DE2750720A1

DE2750720A1 - Anordnung zur ansteuerung sowie verlustfreien du/dt- und di/dt-begrenzung von hochvoltschalttransistorendstufen fuer sehr hohe taktfrequenz

Info

Publication number: DE2750720A1
Application number: DE19772750720
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Rona
Original assignee: Individual
Current assignee: Manroland AG
Priority date: 1977-11-12
Filing date: 1977-11-12
Publication date: 1979-05-17
Also published as: DE2750720C2

Description

Bei Hochvoltschalttransistorendstufen für sehr hohe Taktfrequenz (# 20 kHz),
wie sie z.B. tür getaktete Netzgeräte oder Motorsteuerungen benötigt werden, ist der Wirkungsgrad des Gesamtsystems, bestehend aus Schalttrsnsistor, Basisansteuerung, Ein- und Ausscheltschutzbeschaltung, von eminenter Bedeutung.
Hierzu müssen u.a. folgende Forderungen erfüllt sein: i) Niedrige, aber noch im quasigesättigten Bereich gelegene Durchlaßspannung UCEsat des Endtransistors, 2) hoher Sperrwiderstand des Endtransistors, 3) extrem kurze Schaltzelten, 4) hohe Stromverstärkung bzw. möglichst geringe Basissteuerleistung1 5) möglichst verlusttreie Ein- und Ausschaltschutzbeschaltungen.
Solche praktisch verlustfreie du/dt- bzw. di/dt-Beschaltungen sind inzwischen aus den deutschen Patentsnmeldungen P 26 50 673.0 bzw.
P 26 51 492.1 bekannt. Das Kennzeichen der ersteren ist, daß die Energie immer innerhalb einer Schwingachaltung gehalten wird; sie benötigt 6 Bauteile. Die Anwendung der zweiten ist auf batteriegespeiste Chopper beschränkt und erfordert ein rel. aufwendiges Rückspeisenetzwerk.
Der Grundgedanke der Erfindung ist nun gemäß Anspruch 1, die von den unverzichtbaren Beschaltungshauptelementen C (du/dt) und L (di/dt) in jedem Takt beim Schaltvorgang aufgenommene Energie in die Basisansteuerschaltung zurückzuspeisen, was erfindungsgemäß auf die einfachste Weise geschehen kann.
Um die zurückgespeiste Energie vermindert sich entsprechend die direkt vom Netz der Ansteuerschaltung zuzuführende, sodaß die Wirkung verlustfreien Schitzbeschaltungen gleich kommt. Entsprechend verkleinert sich auch die Größe des Trafos für die Basisstromversorgung. Es wird gezeigt werden, daß dieser überwiegend oder sogar praktisch immer leer läuft und dann nur eine Start- bzw. Reservefunktion hat.
Ein weiterer Inhalt der Erfindung ist gemäß Anspruch 5 eine hierzu angepaßts, sehr einfache Ansteuerschaltung für eine Schalttransistorendstufe in diskreter Darlingtonanordnung, die insbesondere das Problem einer sehr kurzen Ausschaltzeit und anschließender definierter negativer Basisvorspannung für Treiber und Endtransistor auf neue Weise löst.
Auf Grund der sich mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung ergebenden kurzen Schaltzeiten der Endstufe können wiederum die Hauptelemente L und C der Schutzbeschaltungen klein gehalten wurden, sodaß vorteilhafterweise die anfallende Energierückspeisung etwa der nötigen geringeren Basissteuerleistung einer Darlingtonanordnung entsprecht.
Die erfindungsgemäße Einrichtung erfüllt damit alle eingangs gestellten Forderungen mit minimalen Aufwand und erreicht Vollastwirkungsgrade des Gesamtsysteme bei 20 kHz Taktfrequenz und 90 % Einschaltgrad von 98 % oder besser.
Nachfolgend wird zunächat die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung gemäß Anspruch 5 beschrieben.
Die Leistungsendstufe in Darlingtonsnordnung (T1, T2) wird entsprechend Abb. 1 durch eine im Gegentakt arbeitende weitere Darlingtonkombination (T+,T-) angesteuert. Je nach Steuerspannung ist entweder T+ oder T-leitend. Dabei kann in bekannter Weise durch R3,R4C4 der positive Basisstrom und dessen Anfangsspitze eingestellt werden.
Die Besondereheit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung gemäß Anspruch 5 liegt auf der negativen Seite und betrifft den Zugriff zu da Basisanschlüssen von T1 und T2 Ober R und die Diodenkette D in Abstimmung mit den an sich bekannten Basis-Emitter-Beschaltungsgliedern R1, R2, L2.
Beim Wechsel von positiver auf negative Steuerspannung wird T+ gesperrt und T leitend. Erst entsteht nun ein durch R und schließlich auch durch den Spannungsfall von 0 begrenzter, negativer Steuerstrom ii, dm ein negativer Steuerstrom i2 folgt, der die Basis von T2 vor weiterem Treiberstrom abriegelt und ausräust (der negative Steuerstrom ii begünstigt des Ausschalten von T1). Die Bauteile R1, R2, L2 unterstützen den Ausschaltvorgang in bekannter Weise.
Nach erfolgtem Ausräumen werden die Besisenschlüsse von T1 und T2 gegen den jeweiligen Emitter negativ vorgespannt; es flieBen dann die Ruhewerte von i1 und i2.
Bei richtiger Abstimmung von R, Diodenzahl D sowie R1,R2,L2 lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung sowohl sehr kurze Ausschalt- und Fallzeiten des Leistungsdarlingtons als auch eine gleichmäßige Aufteilung der negativen Basis-Emitter-Vorspannung auf T1 und T2 erreichen.
Als weiterer Vorteil der Anordnung fließt im gesperrten Zustand über R2,L2 ein rel. großer Ruhestrom i1+ i2 der beim Einschalten des Darlingtons zur Basis von T2 umgelenkt wird und dynamisch aufsteuernd wirkt mit der günstigen Folge einer Verkürzung der Einschaitzeit unter stärkerer Anfangsbeteiligung des stromstärkeren Endtrensistors T2.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Rückspeisung der Verluste der Schutzbeschaltungen nach Anspruch 1, 2 und 3 zeigt Abb. 2. Die Bauteile L (zweckmäßig Sättigungsdrossel) und C sind die unverzichtbaren Hauptelemente der di/dt- und du/dt-Beschaltung.
Die nach dem Ausschalten des Derlingtons in L frei werdende Energie kann erfindungsgemäß nach Anspruch 2 auf einfachste Weise über die Diode DL in und damit in die positive Seite der Basisspannungsvereorgung zurückgespeist werden. Gegenüber der Patentanmeldung P 26 51 492.1 ist diese Lösung entscheidend einfacher. Es wird nur ein zusätzliches Bauteil (DL) benötigt. Als weitere Vorteile ergeben sich eine sehr kurze Abnagnetisierungsdauer, weil die Abmagnetisierung gegen eine konstante Gegenspannung (z0S. ca. 9 V) erfolgt, sowie ein äußerst kurzer Abmagnetisierungsstromweg, was parasitäre induktive Überspannungen praktisch ausschließt. Etwa ab Halblast reicht diese Rückspeisung zur Versorgung der positiven Seite, ohne daß L eigens vergroßer würde.
Die Rückspeisung der nach dem Einschalten des Darlingtons in C frei werden den Energie erfolgt erfindungsgemäß nach Anspruch 3 zunächst durch einen kurzen Umschwingvorgang in den Zwischenspeicher LC auf dem Wege über den Darlington und C (wobei bereits Energie in C zurückgespeist wird) und dann durch Abmagnetisieren von LC über DC in C. Gegenüber der Patentanmeldung P 26 50 673.0 werden 3 Bauteile eingespart. Im Falle einer Motorsteuerung reicht diese Rückspeisung schon etwa ab Motorlearlauf zur vollen Versorgung der negativen Seite der Basiespannungsversorgung, ohne daß C eigens vergrößert würde.
Eine andere erfidungsgemäße Anordnung zur Rückspeisung der Verluste der Schutzbeschaltungen nach Anspruch 1, 2 und 4 zeigt Abb. 3. Hierbei kann die Energieversorgung der Ansteuerschaltung unter praktisch allen Lastbedingungen voll aus der Verlustrückspaisung gedeckt werden. Eine Verbindung der Ansteuerschaltung mit dem Netz, z.B. huber den üblichen Treiberstufentrafo, ist dann meistens stromlos. Unter Umständen kann dies sogar vollständig entfallen, wenn auf andere Weise für die Eretladung von C+ C bei Inbetriebnehme bzw, Erhaltungsladung beim Verlassen des getakteten Betriebsbereiches gesorgt wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung nach Abb. 3 unterscheidet sich gegenüber der nach Abb. 2 nur durch die anders Anordnung der Bauteile C,DC,LC, Entsprechen wird dadurch nur die Energierückspeisung der du/dt-Beschaltung (Hauptelement C) geändert. Schon während der Aufladephase von C beim Ausschalten des Darlingtons erhält C+ bereits eine Energiezufuhr. Die Rückspeisung der nach des Einschalten des Darlingtons in C frei werdenden Energie erfolgt zunächst durch einen kurzen Umschwingvorgang in den Zwischenspeicher LC auf des Wege über den Darlington und C (wobei bereits Energie in C zurückgespeist wird) und dann durch Abmagnetisieren von LC über DC in C+ und C-. Die Verluste der du/dt-Beschaltung werden bei der Anordnung nach Abb. 3 somit etwa zur Hälfte in die positive und negative Basisspannungsversorgung zurückgespeist.
Die erfindungsgemäße Rückspeisung der Verluate der du/dt- und di/dt-Beschaltung nach Anspruch 1 bis 4 in eins angepaßte Ansteuerschaltung kann natürlich ebenfalls gemäß Abb. 2 und 3 Anwendung finden, wen als Leistungsstellglied anstelle eines Schalttransistors ein abschaltbarer Thyristor (GTO-Thyristor) benutzt wird. Denn auch dieser benötigt positive und negative Steuerspannung zwischen Gate und Kathode. Das Kathodenpotential beim GTO-Thyristor entspricht dem Emitterpotential des Schalt-Endtransistors. Dies wird im Anspruch 6 festgehalten.
Die in den erfindungsgemäßen Anordnungen nach Abb. 2 und 3 gestrichelt eingezeichnete Diode D5 ist bei entsprechender Dimensionierung von LC überflüssig. Andernfalls unterdrückt D5 eine Schwingneigung von C mit beim Ausschalten des Darlingtons.

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zur Ansteuerung sowie verlustfreien du/dt- und di/dt-Begrenzung von Hochvoltschalttransistorendstufen für sehr hohe Taktfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die von den unverzichtbaren Kauptelementen C (du/dt) und L (dt/dt) dur jeweiligen Begrenzerschaltung in jedem Takt beim Schaltvorgang aufgenommene Energie in eine angepaßte Ansteuerschaltung zurückgespeist wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Ausschalten frei werdende Energie von L in die positive Steuerspannungsversorgung zurückgespeist wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Einschalten frei werdende Energie von C in die negative Steuerspannungsversorgung zurückgespeist wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Einschalten frei werdende Energie von C in die positive und negative Steuerspannungsversorgung zurückgespeist wird.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der tochvoltschalttransistor in Derlingtonanordnung aufgebaut ist, die über eine weitere im Gegentakt arbeitende Darlingtonkombination angesteuert wird, welche in Ausschaltzustand die Treiberbasis über einen ohmschen Widerstand und die Endtransistorbasis über eine Diodenkette mit der negativen Steuerspannungsversorgung verbindet.
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer Hochvoltschalttransistorendstufe ein abschaltbarer Thyristor (GTO-Thyristor) Anwendung findet.