DE2624018A1

DE2624018A1 - Transformatorgekoppelte ansteuerschaltung fuer eine leistungsschaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2624018A1
Application number: DE19762624018
Authority: DE
Inventors: Kenneth A Wallace
Original assignee: North Electric Co
Current assignee: North Electric Co
Priority date: 1975-05-29
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1976-12-09
Also published as: CA1059212A; US3983418A; GB1538466A

Description

Patentanwälte 262401

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: N 645 25.Mai 1976

NORTH ELECTRIC COMPANY
553 South Markst Street
Galion Ohio 44833 V.St.A.

Transformatorgekoppelte Ansteuerschaltung
für eine Leistungsschaltvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung zum Steuern des Ein- und Ausschaltens von Schaltvorrichtungen, beispielsweise von Leistungstransistoren, die im eingeschalteten Zustand normalerweise einen
relativ hohen Ausgangsstrom leiten. Eine solche Ansteuerschaltung wird üblicherweise als Teil von Gleichspannungsoder Gleich/Wechselspannungswandlern verwendet.

Transformatorgekoppelte Basisansteuerschaltungen sind in der Technik bekannt; sie weisen gewöhnlich eine
Rückkopplungsstromansteuerung für das Einschalten des Leistungstransistors auf, bei der der Ausgangsstrom
des Leistungstransistors über einen Transformator zur Basis rückgekoppelt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

Schw/Ba

In derUSA-Patentanmeldung SN 476 254 vom 4.Juni 1974 ist eine Basisansteuerschaltung beschrieben, bei der der Leistungsschaltvorrichtung beim Abschalten mit Hilfe einer Widerstands-Kondensator-VorSpannungsanordnung ein Auslenk-Gegenstrom zugeführt wird. Dabei tritt jedoch bei dieser Anordnung und bei vielen anderen herkömmlichen Anordnungen einKernrückstellproblem unter gewissen Übergangsbedingungen auf, die den Transformatorkern in die gegebenenfalls positive Sättigung treiben, so daß ein vollständiger Ausfall der Leistungsschaltvorrichtung verursacht wird, die von der transformatorgekoppelten Basisansteueranordnung gesteuert ist.

Ein Lösungsversuch für das Kernrückstellproblem ist in der US-PS 3 610 963 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird eine Kernrückstellung vorgesehen, die die positive Sättigung des Transformatorkerns verhindert. Dieser Lösungsweg ergibt jedoch einen Kurzschluß und keine Gegenspannung an der Basis der Leistungsschaltvorrichtung am Anfang des Sperrens, was zu wesentlich längeren Schaltzeiten und zu Leistungsverlusten führt. Das Vorsehen eines Kurzschlusses ist jedoch für die Reduzierung des Leckstroms in der abgeschalteten Leistungsschaltvorrichtung unwirksam. Bei Fehlen einer Gegenvorspannung kann die Leistungs schaltvorrichtung auch viel leichter auf Grund von Störungen ausgelöst werden.

Mit Hilfe der Erfindung soll daher eine transformatorgekoppelte Ansteuerschaltung für eine Leistungsschaltvorrichtung mit einer verbesserten Transformatorvormagnetisierungsanordnung geschaffen werden, mit deren Hilfe die Probleme der positiven Kernsättigung, der langsamen Abschaltgeschwindigkeit der Schaltvorrichtung und des im Abschalt-

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zustand auftretenden Leckstroms sowie der Störempfindlichkeit überwunden werden können. Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung eine wirksame Leistungsschaltvorrichtungssteuerung in zuverlässiger, einfacher und kostengünstiger Weise erzielt werden.

Erfindungsgemäß sind ein Steuertransistor und eineVormagnetisierungsschaltung über eine Transformatorkopplung mit der Basisansteuerschaltung eines Leistungsschalttransistors gekoppelt. Die Sekundärwicklung des Transformators besteht aus zwei gegenseitig gepolten Wicklungen, die so miteinander verbunden sind, daß eine Strommitkopplung aus dem Ausgangsstrom des Leistungsschalttransistors zu seinem Basisstrom ermöglicht wird.

Zur Auslösung des Abschaltens des Leistungsschalttransistors wird der Steuertransistor eingeschaltet, damit die Vormagnetisierungsschaltung an die Primärwicklung des Transformators gelegt wird. Die Vormagnetisierungsschaltung enthält einen Kondensator, der so aufgeladen ist, daß eine Gegenspannung an den Transformator angelegt wird, damit zur Beschleunigung des Abschaltens des Leistungsschalttransistors ein Gegendurchlaufstrom erzeugt wird. Die Vormagnetisierungsschaltung liefert für die Dauer der Durchschaltzeit des Steuertransistors auch einen kontinuierlichen Strom, der ausreicht, den Transformatorkern in die negative Sättigungszone zurückzustellen. Außerdem liefert die Vormagnetisierungsschaltung über eine Restladung am Kondensator eine Basis-Emitter-Gegenspannung für die Dauer der Ausschaltperiode, so daß ein niedriger Reststrom durch die Leistungsschaltvorrichtung und ein stabiler Ausschaltzustand gewährleistet werden.

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Das Einschalten des Leistungsschalttransistors wird dadurch ausgelöst, daß der Steuertransistor gesperrt wird, wodurch der Basisstrom durch die Primärwicklung des Transformators unterbrochen wird. Das resultierende zusammenbrechende Feld induziert in der Sekundärwicklung des Transformators im Basiskreis des Leistungstransistors eine Spannung, die ausreicht, das Durchschalten der Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors einzuleiten. Wenn die Durchschaltung einmal begonnen hat, wird eine aufrechterhaltende Basisansteuerung auf Grund der Transformatorkopplung zwischen dem Emitterkreis und dem Basiskreis des Leistungstransistors geliefert.

Die Erfindung wird nun an Hand der.Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 das Schaltbild der für die Anwendung gemäß dem Prinzip der Erfindung geeigneten Basisansteuerschaltung,

Fig.2 einen für das Schalten des Steuertransistors von Fig.1 geeigneten Spannungsverlauf,

Fig.3 wichtige Arbeitspunkte der Hysteresekennlinie des Transformators in der Basisansteuerschaltung von Fig.1 und

Fig.4 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale an wichtigen Punkten der Basisansteuerschaltung von Fig.1.

Nach Fig.1 ist der Kollektor eines Leistungsschalttransistors Q2 über eine Leitung 112 mit der Klemme 110 verbunden. Der Emitter des Transistors Q2 ist über die Wicklung n3 des Transformators T1 an die Leitung 113 angeschlossen, die mit

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der Klemme 111 verbunden ist. Die Klemmen 110 und 111 sind normalerweise an eine eine Gleichstromquelle enthaltende Lastschaltung angeschlossen, die zur Aufnahme des Kollektor-Emitter- Ausgangs stroms des Transistors Q2 geeignet ist. Die Basis des Transistors Q2 ist über die Wicklung n2 des Transformators T1 mit seinem Emitter verbunden. Wie mit Hilfe der bekannten Punkte in Fig.1 zu erkennen ist, sind die Wicklungen n2 und n3 so gepolt, daß der Strom in der Wicklung n3 mitkoppelnd zum Strom fluß in der Wicklung n2 beiträgt. Das mit dem Punkt versehene Ende der Primärwicklung n1 des Transformators T1 ist über die Leitung 114 mit dem Kollektor eines Steuertransistors Q1 verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung n1 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen einem Anschluß eines Kondensators C101 und einem Anschluß eines Widerstandes R102 verbunden.

Der andere Anschluß des Widerstandes R102 ist am positiven Pol einer Vorspannungsquelle E-u angeschlossen. Der negative Pol der Vorspannungsquelle E-u ist über die Leitung 118 mit dem Verbindungspunkt zwischen der anderen Klemme des Konden" sators C101, der am Emitter des Steuertransistors Q1 angeschlossenen Leitung 115 und der am negativen Pol einer Steuersignalquelle e^ angeschlossenen Leitung 116 verbunden. Der positive Pol der Steuersignalquelle e., ist über die Leitung 117 mit dem Widerstand R101 und dann mit der Basis des Steuertransistors Q1 verbunden. Es wird nun ein genaues Beispiel der Arbeitsweise der Schaltung von Fig.1 angegeben. Diese Beschreibung läßt sich am besten im Zusammenhang mit den Figuren 1, 2, 3 und 4 verstehen.

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Ein Eingangssignal e^ mit einem in Fig.2 dargestellten, im wesentlichen rechteckigen Verlauf liefert einen Basisansteuerstrom an den Steuertransistor Q1. Wenn der Steuertransistor Q1 eingeschaltet ist oder sich in einem gesättigten Leitungszustand befindet, fließt Strom aus dem positiven Pol der Vorspannungsquelle E, über den Widerstand R102, durch die Primärwicklung n1 vom Kollektor zum Emitter des Transistors Q1 und wieder zurück zum negativen Pol der Quelle E, . Dieser Strom ist ausreichend groß und so gepolt, daß er den Fluß im Kern des Transformators T1 auf einen Punkt im negativen Sättigungsbereich 301, beispielsweise auf den Punkt S1 der Hystereseschleife des Transformators T1 nach Fig.3 zurückstellt. Die in der Sekundärwicklung n2 induzierte Spannung ist an der mit dem Punkt markierten Stelle negativ, so daß der Basis-Emitter-Übergang des Leistungsschalttransistors Q2 in Sperrichtung vorgespannt wird und der Transistor Q2 im nichtleitenden Zustand gehalten wird.

Es wird nun der Beginn des Schaltzyklus betrachtet, der in Fig.2 bei t = 0 liegt, wo die Spannung e^ einen niedrigen Wert hat. An dieser Stelle ist der Steuertransistor Q1 gesperrt, und die in der Primärwicklung n1 des Transformators T1 gespeicherte induktive Energie veranlaßt die Kollektorspannung des Transistors Q1 positiv zu werden. Die Spannung an dem mit einem Punkt markierten Ende der Sekundärwicklung n2 wird daher ebenfalls positiv; wenn diese Spannung die erforderliche Basis-Emitter-Schwellenspannung des Transistors QZ überschreitet, wird Strom aus der Primärwicklung n1 in einer solchen Richtung zur Wicklung n2 übertragen, daß ein Basisansteuerstrom zum Transistor Q2 eingeleitet wird. Wenn der Emitterstrom des Transistors Q2 einmal über die Rückkopplungsv/icklung n3 zu fließen beginnt, wird der Basis«

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Ansteuerstrom des Transistors Q2 mit einem erzwungenen Verstärkungsfaktor vergrößert, der geringfügig kleiner als das Windungszahlverhältnis zwischen der Sekundärwicklung n2 und der Sekundärwicklung n3 ist. Schaltungen nach Fig.1, die sich im Betrieb als zufriedenstellend herausgestellt haben, benutzen Transformatorwicklungen, bei denen die Windungszahl in der Wicklung n1 etwa fünfmal größer als die Windungszahl in der Wicklung a 2 sind, während die Windungszahl der Wicklung n2 fünf bis zwanzigmal so groß wie die Windungszahl der Wicklung n3 ist. Die speziellen Windungszahlen der einzelnen Wicklungen hängen von den gewünschten Schaltungsparametern ab; sie variieren daher bei verschiedenen Anwendungsfällen.

Während der Einschaltzeit des Transistors Q2 zeigt sein Basis-Emitter-Übergang die Neigung, die Spannung an der Wicklung n2 und daher auch die Spannungen an den Wicklungen n1 und n3 festzuklemmen. Während der in den Figuren 2 und 4 angegebenen Einschaltzeit τ des Transistors Q2 ist der Steuertransistor Q1 gesperrt, und der Kondensator C1O1 lädt sich gemäß einer einfachen RC-Zeitkonstante über die Vorspannungsquelle E-^ und den

Widerstand R102 auf. Diese kapazitive Aufladung ist in Fig.2 beim Verlauf der Spannung e„ angegeben.

Das veränderliche Zeitintervall τ wird zur Steuerung der Einschaltzeit des Leistungsschalttransistors Q2 verwendet. Bei Energieversorgungsgeräten, die mit konstanter Frequenz und Impulsdauermodulation arbeiten, ist das Zeitintervall τ allgemein auf weniger als einen halben Betriebszyklus, also auf T/2 von Fig.2 begrenzt, wobei T der Kehrwert der Wechselrichterbetriebsfrequenz ist, die im Energieversorgungsgerät angewendet wird.

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Das Sperren des Leistungstransistors Q2 wird im Zeitpunkt t=T eingeleitet, wenn·die Spannung e^ zum Durchschalten des Steuertransistors Q1 einen hohen Wert annimmt. Wenn der Transistor Q1 in den stark leitenden Zustand übergeht, dann wirkt die Spannung e am Kondensator C101 nun als Quelle in einer niederohmigen Schleife aus dem Kondensator C101, der Primärwicklung n1 und der Kollektor-Emitter-Impedanz des Transistors Q1. Diese Schleife verursacht einen großen Basisgegenstromstoß aus dem Transistor Q2, so daß die Speicherzeit auf ein Minimum verringert wird. Die Gegenstromspitze hat allgemein die Form wie in der mit i_b2 bezeichneten Kurve von Fig.4 angegeben ist. Nach der Basisauslenkung und dem Zusammenbrechen des Kollektorstroms im Transistor Q2 hält die Restladung am Kondensator C1O1 eine Basis-Emitter-Gegenspannung am Transistor Q2 aufrecht, damit ein stabiler Ausschaltzustand und ein niedriger Leckstrom gewährleistet werden.

Der Verlauf der Basis-Emitter-Spannung e^^ des Transistors Q2 ist in Fig.4 dargestellt. Auch der Verlauf des Kollektorstroms i ρ des Transistors Q2 ist in Fig.4 dargestellt. .

Der Fluß im Transformator T1 wird auf einen Punkt im negativen Sattigungsbereich, beispielsweise auf den Punkt S-, von Fig.3 während der Zeit zurückgestellt, in der der Transistor Q2 gesperrt und der Transistor Q1 leitend ist. Die Tatsache, daß derTransistor Q1 mehr leitend als gesperrt ist und die richtige Auswahl des Widerstandes R102 und der Spannungsquelle E, gewährleisten, daß der Fluß im Transformator T1 im Verlauf mehrerer Betriebszyklen nie längs der Hystereseschleife in das Gebiet der positiven Sättigung, beispielsweise zum Punkt S2 von Fig.3 l'nach oben wandert". Eine

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solche positive Kernsättigung kann zu einem völligen Ausfall des Leistungsschalttransistors Q2 führen. Bei Anwendung der der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien wird ein solches Sättigungsproblem vermieden.

Für. die Leistungsschaltvorrichtung ist nur als Beispiel ein Leistungstransistor wie der Transistor Q2 ausgewählt worden. Die hier beschriebene Ansteuerschaltung kann auch an andere Leistungsschaltvorrichtungen angepaßt werden, wie der Fachmann ohne weiteres erkennen kann.

Der Fachmann kann auch ohne weiteres weitere Ausführungsformen erkennen, die von den hier beschriebenen Prinzipien umfaßt v/erden. Die beschriebene Schaltung ist lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel.

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Claims

Patentansprüche

1. Transformatorgekoppelte Ansteuervorrichtung für eine Leistungsschaltvorrichtung mit einer Steuerelektrode und ersten und zweiten Ausgangselektroden, mit Einrichtungen zum Steuern des Leitungszustandes der Leistungsschaltvorrichtung, gekennzeichnet durch eine erste Transformatorsekundärwicklung zwischen der Steuerelektrode und der ersten Ausgangselektrode, eine zweite Transformatorsekundärwicklung zwischen der ersten Ausgangselektrode und einem Weg zum Übertragen eines Stroms zwischen den ersten und zweiten Ausgangselektroden, wobei die ersten und zweiten Sekundärwicklungen gegenseitig so gepolt sind, daß eine mitkoppelnde Stromkopplung zwischen ihnen entsteht, eine Vormagnetisierungsvrrichtung und eine Steuerschaltvorrichtung mit einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand in Serie zu der Vormagnetisierungsvorrichtung parallel zu einer Primärwicklung des Transformators, wobei die Steuerschaltvorrichtung im · ersten Schaltzustand der Vormagnetisierungsvorrichtung ermöglicht, die Leistungsschaltvorrichtung in den nichtleitenden Zustand zu versetzen, während sie im zweiten Schaltzustand der Vormagnetisierungsvorrichtung ermöglicht, die Leistungsschaltvorrichtung in den leitenden Zustand zu versetzen.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungsvorrichtung eine Kapazitätsvorrichtung parallel zu ein^r Serienschaltung aus einer Widerstandsvorrichtung und einer elektrischen Energiequelle enthält, daß die Energiequelle während des zweiten Schaltzustandes der Steuerschaltvorrichtung einen elektrischenLadestrom an die Kapazitätsvorrichtung liefert, daß die

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Kapazitätsvorrichtung für eine vorbestimmte Zeitdauer während des ersten Schaltzustandes der Steuerschaltvorrichtung einen Strom durch die Primärwicklung schickt, der eine solche Polarität und eine solche Größe hat, daß er zur Einleitung eines Gegenstroms in der Steuerelektrode ausreicht, daß die Kapazitätsvorrichtung am Ende der vorbestimmten Zeitdauer für die restliche Dauer des ersten Schaltzustandes eine Gegenspannung an die Steuerelektrode anlegt, und daß die Energiequelle für die restliche Dauer des ersten Schaltzustandes über die Primärv/icklung einen Strom zur Rückstellung des Transformatorkernflusses liefert.

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschaltvorrichtung ein Transistor ist, daß die Steuerelektrode die Basiselektrode dieses Transistors ist und daß die ersten und zweiten Ausgangselektroden die Emitterelektrode bzw. die Kollektorelektrode dieses Transistors sind.

4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltvorrichtung ein Schalttransistor ist, dessen Basiselektrode so an eine Zustandssteuervorrichtung angeschlossen ist, daß in ausgewählter V/eise zwischen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode dieses Schalttransistors Zustände mit hoher Leitfähigkeit und mit niedriger Leitfähigkeit bestimmt werden, wobei die Zustände mit hoher Leitfähigkeit und mit niedriger Leitfähigkeit den ersten und zweiten Schaltzuständen entsprechen.

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