DE2621541A1 - Schnelle halbleiterleistungsschalteinrichtung - Google Patents

Description

Dipl.-lng.

E. Prinz

Patentanwälte

Dipl.-Chem.

Dr. G. Hauser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

2S21541

Dipl.-lng.

G. Leiser

THOMSON - CSi¹

173, Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

14. Mai 1976

Unser Zeichen: T 2018

Schnelle Halbleiterleistungsschalteinrichtung

Die Erfindung betrifft eine schnelle Halbleiterleistungsschalteinrichtung.

Eine solche Einrichtung muß, damit sie zufriedenstellend arbeiten kann, eine hohe Schaltleistung, eine sehr geringe Schaltzeit, eine große Verstärkung und ein hohes Spannungshaltevermögen haben.

Dieses Problem ist schwierig lösbar, denn die auferlegten Beschränkungen sind nämlich häufig sehr groß. Das wird in dem Fall

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der Horizontalablenkung einer Farbfernsehröhre anschaulich,' die hier als nicht als Einschränkung zu verstehendes Beispiel angegeben wird. In einem solchen Anwendungsfall kann der Schaltstrom etwa 10 A und die Rücklaufüberspannung etwa 550 V erreichen. Unter Berücksichtigung eines allgemein gebräuchlichen Sicherheitsfaktors von 1,5 ergibt sich daraus ein Produkt Ic xVc, d.h. eine Schaltleistung von 12 000 VA. Die Schaltzeit soll sehr kurz sein gegenüber der Rücklaufzeit, für die die Normen 12 Mikrosekunden festlegen, wenn es sich um ein Fernsehgerät mit 625 Zeilen handelt, und 9 Mikrosekunden, wenn es sich um ein Fernsehgerät mit 819 Zeilen handelt. In jedem Fall muß sie somit wenigstens kleiner als eine Mikrosekunde sein.

Die Erfindung hat die Lösung dieser Schwierigkeiten zum Ziel und betrifft eine Einrichtung, die in der Lage ist, eine Schnellschaltfunktion zu erfüllen, eine große Verstärkung hat und eine hohe Spannung aushält, so daß mit ihr jedes System oder Gerät ausgerüstet werden kann, in dem eine solche Funktion realisiert werden soll.

Sie betrifft insbesondere eine Halbleiterleistungsschalteinrichtung, welche ein Eingangssignal empfängt, das eine Folge von positiven und negativen Halbperioden darstellt, und einen Ausgangsstrom an die Belastung, die geschaltet werden soll, abgibt, und gekennzeichnet ist durch: einerseits einen ersten Kreis mit Transistoren, die während der Halbperioden eines bestimmten Typs (z.B. während

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der positiven Halbperioderi) leitend sind und während der Halbperioden des anderen Typs (während der negativen Halbperioden) gesperrt sind und so die Schaltfunktion erfüllen, und andererseits durch einen zweiten Kreis, der mit dem ersten Kreis mit dem Ziel zusammenarbeitet, die Schaltzeit der Umschaltung zu vet— ringer η. Nachdem das Signal, das das Schalten steuert, an den Eingang angelegt worden ist, können nämlich die Ladungsträger, die sich zuvor während der Leitungsperiode in dem ersten Kreis auf der Höhe der Basis des betreffenden Transistors angesammelt haben, nur langsam zu einem niedrigen Potential abfließen, wenn der Kreis ohmisch ist. Das ist genau die Aufgabe des zweiten Hilfskreises, der gemäß der Erfindung bereits am Anfang der Sperrperiode und während dieser gesamten Periode einen kleinen Widerstand aufweist, mit dem Ziel, das Abfließen der Ladungsträger zu beschleunigen, von dem die Schaltgeschwindigkeit der Einrichtung abhängt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

die Fig. 1 bis 3 jeweils eine Ausführungsform der Schalt

einrichtung nach der Erfindung.

In einer ersten Ausführungsform, die in Fig. 1- dargestellt ist, erfüllt die Leistungsschaltfunktion ein erster Kreis 1 , der in dieser Figur durch ein gestricheltes Rechteck begrenzt ist. Der erste Kreis 1 kann, beispielsweise, eine Darlington-Schaltung

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von wenigstens einem Eingangstransistor T und einem Ausgangstransistor T enthalten. Der Emitter 4 des Transistors T ist mit der Basis 5 des Transistors T in dem Punkt Q verbunden. Die Kollektoren 6 und 7 der Transistoren T bzw. T sind miteinander verbunden. In der beschriebenen Anordnung handelt es sich bei diesen beiden Transistoren T und T um Transistoren eines bestimmten Typs, nämlich um NPN-Transistoren. Es könnte sich in einem anderen Anwendungsfall um PNP-Transistoren handeln. Diese Schaltung verhält sich wie ein einziger Leistungstransistor für hohe Spannung und mit großer Verstärkung, dessen Basis B die Basis 9 des Transistors T ist, dessen Emitter E der Emitter 10 des Transistors T ist und dessen Kollektor C die beiden miteinander verbundenen Kollektoren 6 und 7 sind. Der Emitter E ist mit der Masse M verbunden. Die Basis B empfängt das aus Rechteckimpulsen bestehende Eingangssignal zur Steuerung der Umschaltung und der Kollektor C, der mit der anzuschließenden Belastung 12 verbunden ist, schaltet einen Ausgangsstrom entsprechend dem Eingangssignal um. Wenn das Signal 11 an die Basis B angelegt wird, sind während der positiven Halbperioden die Transistoren T und T leitend und ein Ausgangsstrom fließt durch die Belastung 12. Während der negativen Halbperioden sind diese Transistoren T und T gesperrt und es wird kein Strom an die Belastung 12 abgegeben. Die Leistungsschaltfünktion wird so realisiert und eine solche Schaltung gestattet, eine Schaltleistung zu erzielen, die einen hohen Wert erreichen kann, nämlich in der Größenordnung des weiter oben angegebenen Wertes.

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Leider geht der Übergang zwischen dem leitenden Zustand und dem nichtleitenden Zustand der beiden Transistoren T und T nicht augenblicklich vor sich. Das Abschalten des Stroms des Transistors T kann erst dann wirksam werden, wenn der Übergangsstrom Ib zu Ende ist, der am Anfang der negativen Halbperiode des Signals 11 entstanden ist, um alle Ladungsträger (in dem beschriebenen Beispiel die positiven Ladungsträger), die in dem Bereich der Basis 5 des Transistors T gespeichert sind, während der positiven Halbperiode desselben Signals 11 (die der Periode des leitenden Zustands ent- spricht) zu einem niedrigen Potential abzuführen.

Gemäß der Erfindung ist ein zweiter Kreis 20 (der, ebenso wie der erste Kreis, durch ein gestricheltes Rechteck begrenzt ist) in den ersten Kreis eingefügt. Er arbeitet mit dem ersten Kreis zusammen, um das schnelle Abfließen des Stroms Ib zur Masse zu ermöglichen, damit die Schaltzeit der Einrichtung verringert wird, ohne daß dafür Verluste hervorgerufen werden, die für das richtige Arbeiten der Einrichtung nachteilig sind.

In dem Fall von Fig. 1 enthält der zweite Kreis 20 einen Transistor T von einem Typ, der dem der Transistoren T. und T entgegengesetzt ist. In dem gewählten Beispiel ist der Transistor T

somit ein PNP-Transistor. Sein Emitter 22 ist mit dem Punkt Q des ersten Kreises 1 verbunden, sein Kollektor 23 ist (in dem Punkt Z) mit dem Emitter 10 des Transistors T verbunden und

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seine Basis 24 ist (in dem Punkt y) mit der Basis 9 des Transistors T verbunden. Unter diesen Bedingungen arbeitet die Umschalteinrichtung folgendermaßen: während der positiven Halbperioden des Steuersignals 11, das an der Basis B anliegt, wie oben erläutert, sind die Transistoren T und T leitend und der Transistor T_ ist gesperrt. Während der negativen

Halbperioden sind die Transistoren T und T gesperrt und der Transistor T leitet. Dieser verhält sich gewissermaßen wie ein Kurzschluß und gestattet so dem weiter oben definierten Strom Ib , zur Masse abzufließen, was zur Verringerung der Schaltzeit beiträgt. Eine solche Ausführungsform gestattet, in dem betrachteten Anwendungsfall Schaltzeiten in der Größenordnung von einer Mikrosekunde zu erreichen

An der Einrichtung von Fig. 1 kann eine Verbesserung vorgenommen werden, welche ein noch schnelleres Verschwinden der in dem Basisbereich des Transistors T angesammelten Ladungsträger gestattet.

Eine Ausführungsform, die dieser Verbesserung entspricht, ist in Fig. 2 dargestellt.

Aus Vereinfachungsgründen tragen in allen Figuren gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Eine Diode D ist in den Kreis des Emitters des Transistors T eingefügt. Diese Diode, die in Durchlaßrichtung geschaltet ist, ist ausreichend langsam gewählt, damit an ihren Klemmen eine Spannung bleibt, während der Strom

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bereits abgeschaltet ist. Der zweite Kreis 20 ermöglicht dann das Vorhandensein einer Gegenspannung in der Größenordnung von einem Volt, die zu der Abführung der Ladungsträger beiträgt und somit die Leistungsdaten der Einrichtung im Sinne einer geringeren Schaltzeit verbessert. Das Vorhandensein dieser Diode verursacht indessen einen zwar geringen, aber nicht vernachlässigbaren Energieverbrauch, der, wenn er auch manchmal ohne Bedeutung ist, nichtsdestoweniger in gewissen Fällen störend sein kann.

Zur Vermeidung dieses Nachteils und zur weiteren Verbesserung der Qualitäten einer Einrichtung nach der Erfindung wird im folgenden eine dritte Ausführungsform beschrieben, die in Fig. 3 dargestellt ist. Der Kreis 20 gestattet in diesem Fall, den Wert der negativen Spannung zu optimieren, so daß die Schaltzeit maximal verringert werden kann, ohne daß die Gefahr eines parasitären Energieverbrauches besteht. Diese Funktion wird mittels einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 31 und einer Diode 30 erfüllt. Diese Parallelschaltung, die zwischen den Punkt P und den Punkt Z eingefügt ist, enthält wenigstens eine Diode, aber meistens mehrere Dioden (drei in dem beschriebenen Beispiel),von welchen eine Elektrode (in dem beschriebenen Beispiel die Katode) mit dem Kollektor 23 des Transistors T (in dem Punkt P) verbunden ist.

Wie zuvor, sind während der positiven Halbperioden des Steuersignals 11 die Transistoren T. und T leitend, so daß der Strorr an die Belastung 12 abgegeben wird. Während der negativen

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Halbperioden sind die Transistoren T und T gesperrt. Am Anfang macht das an der Basis 24 des Transistors T erscheinende negative Signal die Dioden 30 über den als eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode angesehenen Kollektor-Basis-Übergang des Transistors T leitend. Die Spannung, die an den Klemmen

dieser Dioden 30 erscheint, lädt den richtig geschalteten Kondensator 31 auf, nämlich in bezug auf die Masse negativ . Der

Transistor T , der ebenfalls leitend gemacht ist, gestattet das 3

Abfließen des Stroms Ib bei der so erhaltenen negativen Spannung des Kondensators 31, wodurch das Verschwinden des Ausgleichsstroms Ib beschleunigt wird. Der Wert dieser Spannung ist von der Anzahl der Dioden abhängig. In dem beschriebenen Beispiel liegt sie bei drei in Reihe geschalteten Dioden in der Größenordnung von -2,4 V.

Die Optimierung des Wertes der negativen Spannung, der der kleinsten Schaltzeit entspricht, wird erreicht, indem die Diodenzahl dem betreffenden Anwendungsfall angepaßt wird. In dem Fall, in welchem die auferlegten Beschränkungen und die Kenndaten der Transistoren in den drei zuvor beschriebenen Ausführungsfornnen gleich sind, ist die mit der dritten Ausführungsform erzielte Schaltzeit praktisch kleiner als 0,3.us. Sie wird vergleichbar mit der, die man mit den herkömmlichen Schalteinrichtungen erzielen kann, bei welchen ein einzelner Transistor (entsprechend dem Transistor T der vorliegenden Erfindung) benutzt wird, der eine geringe Verstärkung hat und durch einen Transformator gesteuert wird, welcher in dem Zeitpunkt des

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Schaltens eine ähnliche negative Spannung bewirkt.

In dem Fall, in welchem der Typ der Transistoren umgekehrt ist, bleibt die Betriebsweise die gleiche, lediglich die Polungen ändern sich. Die Vorspannung der Dioden und der Kondensatoren wird dann entsprechend erzeugt. Die Ladungsträger, die sich in dem Basisbereich des Transistors T während seiner Periode leitenden Zustands ansammeln, sind nämlich positiv oder negativ, je nach dem benutzten Transistortyp, und die von dem Hilfskreis nach der Erfindung gelieferte Spannung soll, je nach Lage des Falles, entsprechend negativ oder positiv sein, wodurch die Vorspannung der Dioden und des Kondensators festgelegt wird. Eine Schalteinrichtung nach der Erfindung weist einen be-· trächtlichen weiteren Vorteil gegenüber den herkömmlichen Einrichtungen auf. Weil die Einrichtung, zumindest was die erste und die zweite beschriebene Ausführungsform betrifft, einzig und allein aus Dioden und Transistoren besteht, kann sie integriert werden und so die Form eines kompakten Bauelements haben, welches in einem einzigen Gehäuse enthalten ist, das leicht in Reihe geschaltet werden kann, d.h. alle bekannten Vorteile der integrierten Schaltungen aufweist. In dem Fall der beschriebenen dritten Ausführungsform sind alle Transistoren und Dioden integriert und in einem einzigen Gehäuse geschützt, wie in den vorangehenden Fällen. Dieses Gehäuse hat dann einen zusätzlichen Ausgang, der mit dem Punkt P des zweiten Kreises verbunden ist. Dieser Ausgang wird dann mit einem der Beläge des Kondensators 31 verbunden, bei welchem es sich beispielsweise um einen Elektrolytkondensator handeln kann.

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Neben der Funktion der Horizontalablenkung bei Fernsehgeräten, die als Beispiel angegeben ist, kann eine Schalteinrichtung nach der Erfindung in einer großen Zahl von Anwendungsfällen benutzt werden, nämlich jedesmal dann, wenn es erforderlich ist, über ein Leistungsschaltelement für hohe Spannung, mit großer Verstärkung und mit kurzer Schaltzeit zu verfügen: das ist beispielsweise der Fall bei Stromversorgungssystemen, die mit Zerhackung im Ultraschallfrequenzbereich arbeiten, bei Ultraschallgeneratoren, usw.

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Claims (8)

1. Patentansprüche:

   (1 y Schnelle Halbleiterleistungsschalteinrichtung, die ein Eingangssignal empfangt, welches eine Aufeinanderfolge von positiven und negativen Halbperioden darstellt, und einen Ausgangsstrom an die zu schaltende Belastung abgibt, gekennzeichnet durch einerseits einen ersten Kreis mit Transistoren, die während der Halbperioden eines bestimmten Typs leitend gemacht sind und während der Halbperioden des anderen Typs gesperrt sind und so die Schaltfunktion erfüllen, und andererseits durch einen zweiten Kreis, der mit dem ersten Kreis zusammenwirkt, um die Schaltzeit der Umschaltung zu verringern, indem in dem Zeitpunkt jedes Überganges zwischen einer Halbperiode,die dem leitenden Zustand der Transistoren entspricht, und der Halbperiode des entgegengesetzten Typs die Beseitigung eines Ausgleichsstroms begünstigt wird, der aus dem Vorhandensein von Ladungsträgern resultiert, die sich zuvor in dem Kreis angesammelt haben.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kreis aus einer Schaltung besteht, welche zumindest einen Eingangstransistor (T.) und einen Ausgangstransistor (T ) desselben Typs enthält, wobei der Emitter des Eingangstransistors (T.) in einem Punkt (Q) mit der Basis des Ausgangstransistors (T ) verbunden ist und die beiden Kollektoren der Transistoren miteinander verbunden sind, wobei das Eingangssignal an die Basis des Eingangstransistors (T.) angelegt wird, wobei die Belastung

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   mit dem Kollektor des Ausgangstransistors (T ) verbunden ist und wobei der Emitter des Ausgangstransistors mit Masse verbunden ist, und daß der zweite Kreis aus einem dritten Transistor (T_) eines dem Typ der Transistoren (T , T) entgegengesetzten Typs besteht, dessen Basis, Emitter und Kollektor mit der Basis des Eingangstransistors (T.) bzw. mit dem Punkt (Q) bzw. mit dem Emitter des Transistors (T ) in einem Punkt Z verbunden sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- und der Ausgangstransistor (T ,T) NPN-Transistoren sind, die während der positiven Halbperioden leitend sind und während der negativen Halbperioden gesperrt sind, daß der dritte Transistor (TJ) ein PNP-Transistor ist, der während der positiven Halbperioden gesperrt ist und während der negativen Halbperioden leitend ist und unter diesen Bedingungen die Beseitigung des Ausgleichsstroms bewirkt, der von den Ladungsträgern herrührt, die sich in dem Basisbereich des Ausgangstransistors (T ) angesammelt haben.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- und der Ausgangstransistor (T. , T) PNP-Transistoren sind, die während der negativen Halbperioden leitend sind und während der positiven Halbperioden gesperrt sind, und daß der dritte Transistor(TJ) ein NPN-Transistor ist, der unter diesen Bedingungen die Beseitigung des Ausgleichsstroms bewirkt, der von den Ladungsträgern herrührt, die sich in dem Basisbereich des Ausgangstransistors (T ) angesammelt haben.

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5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kreis außerdem eine Diode enthält, die in !Durchlaßrichtung zwischen den Emitter des Ausgangstransistors (T ) und den Punkt (Z) eingefügt ist und ausreichend langsam ist, damit eine Spannung an ihren Klemmen bleibt, während der Ausgangstransistor (T ) gespei Beseitigung des Ausgleichsstroms beiträgt.

   während der Ausgangstransistor (T ) gesperrt ist, welche zu der
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kreis eine Diode-Kondensator-Parallelschaltung enthält, die in den Kollektorkreis des dritten Transistors (T _) zwischen einem Punkt (P) und dem Punkt (Z) eingefügt ist, so daß an den Klemmen des Kondensators eine Spannung, deren Polung durch den Typ des Ausgangstransistors (T ) bestimmt ist, erscheint, welche die Beseitigung des Ausgleichsstroms beschleunigt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltung einen Kondensator enthält, der mit drei Dioden parallelgeschaltet ist, welche eine mit dem Punkt (P) verbundene gemeinsame Elektrode haben.
8. 8. Gerät, in welchem eine Schaltfunktion mit kurzer Schaltzeit und hoher Schaltleistung realisiert werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgerüstet ist.

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