DE3230910C2

DE3230910C2 -

Info

Publication number: DE3230910C2
Application number: DE19823230910
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 8000 Muenchen De Hebenstreit
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-08-19
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1987-09-24
Also published as: DE3230910A1; JPS5951417A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter für eine induktive Komponente aufweisende Last mit den Merkmalen:

a) mindestens ein Brückenzweig mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, invers betriebenen Leistungs-MOSFET;
b) der Brückenzweig hat zwei äußere Klemmen und einen zwischen zweien der MOSFET liegenden inneren Abgriff;
c) die Last liegt zwischen innerem Abgriff und wahlweise einer der äußeren Klemmen.

Ein solcher Schalter ist z. B. in der Zeitschrift "Elektronik" 1980, Heft 24, Seiten 91 bis 94 beschrieben worden. Bei diesem Schalter werden die beiden Leistungs-MOSFET des Brückenzweiges invers zueinander geschaltet, d. h., wenn der eine MOSFET eingeschaltet wird, wird der andere ausgeschaltet. Die Leistungs-MOSFET weisen eine in Rückwärtsrichtung gepolte Diode auf, die im Fall einer induktiven Last in denjenigen Betriebsphasen, in denen der Versorgungsbatterie keine Leistung entnommen wird, den Selbstinduktionsstrom (Freilaufstrom) führt. Die Kommutierung stellt zunächst für den einzuschaltenden Leistungs-MOSFET eine kritische Phase dar, da der Strom schon ansteigt, während die am MOSFET liegende Spannung zunächst nur unwesentlich absinkt. Dies führt zu hohen Einschaltverlusten.

Beim Umkommutieren des Stroms vom einen Leistungs-MOSFET auf den anderen Leistungs-MOSFET tritt nun beim zu sperrenden MOSFET zusätzlich ein Problem auf, das durch die rückwärts leitende Diode verursacht wird. Die rückwärts leitende Diode (Inversdiode) wird durch die Basis-Kollektorstrecke eines parasitären Bipolartransistors gebildet. Beim Kommutieren des Stroms vom abzuschaltenden auf den einzuschaltenden MOSFET kann ein Teil des Rückstroms durch die Kollektor-Basisstrecke des Bipolartransistors des abzuschaltenden MOSFET fließen. Damit kann der Bipolartransistor eingeschaltet werden. Liegt dann gleichzeitig Spannung am abzuschaltenden MOSFET, kann dieser zerstört werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim Einschalten und Umkommutieren auftretenden Belastungen an den Leistungs-MOSFET einen Schalters der eingangs beschriebenen Gattung so zu verringern, daß eine Zerstörung der Leistungs-MOSFET vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale:

d) dem Brückenzweig ist eine Entlastungsdrossel in Reihe geschaltet;
e) dem Brückenzweig ist ein Hilfskreis parallelgeschaltet;
f) der Hilfskreis besteht aus einer Hilfsspannungsquelle und einer Diode;
g) die Diode ist so gepolt, daß der Hilfsstrom die MOSFET in Vorwärtsrichtung durchfließt;
h) die Hilfsspannung (V _H ) ist kleiner als die am Schalter liegende Spannung (V _B ) und ist so bemessen, daß ist, wobei die Größe L _H die parasitäre Induktivität des Hilfskreises ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein prinzipielles Schaltbild zur Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden Probleme und der Erfindung,

Fig. 2 den Spannungs- und Stromverlauf an den Leistungs-MOSFET bei einem Schalter herkömmlicher Art,

Fig. 3 den Spannungs- und Stromverlauf an den Leistungs-MOSFET eines Schalters gemäß der Erfindung und

Fig. 4 bis 6 drei verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Die Anordnung nach Fig. 1 weist zwei Leistungs-MOSFET Tr₁ und Tr₂ auf, im folgenden nur MOSFET genannt. Diese MOSFET sind in Reihe geschaltet und bilden, eventuell unter Berücksichtigung einer Leistungsinduktivität, einen Brückenzweig eines Schalters. Dieser Brückenzweig hat zwei äußere Klemmen A, B und einen inneren Abgriff M. An die äußere Klemme A und an die innere Klemme M ist eine Last geschaltet. Sie besteht aus einer induktiven Komponente L _L und einer ohmschen Komponente R _L. In Reihe mit dem Brückenzweig liegt eine Entlastungsdrossel L _E, die von der Reihenschaltung aus einer Diode und einer Zenerdiode überbrückt ist.

Die Verwendung und Wirkung einer solchen Entlastungsdrossel ist z. B. aus der Zeitschrift "etz", Band 100 (1979), Heft 13, Seiten 664 bis 670 bekannt.

An die Klemmen A und B ist eine Hilfsschaltung angelegt, die aus einer Spannungsquelle mit der Hilfsspannung V _H und einer Diode D₂ besteht. Die Hilfsschaltung hat eine nicht zu vernachlässigende Leistungsinduktivität L _H, die gestrichelt dargestellt ist.

Zur Erläuterung der Erfindung sei angenommen, daß die Last einen mittleren Freilaufstrom I führt, der durch die Inversdiode von Tr₁ fließt. Diese Inversdiode ist durch die Kollektor-Basisstrecke des parasitären Bipolartransistors T gebildet und mit einer Kapazität C _CB behaftet. Wird nun der MOSFET Tr₁ abgeschaltet und der MOSFET Tr₂ eingeschaltet, so ändern sich die Ströme zunächst nicht, da der Strom I durch die Inversdiode von Tr₁ weiterfließt und der Strom i wegen der Entlastungsdrossel L _E nicht sprunghaft ansteigen kann. Die an den Inverter liegende Spannung u fällt jedoch wegen des Einschaltens des MOSFET Tr₂ abrupt ab und erreicht zur Zeit t₁ (Fig. 2) einen Wert nahe Null. Der Strom I geht hierbei ausgehend von negativen Werten gemäß di/dt = V _B /L E gegen Null, kehrt dann seine Richtung um und fließt dann in Vorwärtsrichtung durch den MOSFET Tr₁. Er teilt sich dabei in den Strom i₁ und i₂ auf, wobei i₂ · R _BE eine Steuerspannung U _BE für den Bipolartransistor T darstellt. Wird U _BE größer als die Basis-Emitter-Schwellspannung, wird der Transistor T leitend. Mit dem Abbau der in der Kollektor-Basiskapazität C _CB gespeicherten Ladungsträger steigt die Spannung u an den MOSFET steil an (t₂ in Fig. 2). Diese Spannung liegt auch am Bipolartransistor T an. Fließt nun Kollektorstrom durch den Transistor T, kann die Verlustleistung so hoch werden, daß der MOSFET Tr₁ zerstört werden kann.

Gemäß der Erfindung wird nun der aus der Spannungsquelle V _H′ einer eventuellen Leitungsinduktivität L _H und der Diode D₂ bestehende Hilfskreis dem Brückenzweig parallelgeschaltet. Damit kann die Spannung am Brückenzweig, d. h. zwischen den Klemmen A und B, nicht in die Nähe von Null fallen, sondern wird auf Höhe der Spannung V _H festgehalten. Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht, in der oben der Verlauf der Spannung u und unten der Verlauf des Stroms i₂ aufgetragen ist. Es ist zu erkennen, daß die Spannung u zum Zeitpunkt t₄ die Hilfsspannung V _H erreicht und dort zunächst festgehalten wird. Dabei fließt ein Strom i _H aus der Hilfsschaltung über die Diode D₂ zur Klemme A. Der Strom i _H bewirkt ab dem Zeitpunkt t₄ ein starkes Ansteigen des Stroms i nach Null und zu positiven Werten. Der Stromanstieg ist dabei durchV _H /L _H bestimmt. Es ist ersichtlich, daß der das Ausräumen der Inversdiode des MOSFET Tr₁ bewirkende Strom i₂ höher ist als ohne die Hilfsschaltung, so daß die in der Inversdiode gespeicherten Ladungsträger (Q _CB ) beschleunigt ausgeräumt werden. Zu einem Zeitpunkt t₆, in dem die Spannung an der Klemme A noch die Größe V _H hat, wird der Strom i₂ gleich Null, d. h., daß die Ladungsträger ausgeräumt sind und der parasitäre Bipolartransistor nun ausgeschaltet ist. Daran schließt sich die Freiwerdezeit t _q der Diode D₂ an . Während der Dauer der Freiwerdezeit ist der Strom i₂ immer noch Null, das Potential an der Klemme A wird jedoch auf der Höhe V _H festgehalten. Die Spannung am Brückenzweig steigt erst am Ende der Freiwerdezeit zum Zeitpunkt t₇ wieder auf die Spannung u an. Das du/dt des Spannungsanstiegs wird durch die Entlastungsdrossel L _E bestimmt. Da der MOSFET Tr₁ nun nicht mehr von Strom durchflossen ist, kann der parasitäre Bipolartransistor nicht einschalten und eine Zerstörung des MOSFET wird vermieden.

In Fig. 4 ist ein einfacher Inverter mit einem einzigen Brückenzweig und den MOSFET Tr₁ und Tr₂ dargestellt, bei dem die Last zwischen dem Mittelabgriff und einem künstlichen Nullpunkt, gebildet aus zwei Kondensatoren, angeschaltet ist. Die Hilfsschaltung wirkt für beide MOSFET, da diese bezüglich der Hilfsschaltung in Reihe geschaltet und vom gleichen Strom durchflossen sind.

In Fig. 5 ist ein Schalter mit zwei Brückenzweigen, eine Vollwegbrücke, dargestellt. Die beiden Brückenzweige weisen wiederum je zwei Leistungs-MOSFET auf, die stark vereinfacht dargestellt sind. Die Last besteht z. B. aus einem Gleichstrommotor L, der zwischen die Mittelabgriffe der Brückenzweige geschaltet ist. Die Hilfsschaltung wirkt hier analog der Anordnung nach Fig. 5 für alle vier MOSFET.

Eine entsprechende Erweiterung auf einen Dreiphasen-Steller ist in Fig. 6 dargestellt. Dieser besteht aus drei Brückenzweigen, an deren Mittelabgriffen eine dreiphasige Last L, z. B. ein Drehstrommotor, angeschlossen ist. Die Entlastungsschaltung wirkt hier entsprechend auf sämtliche sechs Leistungs-MOSFET.

Voraussetzung für die Wirksamkeit der Hilfsschaltung ist, daß der durch die Hilfsschaltung verursachte Stromanstieg di/dt größer ist als der durch die Entlastungsdrossel L _E alleine bewirkte Stromanstieg di/dt. Da der Stromanstieg eines induktiven Kreises gleich dem Quotienten aus der anliegenden Spannung und der Induktivität des Kreises ist, muß die Bedingung

erfüllt sein. Daraus resultiert, daß die Hilfsspannung

sein muß. Sie kann z. B. 5 bis 10mal größer sein. Die Hilfsspannung kann, wie dargestellt, von einer Batterie geliefert werden. Es kann aber auch ein Kondensator zur Verwendung kommen, der über einen Widerstand an einer Spannungsquelle liegt.

Claims

1. Schalter für eine induktive Komponente aufweisende Last, mit den Merkmalen:

a) mindestens ein Brückenzweig mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, invers betriebenen Leistungs-MOSFET (Tr₁, Tr₂);
b) der Brückenzweig hat zwei äußere Klemmen (A, B) und einen zwischen zweien der MOSFET liegenden inneren Abgriff (M);
c) die Last (L _L, R _L ) liegt zwischen innerem Abgriff und wahlweise einer der äußeren Klemmen;

gekennzeichnet durch die Merkmale:

d) dem Brückenzweig ist eine Entlastungsdrossel (L _E ) in Reihe geschaltet;
e) dem Brückenzweig ist ein Hilfskreis parallelgeschaltet;
f) der Hilfskreis besteht aus einer Hilfsspannungsquelle (V _H ) und einer Diode (D₂);
g) die Diode ist so gepolt, daß der Hilfsstrom die MOSFET in Vorwärtsrichtung durchfließt;
h) die Hilfsspannung (V _H ) ist kleiner als die am Schalter liegende Spannung (V _B ) und ist so bemessen, daß ist, wobei die Größe L _H die parasitäre Induktivität des Hilfskreises ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung (V _H ) 5 bis 10mal größer als die Größe ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) es ist ein zweiter Brückenzweig mit in Reihe geschalteten, invers betriebenen Leistungs-MOSFET vorgesehen;
b) der zweite Brückenzweig ist dem ersten parallelgeschaltet und hat einen inneren Abgriff;
c) die Last liegt zwischen den inneren Abgriffen des ersten und des zweiten Brückenzweiges.

4. Schalter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) den beiden Brückenzweigen ist ein dritter Brückenzweig mit einem inneren Abgriff parallelgeschaltet;
b) die Last ist eine dreiphasige Last und ist über ihre drei Klemmen mit jeweils einem der inneren Abgriffe der Brücken verbunden.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle eine Batterie ist.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle ein Kondensator ist, der über einen Widerstand an einer Spannungsquelle liegt.