DE2808000A1

DE2808000A1 - Verfahren zur ansteuerung von leistungshalbleitern

Info

Publication number: DE2808000A1
Application number: DE19782808000
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr Ing Nestler; Hans Dipl Ing Wrede
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-02-23
Filing date: 1978-02-23
Publication date: 1979-08-30
Also published as: GB2015270A; US4293779A; DE2808000C2; JPS54118161A; GB2015270B

Description

Licentia patent-Verwaltungc-C-nibli 6 Frankfurt am Main. Theodor-Stern-Kai

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Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung von Leirtungshalbleitern, die durch Impulse einer Polarität gezündet (Zündinpuls) und durch Iispulse entgegengesetzter Polarität wieder gelöscht werden können (Löschimpuls), wobei die Impulse über einen Transformator auf den an die Sekundärseite des Transformators angeschlossenen Leistungshalbleiter übertragen werden.

Leistungshalbleiter, die auf diese Weise angesteuert werden nüssen, sind beispielsweise Abschaltthyristoren (Gate-Turn-Off-Thyristoren oder GTO).

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Der Zündimpulc für Abr.chaltthyristoren muß ähnlich beschaffen -ein. wie der für Thyristoren. U~ die Sinschaltverlustleistuns gering ^Ζλ^ halten, wird eine hohe Impuiscteilheit angestrebt und der ZündimpulG ar: Anfang durch eine Stro*nr.pitze überhöht. Xach den Zünden der Thyriotoren coil aui:erden die Zündbereitschaft noch

erhalten bleiben, weil die Thyristoren durch 3tror:.?.chwinf7J.nsen leicht verlöschen können. In der Praxis werden daher Zlindimpulne verwendet, die im wesentlichen aus einen kurzen, steilen Impuls gro3er Stromstärke und einem breiten Impuls geringer Stromstärke bestehen.

Durch einen Steuerungsimpuls entgegengesetzter Polarität wird der Abschaltthyristor wieder gelöscht. Der Löschimpuls für einen Abschaltthyristor ist entsprechend der "Ausschaltstromverstärkung und des Durchlaßstromes des Abschaltthyristors aufzubringen. Der Spitzenwert des Gate-Abschaltstromes wird bei Vorgabe der Gate-Abschaltspannung vom transversalen Bahnwiderstand der Gate-Kathoden-Strecke des Thyristors begrenzt. Wird durch zu großen negativen Steuerstrom die Durchbruchspannung der Gate-Kathoden-Sperrcchicht überschritten, so wird dieser Teil des Steuerstromes, der als Sperrstrom über den pn-übergang abfließt, zum Ausräumen nicht wirksam.

Der optimale Betrieb beim Ausschalten ergibt sich daher durch Ansteuerung der Gate-Kathoden-Strecke aus einer Kon-

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staritspaiiaungsquelle mit der höchstzulässigen Gate-Abschal tspannung. Die Gate-Abschaltspannung ist im Vergleich zur Zündspannung des Abschaltthyristors wesentlich größer.

Es werden daher von den Steuerimpulsen nicht nur entgegengesetzte Polaritäten für die Zündung und Löschung der Leistungshalbleiter gefordert, sondern auch grundsätzlich andere Eigenschaften der Impulse.

'«ill man die Steuerungsisipulse potentialfrei auf den betreffenden Leistungshalbleiter übertragen, tritt als zusätzliche Schwierigkeit das Problem auf, daß bei der übertragung der Zünd- und Löschimpulse mit Hilfe eines Transformators Magnetisierungsströme als Störströme auftreten können, die den Abschaltthyristor unerwünscht zünden oder löschen können. Es besteht sogar die Gefahr der Zerstörung, wenn die Zündenergie beim Durchschalten nicht ausreicht und die Verlustleistung auf unzulässige Werte ansteigt.

Eine Zusammenstellung der physikalischen Verhältnisse ist der Literaturstelle "Wissenschaftliche Berichte AEG-TELE* FUNKEN" 50 (1977), Heft 1/2, Seiten 39 bis -4-8 zu entnehmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung und potentialfreien Übertragung von Ansteuerimpulsen für Leistungshalbleiter zu schaffen, bei dem die An3teuerungsimpulse nicht nur entgegengesetzte Polarität,

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sondern auch dem Schaltverhalten der Leistungshalbleiter angepaßte, unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wobei bei jedem Schaltvorgang die Zufuhr ausreichender Zündenergie sichergestellt ist. Gleichzeitig sollen die bei potentialfreier Übertragung mittels eines Transformators auftretenden Magnetisierungsströme als unerwünschte Störströme vom Steueranschluß des Leistungshalbleiters ferngehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Steuerverfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zündoder Löschimpuls durch Ansteuern eines zwischen den einen FoI einer Spannungsquelle und eine Anzapfung der in zwei Teilwicklungen unterteilten Primärwicklungen des Transformators geschalteten ersten Transistors und wahlweises Ansteuern eines der beiden an die Enden der Teilwicklungen angeschlossenen zweiten oder dritten Transistors gebildet wird und daß durch Ausschalten des ersten Transistors und weiteres Ansteuern des zweiten oder dritten Transistors der Magnetisierungsstrom im Anschluß an den übertragenen Zünd- oder Löschimpuls auf der Pri~ märseite des Transformators über denjenigen an das Ende jeder Teilwicklung der Primärwicklung angeschlossenen Transistoren, der zuvor den Zünd- bzw. Löschimpuls gebildet hat und eine an die Anzapfung der Primärwicklung und den anderen Polen der Spannungsquelle angeschlossenen ersten Zenerdiode mit anodenseitigem Anschluß an die Anzapfung der Primärwicklung geführt wird.

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Dieses Verfahren gewährleistet bei einer potentialfreien übertragung des Ansteueriaapulseo unabhängig voneinander eine beliebige Einstellung von Zünd- und Löschimpuis, wobei eine ausreichende Zündenergie sichergestellt ist und unerwünschte Störströme versieden werden. Durch die wechselseitige Magnetisierung ist zudem eine geringere Baugröße des Transformators als bei gleichsinniger Magnetisierung erreichbar.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einer Spannungsquelle die Emitter-Kollektor-Strecke eines ersten Transistors in Keine geschaltet ist mit einer Anzapfung der Primärwicklung des Transformators, einer Zenerdiode, die anodenseitig mit der Anzapfung verbunden ist, und einer kathodenseitig mit der Kathode der Zenerdiode verbundenen Diode und daß parallel zur Reihenschaltung von Diode und Zenerdiode jeweils die beiden Teilwicklungen der Frimärseite des Transformators mit in Reihe geschalteter Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten und dritten Transistors liegen.

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Diese Anordnung "bewirkt durch Aufteilung der Frinärwicklu~v~ dec Tranr.forrr.ators in zwei Teilwicklungen für die -'■trennte Übertragung vcn Zünd- und Löschi~ipuls und gee ^:.rrnete Ansteuerung zweier an die Teilwicklungen ange-3chlo£ner..er Transistoren,da3 der Kagnetisierungsstrom im Anschluß an einen übertragenen Impuls auf der Primärseite der- Transformators geführt wird.

Da'nit der Entmagnetisierungsvorgang des Transformators z.':r\ich~t rasch abläuft, ist in den: Pfad des I^agnetisier'.-r.-r::·trones eine Zenordiode angeordnet.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeicpielec soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.

Ss zeigen

Fir. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgelaäßen Verfahrens und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Steuerungsspannungen der Transistoren und des Steuerstromes für den Leistungshalbleiter.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleitero Th besteht aus einer an die Primärwicklung Tr1 und Tr2 eines Transformators Tr angeschlosse-

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ηen Stufe zur Impulsbildung bzw. -Verstärkung und einen an die Sekundärwicklung Tr3 des Transformators Tr angeschlossenen Ansteuerkreis für den Leistungshalbleiter Th", der ir. Auoführungsbeicpiel auc einem Abschaltthyristor (GTO-Thyristor) besteht.

Die durch eine Anzapfung in ζ v/ei Teilwicklungen Tr"i und Tr 2 unterteilte Primärwicklung des Transformators Tr ist an den Wicklungsenden mit den Kollektoren zweier Transistoren Tr? und 13 verbunden, deren Emitter an den negativen Pol einer Gleichirpannungsquelle "Jq angeschlossen sind. Die Anzapfung der Primärwicklung ist über die Reihenschaltung einer ersten Zenerdiode D1 mit einer Diode D6 ebenfalls an den Ninuspoi der GIeichspannungsquelle *J~ angeschlossen, wobei die Dioden D1 und D6 kathodenseitig miteinander verbunden sind, über die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors T1 mit einer Parallelschaltung eines ersten Widerstandes R1 und eines Kondensators C1 ist die Anzapfung mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle Uq verbunden.

Eine parallel zur Gleichspannungsquelle U^, geschaltete Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes R2, einer kathodenseitig an diesen Widerstand R2 angeschlossenen zweiten Zenerdiode D2, eines dritten Widerstandes R3 und der Kollektor-Emitter-Strecke eines vierten Transistors T4 dient zur Basis-Ansteuerung des ersten Transistors T1,

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wobei die Basis an die Verbindung von zweitem Widerstand R2 und zweiter Zenerdiode D2 angeschlossen ist. Die Basisanschlüose dos zweiten bis vierten Transistors T2 bis T4-v;crdcn r.it Eingarigssignalen vu, U₇ und u. beaufschlagt, deren zeitliche Reihenfolge und Funktion nachstehend anhand der Beschreibung der Fig. 2 erläutert wird. Die an di° Anzapfung der Primärwicklung des Transformators Tr angeschlossene erste Zenerdiode D1 dient im wesentlichen den raschen Ablauf des Entmagnetisierungsvorganges des Transformators Tr nach der Impulsübertragung.

Der an die Sekundärwicklung Tr3 des Transformators Tr angeschlossene Steuerkreis für den Leistungshalbleiter Th enthält im Ausführungsbeispiel eine dritte Zenerdiode DJ, die zwischen dem Gate des Leistungshalbleiters Th und dem einen Wicklungsende der Sekundärwicklung Tr? mit anodenseitiGom .Anschluß an das Gate liegt, während die Kathode des Leistungshalbleiters Th an das andere 'wicklungsende der Sekundärwicklung Tr3 angeschlossen ist. Parallel zur Gate-Kathodenstrecke des Leistungshalbleiters Th liegen sowohl ein vierter Widerstand RA- als auch die Reihenschaltung einer zweiten Diode D4· und einer vierten Zenerdiode D5i die beide anodenseitig untereinander verbunden sind.

Während die vierte Zenerdiode D5 zur Begrenzung der Gate-Abschaltspannung dient, kann mit Hilfe der dritten Zener-

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diode D3 der Unterschied in der Amplitude zwischen Zünd- und Lcschimpulc ausgeglichen werden, so daß die primärseitigen Teilwicklungen Tr1 und Tr2 des Transformators Tr ~it gleicher Windungszahl ausgeführt werden können. Ss i:-t jedoch nach der erfindungsgemäßen Anordnung auch möglich, auf diese Diode zu verzichten und entsprechend unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse durch verschieden große primärseitige Teilwicklungen vorzusehen.

Die Funktionsweise der Anordnung nach Fig. 1 soll nachfolgend anhand des in Fig. 2 dargestellten Impulsdiagramns näher erläutert werden. Danach v/erden im einzelnen der Zür.d- und Löschimpuls auf folgende Weise gebil-

Zur Erzeugung des Zündinipulses werden der zweite und vierte Traneistor T2 und T4 nit den an die Basis angelegten S teuer spannungen u_u und u_v zum Zeitpunkt t^, angesteuert. Der Steuerstron fließt auf der Prinärseite des Transformators vom Pluspol der Spannungsquelle XJn über den ersten Transistor T1, die Parallelschaltung aus ersten Widerstand R1 und Kondensator C1, die erste Teilwicklung TR1 des Transformators Tr, den zweiten Transistor T2 zum Minuspol der Spannungsquelle U^ zurück. Sekundärseitig fließt der Steuerstrom i« über die Sekundärwicklung Tr3 des Transformators, die dritte Zenerdiode D3 und die Gate-Kathodenstrecke des Leistungs-

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halbleiters Th. Während der erste Transistor T1 zum Zeitpunkt t^ ausgeschaltet wird, bleibt der zweite Transistor T2 durch weiteres Anlegen der Steuer spannung _Ut? bis sun Zeitpunkt t₇ angesteuert. Der Entmagnetisierungsstrom fließt priirürseitig über die erste Transformatorteilwicklung Tr1, den zweiten Transistor T2, die erste Zenerdiode D1 und die erste Diode D6. Auf die Sekundärseite des Transformators Tr ist der Steuerstrom I_n Null.

Zur Erzeugung des Löschimpulses werden zum Zeitpunkt t^, der dritte und vierte Transistor T3 und T4- mit den Spannungsimpulsen u- und U₁ angesteuert. Primärseitig fließt der Gate-Abschaltstrom vom Pluspol der Spannungεquelle über den ersten Transistor T1, die Parallelschaltung aus erstem Widerstand R1 und Kondensator C1 sowie über die zweite Transformatorteilwicklung Tr2 und den dritten Transistor T3 zum Minuspol der Spannungsquelle. Zum Zeitpunkt te bleibt der dritte Transistor T3 angesteuert, während der erste Transistor T1 durch Beendigung des Ansteuerimpulses U't ausgeschaltet wird. Der Entmagnetisierungsstrom fließt über die zweite Transformatorteilwicklung Tr2, die Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Transistors T3, die erste Zenerdiode D1 und die erste Diode D6. Der Gate-Abschaltstrom I_n ist sekundärseitig Null. Die Höhe des Gate-Abschaltstromes I_n ist durch das Über-Setzungsverhältnis der zweiten Teilwicklung des Transformators Tr2 zur Sekundärwicklung des Transformators TrJ

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bzw. bei Kittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators Tr durch, die dritte Zenerdiode D 3 bedingt.

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Claims

Licoutia Patent-VerwalturigG-GnbH 6 Frankfurt/Main, Theodor-Stem-Eai 1

ITinnemann/bw _t 3 78/6 !T

6.2.1978

Patentanspruch

\\ ./Yerf ahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern, die durch Impulse einer Polarität gezündet (Zündimpuls) und durch Impulse entgegengesetzter Polarität wieder gelöscht werden können (Löschiirpuls), wobei die Impulse über einen Transformator auf den an die Sekundürseite des Transformators angeschlossenen Leistungshalbleiter übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünd- oder Löschimpuls durch Ansteuern eines zwischen den einen Pol einer Spannungsquelle (Uq) und eine Anzapfung der in zwei Teilwicklungen (Tr1 und Tr2) unterteilten Primärwicklung des Transformators geschalteten ersten Transistors (T1) und wahlweises Ansteuern eines der beiden an die Enden der Teilwick-

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lungen angeschlossenen zweiten oder dritten Transistors (T2, T3) gebildet wird und daß durch Ausschalten des ersten Transistors (T1) und weiteres Ansteuern des zweiten oder dritten Transistors (T2, T5) der Magnetisierungsstrom im Anschluß an den übertragenen Zünd- oder Löschimpuls auf der Primärseite des Transformators (Tr) über denjenigen der an das Ende jeder Teilwicklung (TrI oder Tr2) der Primärwicklung angeschlossenen Transistoren (T2, Tj5), der zuvor den Zünd- bzw. Löschimpuls gebildet hat und eine an die Anzapfung der Primärwicklung und den anderen Pol der Spannungsquelle (U~) angeschlossenen ersten Zenerdiode (D1) mit anodenseitigem Anschluß an die Anzapfung der Primärwicklung geführt wird.
2. Anordnung zur Durchführung des Yerfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einer Spannungsquelle (Uq) die Emitter-Kollektor-Strecke eines ersten Transistors (T1) über einen ersten Widerstand (R1) in Seihe geschaltet ist mit einer Anzapfung der Primärwicklung des Transformators (Tr), einer Zenerdiode (Di), die anodenseitig mit der Anzapfung verbunden ist, und einer kathodenseitig mit der Kathode der Zenerdiode (D1) verbundenen Diode (D6) und daß parallel zur Reihenschaltung von Diode (D6) und Zenerdiode (D1) jeweils die beiden Teilwicklungen der Primärseite des Transformators (Tr) mit in Eeihe geschalteter Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten und dritten Transistors (T2, T3) liegen.

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3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Gpannungsouelle (U^) die Reihenschaltung eines dritten Widerstandes (R3), einer zweiten Zener-

• diode (D2) mit kathodenseitigem Anschluß an dritten Widerstand (H3), eines zweiten Widerstandes (R2) und die /lollektor-Emitter-Strecke eines vierten Transistors (T⁷O liegt, und daß zwischen drittemWiderstand (H 3} und zweiter Zenerdiode (D2) die Basis des ersten Transistors (T1) angeschlossen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet. da3 die priraärs-eitigen Teilwicklungen des Transformators (Tr) gleiche V/indungszahl aufweisen und auf der Sekundärseite des Transformators (Tr) eine dritte Zenerdiode (S3) sit anodenseitigem Anschluß an Steueranschluß des Leistungshalbleiters (Th) vorgesehen ist.

5· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß "beide Teilwicklungen des Transformators (Tr) unterschiedliche Windungszahl aufweisen.

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