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Steuerschaltung zur potentialfreien Ansteuerung eines Leistungstransistors
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur potentialfreien Ansteuerung eines
Leistungstransistors gemäß dem Ob erbegriff der Patentansprüche 1 und 2.
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Leistungstransistoren gewinnen durch die fortschreitende Verbesserung
ihrer Grenzdaten und die Senkung ihrer Herstellungskosten in der Leistungselektronik
zunehmend an Bedeutung. Um größere Leistungen bei geringer Verlustleistung steuern
zu können, werden die Leistungstransistoren nicht als lineare Verstärker, sondern
als Schalter betrieben.
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Die Steuerung eines Leistungstransistors hat auf sein Schaltverhalten
entscheidenden Einfluß, was sich in den Schaltzeiten und -verlusten beim Ein- und
Ausschalten auswirkt. Die Steuerung des Leistungstransistors ist mit dafür verantwortlich,
daß er im sicheren Arbeitsbereich betrieben wird und demzufolge zuvert lässig und
mit gutem Wirkungsgrad arbeitet. Die Steuerung hat die Aufgabe, einen entsprechenden
Zeitverlauf des Basisstromes iB vorzugeben. Ziel ist es dabei, den Leistungstransistor
vom gesperrten in den gesättigten Zustand und umgekehrt so schnell wie möglich und
mit möglichst geringem Energieverlust uzzuschalten.
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Fig.1 zeigt den Zeitverlauf des Basisstromes eines Leistungstransistors,
wie er anzustreben ist. Um den Leistungstransistor mit geringen Einschaltverlusten
zu schalten, sollte der Basisstrom möglichst schnell ansteigen und außerdem während
der Anstiegszeit tr des Kollektor-Stromes "überschießen", d.h. der Transistor sollte
mit einem größeren Basisstrom angesteuert werden, als dies der Stromverstärkung
entspricht. Im durchgeschalteten Zustand ist jedoch zu vermeiaen, daß der Transistor
übersteuert wird, weil sich hierdurch zwangsläufig die Speicherzeit t2 und damit
die Ausschaltzeit verlängern. Der Basisstrom wird also auf einen Wert herabgesetzt,
der den Transistor gerade noch in der Sättigung hält.
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Zum Ausschalten wird der Basisstrom nicht nur auf Null gebracht, sondern
zum Ausräumen der Ladungsträger aus der Basiszone vorübergehend negativ eingeprägt.
Der Übergang vom positiven zum negativen Basistrom sollte mit begrenzter Steilheit
erfolgen, um ein möglichst gleichzeitiges Sperren von Kollektor/Basis- und Basis/Emitter-Sperrschicht
zu erzielen.
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Eine zu rasche Umkehrung des Basisstromes auf hohe Werte kann besonders
bei hochsperrenden Leistungstransistoren zur lokalen Überhitzung im Transistorkristall
führen, wodurch die Betriebszuverlässigkeit stark vermindert wird.
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Wegen der im allgemeinen nur geringen zur Verfugung stehenden Steuerleistung
sind sogenannte Darlington-Leistungstransistoren entwickelt worden, die aus zwei
Transistoren (meist monolithisch
auf einem Chip) aufgebaut sind.
Eine solche Kombination verringert die Steuerströme und damit die zu übertragende
Steuerleistung. Nachteilig ist bei diesen Leistungstransistoren, daß zwei Hochvolttransistoren
benötigt werden und eine optimale Steuerung der Darlington-Leistungstransistoren
nur unter großem Aufwand für die Steuerschaltung möglich ist.
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In Stromrichterschaltungen sind meistens mehrere Leistungstransistoren
anzusteuern, so daß zwischen dem Steuerungs- und dem Leisthngsteil Potentialtrennung
erforderlich ist. Die verschiedenen Steuerungsmöglichkeiten lassen sich auf drei
Grundprinzipien zurückführen. Der Unterschi.ed liegt darin, auf welche Weise die
Steuerinformation und die Steuerleistung übertragen werden. Die Steuerleistung und
das Steuersignal können einmal gemeinsam und zum anderen getrennt übertragen werden.
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Es ist jedoch auch möglich, die Steuerleistung aus dem Lastkreis zu
beziehen.
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Aus der Literaturstelle "Wissenschaftliche Berichte AEG-TELE-FUtEEN
50 (1977)" Heft 1/2, Seite 47, Bild 10c, ist eine Anordnung zur potentialfreien
Steuerung eines Leistungstransistors mit Zuführung der Steuerleistung aus dem Lastkreis
mit elektronischer Verknüpfung der Steuerinformation bekannt. Diese bekannte Schaltung
enthält eine Laststrommitkopplung, indem der Hauptteil der Steuerleistung über einen
Transformator aus dem Lastkreis in den Steuerkreis des Leistungstransistors eingekoppelt
wird. Hierdurch wird die über den Steuersignal-Übertrager
zu übertragende
Steuerleistung stark reduziert. Zum AusschalteW des teistungstransistors wird über
einen weiteren Transformator ein Steuerstromimpuls übertragen, der über eine Diode
und einen Widerstand die Basis/Emitter-Strecke des Leistungstransistors in umgekehrter
Richtung durchfließt, so daß dieser ausschaltet und dabei den eingekoppelten Strom
unterbricht. Bei dieser bekannten-Anordnung ist bei höheren Schaltfrequenzen die
Steuerleistung zum Einschalten des Leistungstransistors zwar gering, zum Ausschalten
jedoch sehr groß. Außerdem ist die Abschaltsteuerstromsteilheit durch die recht
große Streuinduktivitäformators für den Abschaltstromimpuls begrenzt.
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Aus diesem Grund entstehen im anzusteuernden Leistungstransistor hohe
Ausschaltverluste.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerschaltung für
einen Leistungstransistor oder eine Parallelschaltung von Leistungstransistoren
zu schaffen, die folgende Kriterien erfüllt: a. Die Steuerinformation zum Ein- und
Ausschalten des Leistungstransistors soll mit möglichst geringer Steuerleistung
angeboten werden.
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b. Die Steuerleistung soll aus dem Lastkreis entnommen werden.
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c. Die Steuerleistung soll über den gesamten Frequenzbereich gering
gehalten werden.
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d. Es soll eine möglichst große Steilheit des Abschaltsteuerstromes
erzielt werden, um damit die Ausschaltverluste niedrig zu halten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen der Patentansprüche
1 und 2 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Nit den erfindungsgemäßen Lösungen ist eine potentialfreie Ansteuerung
von Leistungstransistoren mit Zuführung der Steuerleistung aus dem Lastkreis gegeben,
bei der eine Laststrommitkopplung nicht nur beim Einschalten sondern auch beim Ausschalten
erfolgt. Auf diese Weise wird eine hohe Abschaltsteuerstromsteilheit erzielt, die
nur geringe Ausschaltverlste am Leistungstransistor bewirkt. Unabhängig von der
Schaltfrequenz wird dabei der größte Teil der Steuerleistung dem Lastkreis entnommen,
so daß die mit der Steuerinform t übe > de Leistung äußerst gering bleiben kann.
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Anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden.
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Es zeigen: Figur 2a eine Steuerschaltung zur potentialfreien Ansteuerung
eines Leistungstransistors mit drei Transformatorwicklungen und einem bzw. zwei
Steuertransistoren und Figur 2b den dazugehörigen Zeitverlauf der Ströme und Spannungen,
Figur
3a eine Steuerschaltung mit zwei Transformatorwicklungen und einer 3rückenschaltung
von steuerbaren albleiterele:iienten zur Ansteuerung des Leistungstransistors und
Figur 3b den dazugehörigen Ceitverlauf der Halbleiterströme.
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In Figur 2a ist der vom Last strom IL durchflossene Leistungstransistor
T'I mit seiner RCD-Beschaltung C'I, D4 und R3 und einer in der Kollektor-Emitter-Strecke
des Leistungstransistors T1 liegenden Frimarwicklung W1 eines Transformators Tr1
dargestellt. Die Steuerschaltung für den Leistungstransistor enthält eine Sekundärwicklung
W2 und eine Tertiärwicklung W3 des Transformators ?r", wobel die Sekundärwicklung
W2 den gleichen und die Tertiärwicklung W3 den entgegengesetzten Wickelsinn wie
die Primärwicklung W1 aufweisen. An die Sekundärwicklung W2 ist über eine erste
Diode D1 der Kollektor eines ersten Steuertransistors T2 angeschlossen, dessen Emitter
mit der Basis des Leistungstransistors verbunden ist und an dessen Basis eine erste
Steuerspannung Ust1 angelegt ist. In einer ersten Ausführungsform ist die Tertiärwicklung
W3 über die Reihen-Schaltung einer Diode D2 und einer in entgegengesetzter Durch
laßrichtung gepolten zweiten Diode D3 ebenfalls mit der Basis des Leistungstransistors
verbunden. In einer zweiten Ausführungsvarianten ist zusätzlich an die Tertiärwicklung
W3 der Emitter eines zweiten Steuertransistors T3 angeschlossen, dessen Kollektor
mit dem Emitter des Leistungstransistors Tl verbunden
ist und dessen
Basis-Emitter-Strecke mit einer zweiten Steuerspannung USt2 beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß
besteht die Steuerschaltung weiterhin aus einer parallel zur Reihenschaltung von
Sekundarwicklung W2 und erster Diode D1 geschalteten STuannungs9uelle U1 mit in
Reihe geschalteten Widerstand R1.
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Die Funktionsweise der ersten Schaltungsvarianten ohne den zweiten
Steuertransistor T3 verläuft wie folgt: Wird der erste Steuertransistor T2 durch
die an seiner Basis anliegende erste Steuerspannung USt1 leitend gesteuert, fließt
zunächst ein kleiner Strom aus der Spannungsquelle U1 über den Widerstand R1 und
die Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Steuertransistors T2 in die Basis des Leistungstransistors
Tl, so daß dieser erst einen kleinen kollektorstrom führt. Dieser wächst dann aber
durch die Laststrommitkopplung der Sekundärwicklung W2 des Transformators Tr1 schnell
an. Der gleiche Einschaltsteuerstrom fließt dann von der Primärwicklung W1 über
die erste Diode D1, den ersten Steuertransistor T2 in die Basis des Leistugstransistors
TI. Die Zener-Spannung der Z-Diode D2 muß dabei so gewählt sein, daß während dieser
Zeit die mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung in Reihe geschaltete zweite Diode
D3 sperrt. Wird der erste Steuertransistor T2 ausgeschaltet, fließt augenblicklich
Strom in der Tertiärwicklung W3. Der Basisstrom. des Leistungstransistors T1 ist
dann negativ,und der Leistungstransistor T1 schaltet ab. Nit dieser Anordnung wird
bei geringeren Schaltungsaufwand und geringer
Steuerleistung ein
gutes Ausschaltverhalten des Leistungstransistors erzielt.
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In der zweiten Ausfühnrngsforin mit zweitem Steuertransistor T3 kann
der Basisstrom des Leistungstransistors T1 während des Ausschaltvorganges e:.ne
stromlose Pause #t erhalten. Dies geschieht durch Einschalten des zweiten Steuertransistors
T3 für eine eitspanne #t, innerhalb der der erste Steuertransistor T2 ausgeschaltet
werden muß. Der negative Basisstrom des Leistungstransistors TI beginnt dann erst
nach der Zeit-Spanne tt zu fliessen. Mit dieser Schaltungsvarianten kann gegenüber
der vorgenannten Schaltung ein noch besseres Ausschaltverhalten des Leistungstransistors
erzielt werden. Diese Verhältnisse sind in Figur 1b als Verläufe der ersten und
zweiten Steuerspannung U5" und USt2, des Basisstromes 1B und des Laststromes IL
des Leistungstransistors über der Zeit t dargestellt.
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Das in Figur 3a dargestellte Ausführungsbeispiel weist den Leistungstransistor
T1 mit in Reihe geschalteter Primärwicklung W1 eines Transformators Tr1 und die
RCD-Beschaltung R1, C1,D1 auf. Die Sekundärwicklung W2 des Transformators Tr" ist
in der einen Brückendiagonalen einer aus 4 steuerbaren Halbleiterbauel.ementen 1-4
bestehenden Brückenschaltung angeordnet, in deren anderer Brückendiagonalen die
Basis-Emitter-Strecke des Leistungstrans istors T1 liegt. Parallel zur Sekundärwicklung
W2 des Transformators Trl ist eine Spannungsquelle Ul geschaltet, der zum Einleiten
des Einschaltvorganges des Leistungstransistors T1 ein kurzer Steuerimpuls entnommen
wird. Diese
Spannungsquelle Um'kann wahlweise separat angeordnet
sein oder z.B. aus einem im Lastkreis angeordneten Wandler bestehen, an dem die
erforderliche Spannung abgegriffen wird.
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Das Prinzip dieser Steuerschaltung für einen Leistungstransistor besteht
darin, daß mittels des Transformators Tr1 der von dem Leistungstransistor T1 zu
führende Laststrom sowohl zum Einschalten als auch zum Ausschalten des Leistungstransistors
verwendet wird. Dies geschieht in der Weise, daß der Sekundärstro des Transformators
Tor1, der nur in eine Richtung durch die Sekundärwicklung fließt, sowohl in positiver
als auch in negativer Richtung als Steuerstrom für den teistungstransistor Tl vorgegeben
wird.
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Die Funktionsweise dieser Ausführungsform wird nachstehend zusammen
mit der zeitlichen Darstellung in der Figur Db erläutert.
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Die Ausführungsform nach Figur 3a ermöglicht drei Ansteuerungszustände
für den Leistungstransistor T": 1. Erzeugung eines positiven Steuerimpulses iB,
der zum Einschalten des Leistungstranslstors T" dient. Dies geschieht durch Einschalten
der Halbleiterbauelemente 1 + 2.
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2. Daran anschließend wird eine stromlose Pause iB = 0 eingefügt,
so daß die Speicherzeit des Leistungstransistors Ti berücksichtigt werden kann.
Dies wird dadurch erreicht, daß das dritte Halbleiterbauelement 3 in den leitenden
Zustand
gesteuert wird und zusamiren mit dem noch leitenden Halbleiterbauelement
2 den sekundären Transformatorstrom in Freilauf geführt. Das Halbleiterbauelement
1 befindet sich dabei in gesperrtem Zustand, entweder infolge der Ventilspannungsabfälle
im Falle der Verwendung eines Thyristors als Halbleiterbauelement oder durch Abschalten
im Falle der Verwendung eines GTO's oder eines Transistors als Halbleiterbauelement.
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3. Zum Sperren des Leistungstransistors Tl wird ein negativer Basisstrom
erzeugt. Dazu wird das Halbleiterbauelement abgeschaltet und das Halbleiterbauelement
4 in den leitenden Zustand gesteuert. Auf diese Weise sind hohe Ausräumstromsteilheiten
für den Leistungstransistor T1 zu erreichen, um die Ausschaltverlustleistungen im
Leistungstransistor Tl gering zu halten.
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Die in Figur 3b dargestellten Zeitverläufe zeigen die Ströme in den
einzelnen Halbleiterbauelementen i1 - i4 sowie d'en Steuerstrom 1B für den Leistungstransistor
T1.
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