DE2825033A1 - Beschaltung von in reihe geschalteten transistoren und verfahren zu ihrem betrieb - Google Patents

Description

FUJI ELECTRIC Co., Ltd. Mein Zeichen

Kawasaki / Japan VPA 77 P 8566 BRD

Beschaltung von in Reihe geschalteten Transistoren und Verfahren zu ihrem Betrieb

(Es wird die Priorität aus der Japanischen Anmeldung Sho T 71678 vom 17.6.1977 beansprucht).

Die Erfindung betrifft eine Beschaltung von in Reihe geschalteten Transistoren.

Bei auf dem Markt befindlichen Transistoren liegt die Durchbruchspannung in der Größenordnung von mehreren hundert Volt. Daher müssen für Anwendungen in Hochspannungsschaltungen mehrere Transistoren in Serienschaltung eingesetzt werden.

Eine Serienschaltung von Transistoren nach Figur 1 ist bei handelsüblichen Geräten bekannt. In dieser Schaltung sind Widerstände R₁₁, R₂-I* ···» R_n-I vorgesehen, um die an den Transistoren Tr₁, Tr_2t ..., Tr_n anstehenden Spannungen im ausgeschalteten Zustand auf gleiche Werte zu bringen, sowie Kondensatoren C^, C₂ ..., C_n und Widerstände ^R12' ^R22* ·*·' ^2' ^ ^{die 2}^ ^denselben Transistoren anstehenden Spannungen beim übergang vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand auf gleiche Werte zu bringen.

Sid 2 Bim / 30.5.1978

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Wenn mehrere in Serie geschaltete Transistoren im eingeschalteten Zustand sind, unterscheiden sich deren Kollektor-Emitter-Spannungen Vp_E(Sat) und die Verluste P„ dieser Transistoren untereinander. Figur 2 zeigt die 5 obengenannte Eigenschaft beispielhaft für den Fall, daß zwei Transistoren in Reihe geschaltet sind. Die Temperaturen T. der Ubergangs-Zonen zweier Transistoren Tr₁ und Tr₂, die vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand gebracht wurden, unterscheiden sich, wie Figur zeigt. Demzufolge unterscheiden sich die Restströme (entsprechend I_CE) zweier Transistoren erheblich voneinander. So steigt z.B. bei einer Temperaturerhöhung von 1⁰C der Reststrom um 10 bis 16 %. Unter der Annahme, daß bei einer Temperaturerhöhung von 1⁰C der Reststrom um 10 % steigt und daß die Temperatur eines ersten Transistors um 30° C höher als die eines zweiten Transistors ist, ist der Reststrom des ersten Transistors etwa siebzehn mal größer als der des zweiten Transistors. Aus diesem Grund sind die Kollektor-Emitter-Spannungen V_CE von Transistoren Tr₁ und Tr₂ unmittelbar nach dem Übergang in den ausgeschalteten Zustand erheblich verschieden, vie Figur 2 zeigt.

In der Schaltung nach Figur 1 kann der große Unterschied zwischen den Kollektor-Emitter-Spannungen V«_E der Transistoren verkleinert werden, indem man die Größe der Widerstände R₁₁ bis R₁₁₁ und R₁₂ bis R_₂ verringert und die Kapazität der Kondensatoren C₁ bis C erhöht. Eine derartige Maßnahme erhöht jedoch die Verluste in den Widerständen.

Eine andere, in Figur 3 dargestellte Schaltung wurde vorgeschlagen, um die Anzahl der benötigten Bauelemente zu reduzieren und die an verschiedenen Transistoren anstehenden Spannungen auf gleiche Werte zu bringen. In dieser Schaltung sind Konstantspannungselemente Dz₁,

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Dz₂, ..., Dz_n, z.B. Zenerdioden, zwischen den Kollektoren und Basen der entsprechenden Transistoren Tr^ bis

Tr_n angeordnet. Dadurch sind die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren durch die Konstantspannungen der Konstantspannungselemente begrenzt und für die Spannungsbegrenzung werden Werte gewählt, die unterhalb der Durchbruchspannungen der Transistoren liegen.

Obwohl das Auftreten von Überspannungen an den Transistoren mit der oben beschriebenen Schaltung verhindert werden kann, treten während der Übergangszeit der Transistoren in den ausgeschalteten Zustand große Unterschiede in den Verlusten auf, wie Figur 4 zeigt. Das ist ein Nachteil dieser Schaltung. Figur 4 zeigt einen Fall, wobei zwei Transistoren Tr₁ und Tr₂ in Reihe geschaltet sind und in den ausgeschalteten Zustand übergeführt werden. In diesem Fall sind die Verluste des früher ausgeschalteten Transistors (Tr₂) wesentlich größer als die Verluste des später ausgeschalteten Transistors (Tr₁X Aus diesem Grund steigen die Verluste in den Transistoren mit der Schaltfrequenz an und begrenzen daher die mögliche Schaltfrequenz.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Beschaltung von in Reihe geschalteten Transistoren und ein Verfahren zu ihrem Betrieb so auszugestalten, daß die Verluste während der Übergangszeit des Transistors in den ausgeschalteten Zustand verringert werden, daß die ungleichmäßige Verteilung der Verluste und Überspannungen während der Übergangszeit der Transistoren in den ausgeschalteten Zustand beseitigt werden, daß die an den einzelnen Transistoren im ausgeschalteten Zustand anstehenden Spannungen auf gleiche Werte gebracht werden und daß die Schaltfrequenz nicht begrenzt ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Kollektor und Basis jedes Transistors die Reihenschaltung eines Konstantspannungselements und eines elektronischen Schalters angeordnet ist.

Zusätzlich kann zwischen Kollektor und Emitter jedes Transistors eine Serienschaltung einer Diode und eines RC-Gliedes angeordnet sein, wobei das RC-Glied aus der Parallelschaltung eines Widerstands und eines Kondensators besteht.

Diese Beschaltung wird zweckmäßigerweise so betrieben, daß der elektronische Schalter eingeschaltet wird, sobald der Durchlaßbasisstrom des zugeordneten Transistors unterbrochen ist und ausgeschaltet wird, sobald die ■ Kollektor-Emitter-Spannungen aller Transistoren die Konstantspannungen der entsprechenden Konstantspannungselemente erreicht haben.

Damit werden die Verluste während der Ausschaltzeit der Transistoren verringert, Ungleichmäßigkeiten in der Leistungsverteilung und der Überspannungen beim Ausschalten der Transistoren werden verhindert, die Spannungsverteilung auf die einzelnen Transistoren im ausgeschalteten Zustand wird vergleichmäßigt und die Schaltfrequenz kann unbegrenzt erhöht werden.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Figur 6 zeigt Diagramme für die Übergangszeit der Transistoren in den ausgeschalteten Zustand, wobei in diesem Beispiel zwei Transistoren in Reihe geschaltet sind.

In der Schaltung nach Figur 5 sind Transistoren Tr₁, Tr₂, ...f Tr_n in Reihe geschaltet. Zwischen Kollektor und Emitter jedes Transistors Tr^ (wobei k ein Index größer 1

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VPA 77 P 8566 BRD und kleiner η ist) ist eine Serienschaltung einer Diode D^ mit einem RC-Glied angeordnet, wobei das RC-Glied aus der Parallelschaltung eines Widerstands R^ und eines Kondensators C_k besteht. Zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors Tr^ ist eine Serienschaltung eines Konstantspannungselements Dz_k, z.B. einer Zenerdiode, und eines Schalters S^. angeordnet.

Figur 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE und der Abschaltzeit (die Summe der Verzögerungszeit und der Abfallzeit) eines Transistors vor dem übergang in den ausgeschalteten Zustand. Wie Figur 7 zeigt, ist die Abschaltzeit eines Transistors stark abhängig von der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE vor dem Übergang in den ausgeschalteten Zustand. Die Ab schaltzeit eines Transistors nimmt mit ansteigender Kollektor-Emitter-Spannung V_CE ab. Im allgemeinen wird die Abschaltzeit vemachläßigbar klein, wenn die Spannung Vpg über 10 V steigt.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird unter Ausnutzung der in Figur 7 gezeigten Eigenschaft die Konstantspannung V₂ des Konstantspannungselements D^ auf einen Wert der Kollektor-Emitter-Spannung festgelegt, bei dem die Ausschaltzeit des Transistors im wesentlichen Null wird. Die Unterschiede in den Schaltzeiten verschiedener Transistoren werden aufgehoben, indem man während der Übergangszeit des Transistors Tr_k in den ausgeschalteten Zustand die Kollektor-Emitter-Spannung Vq£ für eine bestimmte Zeitspanne auf die Konstantspannung V₂ des Konstantspannungselements T^ anhebt und damit den Transistor in der aktiven Zone betreibt.

Die Funktion der Schaltung wird im folgenden anhand der Figur 6 beschrieben.

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Im Zeitpunkt t,, wird der Durchlaß-Basisstrom des Transistors Tr_k unterbrochen oder ein Strom in umgekehrter Richtung zugeführt. Gleichzeitig wird der Schalter S_k eingeschaltet. Nach der Verzögerungszeit (t₂ für den Transistor Tr^ und t, für den Transistor Tr₂) geht der Transistor Tr _k in den ausgeschalteten Zustand über, wodurch die Kollektor-Emitter-Spannung V«„ des Transistors Tr,. ansteigt. Sobald die Spannung V«-, die Konstantspannung V₂ des Konstantspannungselements D_zk erreicht hat, beginnt das Konstantspannungselement D_2k zu leiten, wodurch ein Basisstrom durch den Transistor Tr_k fließt und die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE im wesentlichen auf V hält. Im Zeitpunkt t^, wenn die Kollektor-Eraitter-Spannungen V_CE beider Transistoren Tr^ und Tr₂ die Konstantspannung V_ erreicht haben, wird der Schalter S_k ausgeschaltet und die Transistoren Tr^ und Tr₂ werden fast gleichzeitig und vollständig in den ausgeschalteten Zustand übergeführt. Daher werden die Verluste, die während der Zeit, in der einer der Transistören früher als ein anderer in den ausgeschalteten Zustand übergeht (im Fall nach Figur 6 geht der Transistor Tr^ eher in den ausgeschalteten Zustand als der Transistor Tr₂) auftreten, wesentlich verringert.

Die Bauteile sind in dieser Ausgestaltung so aufeinander abgestimmt, daß während des Übergangs des Transistors Tr_k in den ausgeschalteten Zustand die Spannung über dem Kondensator C_k gleichmäßig auf die Diode D_k und den Widerstand R_k aufgeteilt werden.

Ferner kann das Auftreten einer überspannung am Transistor oder einer ungleichmäßigen Verteilung der an den Transistoren anstehenden Spannungen im wesentlichen verhindert werden, da die Kollektor-Emitter-Spannungen V_CE durch die Spannung am Kondensator C_k begrenzt ist, nachdem der Transistor Tr₁₅- in den ausgeschalteten Zustand

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übergeführt ist.

Der in der Schaltung nach Figur 5 verwendete elektronische Schalter S^ ist ein Transistor oder ein abschaltbarer Thyristor, wie Figur 8 zeigt.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung können die an den Transistoren in Reihenschaltung anstehenden Spannungen während der Übergangszeit in den ausgeschalteten Zustand der Transistoren und nach dem Übergang in den ausgeschalteten Zustand auf gleiche Werte gebracht werden. Daher kann die Arbeitsfrequenz der Schaltung wesentlich angehoben werden, die Verluste im Widerstand R^ können • wesentlich vermindert werden, da die Werte der Widerstände R^ zur Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung auf die Transistoren während der Ausschaltzeit erheblich angehoben werden können und die Zahl der in Reihe geschalteten Transistoren kann unbegrenzt erhöht werden.

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Claims (3)

1. VPA 77 P 8566 Patentansprüche

   J Beschaltung von in Reihe geschalteten Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß zwisehen Kollektor und Basis jedes Transistors (Tr ) die Reihenschaltung eines Konstantspannungselements (Dz_n) und eines elektronischen Schalters (S_n) angeordnet ist.
2. 2. Beschaltung von in Reihe geschalteten Transistoren

   nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kollektor und Emitter jedes Transistors (Tr_n) eine Serienschaltung einer Diode (D_n) und eines RC-Gliedes (R_n, C_n) angeordnet ist, wobei das RC-Glied (R_n, C_n) aus der Parallelschaltung eines Widerstandes (R_n) und eines Kondensators (C) besteht.
3. 3. Verfahren zum Betrieb einer Beschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (S_n) eingeschaltet wird, sobald der Durchlaß-Basisstrom des zugeordneten Transistors (Tr_n) unterbrochen ist und ausgeschaltet wird, sobald die Kollektor-Emitterspannungen aller Transistoren (Tr) die Konstantspannungen der entsprechenden Konstantspannungselemente (Dz_n) erreicht haben.

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