AT402245B - Ansteuerschaltung für zwei in serie geschaltete transistoren - Google Patents

Description

AT 402 245 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung für zwei in Serie geschaltete Transistoren eines getakteten Umrichters mit einer Anschlußspannung, die höher als die zulässige Betriebsspannung eines Einzeltransistors ist.

Obwohl die zulässigen Betriebsspannungen moderner Halbleiterschalter bereits sehr hoch sind, gibt es immer wieder Anwendungsfälle, wie z.B. Umrichter in Nahverkehrsnetzen, bei welchen man an oder über die zulässigen Spannungsgrenzen stößt. Insbesondere kann in dem angesprochenen Fall die Nennspannung von z.B. 750 V auch Schwankungen nach oben unterliegen, was bei der Dimensionierung eines getakteten Umrichters gleichfalls berücksichtigt werden muß.

Aus Kosten- und Sicherheitsgründen schaltet man daher zwei Transistoren in Serie und sorgt durch Maßnahmen, die zum Teil dem Stand der Technik angehören, für eine Aufteilung der Betriebsspannung auf beide Transistoren, wodurch an jedem Transistor nur die halbe Betriebsspannung liegt. Trotz solcher Maßnahmen ist es erforderlich, die beiden Transistoren so auszuwählen, daß sie weitgehend gleiche statische, vor allem aber dynamische Parameter aufweisen, da anderenfalls in gewissen Betriebssituationen einer der Transistoren spannungsmäßig überlastet wird und der Durchbruch an diesem Transistor auch zur Zerstörung des zweiten Transistors führt.

Bei Nahverkehrsfahrzeugen, z.B. U-Bahn, führt dies zu Betriebsstörungen und es liegt auf der Hand, daß ein derartiger Fehler erhebliche Folgekosten nach sich zieht.

Aus der DE-B-26 37 868 geht eine Schutzschaltung für mehrere, in Serie geschaltete Thyristoren hervor, die verhindern soll, daß ein Thyristor während seiner Schonzeit mit einer positiven Spannung beansprucht wird, was zu einer Zerstörung des Thyristors führen würde. Im Gegensatz zu einem Transistor bzw. IGBT-Transistor, der zu jedem Zeitpunkt durch ein Steuersignal ausgeschaltet werden kann, sperrt ein Thyristor nur dann, wenn sein Laststrom von selbst Null wird. Um nach diesem "Verlöschen" Spannung in positiver Richtung aufbauen zu können, muß noch zusätzlich eine isolierende Sperrschicht aufgebaut werden, wozu Elektronen über einen gewissen Zeitraum die Schonzeit, aus den inneren Schichten des Thyristors abgeführt werden müssen. In der bekannten Schutzschaltung werden die Signale aller in Serie geschalteter Thyristoren auf Endpotential gebracht, dort miteinander verknüpft und das Ergebnis wird wieder auf Thyristorpotential gebracht.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Ansteuerschaltung anzugeben, die sich auch für die Serienschaltung zweier IGBT-Transistoren eignet und durch welche die oben genannten Nachteile beseitigt bzw. gemildert werden, wobei insbesondere ein aufwendiges Aussuchen paarweise gleicher IGBT-Transistoren ebenso verhindert werden soll, wie ein hoher Schaltungsaufwand.

Diese Aufgabe wird mit einer Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art gelöst, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch: zwei getrennte Ansteuerkanäle, deren Eingänge an einen gemeinsamen Impulsgenerator zur Erzeugung eines Rechteckpulses gelegt sind, und jeder Kanal besitzt: einen spannungsfesten Impulsübertrager, dem eine Torschaltung und eine Endstufe nachgeschaltet ist, eine Überwachungsschaltung für die Kollektor-Emitter-Spannung des dem Ansteuerkanal zugehörigen, als IGBT-Transistor ausgeführten Transistors, welche bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes der Kollektor-Emitter-Spannung ein Sperrsignal an die Torschaltung abgibt, und die weiters ein Sperrsignal an eine Verriegelungsschaitung abgibt, welche auf den jeweils anderen Kanal wirkend ein Sperrsignal auch an dessen Torschaltung abgibt.

Die Schaltung nach der Erfindung eignet sich insbesondere für hohe zu schaltende Spannungen und stellt auf einfache Weise ein vorübergehendes Stillegen des Umrichters sicher, ohne daß es zur Zerstörung auch nur eines einzigen der beiden Schalttransistoren kommt. Im Gegensatz zu der oben erwähnten Schutzschaltung für Thyristoren, die ein Zünden der Thyristoren in bestimmten Zeiträumen unter Berücksichtigung der Schonzeit garantieren soll, wird bei der Erfindung eine Maximalspannung der Transistoren überwacht.

Da auch ein Absinken der Betriebsspannung der Ansteuerschaltung zu kritischen Situationen führen kann, insbesondere wenn sich hiebei bezüglich beider Kanäle eine Unsymmetrie ergibt, ist es zweckmäßig, wenn eine Überwachungsschaltung für die Betriebsspannung jedes Ansteuerkanals vorgesehen ist, welche bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimalwertes der Betriebsspannung ein Sperrsignal an die Torschaltung abgibt. Für die gegenseitige Verriegelung beider Kanäle ist es vorteilhaft, wenn die Verriegelungsschaltungen beider Kanäle je einen Optokoppler zur galvanischen Trennung der Kanäle aufweisen.

Eine weitere Verbesserung der Schutzwirkung ergibt sich, falls parallel zu dem zum Kollektor und zum Gate des IGBT-Transistors führenden Ausgang jedes Kanals eine Zenerdiode geschaltet ist. In diesem Fall kann mit Vorteil in Serie zur Zenerdiode eine Diode liegen, die einen Stromfluß vom Gate zum Kollektor des IGBT-Transistors in dessen eingeschalteten Zustand verhindert. 2

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Schließlich trägt es zur Lösung der Aufgabe bei, wenn parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke jedes IGBT-Transistors a) ein Widerstand zur statischen Spannungsaufteilung, sowie b) die Serienschaltung eines Kondensators mit der Parallelschaltung einer in Durchlaßrichtung liegenden

Diode und eines Widerstandes geschaltet sind.

Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein Prinzipschaltbild der gegenständlichen Ansteuerschaltung zeigt.

Die Zeichnung zeigt zwei IGBT-Transistoren T, und T2, welche die elektronischen Schalter eines nicht gezeigten Umrichters darstellen. Ein solcher Umrichter ist beispielsweise Gegenstand der AT-Patentanmel-dung A 2250/93 der Anmelderin und er kann zur Umrichtung der Fahrspannung eines Nahverkehrstriebfahrzeuges dienen. Diese Fahrspannung beträgt je nach System üblicherweise 600 oder 750 V Gleichspannung mit betriebsbedingten Schwankungen von +/- 30%.

Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke jedes IGBT-Transistors Ti bzw. T2 sind je ein Widerstand R3 bzw. R4 zur statischen Spannungsaufteilung, sowie je die Serienschaltung eines Kondensators Ci bzw. C2 mit der Parallelschaltung einer in Durchlaßrichtung liegenden Diode Di bzw. D2 und eines Widerstandes Ri bzw. R2 geschaltet. Weiters sind Schutzdioden D3 bzw. D« vorhanden, die antiparallel zur Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren Ti bzw. T2 liegen und mit diesen in deren Gehäuse üblicherweise integriert sind.

Zur Ansteuerung der beiden IGBT-Transistoren Ti, T2 ist eine zweikapalig aufgebaute Ansteuerschaltung vorgesehen, deren Eingänge an einem gemeinsamen, hier nur angedeuteten Impulsgenerator G gelegt sind, welcher einen Rechteckpuls abgibt.

Bei der nachstehenden Beschreibung der beiden Ansteuerkanäle werden - da die beiden Kanäle identisch aufgebaut sind - die entsprechenden Bezugszeichen von Schaltelementen des zweiten Kanals je nach einem Strichpunkt angeführt.

Das Ausgangssignal des Impulsgenerators G gelangt über eine Verstärkerstufe ICi; 1(¾ an die Primärwicklung eines spannungsfesten Impulsübertragers Ü1; Ü2. Die Sekundärwicklung dieses Übertragers ÜT; Ü2 führt zu dem Eingang einer weiteren zweiten Verstärkerstufe IC3; IC«, von deren Ausgang das Signal zu einem NAND-Gatter IC9; IC10 führt, an welchem es mit später noch zu erläuternden Fehlermeldungen verknüpft wird. Das Ansteuersignal gelangt dann über eine weitere Verstarkerstufe ICn; IC12 zu einer aus zwei Transistoren T3, T5; T«, Tg bestehenden Gegentaktendstufe und von deren Ausgang über einen Gatewiderstand Rs, Re an den IGBT-Transistor Ti; T2.

Die bereits eingangs beschriebene Beschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke der IGBT-Transistoren Ti; T2 mit einem RCD-Netzwerk D1/R1/C1; D2/R2/C2 soll durch eine Verringerung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit eine gleichmäßige Spannungsaufteilung auf die beiden Transistoren trotz Streuungen der Schaltzeiten der Ansteuerkanäle einerseits und der IGBT-Transistoren andererseits sicherstellen. Sollte beispielsweise der IGBT-Transistor Ti vor dem IGBT-Transistor T2 ausschalten, so beginnt die Spannung über dem Transistor Ti mit einer Anstiegsgeschwindigkeit zu steigen, die durch den Quotienten aus dem Laststrom, der, durch die Induktivität der zu schaltenden Last eingeprägt, über die Diode Di; D2 und den Kondensator Ci; C2 weiterfließt und der Kapazität des Kondensators Ci; (¾ bestimmt wird. Diese Kapazität bestimmt, welche Differenz der Schaltzeiten für eine bestimmte Unsymmetrie der Spannungsaufteilung zwischen den beiden in Serie geschalteten IGBT-Transistoren Ti; T2 gerade noch zulässig ist. Der Widerstand Ri; R2 dient dazu, den Kondensator Ci; C2 nach dem Einschalten des IGBT- Transistors zu entladen, wogegen die Widerstände Rs; R« unterschiedliche Sperrströme der IGBT-Transistoren Ti; T2 im ausgeschalteten Zustand ausgleichen sollen.

Um beim Ausschalten der IGBT-Transistoren Ti; T2 ein Überschreiten der zulässigen Sperrspannung zu verhindern, ist parallel zur Kollektor-Gate-Strecke jedes Transistors Ti, T2 eine hochsperrende Zenerdiode D5; De - in Serie mit einer Diode D7; De - geschaltet. Bei Überschreiten der Zenerspannung der Diode Ds; Dg schaltet die durch den Durchbruchstrom aufgebaute Spannung über Rs; Re und T 5; Te den über die Ansteuerschaltung bereits abgeschalteten IGBT-Transistor Ti, T2 erneut ein. Dadurch wird die Spannung über dem IGBT-Transistor verringert, der durch Versiegen des Durchbruchstromes der Zenerdiode Ds; Dg über den Transistor T5; Tg wieder ausschaltet. Dieser Vorgang kann sich solange wiederholen, bis die Differenz der in den parasitären Induktivitäten des Kommutierungskreises gespeicherten Energie und der von dem Kondensator Ci; (¾ aufgenommenen Energie über den wiedereingeschatteten IGBT-Transistor Ti; T2 an die Last abgeführt ist. Hiedurch ergibt sich eine wirkungsvolle Überwachung der Kollektor-Emitter-Spannung der beiden IGBT-Transistoren in deren ausgeschaltetem Zustand.

Die in der Serie mit der Zenerdiode D5; Dg liegende Diode D7; Dg verhindert, daß die Zenerdiode Ds; Dg im eingeschalteten Zustand des IGBT-Transistors in Durchlaßrichtung belastet wird.

Um zu verhindern, daß ein Fehler auftritt, bei dem nur ein IGBT-Transistor geschaltet wird, was naturgemäß zu einer unzulässigen Spannungsbeanspruchung des jeweils anderen IGBT-Transistors führen 3

AT 402 245 B würde, sollte jeder Fehler, der in einem der beiden Ansteuerkanäle auftritt, festgestellt werden und zu einem Abschalten beider IGBT-Transistoren Τι; T2 führen. Zu diesem Zweck sind die beiden Ansteuerkanäle Ki; K2 in der nachstehend erläuterten Weise mit Hilfe zweier Optokoppler IC13; IC14 gegenseitig verriegelt, wobei die Optokoppler für eine galvanische Trennung jener Abschnitte der Ansteuerkanäle sorgen, die nach den Impulsübertragern Ü1; Ü2 liegen und daher (unterschiedliches) Hochspannungspotential aufweisen.

Als wesentliche Fehler werden angesehen und daher überwacht; a) Zu hoher Strom über den IGBT-Transistor T-ι; T2, was durch Überwachung der Kollektor-Emitter-Spannung im eingeschalteten Zustand des IGBT-Transistors erfolgen kann. b) Absinken der in der Schaltung mit P 15.1, N5.1; P 15.2, N 5.1 bezeichneten Versorgungsspannungen der beiden Kanäle - im Ausführungsbeispiel +15 V/- 5 V - unter einen bestimmten Wert.

Wie bereits erwähnt, wird der Strom durch den IGBT-Transistor Ti; T2 mittelbar über die Spannung UCe des jeweiligen Transistors erfaßt.

Der Ausgang eines Komparators (Operationsverstärkers) ICis; ICie liegt über einen Widerstand Ri 7; Ri 8 und die IR-Diode eines Optokopplers IC13; IC14 an positiver Versorgungsspannung. Im Rückkopplungszweig des Komparators ICis; ICu liegt ein Widerstand Ri5; Ru. Der nicht invertierende Eingang des Komparators IC15; ICu liegt über einen Kondensator Cs; Cs an Masse und über einen Widerstand Rn; R12 an einer Zenerdiode Di3; Du mit zugehörigem Vorwiderstand R13; Ru- Der invertierende Eingang des Komparators ICi5; ICu liegt über die Serienschaltung eines Widerstandes R9; R10 und einer Diode Du; Di2 am Kollektor des IGBT-Transistors Ti; T2.

Vom Verbindungspunkt des Widerstandes R9; R10 mit der Diode Du; D12 führt einerseits ein Kondensator C3; C* gegen Masse und andererseits ein Widerstand R7; Rs. dem eine Diode Ds; Di 0 parallel geschaltet ist, zu dem Ausgang der zweiten Verstärkerstufe IC3; IC*.

Der Kollektor des über einen Widerstand R21; R22 an positiver Versorgungsspannung liegenden Fototransistors des Optokopplers IC13; ICu führt über eine Diode Du; D17 zu dem Ausgang des Komparators ICu; ICu·

Im eingeschalteten Zustand des IGBT-Transistors Ti; T2 wird an den Widerstand R7; Re die positive Betriebsspannung (+15 V) gelegt, wodurch sich an der Anode der Diode Du; Dreine um die Diodenschwelle höhere Spannung als am Kollektor des IGBT-Transistors T,; T2 einstellt. Bei ausgeschaltetem IGBT-Transistor Ti; T2 trennt die Diode Du; D12 die Hochspannung von der UcE*Überwachungsschaltung. Das asymmetrische RCD-Glied R7, Cs, Da; Re, C*, D10 verzögert die Stromüberwachung (UCE*Überwa-chung) solange, bis dynamische Überhöhungen der Kollektor-Emitter-Spannung während des Einschaltens abgeklungen sind.

Am Komparator ICu; ICu wird die UcE*Spannung des IGBT-Transistors Ti; T2 mit der durch die Zenerdiode Di 3; Du gebildeten Spannung verglichen. Bei Überschreiten dieser Ansprechspannung wird über ein Siebglied Ru, C7; R20, Ce, welches zwischen der Anode der Diode Di7; Du und Masse liegt, einerseits ein Speicher ICs, IC7; ICu, IC8 gesetzt und andererseits über den Optokoppler IC13, ICu das Fehlersignal an den anderen Ansteuerkanal übertragen, wo gleichfalls der Fehlerspeicher IC«, IC8; ICs, IC7 gesetzt wird. Die angesprochenen Fehlerspeicher bestehen im vorliegenden Fall je aus zwei gekoppelten NAND-Gliedern ICs, IC7; IC«, ICs, wobei ein Eingang des ersten NAND-Gliedes ICs; IC« über einen Widerstand R23; R2« an positiver Betriebsspannung und über einen Kondensator C9; Ci0 an Masse liegt.

Zur Überwachung der Versorgungsspannungen der beiden auf Hochspannungspotentiai liegenden Ansteuerungskanäle ist ein Transistor T7, T8 vorgesehen. Der Transistor T7, T8 weist einen Kollektorwiderstand R25; R26 auf, wobei der Kollektor einerseits über eine Diode Du, D20 mit einem Eingang des Speichers ICs, IC7; ICs, ICs und andererseits mit dem Verbindungspunkt des Widerstandes Ru; R20 mit dem Kondensator C7; Cs verbunden ist. Die Basis des Transistors T7; T8 liegt über eine Zenerdiode D21; D22 an der negativen Versorgungsspannung (-5 V) und über einen Widerstand R29; R30 an der positiven Versorgungsspannung (+ 15 V), an welcher auch der Emitter über einen Widerstand R27, Ffes liegt.

Somit wird die Versorgungsspannung mit Hilfe der eben beschriebenen Überwachungsspannung kontrolliert, da eine zu niedrige Versorgungsspannung eine zu geringe Spannung am Gate des IGBT-Transistors Τι; T2 bedeutet, was zu einer Steigerung der Schaltverluste und somit zu einer unzulässigen Temperaturüberhöhung der IGBT-Transistoren führen kann.

Mit Hilfe der Zenerdiode D21; D22 wird die benötigte Referenzspannung gebildet und über die Diode Du; D20 wird der Speicher ICs, IC7; IC6, IC8 gesetzt. Eine vom Ausgang des Speichers ICs, IC7; ICe, IC8 zum nicht invertierenden Eingang des Komparators ICu; ICu führende Diode Du; Du bringt diesen Komparator zum Ansprechen, wodurch über dessen Ausgang die Übertragung des Fehlersignals zum anderen Ansteuerkanal analog zur Stromüberwachung der IGBT-Transistoren abläuft.

Die genannten Maßnahmen gewährleisten, daß auch im Fehlerfall die Zeitunterschiede beim Ausschaltvorgang minimiert werden, wodurch sich die geforderte symmetrische Spannungsaufteilung auf die beiden 4

Claims (6)

1. ΑΤ 402 245 Β in Serie geschalteten IGBT-Transistoren ergibt und ein Schaltvorgang nur eines der beiden Transistoren verhindert wird. Patentansprüche 1. Ansteuerschaltung für zwei in Serie geschaltete Transistoren (Τι, T2) eines getakteten Umrichters mit einer Anschlußspannung, die höher als die zulässige Betriebsspannung eines Einzeltransistors ist, und welche gekennzeichnet ist durch: zwei getrennte Ansteuerkanäle (K1; K2), deren Eingänge an einen gemeinsamen Impulsgenerator (G) zur Erzeugung eines Rechteckpulses gelegt sind, und jeder Kanal besitzt: einen spannungsfesten Impulsübertrager (Üi, Ü2), dem eine Torschaltung (IC9, IC10) und eine Endstufe (T3, T5; T*. T6) nachgeschaltet ist, eine Überwachungsschaltung (Dn, IC15; Du, ICis) für die Kollektor-Emitter-Spannung (Uce) des dem Ansteuerkanal zugehörigen, als IGBT-Transistor (Ti, T2) ausgeführten Transistors, welche bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes der Kollektor-Emitter-Spannung ein Sperrsignal an die Torschaltung (IC5, IC7; ICs, ICs) abgibt, und die weiters ein Sperrsignal an eine Verriegelungsschaltung (ICi 3; ICu) abgibt, welche auf den jeweils anderen Kanal (K2; K1) wirkend ein Sperrsignal auch an dessen Torschaltung (ICe, ICs; IC5, IC7) abgibt.
2. 2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsschaltung (D21, T7; D22, T8) für die Betriebsspannung (P15.1, P15.2) jedes Ansteuerkanals vorgesehen ist, welche bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimalwertes der Betriebsspannung ein Sperrsignal an die Torschaltung (ICs, IC7; IC*, IC8) abgibt.
3. 3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsschaltungen (ICi 3, IC14) beider Kanäle je einen Optokoppler zur galvanischen Trennung der Kanäle aufweisen.
4. 4. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem zum Kollektor und zum Gate des IGBT-Transistors (Ti, T2) führenden Ausgang jedes Kanals eine Zenerdiode (D5; 0¾) geschaltet ist.
5. 5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zur Zenerdiode (D5; D6) eine Diode (D7; De) liegt, die einen Stromfluß vom Gate zum Kollektor des IGBT-Transistors (Ti; T2) in dessen eingeschaltetem Zustand verhindert.
6. 6. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke jedes IGBT-Transistors (Ti, T2) a) ein Widerstand (Ra, R<) zur statischen Spannungsaufteilung, sowie b) die Serienschaltung eines Kondensators (Ci, C2) mit der Parallelschaltung einer in Durchlaßrichtung liegenden Diode (Di, D2) und eines Widerstandes (Ri, R2 ) geschaltet sind. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 5