CH639226A5

CH639226A5 - Circuito per la protezione automatica di un transistore di potenza, in particolare per convertitori a commutazione.

Info

Publication number: CH639226A5
Application number: CH32480A
Authority: CH
Inventors: Luciano Franzolini
Original assignee: Sp El Srl
Priority date: 1979-01-30
Filing date: 1980-01-15
Publication date: 1983-10-31
Also published as: JPS55107311A; GB2042841A; FR2448243A1; NL8000560A; IT1110628B; GB2042841B; IT7919751A0; US4355342A; FR2448243B1; DE3001632A1; DE3001632C2

Description

Forma oggetto del presente trovato un circuito per la protezione automatica di un transistore di potenza, particolarmente impiegato nei convertitori a commutazione, in caso di funzionamento anomalo, accidentale, come ad esempio per corto circuito.

Come è noto, gli apparecchi per l'alimentazione di motori elettrici in corrente continua o in corrente alternata del tipo a commutazione sono molto critici per quanto riguarda la protezione contro i corti circuiti interni o esterni o simili funzionamenti anomali.

Infatti, come è noto, il transistore tende a portare il suo guadagno in corrente a 1 con l'aumento della corrente passante e ciò comporta che se la corrente tra collettore ed emettitore (indicata con I) viene forzatamente aumentata, anche la tensione tra collettore ed emettitore (V) tende ad aumentare per cui il transistore può essere distrutto per eccesso di potenza dissipata.

I sistemi noti principalmente impiegati per la protezione dei transistori, sono essenzialmente due e consistono il primo nel rilevamento di massima corrente che si raggiunge automaticamente in seguito a corto circuito e il secondo nel rilevamento magnetico dell'inconveniente.

Nel primo caso l'incremento di corrente che si verifica con il corto circuito, viene rilevato da un rilevatore di soglia (trigger) di precisione, la cui commutazione genera il segnale che blocca il convertitore.

Questo sistema, per essere efficace, deve tenere ben distanziati i due livelli operativi e cioè il livello di lavoro nominale e il livello di sovraccorrente che si verifica in caso di corto circuito.

Nei casi pratici i due livelli vengono distanziati tra loro di almeno il 20% per compensare eventuali errori nel tempo dovuti ai componenti e le eventuali tolleranze dei componenti stessi; ciò comporta sia l'inconveniente di una minore utilizzazione delle parti di potenza, compresi i transistori, a causa del detto aumento della tolleranza richiesta, sia che il circuito di rilevamento deve essere molto preciso, rapido e stabile e conseguentemente molto complesso e costoso.

Nel secondo caso il rilievo magnetico dell'inconveniente porta al bloccaggio del circuito di pilotaggio del transistore, ma con gli inconvenienti sia di dover aggiungere elementi esterni di rilievo magnetico di costo elevato, sia di non essere efficace nel caso di fenomeni molto lenti e sia di risentire di eventuali disturbi capacitivi esterni.

Il circuito di protezione secondo il trovato elimina detti inconvenienti ed assicura una protezione efficace del transistore permettendogli di operare al massimo della potenza prevista per lo stesso. Secondo il trovato il circuito di protezione del transistore presenta le caratteristiche menzionate nella rivendicazione 1.

In funzionamento normale il transistore presenta tre fasi e cioè:

1. non conduttore, in cui la tensione tra collettore ed emettitore (Vce) è massima e la corrente circolante nel transistore è zero (Ice);

2. fase intermedia (di commutazione) in cui la tensione Vce decresce, mentre la corrente Ice aumenta, con una durata della fase di qualche microsecondo;

3. fase di conduzione'in cui la tensione Vce è minima e la corrente Ice è massima.

In caso di funzionamento anomalo, come per un corto circuito, il transistore, deve essere protetto quando si trova nella fase di conduzione in quanto, aumentando forzatamente la corrente, oltre il massimo consentito dal funzionamento normale, il transistore si porterebbe rapidamente alla distruzione.

Secondo il trovato, per proteggere il transistore nella fase di conduzione, viene rilevato l'andamento della tensione tra collettore ed emettitore (Vce) mediante un circuito logico, viene bloccato l'oscillatore quando questa tensione supera un valore di soglia.

Come è noto i transistori possono essere NPN oppure PNP e le logiche possono essere positive o negative.

Queste ed altre particolarità risulteranno evidenti dalla descrizione che segue del circuito secondo il trovato, in un convertitore, dato a titolo di esempio e rappresentato nell'allegato disegno in cui è considerato il transistore NPN e logica positiva:

in fig. 1 si ha lo schema a blocchi di un circuito a commutazione a partire dalla linea di alimentazione dotato dal circuito di protezione secondo l'invenzione,

in fig 2 si hanno i diagrammi di variazione delle tensioni ai vari morsetti in funzionamento normale e in caso di corto circuito.

Con riferimento alla fig. 1 si ha il circuito del convertitore disposto tra i conduttori di linea 1-2 e comprendente un utilizzatore esterno come un motore M in corrente continua o alternata alimentato a commutazione dal circuito e comportante una impedenza esterna 3; tra il morsetto 4 ed il conduttore 1 è indicato con linea a tratti un collegamento simbolico con interruttore 5 per evidenziare un possibile corto circuito.

In serie con l'utilizzatore esterno è disposto il transistore A di potenza collegato in modo noto tra collettore _c ed emittore e e con base b_e pilotato da un segnale, indicato con VI, inviato alla base jb del transistore da un oscillatore F.

Prima di detto transistore A al morsetto 6 ed in parallelo con il transistore A, è disposto un rilevatore di soglia di tensione B (trigger) il quale rileva la tensione tra collettore ed emettitore (Vce) e se tale tensione supera un dato valore, predisposto nel trigger come soglia, il segnale emesso dal trigger, denominato V2, diventa positivo.

Successivamente al trigger B il circuito comprende una porta AND C ricevente il segnale di pilotaggio VI diretto alla base B del transistore e il segnale V2 in uscita dal trigger e nel caso che entrambi i- segnali siano positivi, emette un segnale V3 pure positivo.

In serie si ha quindi un ritardatore D (delay) il quale ricevendo il segnale V3 tiene conto di falsi segnali di breve durata dovuti al tempo di commutazione del transistore A e nel caso che la durata di tali segnali sia superiore al ritardo nominale

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del ritardatore D i segnali stessi non vengono eliminati e si presentano sotto forma di un segnale V4 positivo.

Quest'ultimo entra in una memoria E la cui uscita V5 normalmente è bassa (o anche zero) ma che in presenza di un segnale V4 positivo, come detto, diventa un segnale pure positivo V5.

L'uscita della memoria E è collegata all'oscillatore (driver) F la cui uscita serve a pilotare il transistore di potenza A, come detto, mediante l'invio della tensione VI alla base b dello stesso.

Detto oscillatore F viene bloccato qualora il segnale V5 proveniente dalla memoria E sia positivo.

! Il funzionamento è descritto con riferimento alla fig. 2. In caso di funzionamento normale, il transistore A può trovarsi in posizione di interdizione intermedia o di conduzione.

Nel primo caso si ha che VI è = 0; Vce è positiva e V2 è positiva, ma V3, V4 e V5 sono zero, come può vedersi nel primo tratto del diagramma a partire da sinistra indicato con «OFF». Nel tratto di fase «INT» intermedia, potendo la Vce assumere qualsiasi valore ed essendo una fase transitoria di breve durata che non interessa proteggere, essa viene trascurata, anche per il fatto che essendo previsto il detto ritardatore D, gli effetti sotto forma di brevi segnali V3, di durata inferiore a quella nominale, vengono eliminati.

Nel caso di funzionamento normale con transistor A in posizione di conduzione (vedi diagramma tratto ON) la tensione VI alla base del transistor è positiva, la tensione tra collettore ed emettitore Vce è minima, comunque al di sotto della soglia di tensione VS del trigger, per cui la V2 in uscita da questo è

!zero e così le tensioni V3, V4 e V5 sono altrettanto zero e il convertitore funziona regolarmente.

Come si nota dalla fig. 2d la porta AND emette un segnale positivo V3 di breve durata ad ogni commutazione per il tem-5 po di commutazione, segnale che però non è rilevato dalla memoria E in quanto il ritardatore D è previsto per considerare un segnale più lungo, cioè superiore ai tempi di passaggio tra non conduzione e conduzione del transistore.

Nel caso di corto circuito, indicato in fig. 2 con la linea trasversale a tratti, portante l'interruttore simbolico di corto jcircuito 5, ovunque esso capiti, ma particolarmente nelle condizioni peggiori, cioè con transistore A in posizione di conduzione, la tensione Vce, aumenta rapidamente come indicato ,con il tratto di curva 6 (fig. 2b) in quanto la corrente ha forzatamente alzato il livello della tensione tra collettore ed 'emettitore.

Tale aumento supera il livello VS di trigger generando un segnale V2 positivo in uscita dallo stesso. A questo punto, 20 avendo il VI e V2 contemporaneamente positivi, si genera un segnale V3 positivo in uscita, il quale superato il ritardo del ritardatore D genera in uscita dallo stesso un segnale V4 positivo che a sua volta fa scattare la memoria E e provoca nel breve tempo dt il blocco dell'oscillatore con conseguente interdits zione del transistore.

Le stesse considerazioni, naturalmente adattate, valgano per i casi che si possono ottenere variando il tipo di transistore e la logica utilizzata, senza uscire dall'ambito del presente trovato.

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1 foglio disegni

Claims

639 226 2 RIVENDICAZIONI

1. Circuito per la protezione automatica di un transistore di potenza pilotato da un oscillatore, in particolare per convertitori a commutazione, caratterizzato da ciò che comprende1 un rilevatore di soglia di tensione atto a rilevare la tensione tra collettore ed emettitore ed a fornire in uscita un segnale se il valore di soglia viene superato, una porta logica atta a ricevere il segnale di pilotaggio della base del transistore emesso dall'oscillatore, e il detto segnale in uscita dal rilevatore di soglia ed a fornire in uscita un segnale quando i segnali in entrata sono concordi tra loro, un ritardatore connesso all'uscita della. detta porta logica e atto ad eliminare falsi segnali dovuti al tempo di commutazione del transistore, e una unità di memoria bistabile la quale cambia stato e rimane automaticamente ; in presenza di un segnale anche transitorio emesso dal detto ri-! tardatore, per fornire un segnale atto a bloccare il detto oscillatore.

2. Circuito di protezione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che il detto ritardatore è consegnato in modo da far passare solo segnali aventi una durata superiore ai tempi di passaggio tra non conduzione e conduzione impiegati dal transistore.