DE2604387C2

DE2604387C2 - Schaltungsanordnung zur Beschleunigung des Abschaltvorganges bei einem Halbleiterschalter

Info

Publication number: DE2604387C2
Application number: DE19762604387
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Ing. Windisch Milavec
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-01-19
Filing date: 1976-02-05
Publication date: 1985-01-03
Also published as: CH600690A5; IT1076511B; FR2338608B1; DE2604387A1; FR2338608A1

Description

dadurch gekennzeichnet,

e) daß das Kopplungsglied (12, 15) eine Kopplungsspule (15) aufweist die zu diesem Kondensator (Q) in Reihe geschaltet ist, und die

f) als primäre Wicklung eines Kopplungstransformators (3,15) geschaltet ist,

g) dessen Sekundärwicklung (3) den Eingang der Steuervorrichtung des Halbleiter-Schaltelementes (Tt) bildet

2. Schaltungsanordnung nfcjh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß rlie Kopplungsspule (15) mit der Sekundärwicklung (3) dt j Kopplungstransformators auf denselben Eisenkern gewickelt ist

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (12,15) ein elektrisches Ventil, insbesondere eine Diode (12), aufweist, die zu der Kopplungsspule (15) in Reihe geschaltet ist, derart daß bei einem Ein- bzw. Leitendschalten des Schalttransistors (Ti) ein Entladen des Kondensators (Q) über die Kopplungsspule (15) verhindert wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus Kopplungsspule (15) und elektrischem Ventil (12) parallel zu dem Widerstand (Ri) geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (3,9,11. R2) eine Überspannungsschutzeinrichtung (9,1) aufweist, die parallel zu einer Steuerstrecke des Halbleiter-Schaltelementes (T\) geschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (Ti) ein bipolarer Leistungstransistor ist.

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Schaltungsanordnung zur Beschleunigung des Abschaltvorganges bei einem Halbleiterschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Schaltungsanordnungen zur Beschleunigung des Abschaltvorganges bei Halbleiterschalter!! Bezug, wie er in der DE-AS 20 63 293 beschrieben ist. Dort wird die Basis eines Schiilliransistors von einem Steueroszillator mit Impulsen variabler Amplitude beaufschlagt, wobei die Kollektor-Emitter-Spannung dieses Schalttransistors zum Feststellen von deren Anstieg über einen Kondensator der Basis eines zweiten Transistors zugeführt ist Die Basis des zweiten Transistors ist über eine Diode mit den Emittern beider Transistoren verbunden. Der Kollektor dieses zweiten Transistors ist über eine Reihenschaltung aus Einern Kondensator und einem Widerstand mit dessen Emitter

ίο verbunden, wobei die Spannung dieses Kondensators als Steuerspannung dem Steueroszillator zugeführt ist Um Verlustleistungen zu verringern und eine kurze Abschaltzeit des Schalttransistors zu erreichen, wird das Verhältnis zwischen der Amplitude eines Basisstromimpulses und der Amplitude des dem Transistor zugeführten Kollektorstromimpulses mit der Zeit verringert, so daß der Transistor aus der Sättigung gesteuert wird. Der Schalttransistor wird bei einem bestimmten Koliektor-Emitter-Spannungswert oder bei Ansteigen der Kollektor-Emitter-Spannung bei Aufgeben des leitenden Zustandes am Ende der beabsichtigten Leitdauer schnell abgeschaltet Vor einem Umschalten wird gewartet, bis der Transistor aus der Sättigung geht Eine solche Schaltung eignet sich z. B. für Wechselrichter ohne feste Frequenz.

Ferner sind Schalttagen bekannt, worin zur Verringerung der Abschaltveriustleitung von beispielsweise Bipolar-Leistungstransistoren über deren Kollektor-Emitter-Strecke ein Kondensator geschaltet wird.

Um durch diese Maßnahme nicht beim Einschalten des Transistors ein starkes Überschwingen des Kollektorstromes zu bewirken, wird mit Hilfe von Halbleiterventilen, beispielsweise Dioden dafür gesorgt, daß einerseits im Abschaltvorgang, d. h. wenn der Transistor sperrend geschaltet wird, der Kollektorstrom des Transistors Null wird, bevor sich am Kondensator die zu schaltende Spannung voll aufgebaut hat, daß sich andererseits jedoch die Kapazität nicht ?.'Λ rasch über den leitend geschalteten Transistor entlädt, sondern über einen in den Entladungspfad geschalteten Widerstand. Eine entsprechende Verlangsamung der Spannungsabschaltung wird dabei in Kauf genommen, da die sich abbauende Kondensatorspannung primär über dem Entladewiderstand liegt und nicht über der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors, und somit die Transistorverlustleistung vor allem durch das Stromeinschaltverhalten gegeben bleibt und nicht durch das Spannungsschaltverhalten negativ beeinflußt wird.

Bei Beginn des Abschaltvorganges wechselt der KoI-lektorstrom vom Transistor auf den Kondensator über, und lädt diesen auf. Da der Kollektorstrom des Transistors den Null-Wert erreicht, bevor die Kollektor-Emitter-Spannung entsprechend der Kondensatorspannung den Endwert der zu schaltenden Spannung erreicht hat.

kann der Transistor den Abschaltvorgang bei einer geringeren Kollektor-Emitter-Spannung beenden, wodurch eine Verringerung der Verlustleistung erreicht wird.
Wird auch eine leistungsmäßige Verbesserung des Abschaltvörgänges bei den herkömmlichen Schaltungen erreicht, so vollzieht sich der Stromabschalt Vorgang relativ langsam, da lediglich ein Basis-Emitter-Widerstand dafür sorgt, daß zu Beginn des Sperrendschaltens ein beschleunigter Abbau der Minoritätsträger im Basisraum geschieht. Dabei ist in dieser Phase die Transistorverlustleistung vor allem durch das Stromschaltvcr halten bestimmt, da das Spannungsverhaltcn durch ϋκ· Ladceharaktcristik der Kapa/iliil gegeben ist. Bukanii

terweise ist die Ladung im Basisraum umso größer, je stärker der Schalttransistor in die Sättigung getrieben wird. Da der Kollektorstrom erst dann auf Null sinkt, wenn sowohl die Basisüberschußladung wie auch deren aktive Ladung abgebaut ist, ist die Schnelligkeit des Sperrendschalters des Transistors maßgeblich durch die Größe des inversen Basisstromes, der den Abbau der Basisladung bewirkt, bestimmt, und mit der Schnelligkeit auch die Schalt-Verlustleistung.

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, unter Beibehaltung der Vorteile obenerwähnter Schaltungen die Schnelligkeit der Stromabschaltung zu erhöhen und damit die Verlustleistung des Halbleiter-Schaltelements durch beschleunigten Abbau von Ladungsträgern zu verringern.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand einer Figur erläutert. Diese zeigt das Schaltschema einer erfindungsgemäßen Schaltung mit potentialfrei angesteuertem Schalttransistor.

An der Basis-Emitter-Strecke eines NPN-Transistors 7"j, ist eine-Sekundärwicklung bzw. Steuersignalübertragungsspule 3, eines Trenntransformators 5 mit e'^ner Primärwicklung 7 geschaltet Parallel zur Sekundärwicklung 3 des Transformators 5 ist über die Basis-Emitter-Strecke ein Basis-Ableitwiderstand Ri sowie eine Serie-Schaltung einer Zenerdiode 9 und einer Diode 11 geschaltet, wobei die Zenerdiode 9 anodenseitig mit der Basis und die Diode 11 mit dem Kollektor des Transistors Γι verbunden sind. Ober der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γι. ist eine Serie-Schaltung eines Kondensators G und eines Widerstandes R\ geschaltet, wobei der Widerstand R\ mit dem Emitter des Transistors T\ verbunden ist Am Verbindungspunkt des Widerstandes Äi und des Kondensators Q ist die Anode einer zweiten Diode 12 angeschlossen, weiche kathodenseitig über eine Kopplungsspule bzw. Wicklung 15 mit dem Emitter des Transistors T\ verbunden ist Die Wicklung 15 ist vorzugsweise mit den Transformatorenwicklungen 7 und 3 auf denselben Eisenkern gewickelt

Wird an dei Primärwicklung 7 des Transformators 5 eine Steuerspannung, beispielsweise eine Sinus-Spannung oder eine Rechteck-Spannung angelegt so wird diese Spannung entsprechend dem Wicklungsverhältnis von Sekundärwicklung 3 und Primärwicklung 7 an die Steuerstrecke, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Γι übertragen. Greifen wir eine Sohaltsequenz aus dem periodischen Ein- und Abschalten des Schalttransistors T₁ heraus, wobei angenommen sei, daß zu Beginn der Betrachtungen der Transistor Γι leitend geschaltet sei.

Während dieser Phase weist die Basis gegenüber dem Emitter ein positives Potential auf. Wird der Transistor dabei aus dem aktiven Bereich in die Sättigung getrieben, wobei dessen Kollektorstrom praktisch unabhängig vom Basisstrom wird, so baut sich in der Basis des Transistors T\, entsprechend dem Übersteuerungsfaktor des Basisstromes, nebst einer dem aktiven Transistorarbeitsbereich entsprechenden, aktiven Minoritätsträgeriadung, dem Diffusionsdreieck entsprechend, eine Überschußladung auf. Über der Kollektor-Emitter-Strecke ist die Spannung praktisch auf Null zusammengesunken, da sich der Kondensator Ci über den Widerstand R₁ und die" sehr niederohmige Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γι entladen hat.

Da die Sekundärwicklung 3 des Transformators 5 mit der Wicklung 15 praktisch einen Autotransforniator bilden, wird durch den relativ großen Basisstrom der durch besagte Sekundärwicklung im Basis-Emitter-Kreis des Transistors Ti fließt, in der Wicklung 15 ebenfalls eine Spannung induziert, wodurch die Diode Ai sperrt Sinkt die Steuerspannung über der Sekundärwicklung 3 des Transformators 5 gegen Null, unterschreitet sie die Basis-Emitter-Flußspannung und wird sie negativ, so wird vorerst die Überschußladung im Basisraum, entsprechend dem Sättigungsgrad des Transistors Tu abgebaut werden müssen. Es fließt ein inverser Basisstrom durch den Basisableitwiderstand R₂, da solange der Kollektorstrom nicht Null ist, die Basis-Emitter-Diode des Transistors T\ leitend bleibt und somit über dieser Strecke lediglich eine sehr kleine Spannung liegt Während dem Ausräumen der Überschußladung im Basisraum, bleibt der Kollektorstrom des Transistors Γι immer noch praktisch durch die externe Beschallung, der zu schaltenden Spannung und eines Kollektorwiderstandes (nicht dargestellt) bestimmt Der Kollektorstrom nimmt lediglich um den Basisstrom ab. Der Abbau der Basisüberschußladung dauert, entsprechend der Definition der Transistor-Speicherzeit je nach Obersteuerungs- und Abschaltfaktor mehr oder weniger j?,ng. Bei Abbau der Überschußladung bleibt der Gradient der Ladungskonzentration in der Basis praktisch erhalten, so daß ein entsprechender Kollektorstrom auch nach dem Abbau

fließt Ist die Basis-Überschußladung abgebaut so wird anschließend, für das Ausschalten des Transistors, die aktive Ladung im Basisraum abgebaut Dieser Abbau geschieht bekannterweise während der Abfallzeit des Transistors. Hat sich während der Speicherzeit über der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γι praktisch noch keine Spannung aufgebaut, so daß dieses erste Zeitintervall lediglich eine Schaltverzögerung bezüglich der Steuerspannung bewirkt, bezüglich der Schaltverlustleistung jedoch nicht ins Gewicht fällt, wird sich während der Abfallzeit eine Spannung über der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors aufbauen. Die Verlustleistung wird in diesem Zeitintervall durch das Zeitintegral von Kollektorstrom und Kollektor-Emiuer-Spannung bestimmt. Da beim idealen Schalter die KoI-Iektor-Emitter-Spannung im eingeschalteten Zustand Null i-:, und der Kollektorstrom im ausgeschalteten Zustand Null ist, wird die Verlustleistung des Transistors T\ bei periodischem Ein- und Abschalten maßgeblich durch die Verlustleistung während der transienten Schaltvorgänge bestimmt Daraus ist ersichtlich, daß man beim Abschalten des Transistors Γι bestrebt sein wird, den Kollektorstrom möglichst schnell auf Null sinken zu lassen, wenn möglich bevor die Kollektor-Emitter-Spannung ihren Endwert erreicht hat. Die Abfallzeit des Kollektorstromes wird nun maßgeblich durch den Abschaltfaktor bestimmt, der als Quotient des inversen Basisstromes und des durch die Stromverstärkung dividierenden Kollektorstromes definiert ist. Mit anderen Worten wird die Abfallzeit durch die Größe des inversen Basisstromes bestimmt

Nimmt der Kollektorstrom durch die Verringerung des Ladungsdichte-Gradienten im Basisraum zu Beginn der Abfallzeit ab, so wird dadurch am Kollektorknoten des Transistors Γι da:. Stromteilverhältnis geändert. Der Strom wechselt auf den Kondensator Q über und lädt diesen über die Diode 12 auf. Entsprechend dem Aufladungsverhalten des Kondensators C_x ist die Veränderung des Stromteilverhältnisses am Kollektorknoten zu Beginn der Abfallzeit groß. Dadurch fließt in der Wicklung 15 ein relativ grober Ladestrom, der in der Sekundärwicklung 3 des Transformators 5 autotransformatorisch eine zusätzliche negative Spannung induziert, welche, durch Vergrößerung des inversen Basisstromes und

damit des Abschaltfaktors, den Abbau der aktiven Ladung im Basisraum beschleunigt. Dadurch wird erreicht, daß der Kollektorstrom durch den Transistor Ti mit Verschwinden des Ladungsdichte-Gradienten in der Basis, Null wird, bevor sich die ganze zu schaltende Span- s nung auf dem Kondensator G hat aufbauen können. Der Transistor ifi schaltet demzufolge bei einer geringeren Spannung als der zu schaltenden ab. Die Abfallzeit •vird verkürzt, die Schaltspannung verkleinert. Da die Verlustleistung während dieser Transienten, wie oben erwähnt, durch das Zeitintegral von Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung gegeben ist, ist ersichtlich, daß eine maßgebliche Verkleinerung der Verlustleistung erreicht wird.

Wird der Transistor Ti wieder leitend geschaltet, so würde die kapazitive Last, wie sie der Kondensator Ci darstellt, ein uberschwingen des Kollektorstromes über dessen Endwert hinaus, der durch die Schaiispännüng und einen Kollektorwiderstand (nicht dargestellt) gegeben ist, bewirken, da sich der Kondensator Ci über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ti rasch entladen würde. Da die Diode 12 in der Leitend-Phase des Transistors Ti sperrt, wird sich der Kondensator Ci über den Widerstand R] entladen. Der Widerstand Äi ist so dimensioniert, daß der Entladestrom den Kollektorstrom nur unwesentlich über seinen Endwert überschwingen läßt Im weiteren liegt, sobald ein Entladestrom fließen kann, eine der Kondensatorspannung entgegengesetzte Spa, nung über dem Entladewiderstand, so daß die für die Transistorverlustleistung maßgebliche Kollektor-Emitter-Spannung praktisch vom Entladevorgang, d.h. der Kondensatorspannung unbeeinflußt bleibt. Allerdings geht der Spannungsabbau entsprechend langsam vor sich, so daß auch hier das Spannungsschaltverhalten nicht mehr optimal ist. Verglichen fiiii herkömmlichen Schaltungen zur Erleichterung des Transistorabschaltens, bei denen die Diode 12 direkt mit dem Emitter des Transistors Ti verbunden ist, bringt die erfindungsgemäße Ausnützung des Kondensatorladungsstromes zur Vergrößerung des Abschaltfaktors eine beträchtliche Verlustleistungsverkleinerung mit sich.

Die über der Basis-Emitter-Strecke liegende Serieschaltung der Zenerdiode 9 und der Diode 11 dient als Überspannungsschutz für den Transistor T₁. Die Zenerdiode begrenzt eine negative Basis-Emitter-Spannung auf ihre Zenerspannung.

Es ist selbstverständlich, daß das gleiche Prinzip auch für PNP-Transistoren verwendet werden kann. Es ist auch möglich, in gewissen Anwendungen, bei nicht potentialfrei. transformatorisch angesteuerten Transistoren, den im zum Kollektor-Emitter parallelen Zweig zunehmenden Strom zur Beschleunigung des Abschaltens zu verwenden. Auch hier kann beispielsweise ein zusätzlicher Feldfluß im Steuertransformator erzeugt werden. Wird der Transistor nicht transformatorisch angesteuert so ist es möglich, in Serie zur Steuerquelle eine Sekundärwicklung in den Basis-Em'tter-Kreis zu schließen und über diese Wicklung, mittels einer zum Parallelkreis in Serie geschalteten Primärwicklung, ein das Steuersignal unterstützendes Signal in den Basis-Emitter-Kreis einzukoppeln. Dieses Verfahren kann weiter auf andere Halbleiter angewendet werden, deren Schältverhalten durch eine momentane Erhöhung des Steuersignals beschleunigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Beschleunigung des Abschaltvorganges bei einem Halbleiterschalter

a) mit einem Schalttransistor (Ti) in einem zu schaltenden Strompfad,

b) mit einer Steuerschaltung zur Steuerung dieses Schalttransistors,

c) mit einer Reihenschaltung aus einem Kondensator (Q) und einem Widerstand (R_}) zu dem Schalttransistor,

d) wobei der Kondensator (Q) über mindestens ein Kopplungsglied mit dem Eingang der Steuervorrichtung in Wirkverbindung steht, derart, daß ein Mitkopplungssignal zur beschleunigten Abschaltung des Schalttransistors (T\) übertragen wird