DE2354104A1

DE2354104A1 - Schaltungsanordnung fuer pulsgesteuerte leistungstransistoren, insbesondere in stromversorgungsgeraeten

Info

Publication number: DE2354104A1
Application number: DE19732354104
Authority: DE
Inventors: Max Koestler; Harald Probst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-10-29
Filing date: 1973-10-29
Publication date: 1975-05-07
Also published as: DE2354104B2; DE2354104C3

Description

SIEMENS AEDIEliGESELTiSCHAFi¹ München 2, den 2 9.'OKT. 1973

Berlin und München Wittelsbacherplatz 2

73/6218

Schaltungsanordnung für pulsgesteuerte Leistungstransistoren,

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für pulsgesteuerte leistungstransistoren in Darlington-Anordnung, wie sie in Stromversorgungsgeräten, z.B. in G-leichstromumrichtern oder Spannungswandlern, Anwendung finden. '

Derartige pulsgesteuerte Iieistuhgstransistoren benötigen oft einen erheblichen Basisstrom zur Durchsteuerung, d.h. große Steuerleistungen. Es ist bekannt 5 daß Darlington-Anordnungen von Iiei— stungs- und Ireibertransistoren diesen Steuerleistungsbedarf verringern helfen. Diese lösung hat aber andere Uaehtelle zur Folge, wie erhöhte Restspannung der Darlington-Anordnung im durchgeschaltetem Zustand. Das bedeutet wiederum erhöhte Durchschalte-Verluste und gleiche Spannungsbeanspruchung beider !transistoren im Sperrzustand, was demnach einen teueren üreibertransistor erfordert. Weitere Nachteile sind langsame Abschaltcharakteristik und schlechte Ausräumbedingungen für die Basis_f des ieistungstransistors. .

Eine induktive Rückkopplung des Emitter- oder Kollektorstromes des Iieistungstransistors mittels Stromrückkopplungsübertragers in den Basiskreis ermöglicht ebenfalls eine Verringerung des auf steuernden Basisstromes. Dabei ergibt sich aber der !ffachteil-, daß ein hoher Kollektor strom nur mit entsprechend hohem Basissperrstrom im Basiskreis abgeschaltet werden kann, wodurch der Vorteil der verringerten Ansteuerleistung wieder aufgehoben wird. Ein weiterer Nachteil der üblichen Stromrückkopplungsschaltungen ist, daß der Rückkopplungseffekt ebensolange andauert wie Speicherzeit und Abschaltezeit des Kollektorstrames noch, andauern, und daß mindestens ebensolange mit Basissperrstrom angesteuert werden muß, um den Leistungstransistor sicher abzuschalten«

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs geschilderte Schaltungsanordnung mit einfachen Mitteln zu schaffen, die die genannten Fachteile beseitigt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Stroiöu?ückkopplungsübertrager Torgesehen ist und daß abweichend iron der üblichen Darlington-Anordnung der Kollektor des !Ereibertrahsistors mit der Sekundärwicklung dieses Übertragers - verbunden ist, dessen Primärwicklung im Lastkreis des Leistungstransistors liegt und daß das Übersetzungsverhältnis des Übertragers gleich oder kleiner der minimalen Stromverstärkung der transistoren ist; Die Lösung nach der Erfindung beseitigt nicht nur die eingangs erwähnten Nachteile, sondern sie ermöglicht es, die Vorteile beider Methoden - nämlich der Darlington-Anortiming und der induktiven'Rückkopplung - auszunützen. Auf diese Weise ist es nämlich möglich, daß nur der geringe Steuerstrom der Darlington-Anordnung benötigt wird, was einer Verringerung der Steuerleistung entspricht. Der rückgekoppelte Strom vrird übex' den ülreibertransistor gesteuert. Außerdem entspricht die Restspannung der Darlington-Anordnung im durchgeschalteten Zustand nur noch der Restspannung des Leistungstransistors, was einer Verringerung der Durchs ehalte Verluste gleichkommt. Darüber hinaus kann auch noch ein billiger Irexbertransistor Anwendung finden, da die Spannungsbeanspruchung des Treibertransistors im Sperrsustand sehr klein und unabhängig von der Spannung am leistungstransistor gemacht werden kann.

»■ Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Widerstand parallel zur Sekundärwicklung des Stromwandlers angeordnet, durch den der Aufbau von Spannungsspitzen am Kollektor des Treibertransistors beim Anlegen von Sperrpotential an dessen Basis klein gehalten wird. Statt eines derartigen Widerstandes kann auch eine Spannungsbegrenzung oder eine Anordnung von Kondensator, Diode und Widerstand vorgesehen sein.

Zum. schnellen Ausräumen der Basis des Leistungstransistors kann eine Diode angeordnet sein, die das Sperrpotential von der Basis

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des !Ereibertransistors an die Basis des"Iieistumgsiiransistors weiterleitet j und eine weitere Diode_s die die gespeicherte Energie des Stromrüekkopplungsübertragers bei der Abmagnetisierung als Sperrstrom an die Basis des Iieistungstransistors gibt, sowie ein Widerstand parallel zur Basis-Emitterstrecke des leistungstransistors verwendet werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine gleichzeitige Ausnützbarkeit des Stromrücldcöpplungsübertragers als Strommeß— wandler, gegeben, wenn im Kollektor-Emitterkreis des Ireibertransistors ein Widerstand für Strommeßzwecke eingefügt ist. Ber Spannungsabfall an diesem Widerstand ist dann proportional dem (Emitter} Eollektorstrom des Iieistüngstransistors und dem Über— setzungSTerhältnis der Windungen der Sekundärspule zur Primär—-spule des Stromfückkopplungsübertragers. ",.:.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann an einer weiteren Sekundärwicklung des Stromwandlers mit Hilfe eines zusätzlichen Schalttransistors der aus dem Kollektor- bzw«,- Emitterkreis des Leistungstransistors übersetzte Strom zum schnellen Ausräumen und Sperren der Basis des leistungstransistors in der Weise benützt werden, daß gleichzeitig der Treibertransistor abgeschaltet und der zusätzliche Schalttransistor durchgeschaltet werden und die weitere Sekundärwickluhg des Stromrückkopplungsübertragers entgegen der Rückkopplungswicklung so gepolt und angeschlossen ist, daß bei durchgeschaltetem leistungstransistör ein sperrender Ausräumstrom in die Basis des leistungstränsistors eingespeist wird. ; .. ■; "- "■"■-,.".""'■- V ·

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den !Figuren und der dazu gehörenden. Beschreibung.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläuterte

JS?ig.1 zeigt ein-.Schaltungspriiizip der pulsgesteuerten Stromrückkopplung in Darlington-Anordnüng und

Fig. 2 eine Ausführungsart dejfDärlingtoa-Anordnimg mit Stromrückkopplung und schneller Strombegrenzung* \

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Maeh der Barstellung in den !Figuren sind der Leistungstransistor Ϊ1 und der Treibertransistor T2, die vorzugsweise beide gleichen Leitf ähigkeitstyps sind, derart zusammengesehaltet, daß der Emitter des Treibertransistors T2 mit der Basis des Leistungstransistors !Ei verbunden ist. Entgegen den üblichen Darlington-Anordnungen ist der Kollektor des Treibertransistors T2 aber nicht mit dem Kollektor des leistungstransistors 11 verbunden, sondern mit der Sekundärwicklung ¥2 eines Stromrückkopplungsübertragers ti. Das andere Ende der Sekundärwicklung ¥2 des Stromrückkopplungsübertragers Ü wird mit dem Minuspol der Betriebsspannuiigsquelle TJB oder mit dem Emitter des Leistungstransistors 11 verbunden. Bei der Verwendung von PNP-Transistoren gelten die gleichen Überlegungen mit vertauschten Polaritäten, d.h. das andere Ende der Sekundärwicklung ist z.B. an den Pluspol der Betriebsspannungsquelle angeschlossen.

Die Primärwicklung ¥1 des Stromrückkopplungsübertragers Ü liegt im Lastkreis des leistungstransistors T1. Auf diese Weise entsteht bei Stromfluß über den Leistungstransistor T1 und den Stromrückkopplungsübertrager Ü am Kollektor des Treibertransistors 22 eine für die Basis des Leistungstransistors 11 aufsteuernde, d.h.. im vorliegenden EaIl,positive Spannung. Das Übersetzungsverhältnis (W2/W1^B1min) entspricht der minimalen G-leichstromverstärlamg des Leistungstransistors.

Ein vom Taktgeber UST über den Widerstand Rg an die Basis des Treibertransistors gelangender aufsteuernder Strom IB2 fließt über die Basis-Emitterdiode des Treibertransistors T2 zur Basis des Leistungstransistors T1. Dieser Strom wird mit der als B1 bezeichneten G-leiehstromverstärkung des Leistungstransistors T1 verstärkt und über den Übertrager Ü.in den Kollektorkreis des Treibertransistors T2 induziert. Der Treibertransistor T2 schaltet diesen Strom, der im Verhältnis B1/W2/W1 größer als der ursprüngliche Basisstrom am Treibertransistor ist, wiederum zur Basis des Leistungstransistors durch. Die Rückkopplungsbedingung ist er-

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füllt, wenn die Verstärkung B1>W2/¥1 ist. Der Leistungstransistor T 1 wird dann im Verhältnis B1/¥2/W1 übersteuert.

¥enn das Sperrpotential -Ust an die Basis des Treibertransistors T2 gelangt, wird der Rüekkopplungsbasisstroia IB1 des Leistungstransistors T1 sofort durch den Treibertransistor 12 unterbrochen. Am Kollektor des Treibertransistors baut sich infolge verzögerter Abschaltung des rückgekoppelten Stromes IE1 eine Spannungsspitze auf, die durch einen Widerstand R1 oder eine Anordnung zur Spannungsbegrenzung klein gehalten werden kann .(Pig. 2) V,

Als Weiterbildung kann zum schnellen Ausräumen der Basis des Leistungstransistors ΤΊ eine Diode D1, die das Sperrpotential -Ust ■von der Basis des Treibertransistors T2 an die Basis des Leistungstransistors T1 weiterleitet,und eine Diode D2 vorgesehen sein, die die gespeicherte Energie des Stroinrüekkopplungsübertragers Ü1 als Sperrstrom an die Basis des Leistungstransistors T1 gibt, sowie ein Widerstand R2 parallel zur Bais-Eraitter-Strecke des Leistungstransistors T1 verwendet werden.

Außerdem kann ein Widerstand R3 im Zollektor-Emitterkreis des Treibertransistors T2 für Str.ommeßzwecke eingefügt sein. Dieser Widerstand R3 muß aber nicht an der in der Sig.2 dargestellten Stelle eingesetzt sein, sondern kann an -jeder beliebigen Stelle im Kollektor- oder Emitterstrpmkreis des Transistors T2 liegen.

Ebenso ist es möglich, eine Diode D3 in Durchlaßrichtung im EoI-lektorkreis des Treibertransistors T2 einzufügen, um beim Aufsteuern mit der Steuerspannung +Ust an der Basis des Treibertransistors T2 ein Abfließen des Steuerstromes IB2 über die an^· fangs noch invers betriebene Basis-Kollektorstrecke des Treibertransistors T2 indieSekundärwicklung ¥2 des Rückkopplungsübertragers Ü zu verhindern.

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In Verbindung mit der Diode D3 kann eine weitere nicht dargestellte Sekundärwicklung des Übertragers Ü zur getrennten Auskopplung einer stromabhängigen Spannung für Meßzwecke benützt werden.

Eine schnelle Begrenzung des durch, den Leistungstransistor 3?1 fließenden Stromes kann mit einem weiteren Transistor T5 erreicht werden, dessen Basis an dem Bezugspotential Uo oder dem negativen Potential von der Torspannung Uv liegt und dessen Emitter mit einer weiteren Sekundärwicklung W3 des Küekkopplungsübertragers Ü derart verbunden ist, daß im rückgekoppelten Zustand Sperrspannung (negatives Potential) füx die Basis des leistungstransistors T1 anstellt, wobei das andere Ende der Wicklung ¥3 an der Spannung Uo liegt. Diese Sperrspannung, die über eine weitere Diode D4 einen Kondensator C auflädt, ist proportional der Spannung an der Wicklung W2 im Ansteuerkreis des Leistungstransistors T1 und in Verbindung mit dem Widerstand R3 angenähert proportional dem rückgekoppelten Strom IE1. Damit wird bei Überschreitung der Schwellspannung Uv-UBE (T3) der Transistor Ϊ3 leitend, nimmt dem Treibertransistor 52 den Basisstrom IB2 weg und schaltet den Treibertransistor T2 ab, wodurch dann infolge verzögerter Abschaltung des rückgekoppelten Stromes IE1 eine Spannungserhöhung an den Wicklungen W2 und W3 entsteht, die die Durchschaltung des ϊχ-ansistors T3 beschleunigt und verstärkt (Rückkopplungseffekt). Über die Diode D1 und den Transistor T3 fließt dann zu dem Kondensator C bzw. über die Diode «D4 zu der Wicklung W3 ein Sperrstrom aus der Basis des Leistungstransistors T1, der sie schnell ausräumt, womit dann auch der Strom IE1 verschwindet. Dieser Effekt kann sowohl zur schnellen Ausräumung der Basisladung des Leistungstransistors T1 bei jeder normalen Sperr-Ansteuerung mit Sperrpotential -Ust als auch zur schnell wirksamen Begrenzung des Stromes IE1 (schnelle Strombegrenzung) if erwendet werden.

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Die gleiche Wirkung ist zu erzielen, wenn anstelle der Wicklung W3 in Yerbindung mit dem Widerstand R3 ein getrennter, nicht gezeichneter Stromwandler in den Lastkreis eingeschleift wird und dessen Sekundärwicklung anstelle der Wicklung W3 den übersetzten Ausgangsstrom ΣΕ1 bzw. IA1 zur Strommessung bzw. zur Ausräumung der Basis des Leistungstransistors 21 verwendet. Dieser Stromwandler muß wie üblich durch eine Bürde belastet werden. . - .

Der gleiche Zweck-wird mit der gleichen Anordnung jedoch mit der.Maßgabe erfüllt, daß die Vorspannung Uy keine feste Spannung ist, sondern in ihrem Wert τοη der Größe der geregelten Ausgangsspannung abhängig ist, um z.B. eine rückläufige Strom- begrenzungskennlinie zu erzielen. /.-■/.

Eine weitere Variante wird dadurch erreicht, daß die Steuerspannung ITst mit dem einen Pol an der Basis des Treibertransistors 12 und mit dem anderen Pol nicht an der Spannung TJo,sondern an der Basis des Transistors 23 angeschlossen wird.

13 Patentansprüche
2 !Figuren

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Claims

Schaltungsanordnung für pulsgesteuerte Leistungstransistoren in Darlington-Anordnung, insbesondere in Stromversorgungsgeräten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromrückkopplungsübertrager (Ü) vorgesehen ist und daß abweichend Von der üblichen Darlington—Anordnung d.er Kollektorlore is des £reibertransistors (12) mit einem Ende mit der Sekundärwicklung (¥2) dieses Übertragers (Ü) verbunden ist, dessen anderes Ende an Bezugspotential (Uo) oder am Emitter des Leistungstransistors (T1) angeschlossen ist, und daß die Primärwicklung (VI des Übertragers (Ü) im !Dastkreis des Leistungstransistors (!1) liegt und das Übersetzungsverhältnis des Übertragers gleich. oder kleiner der minimalen Stromverstärkung (B1min) des leistungstransistors (T1) ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e kennze ichnet, daß ein Widerstand (R1) parallel zur Sekundärwicklung (V/2) des Übertragers (Ü) angeordnet ist, durch. den der Aufbau von Spannungsspitzen am Kollektor des (Dreibertransistors (T2) beim Anliegen von Sperrpotential an der Basis des Treibertransistors klein gehalten wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e kennze lehne t, daß zum schnellen Ausräumen der Basis des ieistungstransistors (T1) eine Diode (D1) vorgesehen ist, die das Sperrpotential der Basis des Treibertransistors (T2) an die Basis des Leistungstransistors (T1) weiterleitet.
4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennz e i chne t, daß eine weitere Diode (D2) angeordnet ist, die die gespeicherte Energie des Stromrückkopplungsübertragers (Ü1) als Sperrstrom an die Basis des Leintungstransistors (T1) gibt.

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5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 Hs 4, dadurch g e k e η η ζ e,i c h net, daß ein Widerstand (R2) parallel zur Basis-Emitterstrecke des Eeistungstransistors ((01) angeordnet ist. · -
6. Schaltungsanordnung nach den Torhergehenden Ansprüche ^ da durch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß im Kollektor--Emitterkreis des Treibertransistors (T2) ein Widerstand (R3) vorgesehen ist. ' - · '

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7. Schaltungsanordnung nach den Torhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß eine Diode (D3) im Kollektorkreis des Treibertransistors (T2) in Durchlaßrichtung eingeschleift ist.

8, Schaltungsanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch g e kenn ζ e i c h η e t, daß eine weitere Übertragerwicklung (z.B. W3) für Strommeßzvfecke vorgesehen ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8,_: dad u roh g e -

k e η η ζ e i c h η e t, daß die v/eitere Übertragerwicklung (W3) derart angeordnet ist, daß über eine weitere Diode (D4) ein Kondensator (C) auf negatives Potential gegenüber dem Bezugspotential (TJo) aufgeladen wird und daß ein Iransistor (S3) derart angeordnet ist, daß sein Emitter am Yerbindungspunkt des Kondensators (C) mit der Diode (D4), seine Basis am Bezugspotential (Uo) und sein Kollektor an der Basis des Ireibertransistors (D2) angeschlossen ist und daß in Abhängigkeit der Schwellspannung (ÜBE) des Transistors (T3) eine schnelle Begrenzung des Stromes durch den Iieistungstransistor (T1) erreicht wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, d a d u r c a g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Basis des Transistors (T3) über eine Torspannung (TJt) am Bezugspotential (TJo) angeschlossen ist und dadurch der Schwellwert des Einsatzes der schnellen Strombegrenzung von der Differenz der Vorspannung und;der Basis-Emitterspannung (Üv-TJBE) des Transistors.(T3) abhängt.

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11, Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch g e kennzeic.hnet, daß die Vorspannung (Uv) variabel .ist, wodurch sich z.B. rückläufige Strombegrenzungskennlinien in Regeleinrichtungen erzielen lassen.

12. Schaltungsanordnung nach, den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Stromwandler im lastkreis des Leistungstransistors (H) vorgesehen ist, dessen Sekundärwicklung mit einer Bürde belastet ist -und anstelle der Sekundärwicklung (W3) des Übertragers (U) in die Anordnung eingeschleift wird. .

15. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 9 his 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (üst) über einen Widerstand (Rg) an die Basis des Ireibertransistors (£2) und mit dein anderen Ende an die Basis des Transistors (ϊ3) angeschlossen ist.

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