DE2808000C2

DE2808000C2 - Verfahren und Anordnung zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern

Info

Publication number: DE2808000C2
Application number: DE2808000A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr.-Ing. Nestler; Hans Dipl.-Ing. 1000 Berlin 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: 1985-01-31
Also published as: JPS54118161A; GB2015270A; GB2015270B; DE2808000A1; US4293779A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern, die durch Impulse einer Polaritaet gezuendet (Zuendimpuls) und durch Impulse entgegengesetzter Polaritaet wieder geloescht werden koennen (Loeschimpuls), wobei die Impulse ber einen Transformator auf den an die Sekundaerseite des Transformators angeschlossenen Leistungshalbleiter uebertragen werden. Leistungshalbleiter, die auf diese Weise angesteuert werden muessen, sind beispielsweise Abschaltthyristoren (Gate-Turn-Off-Thyristoren oder GTO). Dieses Verfahren gewaehrleistet bei einer potentialfreien Uebertragung des Ansteuerimpulses unabhaengig voneinander eine beliebige Einstellung von Zuend- und Loeschimpuls, wobei eine ausreichende Zuendenergie sichergestellt ist und unerwuenschte Stoerstroeme vermieden werden. betreiben, die obere Frequenzgrenze haengt von der Freiwerdez

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern, die durch impulse einer Polarität gezündet (Zündimpulse) und durch Impulse entgegengesetzter Polarität wieder gelöscht wer- den 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 müssen, sind beispielsweise Abschaltthyristoren (Gate-Turn-Off-Thyristoren oder GTO).

Der Zündimpuls für Abschaltthyristoren muß ähnlich beschaffen sein wie der für Thyristoren. Um die Einschaltverlustleistung gering zu halten, wird eine hohe impulssteilheit angestrebt und der Zündimpuls am Anfang durch eine Stromspitze überhöht Nach dem Zünden der Thyristoren soll außerdem die Zündbereitschaft noch erhalten bleiben, weil die Thyristoren durch Stromschwingungen leicht verlöschen können. In der Praxis werden daher Zündimpulse verwendet, die im wesentlichen aus einem kurzen, steilen Impuls großer 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-Sperrschicht überschritten, so wird dieser Teil des

Steuerstroms, 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 Konstantspannungsqueiie mit der höchstzu lässigen Gate-Abschaltspannung. Die Gate-Abschalt spannung ist im Vergleich zur Zündspannung des Abschaltthyristors wesentlich größer.

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

Will man die Steuerungsimpulse 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 Durchschallen nicht ausreicht und die Verlustleistung auf unzulässige Werte ansteigt.

Eine Zusammenstellung der physikalischen Verhältnisse ist der Litcralurstellc »Wissenschaftliche Berichte AEG-TELEFUNKEN« 50(1977), Heft 1/2, Seiten 39 bis

b5 48, zu entnehmen.

Es ist durch die US-Patentschrift. 37 40 583 eine Schaltung zur Erzeugung von /ündimpulscn für einen Thyristor bekanntgeworden, die von der Sekundärwicklung

eines Transformators abgenommen werden, wobei der Transformator zwei Primärwicklungen besitzt. Jede Primärwicklung liegt zwischen einer Spannungsquelle und einem Transistor. Die Basen der Transistoren werden durch eine logische Schaltung gesteuert, wodurch man eine gewünschte Form der Zündimpulse erhält Bei den zu zündenden Thyristoren handelt es sich aber nicht um abschaltbare Thyristoren-, d. h. um solche, die mit Impulsen entgegengesetzter Polarität auch wieder gelöscht werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung und potentialfreien Übertragung von Ansteuerimpuisen für Leistungshalbleiter zu schaffen, bei dem die Ansteuerungsimpulse nicht nur entgegengesetzte Polarität, sondern auch dem Schaltverhal- is ten der Leistungshalbleiter angepaßte, unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wobei bei jedem Schaltvorgang die Zufuhr ausreichender Zündenergie sichergestellt ist Gleichzeitig sollen die bei potemialfreier Übertragung mittels eines Transformators auftretenden Magnetisierungsströme als unerwünschte Störströme vom Steueranschiuß des Leistungshalbleiters ferngehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Steuerverfahren gelöst das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zünd- oder Löschimpuls durch Ansteuern eines zwischen den einen Pol 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, wobei nach Ausschalten des ersten Transistors durch kurzzeitiges Ansteuern des zweiten oder dritten Transistors der Magnetisierungsstrom im Anschluß an den übertragenen Zünd- oder Löschimpuls auf der Primärseite 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 anodenseitigen Anschluß an die Anzapfung der Primärwicklung geführt wird.

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

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einer Spannungsquelle die Emitter-Kollektor-Strecke eines ersten Transistors in Reihe 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 Primärseite des Transformators mit in Reihe geschalteter Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten und dritten Transistors liegen.

Diese Anordnung bewirkt durch Aufteilung der Primärwicklung des Transformators in zwei Teilwicklun- b5 gen für die getrennte Übertragung von Zünd- und Löschimpuls und geeignete Ansteuerung zweier an die Teilwicklungen angeschlossener Transistoren, daß der Magnetisierungsstrom im Anschluß an einen übertragenen Impuls auf der Primärseite der Transformatoren geführt wird.

Damit der Entmagnetisierungsvorgang des Transformators möglichst rasch abläuft, ist in dem Pfad des Magnetisierungsstromes eine Zenerdiode angeordnet

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Steuerungsspannungen der Transistoren und des Steuerstromes für den Leistungshaibleiter.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiters Th besteht aus einer an die Primärwicklung Tr 1 und Tr 2 eines Transformators Tr angeschlossenen Stufe zur Impulsbildung bzw. -verstärkung und einem an die Sekundärwicklung Tr 3 des Transformators Tr angeschlossenen Ansteuerkreis für den Leistungshalbleiter Th, der im Ausführungsbeispiel aus einem Abschaltthyristor (GTO-Thyristor) besteht

Die durch eine Anzapfung in zwei Teilwicklungen Tr 1 und Tr 2 unterteilte Primärwicklung des Transformators Trist an den Wicklungsenden mit den Kollektoren zweier Transistoren Γ2 und T3 verbunden, deren Emitter an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle Uc angeschlossen sind. Bei Anzapfung der Primärwicklung ist über die Reihenschaltung einer ersten Zenerdiode DX mit einer Diode D 6 ebenfalls an den Minuspol der Gleichspannungsquelle Uc, angeschlossen, wobei die Dioden D1 und D 6 kathodenseitig miteinander verbunden sind. Über die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors Π mit einer Parallelschaltung eines ersten Widerstandes R 1 und eines Kondensators C1 ist die Anzapfung mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle Uc verbunden.

Eine parallel zur Gleichspannungsquelle Uc geschaltete Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes R 2, einer kathodenseitig an diesen Widerstand R 2 angeschlossenen zweiten Zenerdiode D 2, eines dritten Widerstandes R 3 und der Kollektor-Emitter-Strecke eines vierten Transistors T4 dient zur Basis-Ansteuerung des ersten Transistors Ti, wobei die Basis an die Verbindung von zweitem Widerstand R 2 und zweiter Zenerdiode D2 angeschlossen ist. Die Basisanschlüsse des zweiten bis vierten Transistors TT. bis TA werden mit Eingangssignalen un, Ue und Ua beaufschlagt, deren zeitliche Reihenfolge und Funktion nachstehend anhand der Beschreibung der F i g. 2 erläutert wird. Die an die Anzapfung der Primärwicklung des Transformators Tr angeschlossene erste Zenerdiode D 1 dient im wesentlichen dem raschen Ablauf des Entmagnetisierungsvorganges des Transformators Tr nach der Impulsübertragung.

Der an die Sekundärwicklung Tr 3 des Transformators Tr angeschlossene Steuerkreis für den Leistungshalbleiter Th enthält im Ausführungsbeispiel eine dritte Zenerdiode D 3, die zwischen dem Gate des Leistungshalbleiters Th und dem einen Wicklungsende der Sekundärwicklung TrZ mit anodenseitigem Anschluß an das Gate liegt, während die Kathode des Leistungshalb- !riters Th an das andere Wicklungsende der Sekundärwicklung Tr3 angeschlossen ist. Parallel zur Gate-Kathodenstreckc des Leistungshalbleiters 77? liegen sowohl ein vierter Widerstand /?4 als auch die Reihenschaltung einer zweiten Diode D 4 und einer vierten Zenerdiode D5, die beide anodenseitig untereinander

verbunden sind.

Während die vierte Zenerdiode D5 zur Begrenzung der Gate-Abschaltspannung dient, kann mit Hilfe der dritten Zenerdiode D 3 der Unterschied in der Amplitude zwischen Zünd- und Löschimpuls ausgeglichen werden, so daß die primärseitigen Teilwicklungen Tr 1 und TrI des Transformators 7>mit gleicher Windungszahl ausgeführt werden können. Es ist 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 F i g. 1 soll nachfolgend anhand des in F i g. 2 dargestellten Impulsdiagramms näher erläutert werden. Danach werden im !5 einzelnen der Zünd- und Löschimpuls auf folgende Weise gebildet:

Zur Erzeugung des Zündimpulses werden der zweite und vierte Transistor T2 und TA mit den an die Basis angelegten Steuerspannungen u/yund u/rzum Zeitpunkt ii angesteuert. Der Steuerstrom fließt auf der Primärseite des Transformators vom Pluspol der Spannungsquelle Uc über den ersten Transistor Tl, die Parallelschaltung aus erstem Widerstand R 1 und Kondensator Cl, die erste Teilwicklung Tr 1 des Transformators Tr, den zweiten Transistor Tl zum Minuspol der Spannungsquelle Uc. zurück. Sekundärseitig fließt der Steuerstrom ic über die Sekundärwicklung Tr 3 des Transformators, die dritte Zenerdiode D 3 und die Gate-Kathodenstrekke des Leistungshalbleiters Th. Während der erste Transistor Tl zum Zeitpunkt ti ausgeschaltet wird, bleibt der zweite Transistor T2 durch weiteres Anlegen der Steuerspannung ue bis zum Zeitpunkt /3 angesteuert. Der Entmagnetisierungsstrom fließt primärseitig über die erste Transformatorteilwicklung TrI, den zweiten Transistor Tl, die erste Zenerdiode D 1 und die erste Diode DS. Auf die Sekundärseite des Transformators Trist der Steuerstrom ic Null.

Zur Erzeugung des Löschimpulses werden zum Zeitpunkt u der dritte und vierte Transistor T3 und T4 mit den Spannungsimpulsen u_H und υ_Λ angesteuert. Primärseitig fließt der Gate-Abschaltstrom vom Pluspol der Spannungsquelle über den ersten Transistor Γ1, die Parallelschaltung aus erstem Widerstand R 1 und Kondensator Cl sowie über die zweite Transformatorteilwicklung Tr 1 und den dritten Transistor Γ3 zum Minuspol der Spannungsquelle. Zum Zeitpunkt is bleibt der dritte Transistor Γ3 angesteuert, während der erste Transistor Π durch Beendigung des Ansteuerimpulses uh ausgeschaltet wird. Der Entmagnetisierungsstrom fließt über die zweite Trar.sforir.atorteüwäckiung Tr2, die Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Transistors Γ3, die erste Zenerdiode D 1 und die erste Diode D 6. Der Gate-Abschaltstrom ic ist sekundärseitig Null. Die Höhe des Gate-Abschaltstroms ic ist durch das Ober-Setzungsverhältnis der zweiten Teilwicklung des Transformators Tr 2 zur Sekundärwicklung des Transformators Tr 3 bzw. bei Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators Tr durch die dritte Zenerdiode D 3 bedingt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern, die durch Impulse einer Polarität gezündet (Zündimpuls) und durch Impulse entgegengesetzter Polarität wieder gelöscht werden können (Löschimpuls), wobei die Impulse über einen Transformator auf den an die Sekundärseite des Transformators angeschlossenen Leistungshalbleiter übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünd- oder Löschimpuls durch Ansteue-n eines zwischen den einen Pol einer Spannungsquelle (Uc) und eine Anzapfung der in zwei Teilwicklungen (TrI und Tr 2) unterteilten Primärwicklung des Transformators geschalteten ersten Transistors (Ti) und wahlweises Ansteuern eines der beiden an die Enden der Teilwicklungen angeschlossenen zweiten oder dritten Transistors (T2, T3) gebildet wird, wobei nach Ausschalten des ersten Transistors (Tt) durch kurzzeitiges weiteres Ansteuern des zweiten oder dritten Transistors (T2, T3) der Magnetisierungsstrom im Anschluß an den übertragenen Zünd- oder Löschimpuls auf der Primärseite des Transformators (Tr) über denjenigen der an das Ende jeder Teilwicklung (TrX oder 7>2) der Primärwicklung angeschlossenen Transistoren (T2, Γ3), der zuvor den Zünd· bzw. Löschimpuls gebildet hat und eine an die Anzapfung der Primärwicklung und den anderen Pol der Spannungsquelle (Uc) angeschlossenen ersten Zenerdiode (Di) mit anodenseitigem Anschluß an die Anzapfung der Primärwicklung geführt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einer Spannungsquelle (Uc) die Emitter-Kollektor-Strecke eines ersten Transistors (Ti) über einen ersten Widerstand (R i) in Reihe geschaltet ist mit einer Anzapfung der Primänvicklung des Transformators (Tr), einer Zenerdiode (Di), die anodenseitig mit der Anzapfung verbunden ist, und einer kathodenseitig mit der Kathode der Zenerdiode (D i) verbundenen Diode (D6) und daß parallel zur Reihenschaltung von Diode (D 6) und Zenerdiode (D i) jeweils die beiden Teilwicklungen der Primärseite des Transformators (Tr) mit in Reihe geschalteter Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten und dritten Transistors (T2, 73) liegen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Spannungsquelle (Uc) die Reihenschaltung eines dritten Widerstandes (R 3), einer zweiten Zenerdiode (D 2) mit kathodenseitigem Anschluß am dritten Widerstand (R 3), eines zweiten Widerstandes (R 2) und die Kollektor-Emitter-Strecke eines vierten Transistors (TA) liegt, und daß zwischen drittem Widerstand (R 3) und zweiter Zenerdiode (D 2) die Basis des ersten Transistors (Ti) angeschlossen is'..

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die primärseitigen Teilwicklungen des Transformators (Tr) gleiche Windungszahl aufweisen und auf der Sekundärseile des Transformators (Tr)eine dritte Zenerdiode (D 3) mit anodenseitigem Anschluß am Slcueranschluß des Leistungshalblcilerf7~Λ^ vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teilwicklungen des Transfornialors (Tr) unterschiedliche Windungszahl auf

weisen.