DE3124891A1

DE3124891A1 - Transistorschaltstufe

Info

Publication number: DE3124891A1
Application number: DE19813124891
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. 6148 Heppenheim Rimann
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1981-06-25
Filing date: 1981-06-25
Publication date: 1983-01-13
Also published as: DE3124891C2

Description

Transistorschaltstufe
Die Erfindung betrifft eine Transistorschaltstufe mit wenigstens einem bipolaren Hochspannungstranslstor als Leistungst schalter, wenigstens einem MOS-Feldeffekttransistor (HOS>RET) als Treiberstufe und einem Spetcherkondensator an der Steuerelektrode des MOS-FET Eine derartige Transistorschaltstufe ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 23 64 154 oder der DE-OS 27 10 9764 Die Kombination eines bipolaren Leistungstransistors mit einem MOS-FET als Treiberstufe hat bekanntlich die Vorteile, daß der bipolare Transistor an der SSttigungsgrenze bleibt und deshalb sehr schnell ausgeschaltet werden kann und daß für die Ansteuerung praktisch keine Steuerleistung benötigt wird Außerdem zeigt ein MOS-FET keine Sättigungserscheinungen und keine Speicherverzögerung Der Speicherkondensator an der Steuerelektrode des MOS-FET sorgt dafür, daß der Schaltzustand der Transistorstufe zwischen den aufeinander= folgenden Steuerimpulsen gespeichert bleibt Bei den bekannten Schaltungen erfolgt die Auf- und Entladung des Speicherkondensators über einen als Schalter wirkenden Feldeffekttransistor. Diesem Schalter müssen Leistungsimpulse der zum Auf- bzw. Entladen des Speicherkondensators geeigneten Polarität sowie zusätzlich Steuerimpulse zum Öffnen bzw.
Schließen des Transistorschalters gleichzeitig zugeführt werden. Diese Synchronisation bedingt unter Umständen eine komplizierte Schaltung. Darüberhinaus ist bei den bekannten Schaltungen der Leistungsschalter galvanisch mit der Steuerelektronik verbunden, so daß beispielsweise bei Hochspannungsanwendungen Probleme auftreten können.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Transistorschaltstufe anzugeben, mit der Hochspannungstransistoren potentialfrei angesteuert werden können, die nur eine geringe Steuerleistung benötigt und einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein potentialtrennender Übertrager für die Ein- und Ausschaltimpulse vorgesehen ist, daß die Sekundärwicklung des Übertragers über zwei antiserielle Zenerdioden mit der Steuerelektrode des MOS-FET verbunden ist und daß die Sekundärwicklung mit einem ohmschen Widerstand überbrückt ist.
Das Ein- und Ausschalten des bipolaren Leistungstransistors erfolgt mit positiven bzw. negativen Impulsen, die über den Übertrager in die Transistorstufe eingekoppelt werden. Die antiseriellen Zenerdioden sorgen dafür, daß sich der Speicherkondensator zwischen zwei Impulsen nicht selbsttätig entladen kann. Der Widerstand, mit dem die Sekundärwicklung des Übertragers Uberbrückt ist, baut die im Übertrager gespeicherte magnetische Energie ab, die nicht zum Umladen des Speicherskondensators benötigt wurde Vorzugsweise ist zwischen Basis und Emitter des bipolaren Transistors in an sich bekannter Weise ein Ausräumwiderstand geschaltet Ueber diesen Widerstand fließt die in der Basiszone des bipolaren Transistors gespeicherte Ladung gegen Masse ab, sobald der MOS-FET durch einen Steuerimpuls geeigneter Polarität gesperrt wird Eine Verbesserung des Ausschaltverhaltens des bipolaren Transistors wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß als Treiberstufe zwei in Serie geschaltete MOS-FETs vom komplizentren Typ vorgesehen sind und daß in Quellenelektrodenkreis des einen MOS°FETs eine Hilfsspannungsquelle angeordnet ist, die die Energie zum Ausräumen der Basiszone des bipolar ren Transistors zur Verfügung stellt Da die in der Basiszone gespeicherte Ladung recht gering ist, ist aueh die benötigte Energie der Hilfsspannungsquelle sehr gering Diese Hilfe spannung kann beispielsweise aus einer gesonderten Wicklung auf dem potentialtrennenden Ubertrager gewonnen werden Eine andere Lösung ist Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 31 16 46706.
Vorzugsweise ist der bipolare Transistor in an sich bekannter Weise als Darlington«StuSe ausgebildet Dadurch läßt sich die Schaltleistung weiter erhöhen; außerdem können mehrere Leistungstransistoren parallel geschaltet und von einem einzigen bipolaren Steuertransistor angesteuert werden Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form Ausführungsbeispielen näher erl2utert werden Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform mit einem bipolaren Transistor und einem MOS-FET, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit einem bipolaren Transistor und zwei MOS-FET und Fig. 3 eine dritte Ausführungsform mit zwei bipolaren Transistoren und zwei MOS-FET.
Man erkennt in Fig. 1 einen potentialtrennenden Übertrager 1 für die Ein- und Ausschaltimpulse. Die Sekundärwicklung des übertragers 1 ist mit einem Widerstand 2 überbrückt, der die im Ubertrager gespeicherte Restenergie abbaut. Die Sekundärwicklung des Ubertragers ist über zwei antiserielle Zenerdioden 3, 4 mit der Steuerelektrqde eines N-Kanal-MOS-FETs 6 verbunden. Zwischen der Steuerelektrode des MOS-FETs 6 und der Bezugselektrode der Transistorschaltstufe ist ein Speicherkondensator 5 geschaltet, der die über den Übertrager 1 und die Zenerdioden 3, 4 übergekoppelten Schaltimpulse speichert. Bei dem MOS-FET 6 handelt es sich um einen N-Kanal-MOS-FET, der zwischen Kollektor und Basis eines bipolaren NPN-Transistors 8 angeordnet ist. Der Widerstand 7 zwischen Basis und Emitter des Transistors 8 sorgt dafür, daß die in der Basiszone des Transistors 8 gespeicherte Ladung ausgeräumt wird, sobald der MOS-FET 6 durch einen negativen Steuerimpuls gesperrt wird.
Die beiden antiseriellen Zenerdioden 3, 4 sorgen dafür, daß zwar Steuerimpulse, deren Amplitude höher ist als die Zenerspannung, den Kondensator 5 umladen können, daß aber der Kondensator 5 sich zwischen zwei Steuerimpulsen nicht selbsttätig entladen kann. Sollte die Eingangskapazität des MOS-FETs selbst ausreichend hoch sein, so kann gegebenenfalls auf einen gesonderten Speicherkondensator 5 verzichtet werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig 2 ist der Ausräumwiderstand 7 durch einen P-ICanal-MOS-FET 10 ersetzt, in dessen Quellenelektrodenkreis eine Hilfsspannungsquelle 11 angeordnet ist Diese Hilfsspannungsquelle ist so gepolt, daß sie die Ausräumung der Ladung aus der Basiszone des TransIstors 8 unterstützt, sobald der P-Kanal-MOS-FET 10 durch einen negativen Steuerimpuis leitend geschaltet wird Die negative Hilfsspannung kann beispielsweise mit Hilfe einer gesonderten Wicklung auf dem Übertrager 1 mit anschließenden Gleichrichtung und Glättung aus der Ansteuerenergie gewonnen werden, da die benötigte Energie gering ist Be-im Ausführungsbeispiel nach Fig 3 ist anstelle eines einzigen bipolaren Leistungsschalters eine Darlington-Stufe mit dem eigentlichen Leistungstransistor 8 und einem Steuertransistor 9 vorgesehen Zwischen Basis und Emitter des Steuertransistors 9 befindet sich eine Diode 129 die bei° spielsweise auf dem Darlington-Halbleiterchip schon mitintegriert ist und in bekannter Weise das Abschalten der Darling ton-Stufe beschleunigt Bei dieser Anordnung ist es in besonderer Weise möglich, den eigentlichen Leistungsschalter aus mehreren parallel geschalteten bipolaren Transistoren aufzubauen Leerseite

Claims

A n s p r ü c h e Transistorschaltstufe mit wenigstens einem bipolaren Hochspannungstransistor (8, 9) als Leistungschalter, wenigstens einem MOS-Feldeffekttransistor (6, 10) als Treiberstufe und einem Speicherkondensator (5) an der Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors (6, 10), dadurch gekennzeichnet! daß ein potentialtrennender Übertrager (1) für die Ein- und Ausschaltimpulse vorgesehen ist, daß die Sekundärwicklung des Übertragers Uber zwei antiserielle Zenerdioden (3, 4) mit der Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors (6, 10) verbunden ist und daß die Sekundärwicklung mit einem ohmschen Widerstand (2) Überbrückt ist
2. Transistorschaltstufe nach Anspruch 1, ddurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis und Emitter des bipolaren Transistors (8) ein Ausräumwidertand (7) geschaltet ist-.-
3. Transistorschaltstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treiberstufe zwei ein Serie geschaltete MOS-Feldeffekttransistoren (% 10) vom komplementären Leitungstyp vorgesehen sind und daß im Quellenelektrodenkreis des einen MOS-Feldeffekttransistors (10) eine Hilfsspannungsquelle (11) angeordnet ist, die die Energie-zum Ausräumen der Basiszone des bipolaren Transistors (8, 9) zur Verfügung stellt.
4 Transistorschaltstufe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bipolare Transistor als Darlington-Stufe (8, 9) ausgebildet ist.