistoranordnung mit einer Summation der Differenzspannung und des Ansteuersignals,1 shows a first embodiment of a transistor arrangement with a summation of the differential voltage and the drive signal,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Transistoranordnung, bei der der Steueranschluss wahlweise mit einer von der Differenzspannung abhängigen beziehungsweise unabhängigen Spannung beaufschlagt wird,FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a transistor arrangement in which the control terminal is optionally subjected to a voltage which is dependent or independent of the differential voltage,
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Transistoranordnung mit einer Summation der Differenzspannung und einer mittels des Ansteuersignals zeitweise zugeschalteten Spannung,FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a transistor arrangement with a summation of the differential voltage and a voltage temporarily switched on by means of the drive signal,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Gleich- und/oder Wechselrichten, undFigure 4 shows an embodiment of an arrangement for Gleich- and / or inverting, and
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Gleich- und/oder Wechselrichten.Figure 5 shows an embodiment of a device for DC and / or inverting.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Transistoranord- nung 1 aufweisend einen Transistor 10, hier als MOSFET ausgeführt, mit einem ersten Anschluss 12, hier dem Drain-Anschluss D, einem zweiten Anschluss 14, hier dem Source-Anschluss S, und einem Steueranschluss 16, hier dem Gate-Anschluss G. Zwischen dem Source-Anschluss S und dem Drain-Anschluss D ist ein Stromflusssteuerelement 18 gezeigt, welches hier eine Diode 20 ist, die bauartbedingt im Aufbau des Transistors 10 enthalten ist. In den Transistor 10 fließt ein Drain-Strom iD und über den Transistor 10, also vom Drain-Anschluss D zum Source-Anschluss S, fällt eine Differenzspannung UDS ab, hier die sogenannte Drain-Source- Spannung. Die Transistoranordnung 1 weist ferner eine Signalaufbe- reitungseinrichtung 22 auf, die unter anderem mit der Differenzspannung UDS gespeist wird und den Gate-Anschluss G mit einer Transis- torsteuerspannung UGS beaufschlagt. In Abhängigkeit von der Transistorsteuerspannung UGS stellt sich in bekannter Weise der Drain- Strom iD ein. Die Signalaufbereitungseinrichtung 22 wird an einem Summationspunkt 24, an dem bereits die Differenzspannung UDS anliegt, zudem mit einem Wechselrichtersignal UWR aus einer Ansteue- rungsvorrichtung 23, hier eine Wechselrichteransteuerungsvorrich- tung 25, gespeist. Bei dem Wechselrichtersignal UWR handelt es sich um ein Rechtecksignal mit einem Spitzenwert ÜWR, wie es zur Ansteuerung von bekannten Wechselrichterschaltungen verwendet wird. Der Spitzenwert ÜWR ist dabei größer gewählt als eine maximal dauerhaft auftretende Drain-Source-Spannung. Demnach liegt am Summationspunkt 24 die Spannung -UDS+UWR an, deren Wert sich wechselweise zu -UDS beziehungsweise zu -UDS+ÜWR ergibt. Die Spannung -UDS+UWR wird dann dem Verstärker 26 zugeführt, der einen Verstärkungsfaktor K aufweist und somit eine Spannung K»(-UDS+UWR) ausgibt. Diese Spannung wird von einem dem Verstärker 26 nachgeschalteten Begrenzer 28 in bestimmten Grenzen gehalten, nämlich zwischen einem minimalen Spannungswert UGSmin und einem maximalen Spannungswert UGSmax- Die Ausgangsspannung des Begrenzers 28 wird dann als Transistorsteuerspannung UGS verwendet. Für den Fall, dass UWR=0 ist, ergibt sich die in der Einleitung genannte Funktion des selbst gesteuerten Transistors. Der Transistor 10 wird also für uDs>0 sperrend und für uDs<0 leitend. Dies bietet dann -in einer entsprechenden Schaltung- die Grundlage für einen Gleichrichterbetrieb. Wenn sich der Fall UWRWR einstellt, liegt am Eingang des Verstärkers 26 unabhängig vom aktuellen Wert der Differenzspannung uDs eine positive Spannung an, da ÜWR größer als die maximale Differenzspannung UDS (Drain-Source-Spannung) ge- wählt wurde. Dies bedeutet, dass der Transistor 10 -eine geeignete Wahl des Verstärkungsfaktors K und der Begrenzerwerte UGSmin und UGSmax vorausgesetzt- eingeschaltet wird. Damit ist die Transistoranordnung 1 dann in ihre zweite Betriebsart geschaltet, die -in einer entsprechenden Schaltung- die Grundlage für einen Wechselrichter- betrieb bietet. Während die Transistorsteuerspannung UGS also in der ersten Betriebsart von der Differenzspannung UDS abhängig ist, wird diese Abhängigkeit in der zweiten Betriebsart durch die beschriebene Signaladdition aufgehoben und der Transistor dauerhaft eingeschaltet.1 shows a first exemplary embodiment of a transistor arrangement 1 comprising a transistor 10, here designed as a MOSFET, having a first terminal 12, here the drain terminal D, a second terminal 14, here the source terminal S, and a control terminal 16 , here the gate connection G. Between the source terminal S and the drain terminal D, a current flow control element 18 is shown, which is here a diode 20, which is included in the structure of the transistor 10 due to design. In the transistor 10, a drain current i D flows and via the transistor 10, that is, from the drain terminal D to the source terminal S, a differential voltage U D S drops, here the so-called drain-source voltage. The transistor arrangement 1 furthermore has a signal conditioning device 22, which is supplied, inter alia, with the differential voltage U D S and acts on the gate terminal G with a transistor control voltage UGS. As a function of the transistor control voltage UGS, the drain current i D sets in a known manner. The signal conditioning device 22 is also supplied with an inverter signal U WR from a control device 23, in this case an inverter drive device 25, at a summation point 24, at which the differential voltage U D S is already present. The inverter signal U WR is a rectangular signal with a peak value Ü WR , as used to drive known inverter circuits. The peak value Ü WR is chosen larger than a maximum permanently occurring drain-source voltage. Accordingly, the voltage -U D S + U WR is present at the summation point 24, the value of which alternately results in -UDS or -UDS + ÜWR. The voltage -U D S + U WR is then supplied to the amplifier 26, which has a gain K and thus outputs a voltage K » (-UDS + UWR). This voltage is kept within certain limits by a limiter 28 connected downstream of the amplifier 26, namely between a minimum voltage value U GS min and a maximum voltage value U GS m a x. The output voltage of the limiter 28 is then used as the transistor control voltage UGS. In the case where U WR = 0, the function of the self-controlled transistor mentioned in the introduction results. The transistor 10 thus becomes blocking for u D s> 0 and conducting for u D s <0. This then provides - in a corresponding circuit - the basis for a rectifier operation. If the case sets U WR = Ü WR , is at the input of the amplifier 26 irrespective of the current value of the differential voltage u D s to a positive voltage because Ü WR greater than the maximum differential voltage U D S (drain-source voltage) ge - was chosen. This means that the transistor 10 - assuming a suitable choice of the gain K and the limiter values U GS min and U GS m a x - is turned on. The transistor arrangement 1 is then switched to its second operating mode, which -in a corresponding circuit-provides the basis for an inverter operation. While the transistor control voltage UGS is thus dependent on the differential voltage U D S in the first operating mode, this dependence is canceled in the second operating mode by the described signal addition and the transistor is switched on permanently.
Figur 2 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine weitere Möglichkeit die beiden Betriebszustände zu bewirken. Dafür wurde zwischen dem Verstärker 26 und dem Begrenzer 28 eine Schalteinrichtung 30 mit einem ersten Schaltzustand S1 und einem zweiten Schaltzustand S2 angeordnet. Im ersten Schaltzustand S1 verbindet die Schalteinrichtung 30 den Verstärker 26 mit dem Begrenzer 28, so dass die bereits bekannte erste Betriebsart vorliegt. Wird in den zweiten Schaltzustand S2 umgeschaltet, so wird bei diesem Ausführungsbeispiel nun der Eingang der Begrenzers 28 mit einer Span- nungsquelle mit der Spannung Up0S verbunden. Der Wert Up0S ist dabei so groß gewählt, dass sich die bekannte zweite Betriebsart einstellt, in der die Transistorsteuerspannung UGS unabhängig von der Differenzspannung UDS SO groß ist, dass der Transistor 10 durchschaltet. Die Betätigung der Schalteinrichtung 30 erfolgt hier mittels des Signals UWR aus der Wechselrichteransteuerungsvorrichtung 25. Ist der Pegel unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts, insbesondere in etwa null, wird der Schaltzustand S1 gesetzt, liegt der Pegel oberhalb dieses Schwellenwerts, insbesondere bei ÜWR, wird der Schaltzustand S2 erreicht. Der Vorteil dieser Ansteuerung liegt unter anderem darin, dass an die Güte des Wechselrichteransteuersignals nur geringe Anforderungen zu stellen sind, da dieses Signal nur mittelbar die Transistorsteuerspannung UGS beeinflusst.FIG. 2 shows in a second exemplary embodiment a further possibility for effecting the two operating states. For this purpose, a switching device 30 with a first switching state S1 and a second switching state S2 was arranged between the amplifier 26 and the limiter 28. In the first switching state S1, the switching device 30 connects the amplifier 26 to the limiter 28, so that the already known first mode is present. If switching is made to the second switching state S2, the input of the limiter 28 is now connected to a voltage source with the voltage Up 0S in this embodiment. The value Up 0S is chosen so large that sets the known second mode in which the transistor control voltage UGS is independent of the differential voltage U D S SO large that the transistor 10 turns on. The operation of the switching device 30 takes place here by means of the signal U WR from the inverter drive device 25. If the level below a certain threshold, in particular approximately zero, the switching state S1 is set, the level is above this threshold, in particular at Ü WR , the Switching state S2 reached. The advantage of this control is, inter alia, that only minor requirements are to be placed on the quality of the inverter drive signal, since this signal only indirectly influences the transistor control voltage UGS.
Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in der Figur 3 gezeigt. Hier werden an einem Summationspunkt 32 die Differenzspannung UDS und eine mittels eines Schalters 34 schaltbare Spannung Upos addiert. Auch hier erfolgt die Betätigung des Schalters 34 mittels des Signals UWR aus der Wechselrichteransteuerungsvorrichtung 25. Im Schaltzustand S1 ist die Spannung Upos vom Summationspunkt 32 abgekoppelt. Es liegt dann die bekannte erste Betriebsart vor. Im Schaltzustand S2 wird dem Summationspunkt 32 die Spannung Up0S zugeführt, die so groß gewählt ist, dass die Transistorsteuerspannung UGS -unabhängig von der Differenzspannung UDS- SO groß wird, dass der Transistor 10 durchschaltet. Dann ist die Transistoranordnung 1 in der zweiten Betriebsart. Im Vergleich zum zweiten Ausführungsbeispiel bietet diese Variante den Vorteil, dass der Schalter 34 hier zwischen einem leitenden und einem hochohmigen Zustand schaltet, während die Schalteinrichtung 30 als Umschalter zwischen zwei verschiedenen leitenden Zuständen benutzt wird. Der Schalter 34 kann daher vorteilhafterweise als Halbleiterschalter, insbesondere FET, ausgeführt werden.A third embodiment is shown in FIG. Here, the difference voltage U D S and a switchable by means of a switch 34 voltage U pos are added to a summation point 32. Again, the operation of the switch 34 takes place by means of the signal U WR from the inverter drive device 25. In the switching state S1, the voltage U pos is decoupled from the summation point 32. It is then the known first mode before. In the switching state S2, the summing point 32 is supplied with the voltage Up 0S , which is selected to be so large that the transistor control voltage UGS becomes large regardless of the difference voltage U D S-SO, so that the transistor 10 turns on. Then, the transistor device 1 is in the second mode. Compared to the second embodiment, this variant has the advantage that the switch 34 switches between a conductive and a high-resistance state, while the switching device 30 is used as a switch between two different conductive states. The switch 34 can therefore be advantageously designed as a semiconductor switch, in particular FET.
In der Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 36 zum Gleich- und/oder Wechselrichten mindestens einer elektrischen Spannung, mit einer ersten und einer zweiten Transistoranordnung VH1VL und einer zwischen den Transistoranordnungen VH,VL angeordneten Abzweigstelle 42. Im Abzweig 43 ist eine Induktivität L an- geordnet. Die Funktionsweise der Anordnung 36 ist unter Berücksichtigung des Wissens des Fachmanns zu Gleich- und/oder Wechselrichterschaltungen und der vorstehenden Ausführungen zur Funk- tionsweise der Transistoranordnungen VH,VL unmittelbar ersichtlich. Es sei lediglich auf den Pegelwechsler 44 (Level-Shifter) hingewiesen, der erforderlich ist, um das Wechselrichteransteuersignal für die erste Transistoranordnung VH anzupassen. Als Vorteile einer solchen Anordnung 36 (Gleich- und Wechselrichterzweig) sind zu nennen, dass keine zusätzliche Treiberschaltung für den Gate-Anschluss G notwendig ist und dass für den Gleichrichterbetrieb kein zusätzlicher Steueraufwand erforderlich ist, da negative Drain-Ströme ΪD,H beziehungsweise ΪD,L zum Einschalten der jeweiligen Transistoranordnung VH1VL führen. Ferner werden die Übergänge zwischen den beiden Betriebsarten „Wechselrichter" und „(Synchron-)Gleichrichter" einfach durch das Zu- und Abschalten der Ansteuerbefehle für den Wechselrichterbetrieb realisiert.FIG. 4 shows an embodiment of an arrangement 36 for rectifying and / or inverting at least one electrical voltage, having a first and a second transistor arrangement V H1 V L and a branching point 42 disposed between the transistor arrangements V H , V L. In the branch 43 an inductance L is arranged. The mode of operation of the arrangement 36 is, taking into account the knowledge of the person skilled in the art, of DC and / or inverter circuits and the above statements on the radio frequency tion manner of the transistor arrangements V H , V L immediately apparent. Reference is merely made to level shifter 44, which is required to adjust the inverter drive signal for the first transistor arrangement V H. As advantages of such an arrangement 36 (DC and inverter branch) are mentioned that no additional driver circuit for the gate terminal G is necessary and that no additional control effort is required for the rectifier operation, since negative drain currents Ϊ D , H or Ϊ D , L for switching on the respective transistor arrangement V H1 V L lead. Furthermore, the transitions between the two operating modes "inverter" and "(synchronous) rectifier" are realized simply by the switching on and off of the control commands for the inverter operation.
Ein besonderer Vorteil einer solchen Anordnung 36 im Wechselrichterbetrieb soll im Folgenden am Beispiel der grundschwingungs- getakteten Speisung einer wechselstromseitigen ohmsch-induktiven Last erläutert werden. Hierzu sei ein Zeitpunkt betrachtet, zu dem die erste Transistoranordnung VH einen positiven Drain-Strom JD1H=H führt und die zweite Transistoranordnung VL sperrt. Der Laststrom ii soll nun durch Ausschalten der Transistoranordnung VH und anschließendes Einschalten der Transistoranordnung VL auf diese kommutiert werden. Bei der Wechselrichteransteuerung nach dem Stand der Technik ist die Einhaltung von Verriegelungszeiten zwi- sehen den Einschaltsignalen für die Transistoranordnungen VH,VL erforderlich, um einen Kurzschluss der Gleichspannung UZK ZU vermeiden. Dies führt im hier betrachteten Fall zwangsläufig zu einem kurzen Leitendwerden der Bodydiode in der Transistoranordnung VL bis die Transistoranordnung VL eingeschaltet wird. Im Fall der Grund- taktschwingung wird sich das Vorzeichen des Laststroms in der nun folgenden Leitzeit der Transistoranordnung VL umkehren, so dass sich ein gleicher Vorgang bei der Kommutierung von der Transistoranordnung VL auf die Transistoranordnung VH anschließt. Gemäß dem Stand der Technik muss man also die Verriegelungszeit sehr klein und dabei sehr genau einstellen können. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung 36 ist dies nicht erforderlich, da das Einschalten der stromaufnehmenden Schalteinrichtung Transistoranordnung VH (oder VL) selbsttätig erfolgt. (Es versteht sich natürlich, dass das Einschaltsignal für die stromaufnehmende Transistoranordnung VH (oder VL) in der Zeit zwischen der Stromaufnahme durch die Transistoranordnung VH (oder VL) und dem Vorzeichenwechsel des Laststroms ii angelegt werden soll.) Die Anordnung 36 erlaubt also zudem eine vereinfachte Ansteuerung im Betrieb als grundschwingungsgetakte- ter Wechselrichter.A particular advantage of such an arrangement 36 in inverter operation will be explained in the following using the example of the fundamental oscillation clocked supply of an AC-side ohmic-inductive load. For this purpose, consider a point in time at which the first transistor arrangement V H leads to a positive drain current J D1H = H and the second transistor arrangement V L blocks. The load current ii should now be commutated by switching off the transistor arrangement V H and then switching on the transistor arrangement V L. In the inverter drive according to the prior art, the observance of interlocking times between see the turn-on for the transistor arrangements V H , V L required to avoid a short circuit of the DC voltage U ZK ZU. In the case considered here, this inevitably leads to a brief conduction of the body diode in the transistor arrangement V L until the transistor arrangement V L is switched on. In the case of the fundamental oscillation, the sign of the load current will reverse in the now following conduction time of the transistor arrangement V L , so that a similar process follows in the commutation from the transistor arrangement V L to the transistor arrangement V H. According to So you have to be able to set the locking time very small and very accurate in the prior art. In the case of the arrangement 36 according to the invention, this is not necessary since the switching on of the current-receiving switching device transistor arrangement V H (or V L ) takes place automatically. (It is understood, of course, that the turn-on signal for the current sinking transistor arrangement V H (or V L ) should be applied in the time between the current consumption by the transistor arrangement V H (or V L ) and the sign change of the load current ii.) The arrangement 36 In addition, it permits simplified control during operation as a ground frequency-controlled inverter.
Abschließend ist in der Figur 5 eine Vorrichtung 46 zum Gleich- und/oder Wechselrichten mit drei Anordnungen 36 aufweisend die Transistoranordnungen Vi bis V6, die bereits ausführlich erläutert wurden. Die erforderlichen Pegelwechsler sind hier in die Wechsel- richteransteuerungsvorrichtung 25 integriert. An einer Seite der Vorrichtung 46 liegen eine Gleichspannung UZK und an der anderen Seite drei Wechselspannungen Ui,U2,U3 an. Die Funktionsweise der Vorrichtung 46 ist unter Berücksichtigung des Wissens des Fachmanns zu Gleich- und/oder Wechselrichterschaltungen und der vorstehenden Ausführungen zur Funktionsweise der Transistoranordnungen Vi bis V6 und der Anordnungen 36 unmittelbar ersichtlich und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.Finally, FIG. 5 shows a device 46 for rectification and / or inversion with three arrangements 36 comprising the transistor arrangements Vi to V 6 , which have already been explained in detail. The required level changers are integrated here into the inverter control device 25. On one side of the device 46 is a DC voltage U ZK and on the other side three AC voltages Ui, U2, U 3 at. The operation of the device 46 is immediately apparent taking into account the knowledge of the art to DC and / or inverter circuits and the foregoing on the operation of the transistor arrangements Vi to V 6 and the arrangements 36 and therefore needs no further explanation.
Die Erfindung ist insbesondere zum Anschluss von Klauenpolgenera- toren für Kraftfahrzeuge an das Kraftfahrzeug-Bordnetz geeignet. Die Wechselrichterfunktion lässt sich für den Betrieb des Klauenpolgene- rators als Starter vorteilhaft nutzen. Durch die optimierte Synchron- gleichrichterfunktion wird der Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugung verbessert und die sogenannte „Angehdrehzahl" des Generators veringert. The invention is particularly suitable for the connection of claw pole generators for motor vehicles to the motor vehicle electrical system. The inverter function can be used to advantage as a starter for the operation of the claw pole generator. The optimized synchronous rectifier function improves the overall efficiency of energy production and reduces the so-called "start-up speed" of the generator.

Claims

Patentansprüche claims
1. Transistoranordnung (1) mit einem Transistor (10), aufweisend einen ersten und einen zweiten Anschluss (12,14) und einen einen Stromfluss (ΪD) zwischen erstem und zweitem Anschluss (12,14) einstellenden Steueranschluss (16), und ferner mit einer den Steueran- schluss (16) in Abhängigkeit von einer zwischen erstem und zweitem Anschluss (12,14) anliegenden Differenzspannung (UDS) mit einer Transistorsteuerspannung (UGS) beaufschlagenden Signalaufbereitungseinrichtung (22), gekennzeichnet durch eine der Signalaufbereitungseinrichtung (22) zugeordnete und diese zwischen mindestens zwei Betriebsarten schaltende Ansteuerungsvorrichtung (23).A transistor arrangement (1) comprising a transistor (10), having a first and a second terminal (12, 14) and a control terminal (16) adjusting a current flow (Ϊ D ) between the first and second terminals (12, 14), and further comprising a signal conditioning device (22) which acts upon the control connection (16) as a function of a differential voltage (U D S) applied between the first and second terminals (12, 14) and a transistor control voltage (UGS), characterized by one of the signal conditioning means (22 ) and these switching between at least two operating modes control device (23).
2. Transistoranordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (10) als FET, insbesondere als MOSFET, ausgeführt ist, wobei der erste Anschluss (12) der Drain-Anschluss (D), der zweite Anschluss (14) der Source-Anschluss (S) und der Steueranschluss (16) der Gate-Anschluss (G) ist.2. Transistor arrangement (1) according to claim 1, characterized in that the transistor (10) is designed as a FET, in particular as a MOSFET, wherein the first terminal (12) of the drain terminal (D), the second terminal (14). the source terminal (S) and the control terminal (16) is the gate terminal (G).
3. Transistoranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem und zweitem Anschluss (12,14) ein Stromflusssteuerelement (18) angeordnet ist.3. Transistor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that between the first and second terminal (12,14) is arranged a current flow control element (18).
4. Transistoranordnung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromflusssteuerelement (18) als Diode (20) ausgebildet ist.4. transistor arrangement (1) according to claim 3, characterized in that the current flow control element (18) as a diode (20) is formed.
5. Transistoranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungsvorrichtung (23) eine ein Ansteuersignal (UWR) ausgebende Wechsel richteran- steuerungsvorrichtung (25) ist. 5. transistor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the drive device (23) is a control signal (U WR ) issuing change richteran- control device (25).
6. Transistoranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungsvorrichtung (23) die Signalaufbereitungseinrichtung (22) mittels eines im Wesentlichen rechteckförmigen Ansteuersignals (UWR) ansteuert.6. Transistor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the drive device (23) controls the signal conditioning device (22) by means of a substantially rectangular drive signal (U WR ).
7. Transistoranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 5 und 6, gekennzeichnet durch einen das Ansteuersignal (UWR) zur Differenzspannung (UDS) addierenden Summationspunkt (24).7. A transistor arrangement (1) according to any one of claims 5 and 6, characterized by a the drive signal (U WR ) to the differential voltage (U D S) adding summation point (24).
8. Transistoranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen eine im Wesentlichen konstante Spannung (Upos) in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal (UWR) der Ansteuerungsvorrichtung (23) zeitweise zur Differenzspannung (uDs) addierenden Summationspunkt (32).8. Transistor arrangement (1) according to one of claims 1 to 6, characterized by a substantially constant voltage (Upos) in response to a drive signal (UWR) of the drive device (23) temporarily to the differential voltage (u D s) adding summation point (32 ).
9. Transistoranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungseinrichtung (22) einen Verstärker (26) zur Verstärkung der Differenzspannung (UDS) aufweist.9. transistor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the signal conditioning device (22) has an amplifier (26) for amplifying the differential voltage (UDS).
10. Transistoranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verstärker (26) ein Spannungsbegrenzer (28) nachgeschaltet ist.10. Transistor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the amplifier (26) is followed by a voltage limiter (28).
11. Transistoranordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steueranschluss (16) eine mittels der Ansteuerungsvorrichtung (23) betätigbare, den Steueranschluss (16) wahlweise mit einer von der Differenzspannung (UDS) abhängigen oder mit einer von der Differenzspannung (uDs) unabhängigen Spannung (Upos) verbindende Schalteinrichtung (30) zugeordnet ist.11. Transistor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control terminal (16) actuated by means of the drive device (23), the control terminal (16) optionally with one of the differential voltage (U D S) dependent or with a associated switching device (30) is connected by the differential voltage (u D s) independent voltage (U pos ).
12. Anordnung (36) zum Gleich- und/oder Wechselrichten mindestens einer elektrischen Spannung, mit einer ersten und einer zweiten Transistoranordnung (VH,VL) und einer zwischen den Transistoranordnungen (VH1VL) angeordneten Abzweigstelle (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoranordnungen (VH,VL) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.12. Arrangement (36) for DC and / or inverting at least one electrical voltage, with a first and a second Transistor arrangement (V H , V L ) and arranged between the transistor arrangements (V H1 V L ) branching point (42), characterized in that the transistor arrangements (V H , V L ) are formed according to one of the preceding claims.
13. Vorrichtung (46) zum Gleich- und/oder Wechselrichten mindestens einer elektrischen Spannung mit mehreren parallel geschalteten Anordnungen (36), dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoranordnungen (Vi1V21V31V41V51V6) der Anordnungen (36) gemäß ei- nem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet sind.13. Device (46) for DC and / or inverting at least one electrical voltage with a plurality of parallel-connected arrangements (36), characterized in that the transistor arrangements (Vi 1 V 21 V 31 V 41 V 51 V 6 ) of the arrangements (36 ) are formed according to one of claims 1 to 11.
14. Verwendung einer Transistoranordnung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder einer Anordnung (36) gemäß dem Anspruch 12 in einer Gleich- und/oder Wechselrichterschaltung.14. Use of a transistor arrangement (1) according to one of claims 1 to 11 and / or an arrangement (36) according to claim 12 in a DC and / or inverter circuit.
15. Verwendung einer Vorrichtung (46) gemäß dem Anspruch 13 für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Klauenpolgenerator.15. Use of a device (46) according to claim 13 for an electrical machine of a motor vehicle, in particular for a claw pole generator.
16. Verfahren zur Steuerung eines Transistors (10) aufweisend einen ersten und einen zweiten Anschluss (12,14) und einen einen Strom- fluss (ΪD) zwischen erstem und zweitem Anschluss (12,14) einstellenden Steueranschluss (16), wobei der Steueranschluss (16) in Abhängigkeit von einer zwischen erstem und zweitem Anschluss (12,14) anliegenden Differenzspannung (UDS) mit einer Transistorsteuerspannung (uGs) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistorsteuerspannung (UGS) zeitweise durch eine von der Differenzspannung (UDS) unabhängige Spannung beeinflusst wird. 16. A method for controlling a transistor (10) comprising a first and a second terminal (12,14) and a current flow (Ϊ D ) between the first and second terminal (12,14) adjusting control terminal (16), wherein the Control terminal (16) in response to a difference between the first and second terminal (12,14) applied differential voltage (U D S) with a transistor control voltage (u G s) is applied, characterized in that the transistor control voltage (UGS) temporarily by one of the Differential voltage (U D S) independent voltage is affected.
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