DE3101412A1

DE3101412A1 - Vorrichtung zur entlastung von halbleiterschaltern und zur minderung der verlustleistungsbeanspruchung

Info

Publication number: DE3101412A1
Application number: DE19813101412
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.Ing. 7000 Stuttgart Möder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-01-17
Filing date: 1981-01-17
Publication date: 1982-08-26
Also published as: CH655416B; US4426589A

Description

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Fd/Jä 30.12.1980

Robert Bosch GmbH, 7OOO Stuttgart 1

Vorrichtung zur Entlastung von Halbleiterschaltern und zur Minderung der Verlustleistungsbeanspruchung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Beispielsweise aus der DE-OS 26 50 673 ist es bekannt, Halbleiterschalter durch ein Netzwerk zu schützen, das aus einem Widerstand, einem Kondensator und einer Diode besteht. Durch diese Maßnahme wird die im Halbleiterschalter umgesetzte Leistung verringert, so daß der Halbleiter scha]ter für höhere Ströme oder höhere Spannungen verwendbar ist. Die beim. Uni se halt-Vorgang auftretende Schaltleistung wird dabei teilweise durch die Widerstände aufgenommen, und dort in Wärme umgesetzt. Bei dieser Anordnung ist nachteilig, daß Teile der Kommutierungsenergie für den Verbrauch verlorengehen und für jeden Halbleiterschalter ein Widerstand erforderlich ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich der Schaltungsaufwand verringert und die beim Umschalten auftretenden Verluste reduziert werden. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß bei Schal-

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tungsanordnungen mit Einschaltentlastung ein weiterer Widerstand ebenfalls nicht erforderlich ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders günstig ist es, das weitere Netzwerk mit jeweils einem Kondensator der Netzwerke zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung der Halbleiterschalter beim Ausschaltvorgang zu verbinden. Durch diese Maßnahme wird die zur Verfügung stehende Kapazität durch die Parallelschaltung der Entlastungskondensatoren verdoppelt. Weiterhin ist es günstig, das weitere Netzwerk über jeweils eine Diode mit der geschalteten Leitung in Verbindung zu bringen. Durch diese Maßnahme kann das weitere Netzwerk einerseits die Ladung der Kondensatoren gut abführen, während es andererseits auch zum Entladen einer Drossel dienen kann, die zur Einschaltentlastung dient. Soll die Schaltungsanordnung auch eine Einschaltentlastung aufweisen, ist es vorteilhaft, ein Netzwerk zur Einschaltentlastung, vorzugweise eine Drossel in die geschaltete Leitung einzufügen. Die nach jedem Schaltvorgang in diesem Netzwerk gespeicherte Energie ist dann üb<r das weitere Netzwerk entladbar. Hierzu ist es zweckmäßig, die Dioden in Stromflußrichtung zu schalten.

Das weitere Netzwerk ist im einfachsten Fall als Widerstand ausgestaltet. Da an dem Widerstand insbesondere bei schnellen Schaltvorgängen hohe Stromspitzen auftreten, ist es vorteilhaft, dem Widerstand einen Kondensator parallel zu schalten, der die entstehenden Spannungsspitzen am Widerstand bedampft. In einer wei-

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teren Ausführung ist es günstig, das weitere Netzwerk mit einer Diode zu versehen, deren Knickspannung die Abklinggeschwindigkeit des Stromes bestimmt. Insbesondere bei höheren Knickspannungen ist dafür eine Zenerdiode besonders geeignet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß das weitere Netzwerk einen Spannungswandler aufweist. Die durch den Kommutierungsprozeß frei werdende Energie kann dadurch einem weiteren Verwendungszweck zugeführt werden und geht nicht verloren. Der Aufwand wird dabei besonders gering, wenn der Spannungswandler als selbstschwingender Wandler ausgebildet ist. Zur Unterdrückung von Spannungsspitzen ist es auch hier günstig, dem Spannungswandler einen Kondensator parallel zu schalten. Es ist weiterhin vorteilhaft, die im Spannungswandler erzeugte Leistung in die Spannungsversorgung zurückzuspeisen, wodurch der Leistungsverlust der Halbleiterschaltungsanordnung besonders gering wird.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei verschiedene Ausführungsbeispiele nach der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Pig. 1 liegen an den Klemmen 1 und 3 die positive und die negative Versorgungsspannung an, während an die Klemme 2 der Spannungsmittelpunkt geführt ist. Von der Klemme 1

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führt eine Leitung zum Kollektor eines Halbleiterschalters U, dessen Emitter mit einer Drossel 1k verbunden ist, die in der Mitte eine Anzapfung aufweist. Parallel Lur Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters i- ist ein Netzwerk 6 zur Verringerung der Verlustleistungs-'beanspruchung des Halbleiterschalters k geschaltet. Das Netzwerk 6 weist zwei Dioden 8 und 10 und einen Kondensator 9 auf. Die Diode 8 ist parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters k geschaltet, vährend die Reihenschaltung des Kondensators 9 und der Diode 10 ebenfalls parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters k liegt. An den Kontakt 3 ist der Emitter eines Halbleiterschalters 5 angeschlossen, dessen Kollektor mit der anderen Seite der Drossel 1U verbunden ist. Parallel zum Halbleiterschalter 5 ist v.-ieder ein Netzwerk 7 zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung des Halbleiterschalters 5 angeordnet, das wie das Netzwerk 6 aufgebaut ist.

Sine Diode 11 liegt wiederum parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters 5» weiterhin liegt die Reihenschaltung aus einer Diode 13 und einem Kondensator 12 parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters 5· Die Basen der Halbleiterschalter k und 5 werden von einer nicht dargestellten Steuerschaltung angesteuert. Ein weiteres Netzwerk mit einem Widerstand 15 und einem Kondensator 16 ist einerseits zwischen Kondensator 9 und Diode 10 des Netzwerkes 6 und andererseits zwischen dem Kondensator 12 und der Diode 13 des Netzwerkes T angeschlossen. Die Mittelanzapfung der Drossel 1U führt zu einer Last 1T₉ die im wesentlichen aus einem Widerstand 18 und einer Induktivität 19 gebildet ist. Die Last 17 ist weiterhin an die Klemme 2 angeschlossen.

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Bei dieser Schaltungsanordnung wirken die beiden Entlastungskondensatoren 9 und 12 parallel über einen niederohmigen Widerstand 15» der außerdem den Entladekreis für die Drossel 11* bildet, wobei die Drossel "\k als Einschaltentlastungsinduktivität wirkt. Bei leitendem Halbleiterschalter 5 ist nun der Kondensator 12 entladen, während der Kondensator 9 auf die Betriebsspannung aufgeladen ist. Wird nun der Halbleiterschalter gesperrt, so fließt der Strom durch die induktive Last 17 weiter über die Diode 13 in die Kondensatoren 12 und 9. Die Kollektorspannung am Halbleiterschalter 5 steigt deshalb während des Sperrens langsam an, wodurch im Halbleiterschalter 5 weniger Schaltverlust entsteht, da die Überlappung von Kollektor-Emitter-Spannung und Kollektorstrom geringer wird. Wenn der Kondensator 9 entladen ist, werden die Dioden 10 und 8 leitend und das untere Ende der Drossel 1U wird positiver als das obere. Dies hat zur Folge, daß sich der Laststrom in der Drossel 1U umkehrt und über die Diode 8 zu fließen beginnt. Wird nun der Halbleiterschalter 5 wieder leitend, so liegt zunächst die volle zwischen den Klemmen 1 und 3 aufgebrachte Versorgungsspannung an der Drossel 1k an. Der Strom durch die Drossel 1k ändert sich gemäß dem Induktionsgesetz. Sobald der Halbleiterschalter 5 den Strom von der Diode 8 übernommen hat, sinkt das Potential am oberen Ende der Drossel 1U ab und der Kondensator 9 wird über die Diode 10 aufgeladen, während der Kondensator 12 entladen wird. Der Ladestrom, für den Kondensator 9 fließt dabei über die Diode 10, die Drossel Ik und die Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters 5» während der Entladestrom des Kondensators 12 über den Widerstand 15, die Diode 10, die Drossel 11+ und die Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters 5 fließt. Die Drossel Ik begrenzt dabei

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den Umladestrom der Kondensatoren 9 und 12 und damit den Kollektorstrom durch den Halbleiterschalter 5· Die nach jedem Schaltvorgang in der Drossel 1k gespeicherte Energie entlädt sich über den Schaltungszweig mit der Diode 13, dem Widerstand 15 und der Diode 10.

Wird statt dem Halbleiterschalter 5 der Halbleiterschalter U ein- und ausgeschaltet, so läuft ein äquivalenter Vorgang ab. Es ist ausreichend, wenn das weitere Netzwerk, das die Kondensatoren 12 und 9 miteinander verbindet, aus dem Widerstand 15 besteht. Jedoch treten am Widerstand 15 hohe Stromspitzen und steile Stromanstiege auf. Es ist daher zweckmäßig, den Kondensator 16 parallel zu schalten, so daß die Spannungsspitzen am Widerstand 15 bedämpft werden. Dadurch werden auch die Spannungsspitzen reduziert, die an den Halbleiterschaltern h und 5 sowie an den als Freilaufdioden geschalteten Dioden 8 und 11 auftreten. Dadurch wird die Wahl von entsprechenden Halbleiterbauelementen nicht kritisch. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der Kondensator 16 bewirkt, daß die Eigeninduktivität und die Länge der Zuleitungen zum Widerstand 15 nicht mehr störend in Erscheinung treten.

In Fig. 2 ist die gleiche Anordnung wie in Fig. 1 dargestellt, wobei jedoch der Widerstand 15 durch eine Zenerdiode 20 ersetzt ist. An die Klemme 1 ist wiederum der Kollektor eines Halbleiterschalters U angeschlossen, dessen Emitter zur Drossel 1U führt. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters U befindet sich das Netzwerk 6 zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung, das ebenso wie in Fig. 1 ausgebildet ist. Die andere Seite der Drossel 1U führt zum Kollektor eines Halbleiterschalters 5, dessen Emitter mit der Klemme 3 verbunden ist. Parallel zur Kollektor-

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Emitter-Strecke des Halbleiterschalters 5 ist das Netzwerk 7 zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung des Halbleiterschalters 5 angeordnet, das ebenso wie in Fig. 1 ausgebildet ist. Die Mittelanzapfung der Drossel 1k führt zu der Last 17 mit dem Widerstand 18 und der Induktivität 19· Die Last 17 steht des weiteren mit der Klemme 2 in Verbindung, an der eine mittlere Spannung abgegriffen wird. Die Kondensatoren 9 und 12 der Netzwerke 6 und 7 sind über eine Zenerdiode 20 miteinander verbunden.

Diese Schaltungsanordnung weist das gleiche Verhalten wie die in Fig. 1 gezeigte auf. Eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise ist daher nicht vonnöten. Ein Strom durch die Zenerdiode 20 tritt jedoch erst dann auf, wenn deren Knickspannung überschritten wird. Die Abklinggeschwindigkeit des Stromes in der Drossel Ik ist daher weitgehend durch die Knicksparmung der Senerdiode 20 bestimmt. Ihre Knickspannung richtet sich im wesentlichen nach der Ausgestaltung der Drossel

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die die Rückgewinnung der Leistung ermöglicht, die sonst im wesentlichen im Widerstand 15 in Wärme umgesetzt wird. An die Klemme 1 ist wiederum der Kollektor des Halbleiterschalters k angeschlossen, dessen Emitter mit der Drossel 1U verbunden ist. Parallel zum Halbleiterschalter k befindet sich das Netzwerk 6 zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung, das wiederum entsprechend Fig. 1 ausgebildet ist. Die andere Seite der Drossel .1 k steht mit dem Kollektor des Halbleiterschalters 5 in Verbindung, dessen Emitter zur Klemme 3 führt. Die Basen der Halbleiterschalter h und 5

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wurden von einem nicht dargestellten Steuergerät gesteuert. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters 5 befindet sich das Netzwerk 7 zar Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung. Die Mittelanzapfung der Drossel 1U führt zu der Last 17 mit dem Widerstand 18 und der Drossel 19. Die andere Seite der Last steht mit der Klemme 2 in Verbindung. Die Kondensatoren 9 und 12 der Netzwerke 6 und 7 sind über den Kondensator 16 miteinander verbunden. Parallel zum Kondensator 16 ist ein Sperrwandler geschaltet. Dazu ist der Kondensator 9 mit dem Emitter eines Transistors 25 und einer Zenerdiode 2 1 verbunden. Die Basis des Transistors 25 führt zu einer weiteren Diode 22, die ihrerseits mit der Zenerdiode 21 in Verbindung steht. An der Basis des Transistors 25 befindet sich des weiteren in Parallelschaltung ein Widerstand 23 und ein Kondensator 2h. Der Widerstand 23 und der Kondensator 2U führen zu einer Wicklung eines Transformators 26, dessen anderes Ende mit dem Kondensator 12 in Verbindung steht. Ebenso ist der Kollektor des Transistors 25 über eine Wicklung des Transformators 26 mit dem Kondensator 12 verbunden. Die Sekundärwicklung des Transformators 26 ist an eine Gleichrichterschaltung angeschlossen, die polari-Lätsrichtig mit den Klemmen 1 und 3 verbunden ist. Die Uleichrichterschaltung weist Dioden 27, 28, 29 und }0 auf und ist so geschaltet, daß an die Klemme 1 eine positive Spannung, an die Klemme 2 eine negative Spannung gelangt.

Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung ist gleich der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung. Jedoch sind die Kondensatoren 9 und 12 nicht über einen Widerstand sondern über einen Sperrwandler miteinander verbunden.

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Der Sperrwandler mit dem Transistor 25 und den beiden Primärwicklungen des Transformators 26 werden von dem Strom gespeist, der in Fig. 1 über den Widerstand 15 geflossen ist. Die Funktion eines Sperrwandlers ist aus der Literatur, beispielsweise aus Tietze, Schenck, Halbleiterschaltungstechnik, 3· Auflage, Springer Verlag, Seite U18 ff, hinreichend bekannt, so daß darauf nicht näher eingegangen werden muß. Die durch den Sperrwandler zerhackte Spannung wird mittels des Transformators 26 hochtransformiert und durch die Gleichrichterschaltung mit den Dioden 27 bis 30 in die Versorgungsspannungsleitung zurückgespeist. Der Einsatz der Spannungswandlers anstatt des Widerstandes 15 bietet dabei die Möglichkeit, die in den Entlastungsnetzwerken umgesetzten Energien in die Spannungsversorgung zurückzuspeisen. Der Kondensator 16 dient wiederum zur Herabminderung von Spannungsspitzen.

Der gezeigte Spannungswandler ist beispielhaft, es können beliebige andere Spannungswandler in der Schaltungsanordnung Verwendung finden. Des weiteren ist es möglich, die vom Spannungswandler erzeugte Energie nicht in die Spannungsversorgung zurückzuspeisen sondern es können damit weitere elektrische Verbraucher betrieben werden.

Leerseite

Claims

Fd/Jä 30.12.I98O

Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

Vorrichtung zur Entlastung einer Halbleiterschaltungsanordnung mit zumindest zwei in einer Brücke angeordneten Halbleiterschaltern und mit je einem Netzwerk zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung der Halbleiterschalter beim Ausschaltvorgang, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (6) zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung des einen Halbleiterschalters (U) mit dem Netzwerk (7) zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung des anderen Halbleiterschalters (5) über ein weiteres Netzwerk (15, 16) miteinander verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspurch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Netzwerk (15, 16) mit jeweils einem Kondensator (9, 12) der Netzwerke (6, T) zur Verringerung der Verlustleistungsbeanspruchung der Halbleiterschalter (U, 5) verbunden ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Netzwerk (15» 16) über jeweils eine Diode (10, 13) mit der geschalteten Leitung in Verbindung steht.
k. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netzwerk zur Einschaltentlastung, vorzugsweise eine Drossel (1U)» in die geschaltete Leitung eingefügt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Netzwerk einen Widerstand (15) aufweist.
β. Vorrichtung nach einem der Ansprüche , bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Netzwerk aus einem Widerstand (15) besteht, dem ein Kondensator (16) parallel geschaltet ist.
7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Netzwerk eine Diode (20), vorzugsweise eine Zenerdiode, aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7_S dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Netzwerk einen

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Spannungswandler aufweist.
9- Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler ein selbstschwingender Wandler ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Netzwerk neben dem Spannungswandler ein<;n Kondensator ( 1G) aufweint.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die im Spannungswandler erzeugte Leistung in die Spannungsversorgung zurückgespeist wird.