DE3114822A1 - Circuit arrangement for an electronic switch - Google Patents
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Abstract
Description
Schaltungsanordnung für einen elektronischen Schalter Circuit arrangement for an electronic switch
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen elektronischen Schalter mit Transistoren in der Schaltstrecke und einer zur Ansteuerung vorgesehenen Steuerschaltung.The invention relates to a circuit arrangement for a electronic switch with transistors in the switching path and one for control provided control circuit.
Elektronische Schalter dieser Art sind in zahlreichen Varianten bekannt. Bei derartigen vorzugsweise für die Leistungselektronik vorgesehenen Schaltern sind bisher im wesentlichen bipolare Transistoren für die Schaltstrecken eingesetzt worden. In jüngster Zeit ist dafür aber auch der Einsatz von Feldeffekttransistoren, und zwar von MOS - Feldeffekttransistoren bekannt geworden.Electronic switches of this type are known in numerous variants. Such switches are preferably provided for power electronics hitherto essentially bipolar transistors have been used for the switching paths. Recently, however, the use of field effect transistors, and made known by MOS field effect transistors.
Bipolare Transistoren sind im Sperrzustand hinreichend hochohmig und im Durchschaltzustand sehr niederohmig und von daher zum Einsatz für elektronische Schalter geeignet. Unbefriedigend ist jedoch das Schaltverhalten eines bipolaren Transistors, da relativ lange Schaltzeiten verhältnismäßig hohe Umschaltverluste zur Folge haben. Neben dieser Tatsache kann es darüber hinaus zu einem sog. zweiten Durchbruch kommen, und zwar insbesondere beim Umschalten in Sperrichtung. Die hierbei auftretenden Schaltverluste kennen lokale Überhitzungen mit Beschädigungen auslösen, oder zum Totalausfall führen.Bipolar transistors are sufficiently high impedance in the off state and Very low resistance in the switched-through state and therefore used for electronic Switch suitable. However, the switching behavior of a bipolar is unsatisfactory Transistor, since relatively long switching times, relatively high switching losses have as a consequence. In addition to this fact, there can also be a so-called second Breakthrough come, especially when switching in the reverse direction. The one here know the switching losses that occur, trigger local overheating with damage, or lead to total failure.
Daher werden bipolare Transistoren in elektronischen Schaltern häufig unterhalb ihrer Nenndaten betrieben.Therefore, bipolar transistors are becoming common in electronic switches operated below their nominal data.
Die in jüngster Zeit in elektronischen Schaltern eingesetzten Feldeffekttransistoren sind im Sperrzustand hinreichend hochohmig, haben gegenüber einem bipolaren Transistor ein wesentlich besseres Schaltverhalten und den Vorteil,daß ein zweiter Durchbruch nicht auftreten kann. Nachteilig ist jedoch, daß Feldeffekttransistoren im Durchschaltzustand nicht niederohmig genug sind und daher im Durchschaltzustand verhältnismäßig große Verluste aufgrund des Spannungsabfalls verursachen.The field effect transistors recently used in electronic switches are sufficiently high resistance in the blocking state, compared to a bipolar transistor a much better switching behavior and the advantage that a second breakthrough cannot occur. However, it is disadvantageous that field effect transistors are in the on state are not low enough and are therefore relatively large in the switched-on state Cause losses due to the voltage drop.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen elektronischen Schalter der eingangs genannten Art mit guten Schaltereigenschaften in allen Schaltphasen aufzubauen. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltstrecke durch eine Parallelschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines bipolaren Transistors und der Drain-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors gebildet ist, und daß die Steuerschaltung die Steuerelektrode des bipolaren Transistors beim Durchschalten nach dem Feldeffekttransistor und beim Sperren vor dem Feldeffekttransistor ansteuert.The invention is therefore based on the object of an electronic Switch of the type mentioned with good switch properties in all switching phases build up. According to the invention, this object is achieved in that the switching path by connecting the collector-emitter path of a bipolar transistor in parallel and the drain-source path of a field effect transistor is formed, and that the Control circuit the control electrode of the bipolar transistor when switching through after the field effect transistor and when blocking before the field effect transistor controls.
Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Schalter wird das Schalterverhalten jeweils durch das gute Verhalten des bipolaren Transistors bzw. des Feldeffekttransistors in den einzelnen Schalterphasen bestimmt, während die jeweils unbefriedigenden Schaltereigenschaften dieser Bauelemente nicht zum Tragen kommen. So bestimmt der bipolare Transistor mit seinem geringen Durchlaßwiderstand das Schalterverhalten im Durchschaltzustand, während der Feldeffekttransistor die eigentlichen Schaltvorgänge mit seinem hierfür besonders geeigneten kurzen Schaltzeiten übernimmt. Außerdem wird bei dem erfin-, dungsgem&ßen Schalter die Gefahr eines zweiten Durchbruchs beim bipolaren Transistor vermieden, da dieser Transistor bei jeweils geringen Spannungen geschaltet wird.In the electronic switch according to the invention, the switch behavior each due to the good behavior of the bipolar transistor and the field effect transistor determined in the individual switch phases, while the respective unsatisfactory switch properties these components do not come into play. This is how the bipolar transistor determines with its low forward resistance, the switch behavior in the switched-on state, while the field effect transistor does the actual switching operations with its for this purpose particularly suitable short switching times. In addition, the inven- In accordance with the switch, there is a risk of a second breakthrough at the Avoid bipolar transistor, as this transistor is at low voltages is switched.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further developments and advantageous embodiments of the invention are to be found in the subclaims.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Prinzip eines erfindungsgemäßen elektronischen Schalters Fig. 2 einige Diagramme und Fig. 3 die Schaltungseinzelheiten eines elektronischen Schalters.The invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawing. 1 shows the principle of an electronic switch according to the invention. 2 shows some diagrams and FIG. 3 shows the circuit details of an electronic switch.
In der Darstellung nach Fig. 1 ist das Prinzip eines erfindungsgemäßen elektronischen Schalters zu sehen, bei dem die Kollektor-Emitter-Strecke eines bipolaren Transistors 1 mit der parallelliegenden Drain-Souse-Strecke eines Feldeffekttransistors 2 die Schaltstrecke des Schalters bildet. Beide Transistoren 1,2 werden von einer auf die jeweilige Steuerelektrode ( Basis, Gate ) einwirkenden Steuerschaltung 3 angesteuert. Parallel zu der Schaltstrecke der Transistoren 1,2 liegt eine Reihenschaltung bestehend aus einer Last 4 und einer Spannungsquelle 5.In the illustration according to FIG. 1, the principle of an inventive electronic switch to see where the collector-emitter path of a bipolar Transistor 1 with the parallel drain-souse path of a field effect transistor 2 forms the switching path of the switch. Both transistors 1,2 are from one control circuit 3 acting on the respective control electrode (base, gate) controlled. A series circuit is connected in parallel to the switching path of the transistors 1, 2 consisting of a load 4 and a voltage source 5.
In den Diagrammen nach Fig. 2 a bis Fig. 2 c ist die Ansteuerung der Transistoren 1,2 und die Spannung über der Schaltstrecke abgebildet. Die Steuerschaltung 3 ist so aufgebaut, daß der Feldeffekttransistor 2 vor dem bipolaren Transistor 1 beim Einschaltvorgang angesteuert wird. Fig. 2 a zeigt den Verlauf der Steuerspannung für den Feldeffekttransistor 2, während Fig. 2 b den Verlauf der Steuerspannung für den biw polaren Transistor 1 zeigt. Fig. 2 c zeigt den Verlauf der Spannung über der Schaltstrecke. Wie aus Fig. 2 a zu ersehen ist, wird zu einem Zeitpurktt1der Feldeffekttransistor 2 in den DurchlaBbereich gesteuert, wodurch die Spannung über der Schaltstrecke auf die Durchlaß spannung des Feldeffekttransistors 2 zusammenbricht ( Fig. 2 c ). Kurze Zeit nach der Ansteuerung des Feldeffekttransistors 2 wird der bipolare Transistor 1 zum Zeitpunkt t2 von der Steuerschaltung 3 in den Durchlaßbereich gesteuert. Das hat wie Fig. 2 c zeigt zur Folge, daß die Spannung über der Schaltstrecke auf die Durchlaß spannung des bipolaren Transistors 1 absinkt. Das bedeutet, daß der Spannungsabfall des elektronischen Schalters im Durchschaltzustand vom bipolaren Transistor 1 bestimmt wird, und daß der bipolare Transistor bei geringer Spannung geschaltet wird, mit der Folge auch nur geringe Umschaltverluste zu verursachen.In the diagrams according to FIG. 2 a to FIG. 2 c, the control is the Transistors 1, 2 and the voltage across the switching path are shown. The control circuit 3 is constructed so that the field effect transistor 2 is in front of the bipolar transistor 1 is activated during the switch-on process. Fig. 2 a shows the course the control voltage for the field effect transistor 2, while Fig. 2b shows the course the control voltage for the bi-polar transistor 1 shows. Fig. 2c shows the course the voltage across the switching path. As can be seen from Fig. 2a, becomes a Zeitpurktt1 the field effect transistor 2 controlled in the pass area, whereby the voltage across the switching path to the forward voltage of the field effect transistor 2 collapses (Fig. 2 c). A short time after the field effect transistor was activated 2, the bipolar transistor 1 at time t2 by the control circuit 3 in the Passband controlled. As shown in FIG. 2c, this has the consequence that the voltage across the switching path to the forward voltage of the bipolar transistor 1 drops. This means that the voltage drop of the electronic switch in the switched-on state is determined by the bipolar transistor 1, and that the bipolar transistor at low Voltage is switched, with the result that only minor switching losses are caused.
Beim Ausschalten des elektronischen Schalters wird zu einem Zeitpunkt t3 der bipolare Transistor 1 von der Steuerschaltung 3 in den Sperr -- zustand gesteuert. Dadurch steigt die Spannung über dem bipolaren Transistor 1 auf die Durchlaßspannurg des Feldeffekttransistors 2 an. Diese Spannung ist aber im Vergleich zur Spannung der Spannungsquelle 5 so gering, daß ein sog. zweiter Durchbruch nicht auftreten kann. Kurz nach dem Zeitpunkt t3 wird der Feldeffekttransistor 2 von der Steuerschaltung 3 und zwar zum Zeitpunkt t4 in den Sperrzustand gesteuert und damit die Schaltstrecke gesperrt.bzw.der Schalter geöffnet. Sowohl beim Durchschalten als auch beim Sperren übernimmt der Feldeffekttransistor 2 die eigentlichen Schaltvorgänge und sorgt mit seinen geringen Schaltzeiten für geringe Umschaltverluste des Schalters. Trotz der relativ langen Schaltzeiten des biporalen Transistors 1 sind die bei ihm auftretenden Umschaltverluste vernachlässigbar, da dieser Transistor bei der Dur chlaß spannung des Feldeffekttransistors geschaltet wird. Der in den Diagrammen nach Fig. 2 beim Durchschalten dargestellte zeitliche Verzug für die Ansteuerung der Transistoren 1,2 ist sehr gering und kann in der Praxis meist vernachlässigt werden. Selbst eine gleichzeitige Ansteuerung zur Durchschaltung beider Transistoren würde ohne nachteilige Folgen bleiben, da der bipolare Transistor 1 erst dann beginnen würde durchzuschalten, wenn der Feldeffekttransistor 2 bereits durchgeschaltet hat.When turning off the electronic switch is at a time t3 the bipolar transistor 1 is controlled by the control circuit 3 in the blocking state. As a result, the voltage across the bipolar transistor 1 rises to the forward voltage of the field effect transistor 2. But this tension is compared to the tension the voltage source 5 is so low that a so-called second breakdown does not occur can. Shortly after time t3, the field effect transistor 2 is switched off by the control circuit 3 at time t4 is controlled in the blocking state and thus the switching path locked or the switch open. Both when switching through and when locking the field effect transistor 2 takes over the actual switching processes and takes care of it its short switching times for low switching losses of the switch. Despite the relatively long switching times of the biporal transistor 1 are those with him occurring Switching losses are negligible, since this transistor is at the through-circuit voltage of the field effect transistor is switched. The in the diagrams of FIG Switching through shown time delay for the control of the transistors 1.2 is very low and can usually be neglected in practice. Even one simultaneous activation for switching through both transistors would be disadvantageous without The consequences remain, since the bipolar transistor 1 would only begin to switch through when the field effect transistor 2 has already switched through.
Wichtig ist der zeitliche Verzug zur Ansteuerung beim Sperren der Schaltstrecke da hierdurch wie bereits erwähnt der Gefahr eines zweiten Durchbruches begegnet wird.What is important is the time delay for activation when the Switching path thereby, as already mentioned, the risk of a second breakthrough is encountered.
In der Darstellung nach Fig. 3 sind die Schaltungseinzelheiten eines erfindungsgemäßen elektronischen Schalters zu sehen. Bei diesem Schalter ist der Kollektor des bipolaren Transistors 1 über die Primärwicklung eines Stromwandlertransformators 9 jan einen auf Masse bezogenen Laststromkreis 10 geschaltet und der Emitter mit Masse verbunden.Parallel zu der Reihenschaltung aus Primärwicklung des Stromwandlertransformators 9 und der Kollektor-Emitter-Strecke des biporalen Transistors 1 liegt die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 2, dessen Souree ebenfalls an Masse liegt. Das Gate des Feldeffekttransistors 2 ist zur Steuerschaltung 3 geführt, während die über einen Ableitwiderstand 11 auf Masse bezogene Basis des bipolaren Transistors 1 über die Souree-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors 12 mit dem Abgriff eines festen Spannungsteilers R1, R2 verbunden ist. Dieser Spannungsteiler liegt zwischen positivem Potential und Masse.In the illustration of FIG. 3, the circuit details are one To see electronic switch according to the invention. This switch is the Collector of the bipolar transistor 1 via the primary winding of a current converter transformer 9 jan connected to a ground-related load circuit 10 and the emitter with Connected to ground. In parallel with the series connection of the primary winding of the current transformer 9 and the collector-emitter path of the biporal transistor 1 is the drain-source path of the field effect transistor 2, whose source is also connected to ground. The gate of the Field effect transistor 2 is led to the control circuit 3, while the via a Leak resistance 11 based on ground of the bipolar transistor 1 via the Source-drain path of a field effect transistor 12 with the tap of a fixed Voltage divider R1, R2 is connected. This voltage divider is between positive Potential and mass.
Das Gate des Feldeffekttransistors 12 wird wie das Gate des Feldeffekttransistors 2 von der Steuerschaltung 3 angesteuert.The gate of the field effect transistor 12 becomes like the gate of the field effect transistor 2 controlled by the control circuit 3.
Die prainelektrode des zur leistungslosen Steuerung des bipolaren Transistors 1 vorgesehenen Feldeffekttransistors 12.The prain electrode for the powerless control of the bipolar Field effect transistor 12 provided for transistor 1.
ist zusätzlich an eine Seite der Sekundärwicklung des Strom- wandlertransformators 9 angeschlossen, dessen andere Seite über die Kathode einer Diode 13 nach Masse geschaltet ist.is also on one side of the secondary winding of the current converter transformer 9 connected, the other side of which via the cathode of a diode 13 to ground is switched.
Die Sekundärwicklung des Stromwandlertransformators 9 ist darüber hinaus durch eine Reihenschaltung einer Diode 14 und einer mit der Kathode an der Kathode dieser Diode 14 liegenden Zenerdiode 15 überbrückt.The secondary winding of the current transformer 9 is above it addition by a series connection of a diode 14 and one with the cathode on the Cathode of this diode 14 lying Zener diode 15 bridged.
Der in Fig. 3 dargestellte elektronische Schalter geht von dem in Fig. f dargestellten Prinzip aus und ist zur Schaltung eines nicht näher dargestellten anwendungsspezifischen Laststromkreises 10 vorgesehen. Die Steuerelektronik 3 schaltet beim Schalten in Durchlaßrichtung zunächst den Feldeffekttransistor 2 ein und steuert danach den Feldeffekttransistor 12 an. In Verbindung mit der Spannung des Spannungsteilers R1, R2 wird dadurch der bipolare Transistor 1 zu-.The electronic switch shown in Fig. 3 is based on the in Fig. F shown principle and is for the circuit of a not shown application-specific load circuit 10 provided. The control electronics 3 switches when switching in the forward direction, first the field effect transistor 2 and controls then the field effect transistor 12 on. In connection with the voltage of the voltage divider R1, R2 thereby becomes the bipolar transistor 1 closed.
nächst in einen schwach leitenden Zustand gesteuert und danach über den eigenen vom Stromwandlertransformator verstãrkten Kollektorstrom auf das für den Laststrom erforderliche Maß durchgesteuert.Das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlertransformators 9 ist dabei so zu wählen, daß es der statischen Stromverstärkung des bipolaren Transistors 1 im durchgeschalteten Zustand entspricht. Beim Sperren des Schalters erfolgt die Ansteuerung wie beim Prinzip nach Fig. 1. Anstelle der Ansteuerung des bipolaren Transistors 1 über den Feldeffekttransistor 12 ist natürlich auch eine Ansteuerung über eine geeignete Steuerelektronik möglich.next controlled in a weakly conductive state and then over the own collector current amplified by the current transformer to the for the required amount of load current 9 is to be chosen so that it is the static current gain of the bipolar transistor 1 corresponds in the switched-through state. When the switch is blocked, the Control as in the principle of Fig. 1. Instead of the control of the bipolar Of course, transistor 1 via field effect transistor 12 is also a control possible via suitable control electronics.
Wie bereits erwähnt wurde in der Schaltung nach Fig. 3 der Vorteil der Feldeffekttransistoren und zwae für die leistungslose Steuerung des bipolaren Transistors 1 durch Schaltung seiner Steuerleistung uber den Feldeffekttransistor 12 realisiert. Diese Schaltungsart hat daruber hinaus den Vorteil, daß sich der Steuerstrom fur den bipolaren Transistor 1 automatisch an den jeweils fließenden Laststrom anpaßt. Die in dieser Schaltung eingesetzte Diode 13 verhindert dabei, daß die Spannung über dem Widerstand R2 des Spannungsteilers R1, R2 durch die Sekundärwicklung des Stromwandlertransformators 9 kurzgeschlossen wird, während die Dioden 14,15 eine magnetische Rücksetzung des Stromwandlertransformators 9 gestatten. Es ist möglich, die Feldeffekttransistoren 2,12 und den bipolaren Transistor 1 jeweils als getrennte Bauelemente einzusetzen oder als Halbleiter in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen.As already mentioned, the advantage was obtained in the circuit according to FIG. 3 the field effect transistors and zwae for the powerless control of the bipolar Transistor 1 by switching its control power over the field effect transistor 12 realized. This type of circuit also has the advantage that the Control current for the bipolar transistor 1 automatically to the respectively flowing Adjusts load current. The diode 13 used in this circuit prevents that the voltage across the resistor R2 of the voltage divider R1, R2 is short-circuited by the secondary winding of the current transformer 9, while the diodes 14,15 a magnetic reset of the current converter transformer 9 allow. It is possible to use the field effect transistors 2,12 and the bipolar transistor 1 to be used as separate components or as semiconductors in a common Housing to accommodate.
Der erfindungsgemäße elektronische Schalter kann überall dort zur Anwendung kommen, wo Transistoren als Schalter eingesetzt werden. Dabei kommen die besonderen Vorteile, welche sich aus der Kombination von Feldeffekttransistoren und bipolaren Transistoren ergeben naturgemäß dort zum Tragen, wo es auf geringe Verluste bzw. hohen Wirkungsgrad und hohe Zuverlässigkeit ankommt. Da die durch die Eigenschaften der Bauelemente vorgegebenen Schaltverluste direkt proportional der Schaltfrequenz sind, kann der erfindungsgemäße Schalter bei mit hohen Schaltfrequenzen arbeitenden Geräten der Leistungselektronik vorteilhaft eingesetzt werden.The electronic switch according to the invention can be used anywhere Use where transistors are used as switches. That’s where they come special advantages resulting from the combination of field effect transistors and bipolar transistors naturally result in wear where there is little Losses or high efficiency and high reliability matter. Since the through the properties of the components predetermined switching losses directly proportional the switching frequency, the switch according to the invention can at high switching frequencies working devices of power electronics can be used advantageously.
1 bipolarer Transitor 2 Feldeffekttransistor 3 Steuerschaltung 4 Last 5 Spannungsquelle 9 Stromwandlertransformator 10 Laststromkreis 11 Ableitwiderstand 12 Feldeffekttransistor 13 Diode 14 Diode 15 Zenerdiode R1, R2 Spannungsteiler Leerseite 1 bipolar transistor 2 field effect transistor 3 control circuit 4 Load 5 Voltage source 9 Current transformer transformer 10 Load circuit 11 Leak resistance 12 field effect transistor 13 diode 14 diode 15 zener diode R1, R2 voltage divider Blank page
Claims (5)
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|---|---|---|---|
| DE19813114822 DE3114822A1 (en) | 1981-04-11 | 1981-04-11 | Circuit arrangement for an electronic switch |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| DE3114822A1 true DE3114822A1 (en) | 1982-11-04 |
Family
ID=6130014
Family Applications (1)
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