DE2461583A1 - Schaltung zur reduzierung der einschaltverluste eines leistungstransistors - Google Patents

Schaltung zur reduzierung der einschaltverluste eines leistungstransistors

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Manlir, f: :■:■.'-- !c "Grämkow £,L>
8Wünü.c."^,;.,::o:i:'oct.-Str.1 U O f\ e%
Telefi-.r. (GuO) 224211 Il £ ■» J
MASCHINENFABRIK RIETER AG, 8406 Winterthur
Schaltung zur Reduzierung der Einschartverluste eines
Leistungstransistors
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Reduzierung der Einschaltverluste eines Leistungstransistors, welcher intermittierend Gleichspannung auf eine ohmsche-induktive Last schaltet, bei der eine parallel zur Last angeordnete Leerlauf"· diode so gepolt ist, dass sie bei leitendem Transistor sperrt und bei sperrendem Transistor leitet.
Eine induktive Last lässt sich nur schlecht abschalten. Bei raschem Unterbrechen des Stromes entsteht über der Last, welche im allgemeinen auch einen ohmschen Anteil enthält, und damit auch über dem Schalter, eine hohe Spannungsspitze. Solche Spannungsspitzen können zur Zerstörung der Schalter führen; von dieser werden Halbleiterschalter, vor allem Transistoren, besonders leicht betroffen. Deshalb ist es vor allem bei Transistorschaltern bekannt geworden, parallel zur Last eine Diode zu schalten, welche in der Schaltstellung "Ein" in Sperrichtung gepolt ist. Beim Oeffnen des Schalters fängt diese Diode die entstehende Spannungsspitze ab,1 der durch die induktive Last fliessende Strom fliesst über die Diode weiter und nimmt allmählich ab.
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Disse parallel zur Last geschaltete Diode ist somit für " :" den Schalter ein gut funktionierender Schutz gegen Zerstörung beim Ausschalten. Beim Einschalten hingegen kann sich aus dem Vorhandensein dieser Diode eine vermehrte Verlustleistung im Schalter ergeben, insbesondere wenn es sich um einen geschalteten Transistor handelt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Diode, sofern sie noch im leitenden Zustand ist, in der Sperrschicht mit Ladungsträgern angereichert ist. Wenn der Schalter schliesst, muss die bei offener Schalterstellung leitende Diode in die Sperrichtung umgepolt werden. Dabei fliesst durch die Diode solange ein grosser Strom, bis die Sperrschichtzone ausgeräumt ist. Dieser Strom muss vom Transistor geliefert werden, wodurch seine Einschaltverlustleistung stark erhöht wird.
Diese Einschaltverluste verringern die Lebensdauer des Transistors oft mehr als die Ausschaltverluste und die Betriebsverluste während der Einschaltdauer. Wenn beim Einschalten des Transistorschalters der Laststrom durch die Induktivität noch nicht abgeklungen ist und die Diode daher beim Wiedereinschalten des Transistors noch im leitenden Zustand ist, was bei intermittierendem Schaltbetrieb von Leistungstransistorer immer der Fall ist, so wirkt die Diode im ersten Moment wie eine grosse Kapazität, die umgeladen werden muss. Die dabei entstehenden Stromspitzen sind grosser als sie der Transistor zu liefern vermag. Solange der hohe Kollektorstrom anhält, fällt die Kollektor-Emitter-Spannung trotz eines an sich ausreichenden Basis-Steuerstromes nicht auf den im Nennbetrieb entsprechenden kleinen Betrag zurück. Weil somit während einer S09826/0808
gewissen Zeit sowohl ein extrem hoher Kollektorstrom fliesst als auch die Kollektor—Emitter-Spannung noch beinahe auf der Höhe der Speisespannung liegt, ist während dieser Einschaltperiode die Verlustleistung im Transistor ausserordentlich hoch.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die erwähnten Nachteile beim intermittierenden Schaltbetrieb von Leistungstransistoren zu vermeiden und eine Schaltung zu schaffen, mit welcher die Einschaltverluste des Transistors reduziert werden und damit eine lange Lebensdauer des Transistors gewährleistet wird, indem der beim Wiedereinschalten vom Transistor in die Diode zu liefernde Strom verkleinert und damit die Spannung über dem Transistor rascher abgebaut wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemässe Schaltung dadurch gekennzeichnet, dass sie in Serie zur Leerlaufdiode ein mindestens eine weitere Diode umfassendes nichtlineares Widerstandsglied und parallel zu diesem Widerstandsglied eine niederohmige Induktivität vorsieht, deren Spannungszeitfläche einerseits so gross ist, dass die Induktivität nach dem Wiedereinschalten des Transistors so lange den Strom begrenzt, bis die Leerlaufdiode Sperrspannung aufnimmt, diese Spannungszeitfläche aber andererseits auch so klein ist, dass nach -dem Abschalten des Transistors die an der Induktivität liegende Spannung vor dem Wiedereinschalten des Transistors auf einen Wert abgesunken ist, welcher kleiner als die Durchlasspannung des parallel zur Induktivität liegenden Widerstandsgliedes ist.
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Das nichtlineare Widerstandsglied kann auch aus zwei oder mehreren in Serie angeordneten Dioden bestehen. Weiter kann es aus in Serie angeordneter Diode und Zenerdiode oder Diode und nichtlinearem Widerstand bestehen.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Schaltung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine nicht erfindungsgemässe bekannte Schaltung,
Fig. 2 die der Schaltung nach Fig. 1 zugehörigen Spannungen und Ströme/
Fig. 3 eine erfindungsgemässe Schaltung, in der gegenüber der Schaltung gemäss Fig. 1 zusätzlich in Serie zur Leerlaufdiode eine weitere Diode und parallel zu dieser Diode eine Induktivität angeordnet ist,
Fig. 4 die der in Fig. 3 dargestellten Schaltung zugeordneten Spannungen und Ströme,
Fig. 5,
6 und 7 weitere Ausführungsformen erfindungsgemässer Schaltungen,
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Fig. 8 und 9 einen Vergleich der Kollektor-Emitter-Spannung und des Kollektorstromes eines Transistors nach der bekannten Schaltung gemäss Fig. 1 und nach der erfindungsgemassen Schaltung gemäss Fig. 3 und
Fig. 10, 11 die Verwendung der erfindungsgemassen Schaltung und 12 in Anwendungsbeispielen.
In der bekannten Schaltung nach Fig. 1 schaltet ein Leistungstransistor 1 eine Last, welche aus einem Widerstand 2 und einer Induktivität 3 besteht. Parallel zur Last liegt eine bei eingeschaltetem Transistor 1 in Sperrichtung gepolte Leerlaufdiode 4. Der theoretische Verlauf der Spannungen und Ströme ist in Fig. 2 unter der Voraussetzung dargestellt, dass ein Laststrom I_ nicht lückt. Wenn der Transistor 1 plötzlich gesperrt wird, d.h. ausgeschaltet wird, fliesst der Strom über die Diode 4 weiter, wodurch eine Spannung U? nur um den Spannungsabfall der Diode 4 in Leitrichtung über eine Speisespannung Un ansteigen kann. Auf diese Weise wird der Transistor 1 beim Ausschalten wirkungsvoll gegen die Zerstörung durch Spannungsspitzen geschützt.
Beim Umpolen der Diode 4 in Sperrichtung hingegen, wenn der Transistor 1 durch Anlegen einer Basisspannung U.. eingeschaltet wird, entsteht wegen des Ausräumens der Sperrschichtzone eine hohe Stromspitze I3. Weil sich ein Kollektorstrom I1 aus den Strömen I3 und I3 zusammensetzt, müsste die Stromspitze I_ vom Transistor übernommen werden. Da insbesondere bei Leistungs-609826/0608
transistoren die Stromverstärkung rait grösserem Kollektorstrom stark abnimmt, kann der Transistor diese Stromspitze aber nicht übernehmen. Er wird folglich nicht durchschalten, sondern bei einer Kollektor-Emitter-Spannung, welche etwas kleiner ist als die Speisespannung, einen von den Exemplardaten des Transistors sowie des Basisstromes abhängigen Kollektorstrom führen, welcher somit nicht kontrollierbar ist und ohne weiteres grosser als der zulässige Wert sein kann (siehe Fig. 8).
Wie schon in der Einleitung erwähnt, fliesst somit während einiger Zeit ein extrem hoher Kollektorstrom I. bei einer Kollektor-Emitter-Spannung ü_, welche beinahe die Speisespannung ü_ erreicht. Spannung U_ und Strom I verlaufen darum ähnlich wie theoretisch in Fig. 2 und wie in Figur 8 wirklichkeitsgetreu dargestellt. Sie bewirken somit während der Einschaltperiode im Transistor eine ausserordentlich hohe Verlustleistung über eine relativ lange Zeitdauer. In der Schaltung nach Fig. 3 ist nun erfindungsgemäss in Serie zu· einer Leerlaufdiode 8 eine weitere Diode 9 und parallel zu dieser eine Induktivität 10 angeordnet. Der theoretische Verlauf der Spannungen und Ströme dieser Schaltung ist bei einem nicht lückendem Laststrom I_ in Fig. 4 dargestellt.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist nun die folgende: Beim Ausschalten eines Transistors 5 wird der Laststrom I._ von den beiden Dioden 8 und 9 übernommen. Die Induktivität 10 führt zunächst keinen Strom, übernimmt dann aber allmählich den von der Diode 9 geführten Strom« Als Voraussetzung sind die
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Spannungszeitfläche der Induktivität 10 und ihr ohmscher Widerstand so klein dimensioniert, dass vor dem Wiedereinschalten des Transistors 5 der ganze Strom Ig durch die Induktivität 10 fliesst und über der Diode 9 nur eine ganz kleine Spannung in Vorwärtsrichtung liegt, so dass die Diode 9 keinen merklichen .Strom führt. Beim Ausschalten besteht somit der einzige Unterschied zur bekannten Schaltung nach Fig. 1 darin, dass bei der erfindungsgemässen Schaltung vorerst zwei Dioden in Serie wirksam sind, nach kurzer Zeit jedoch nur noch der Spannungsabfall der Diode 8 in Erscheinung tritt.
Beim Wiedereinschalten des Transistors 5 wäre bei ungesättigter Induktivität 10 der Strom Ir vorerst gleich dem Laststrom Ic. Weil nun aber die Induktivität 10 so dimensioniert ist, dass sie gesättigt ist, sinkt der Strom I_ und damit auch I rasch auf den Sättigungsstrom der Induktivität 10 ab. Der Differenzstrom I. der Ströme I_ und Iß wird sogleich vom Transistor 5 übernommen. Von nun an liegt über der Induktivität 10 die Spannung U-, welche beinahe gleich der Speisespannung U_, ist. Dadurch sinkt der Strom I_ab, geht durch O und steigt in umgekehrter Richtung an. Nach dem Wechsel der Stromrichtung von I_ wird die Diode 8 mit Sperrstrom beaufschlagt, um die Ladungsträger in der Sperrschicht zum Verschwinden zu bringen. Sobald die Sperrschicht ausgeräumt ist, übernimmt die Diode 8 die Sperrspannung. Dadurch fällt die Spannung U7 über der Induktivität 10 zusammen und der Strom I7 steigt nicht mehr weiter an, sondern er baut sich über die Diode 9 allmählich auf O ab.
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Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass der Transistor 5 für das Aufbringen der Ladungsträger zum Sperren der Diode 8 keine hohe Stromspitze liefern muss, weil sich der gesamte Vorgang des Sperrens der Diode 8 über einen relativ langen Zeitraum erstreckt. Der Kollektorstrom I. gelangt daher nicht in den Bereich, wo die Stromverstärkung des Transistors nicht mehr ausreicht, so dass die Kollektor-Emitter-Spannung U5 rasch auf den tiefen Sättigungswert fällt.
Wie schon erwähnt, muss die Spannungszeitfläche der Induktivität 10 so klein sein, dass die an der Induktivität 10 liegende Spannung U- während der Ausschaltzeit des Transistors 5 ausreicht, um sie in den Sättigungszustand zu bringen, oder die Spannung U_ mindestens auf einen so tiefen Wert absinken zu lassen, dass die Diode 9 nicht mehr leitet. Dabei ist es eine selbstverständliche Voraussetzung, dass auch der ohmsche Spannungsabfall in der Induktivität 10 so klein ist, dass er nicht im Vergleich zur Leitspannung der Diode 9 zu einem merklichen Spannungsabfall führt.
Bezüglich des Wiedereinschaltens muss andererseits die Induktivität 10 die Bedingung erfüllen, dass sie nicht in Sättigung geht, bis sich über der Diode 8 die Sperrspannung aufgebaut hat. Das heisst der Strom I7 muss gemäss Fig. 4 in der eingezeichneten Richtung von Null an auf einen so grossen positiven Wert ansteigen, dass die während dieser Zeit in die Diode gelieferte Ladung die Sperrschichtzone ausräumt. Die Induktivität 10 muss somit grosser sein als die Spannungszeit-
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fläche, gebildet aus der Speisespannung ü_ und der Zeit des positiv zunehmenden Stromflusses I_, geteilt durch den am Ende dieser Periode fliessenden maximalen Strom, wobei dieser wiederum mindestens den doppelten Wert der in der Diode gespeicherten Ladung, dividiert durch die erwähnte Zeit haben muss.
Wie aus den erwähnten Bedingungen hervorgeht, muss die Spannungszeitfläche der Induktivität einen minimalen Wert haben, sie darf aber andererseits auch nicht einen maximalen Wert überschreiten, so dass die Dimensionierung Schwierigkeiten bereiten kann. Diese mit zunehmender Schaltfrequenz steigenden Schwierigkeiten können überwunden werden, indem man in Serie zur zusätzlichen Diode weitere Dioden oder einen nichtlinearen Widerstand legt. Die beim Ausschalten des Transistors entstehende Spannungsspitze wird durch diese Massnahme nur wenig vergrössert, aber gleichzeitig steht eine merklich grössere Spannung zur Verfügung/ um die Stromübernahme durch die Induktivität zu erzwingen. Somit kann die Spannungszeitfläche der Induktivität grosser gewählt werden, wodurch sich die Einschaltbedingungen des Transistors leichter erfüllen lassen.
Die Figuren 5 bis 7 zeigen Beispiele, in denen ausser einer zusätzlichen Diode weitere nichtlineare Widerstandsglieder in Serie zur zusätzlichen Diode angeordnet sind. Fig. 5 zeigt ausser einer Diode 12 zwei weitere .Dioden 13 und 14, wobei auch eine Diode weggelassen werden könnte. In Fig. 6 ist in Serie zur Diode 17 eine Zenerdiode 18 angeordnet, während Fig. 7 in
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Serie zu einer Diode 21 einen nichtlinearen Widerstand 22 zeigt. Weil der nichtlineare Widerstand 22 eine nichtlineare Stromspannungskennlinie besitzt, steigt bei zunehmendem Strom die Spannung weniger als proportional an, so dass ein ähnliches Verhalten wie bei der Verwendung einer Zenerdiode erreicht wird.
In Fig. 8 ist der mit einem Kathodenstrahloszillographen erhaltene Verlauf des Kollektorstromes I. und der Kollektor-Emitter- Spannung U2 des gemäss Fig. 1 geschalteten Transistors 1 dargestellt, welcher periodisch eine induktive Last schaltet. Nach dem Einschalten des Transistors steigt der Strom L stark an, die Spannung U2 über dem Transistor sinkt aber nur wenig ab, solange dieser hohe Strom anhält, weil der benötigte Kollektorstrom nicht geliefert werden kann. Daraus ergibt sich in dieser nicht erfindungsgemässen Schaltung eine sehr hohe Einschaltverlustleistung.und zudem eine strommässige Ueberlastung.
Die Fig. 9 zeigt den mit dem Kathodenstrahloszillographen erhaltenen Verlauf des Kollektorstromes I. und der Kollektor-Emitter- Spannung LL· des Transistors 5 unter gleichen Betriebsbedingungen wie im vorigen Beispiel, ausser dass der Transistor 5 erfindungsgemäss nach Fig. 3 geschaltet ist. Die Massstäbe für Zeit, Strom und Spannung sind die gleichen wie in Fig. 8. Nach dem Einschalten des Transistors 5 werden ausserordentlich kleine Stromspitzen I. erhalten und die Spannung U_ über dem Transistor beginnt sogleich abzufallen. Weil die durch 609826/0608 -ta -
die Leerlaufdiode hervorgerufenen Stromspitzen klein sind, fällt die Kollektor-Emitter-Spannung rasch auf die Sättigungsspannung ab. Die Verlustleistung eines Leistungstransistors während des Einschaltens einer induktiven Last, welche vom vorhergehenden Schaltzyklus her noch Strom führt, wird darum verkleinert und liegt vor allem nur während einer kurzen Zeit am Transistor. Der Vergleich der Fig. 8 und 9 zeigt ausserordentlich deutlich die grossen Vorteile der erfindungsgemässen Schaltung.
Im in Fig. 10 dargestellten Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemässen Transistorschaltung wird vereinfacht eine Schaltung zur Regelung der Drehzahl eines kleinen Gleichstrommotors mit einem Transistor-Chopper gezeigt. Ein Gleichstrommotor 26 in Nebenschlussschaltung wird von einem Netztransformator .24 über eine Gleichrichterbrücke 25 gespeist. Ein Tachometer 27 gibt eine der Motordrehzahl proportionale Spannung an ein Regelgerät 32 ab, in welchem sie mit einer Sollwertspannung 33 verglichen wird. Entsprechend der Grosse dieser Abweichung wird ein Leistungstransistor 28 in kurzen Intervallen geöffnet oder gesperrt, wobei das Verhältnis der Oeffnungs- zu den Sperrzeiten die mittlere am Motor 26 angelegte Spannung bestimmt. Zusätzlich zu einer üblichen Leerlaufdiode 29 enthält die Schaltung erfindungsgemäss eine weitere Diode 30 und parallel zu dieser eine Induktivität 31. Mit dieser Anordnung werden die Einschaltverluste des Transistors 28 stark reduziert. Anstelle des Motors 26 könnte auch eine Relaisoder Schützenspule oder ein Kraftmagnet in intermittierendem Betrieb geschaltet werden, deren Ausschaltzeit so kurz ist, 609826/06Q8 - ii -
dass der Transistor vor dem vollständigen Abklingen des Stromes wieder eingeschaltet wird.
In Fig. 11 ist die Verwendung der neuen Schaltung in einer Transistor-Wechselrichterschaltung für eine ohmsche-induktive 3-phasige Last dargestellt, welche an den Klemmen 43, 44, liegt und beispielsweise aus einem Asynchronmotor bestehen kann. Eine Batterie 34 wird über die Transistoren 35 und, 36 auf den Anschlusspunkt der Last 43 geschaltet, wobei dieser Punkt je nach dem Schaltzustand der Transistoren 35 und 36 positiv oder negativ oder schwimmend ist. In gleicher Weise sind auch die Transistoren für die Ausgänge 44 und 45 von einem Steuergerät 46 aus so geschaltet, dass an den Ausgängen 43, 44, 45 eine 3-phasige Wechselspannung zum Betrieb der Last entsteht. Anstelle der üblichen einfachen Leerlaufdioden sind alls Leistungstransistoren mit je einer zweiten Diode und je einer Induktivität versehen, wodurch die Beanspruchung der Transistoren sowohl während des Ausschaltens als auch während des Einschaltens auf einem Minimum gehalten werden kann.
In Fig. 12 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel der Schaltung von Leistungstransistoren gezeigt, wobei in einer Wechselrichterstufe ein weiterer Vorteil für die gesperrten Stufen erreicht wird. Wenn die Transistoren 54 und 59 gesperrt sind, ein Transistor 58 leitet und ein Transistor 55 intermittierend sperrt und die Last aus einer Induktivität 56 und einem Widerstand 57 besteht, so wird der schaltende Transistor 55, wie schon oben erwähnt, durch eine Zenerdiode 50, eine Diode 49
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und eine Induktivität 52 vor unzulässigen Stromspitzen beim Einschalten geschützt. ;
ι In dem Moment., da der Transistor 55 zu leiten beginnt, würde der Emitter des Transistors 54 sehr rasch vom positiven zum negativen Potential gerissen, wobei ohne die erfindungsgemässe Schaltung infolge der Kollektorbasiskapazität 53 der Transistor 54 durch den von der Kapazität 53 in dessen Basis eingeprägten Stromes kurzzeitig Kollektorstrom führen könnte. Weil die Diode 49 vorher.gesperrt war, die Diode 48 hingegen leitend und somit mit Ladungsträgern angereichert war, liegt der ganze Spannungssprung an der Induktivität 52 und geht erst allmählich auf den Emitter des Transistors 54 und die Diode über. Somit ist der Sperrspannungsanstieg am Transistor 54 wesentlich langsamer. .
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    1y Schaltung zur Reduzierung der Einschaltverluste eines Leistungstransistors, welcher intermittierend Gleichspannung auf eine ohmsche-induktive Last schaltet, bei der eine parallel zur Last angeordnete Leerlaufdiode so gepolt ist, dass sie bei leitendem Transistor sperrt und bei sperrendem Transistor leitet, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zur Leerlaufdiode ein mindestens eine weitere Diode umfassendes nichtlineares Widerstandsglied und parallel zu diesem Widerstandsglied eine niederohmige Induktivität vorgesehen ist, deren Spannungszeitfläche einerseits so gross ist, dass die Induktivität nach dem Wiedereinschalten des Transistors so lange den Strom begrenzt, bis die Leerlaufdiode Sperrspannung aufnimmt, diese Spannungszeitfläche aber andererseits auch so klein ist, dass nach dem Abschalten des Transistors die an der Induktivität liegende Spannung vor dem Wiedereinschalten des Transistors auf einen Wert abgesunken ist, welcher kleiner als die Durchlassspannung des parallel zur Induktivität liegenden Widerstandsgliedes ist.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Widerstandsglied aus zwei oder mehreren in Serie angeordneten Moden besteht.
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  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das nichtlineare Widerstandsglied "aus in Serie angeordneter Diode und Zenerdiode "besteht.
  4. 4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k en η zeichnet , daß das nichtlineare Widerstandsglied aus in Serie angeordneter Diode und nichtlinearem Widerstand besteht.
  5. 5. Schaltung zur Reduzierung der Einschaltverluste eines Leistungstransistors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sie zum intermittierenden Schalten einer 1-phasigen oder 3-phasigen Wechseiriehterstufe verwendet wird.
  6. 6. Schaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß sie zum Schalten eines Gleichstrom-Choppers verwendet wird.
  7. 7. Schaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß sie zum Schalten einer Relais-, einer Schützenspule oder eines Kraftmagnetes in intermittierendem Betrieb verwendet wird.
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    Leers
DE2461583A 1974-12-20 1974-12-27 Schaltung zur Reduzierung der Einschaltverluste eines Leistungstransistors Expired DE2461583C2 (de)

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