DE2408381A1

DE2408381A1 - Steuerschaltungsanordnung fuer leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE2408381A1
Application number: DE19742408381
Authority: DE
Inventors: Harald Probst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1974-02-21
Publication date: 1975-09-04
Also published as: DE2408381B2; DE2408381C3

Description

Steuerschaltungsanordnung Leistungshalbleitern.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur An-Steuerung von Leistungstransistoren als schaltendes Stellglied in elektronischen Spannungs- und Stromreglern mit galvanisch getrennter Rechteck-Wechselspannung, die im Ansteuerkreis über ein Regel- und Steuerteil pulsbreitenmoduliert wird.
An die Steuerschaltungen für als Schalter arbeitende Transistoren, insbesondere Leistungstransistoren, müssen um so höhere Anforderungen gestellt werden, je wirksamer die Umschaltverluste in den Schalttransistoren verringert werden sollen. Von der Größe der Umschaltverluste hängen in hohen Maße die Kosten, der Wirkungsgrad, sowie Gewicht und Volumen von Schaltungen ab, die als wesentlichen Bestandteil Schalt transistoren benutzen. Da alle diese Paktoren eine Bunktion der Frequenz sind, mit der die Transistoren unter Berücksichtigung der Verlustleistung maximal betrieben werden können, kommt der Steuerung dieser Transistoren besondere Bedeutung zu.
Die Ansteuerung von Leistungstransistoren in Reglern mit geschaltetem Stellglied erfolgt nach dem Prinzip der Pulsbreit enmodulat ion mit üblicherweise etwa konstanter Frequenz oder mit konstanter Puls- bzw. Pausenlänge und evtl. veränderlicher Frequenz. Derartige Schalttransistoren können bei entsprechender Ausbildung des Leistungsteils dss Stellglied eines Schaltreglers oder eines pulsbreitengeregelten Wechselrichters sein. Sie benötigen nach dem aufsteuernden Puls eine Sperrspannung an der Basis, um eine schnelle Abschaltung des Sollektorstromes durch Ausräumen der Basis ladung zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch eine bei Aufsteuerimpulsende angeschaltete Sperrspannung erzielt werden. Zur Anschaltung dieser Basissperrspannung dienen Transistoren oder Thyristoren in Verbindung mit Basisvorwiderständen, die meist äe Leistungstransistor im Regel- und Steuerteil des Spannungs-oder Stromreglers untergebracht sind. Die im Basiskreis der Leistungstransistoren durch diese Hilfsmittel entstehenden Verluste heizen aber zusätzlich ihre Umgebung im Regel-und Steuerteil mit auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand pro Leistungstransistor zu senken und die Verluste im Basiskreis der Leistungstransistoren ohne Mehraufwand an Verdrahtung und ohne Verminderung der Zuverlässigkeit bzw. Erhöhung der Störanfälligkeit aus dem Regel- und Steuerteil heraus zu bringen, damit dort die Eigenerwärmung reduziert wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer eingangs -geschilderten Schaltungsanordnung die Pulsbreitenmodulation der Beistungstransistoren aus zwei phasenverschobenen Rechteckspannungen durch nichtlineare Addition mit Hilfe eines nichtlinearen Widerstandes erfolgt. Die Phasenverschiebung kann z.B. auf bekannte Weise aus der Regelabweichung durch Spannungsvergleich mit einer synchronen Dreieckspannung erzeugt werden.
Die Steuerschaltungsanordnung nach der Erfindung ermöglicht sehr kurze Ein- und Ausschaltzeiten des Leistungstransistors, da die Steuerbefehle ohne wesentliche Verzögerung im Leistungstransistor vollzogen werden. Das wirkt sich sowohl für die Pulsbreitenmodulation bei Schaitreglern, als auch für die Erfüllung der symmetrieforderung bei pulsbreitengeregelten Wechselrichtern vorteilhaft aus. Darüber hinaus können die Verluste im Basiskreis jedes ieistungstransistors, die hauptsächlich am Basisvorwiderstand während der Modulationsphase "Sperren" entstehen, aus dem wärmeempSindlichen Regel- und Steuerteil auf einfache Weise herausgebracht werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist als nichtlinearer Widerstand eine Diode vorgesehen. Der Vorteil liegt in der Anwendung eines einfachen Diodenschalters anstelle z.B.
eines Transistor- oder Thyristorschalters.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich die Anwendung der Erfindung, wenn die Leistungstransistoren in Gegentaktanordnung geschaltet sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben und erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltungsbeispiel einer einfachen Pulsbreitenmodulation nach der Erfindung mit Leistungstransistoren in Gegent akt anordnung, Fig. 2 ein Diagramm über den Spannungsverlauf am übertrager und an den Basis-Emitterstrecken der Leistungstransistoren, Fig. 3 entsprechend Fig. 1 die Leistungstransistoren in Darlington-Anordnung und Fig. 4 die Lösung nach der Erfindung für komplementäre Leistungstransistoren in Gegentaktschaltung.
In der Fig. 1 sind mit Uo1 und Uo2 die beiden phasenverschobenen Rechteckspannungen bezeichnet, die durch die Übertrager 1 und 2 galvanisch getrennt sind. In Reihe mit der Ubertragerwicklung, an der die Spannung U1 anliegt, ist ein ohmscher Widerstand 3 im Basiskreis eines Beistllngs transistors 4 vorgesehen. In Reihe mit der Ubertragerwicklung, an der die Spannung U2 anliegt, ist eine Diode 5 Ein Widerstand 6 befindet sich im Basiskreis des in Gegentaktanordnung befindlichen Leistungstransistors 7, sowie eine Diode 8. An den Wicklungen, die für die Ansteuerung dieses Leistungstransistors bestimmt sind, treten die Spannungen U3 und U4 auf. Der Wicklungsanfang ist jeweils durch einen Punkt gekennzeichnet.
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Diagramm ist in der Abszisse die 7ei.t t und auf der Ordinate die Spannung aufgetragen.
Die Fig. 3 unterscheidet sich nur insofern vom linken Teil der Fig. 1, daß statt eines Leistungstransistors eine Darlington-Änordnung von zwei Transistoren 4 und 10 und eine weitere Diode 9 vorgesehen sind. Die Primärwicklungen der tbertrager 1 und 2 sind ebenso wie die in gleicher Weise erweiterte Ansteuerung des Transistors 7 nicht dargestellt.
Nach der Darstellung in der Fig. 4 handelt es sich um komplementäre Leistungstransistoren 4 und 11 und einen weiteren Widerstand 12 und eine zusätzliche Diode 13.
Fig. 4 stellt ebenso wie Fig. 1 eine Gegentaktschaltung dar, die in gleicher Weise wie in Fig. 3 durch Darlington-Transistoren und zusätzliche Dioden erweitert werden kann. Die Primärwicklungen der übertrager 1 und 2 sind nicht dargestellt.
Fig. 2 dient zur Erläuterung der Fig. 1 und sinngemäß der Fig. 3 und 4. Die nichtlineare Addition der Spannung Ul mit der z.3. um At=t1-to nacheilgenden Spannung U2 erfolgt derart, daß während der ersten Halbwelle to st2 die Spannung Ul über den Widerstand 3 ab dem Zeitpunkt to (Fig. 2) aufsteuernden Strom an die Basis des Transistors 4 gibt, bis zum Zeitpunkt t1 Sperrspannung U2 über die Diode 5 an die Basis des Transistors 4 gelangt und bis zum Zeitpunkt t3 wirkt.
Wahrend der zweiten Halbwelle t2 st4 wird Sperrspannung Ul über den Widerstand 3 an die Basis des Transistors 4 gelegt. Eine aufsteuernde Wirkung der Spannung U2 wahrend der Zeit t3t4 t4 kann wegen der für diese Polarität in Sperrichtung betriebenen Diode 5 nicht eintreten.
Die Gegentaktansteuerung des zweiten Leistungstransistors 7 erfolgt bei Bedarf entsprechend um eine Halbwelle verschoben über den Widerstand 6 und die Diode 8, wenn die Rechteckspannungen U3 gegenüber U1 und U4 gegenüber U2 um 1800 phasenverschoben sind.
Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, können statt eines Leistungstransistors eine Darlington-Anordnung von zwei Transistoren so angesteuert werden, daß sowohl der Basisanschluß des Treibertransistors als auch der Leistungstransistor über åe eine Diode an die Sperrspannung U2 bzw.
U4 angeschlossen werden, wobei die zweite Diode 9 antiparallel zur Basis-Emitterstrecke des Treibertransistors liegt. Es ist auch möglich, die beiden Dioden jeweils zwischen Basisanschluß des Treiber- bzw. Leistungstransistors und die Sperrspannung U2 zu legen.
Bei der weiteren Ausgestaltung nach der Fig. 4 werden komplementäre Leistungstransistoren, die auch durch eine Darlington-Anordnung ersetzt sein könnten, mit Hilfe einer weiteren Diode 13 und eines weiteren Widerstandes 12 mittels der Spannungen U1 und U2 im Gegentakt angesteuert.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können beispielsweise die übertrager 1 und 2 auch mit mehreren Ausgangswicklungen versehen sein, um mehrere Leistungstransistoren getrennt anzusteuern.
8 Patentansprüche 4 Figuren

Claims

Patentansrche 1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Beistungstransistoren als schaltendes Stellglied in elektronischen Spannungs- und Stromreglern mit galvanisch getrennter Rechteck-Wechselspannung, die im Ansteuerkreis über ein Regel- und Steuerteil pulsbreitenmoduliert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Pulsbreitenmodulation der Leistungstransistoren (4) aus zwei phasenverschobenen Rechteckspannungen (U1 /U2) durch nichtlineare Addition mit Hilfe eines nichtlinearen Widerstandes erfolgt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als nichtlinearer Widerstand eine Diode (5) vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t., daß die Leistungstransistoren (4,7) in Gegentaktanordnung geschaltet sind (Fig. 1).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß statt eines Leistungstransistors eine Darlington-Anordnung von zwei Transistoren (4,10) vorgesehen ist, bei denen sowohl der Basisanschluß des rçibertransistors als auch der Leistungstransistor über je eine Diode (5,9) an die Sperrspannung (U2) angeschlossen sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Diode (9) antiparallel zur Basis-Emitterstrecke des Treibertransistors (4) angeordnet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß komplementäre Leistungstransistoren (4,11) in Gegentaktschaltung verwendet werden, die mit Hilfe einer weiteren Diode (13) und eines weiteren Widerstandes (12) im Gegentakt angesteuert werden.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine komplementäre Darlington-Anordnung verwendet wird.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ubertrager (1,2) mit mehreren Ausgangswicklungen versehen sind, die zur synchronen, pulsbreitenmodulierten Ansteuerung mehrerer Leistungstransistoren dienen.