DE3237141C1

DE3237141C1 - Steuervorrichtung für einen Schalttransistor

Info

Publication number: DE3237141C1
Application number: DE3237141A
Authority: DE
Inventors: Anna Dipl.-Ing. 6430 Nordborg Melamed
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1982-10-07
Filing date: 1982-10-07
Publication date: 1983-07-28
Also published as: DK434083D0; DK434083A; JPS5986922A; US4564769A

Description

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sättigungssteuerschaltung wenigstens eine zweite Diode aufweist, die gleichsinnig mit der ersten in Reihe geschaltet ist, und daß die Sättigungssteuerschaltung so ausgelegt ist, daß die Basis-Emitter-Spannung des Schalttransistors bei Anlegen einer Einschaltsteuerspannung an den Steuereingang etwa um den Durchlaßspannungsabfall einer Diode höher als die Kollektor-Emitter-Spannung des Schalttransistors ist.
Bei dieser Ausbildung wird der Schalttransistor beim Einschalten zwangsläufig bis in die Sättigung getrieben.
Dies gibt geringe Einschaltverluste im Transistor. Beim Leitendwerden der Sättigungssteuerdioden wird der Basissteuerschaltung jedoch ein Teil des Basisstroms entzogen. Dies führt zu einer Begrenzung der Kollektorspannung, die verhindert, daß der Schalttransistor nicht zu weit in die Sättigung getrieben wird. Der Schalttransistor kann demzufolge für einen Leistungs-Schalttransistor noch hinreichend rasch wieder ausgeschaltet werden, d. h. es wird eine Speicherung einer zu großen Ladungsträgermenge im Basisraum vermieden.
Durch die Verwendung zweier gleichsinnig in Reihe geschalteter Dioden in der Sättigungssteuerschaltung ist zudem sichergestellt, daß auch Betriebsspannungen, die höher als die Sperrspannung einer normalen Diode liegen, geschaltet werden können, da die Summe der Sperrspannungen beider Dioden die Höhe der zulässigen Betriebsspannung bestimmt.
Sodann kann die eine Diode in der Sättigungssteuerschaltung eine Hochspannungsdiode sein. Auf diese Weise können noch höhere Betriebsspannungen zugelassen werden.
Dennoch kann hierbei die zweite Diode der Sättigungssteuerschaltung eine (normale) Niederspannungsdiode sein.
Wenn die Steuervorrichtung einen Stromverstärker in der Basissteuerschaltung aufweist, ist es günstig, die kollektorseitige erste Diode als Hochspannungsdiode auszubilden und zwischen der Verbindung von erster und zweiter Diode der Sättigungssteuerschaltung und dem der Polarität des Kollektors entsprechenden Pol einer Niederspannungsquelle eine bei Überspannung an dieser Verbindung leitende Diode anzuordnen. Eine Hochspannungsdiode hat eine vergleichsweise hohe Schaltkapazität, die Spannungssprünge oder Strörimpulse durchläßt. Beim Schalten hoher Spannungen, wie sie insbesondere bei einer eine Hochspannung erzeugende Betriebsspannungsquelle für den Verbraucher vorliegen, können daher über diese Schaltkapazität, insbesondere bei Verwendung eines Stromverstärkers, leicht derartige Spannungssprünge oder Störimpulse auf die Basis des Schalttransistors übertragen werden.
Die zweite Diode kann hier bereits aufgrund ihrer Sperrwirkung Abhilfe schaffen. Günstiger ist jedoch das Ableiten einer Überspannung über die zwischen der Verbindung der ersten und zweiten Sättigungssteuerdiode und der Niederspannungsquelle liegende Diode unter gleichzeitiger Begrenzung des Potentials dieser Verbindung auf das der Niederspannungsquelle, vorzugsweise einer eigenen Betriebsspannungsquelle der Steuervorrichtung. Derartige Überspannungen können auch beim Schalten eines induktiven Verbrauchers auftreten.
Sodann kann dafür gesorgt sein, daß die Steuerspannung eine Rechteck-Wechselspannung ist, daß der zweiten Diode der Sättigungssteuerschaltung und der Diode in der Basissteuerschaltung ein gemeinsamer erster Widerstand vorgeschaltet ist, daß die in der Basissteuerschaltung liegende Diode dem Eingang des Stromverstärkers vorgeschaltet ist, daß zwischen dem Eingang des Stromverstärkers und dem Emitter des Schalttransistors ein zweiter Widerstand liegt und daß zwischen dem Steuereingang der Steuervorrichtung und dem Stromverstärkereingang eine weitere, eine Einschalt-Steuerspannung sperrende Diode liegt. Bei dieser Ausbildung wirken die beiden Widerstände als Spannungsteilers der eine Anpassung der wirksamen Steuerspannung an den jeweiligen Leistungstransistor ermöglicht. Daruber hinaus ist aufgrund der die Einschalt-Steuerspannung sperrenden Diode und der Verwendung einer Rechteck-Wechselspannung als Steuerspannung sichergestellt, daß im Einschalt-Zustand des Schalttransistors in dessen Basisraum gespeicherte Ladungsträger beim Ausschalten durch die mit umgekehrter Polarität im Vergleich zur Einschalt-Steuerspannung in bezug auf Bezugspotential (Masse) wirksame Ausschalt-Steuerspannung rasch abgesaugt werden. Der Schalttransistor wird daher entsprechend rasch wieder in den Ausschaltzustand umgeschaltet.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Die Zeichnung stellt einen in Reihe mit einem Verbraucher 1 an einer Betriebsspannungsquelle 2 liegenden Schalttransistor 3 für hohe Leistungen dar, dessen Basis über eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung 4 aus einem Rechteck-Wechselspannungsgenerator 5 mit einer Steuerspannung beaufschlagt wird. Der Schalttransistor 3 schaltet daher den Verbraucher 1 bzw. den Verbraucherstrom abwechselnd ein und aus.
Die Betriebsspannungsquelle 2 erzeugt eine hohe Spannung von etwa 600 bis 800 Volt, wie sie z. B. für den Betrieb eines 380-V-Asynchronmotors über einen Wechselrichter erforderlich ist.
Die Steuervorrichtung 4 enthält eine Basissteuerschaltung 6 zwischen dem Steuereingang 7 und der Basis des Schalttransistors 3. Ferner enthält die Steuervorrichtung 4 eine Sättigungssteuerschaltung 8 zwischen dem Steuereingang 7 und dem Kollektor des Schalttransistors 3.
Die Sättigungssteuerschaltung 8 enthält zwei gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden, eine Niederspannungsdiode 9 und eine für hohe Schaltfrequenzen geeignete Hochspannungsdiode 10. Die Kathode der Diode 10 ist mit dem Kollektor des Schalttransistors 3 und die Anode der Diode 9 über einen vorgeschalteten Widerstand 11 mit dem Steuereingang 7 verbunden.
Zwischen der Verbindung der Dioden 9 und 10 ist die Anode einer Diode 12 angeschlossen, deren Kathode mit dem positiven Pol einer Niederspannungsquelle 2a für 12 Volt verbunden ist, die den Generator 5 speist. In der Basissteuerschaltung 6 liegen zwischen der Verbindung von Widerstand 11 mit Diode 9 und der Basis des Schalttransistors 3 eine Diode 13 und ein Stromverstärker 14 in Reihe. Die Diode 13 ist dem Eingang des Stromverstärkers 14 vorgeschaltet, wobei ihre Kathode mit dem Stromverstärkereingang verbunden ist. Der Stromverstärker 14 hat eine Spannungsverstärkung von »1< und dient zur Erfassung der Steuerspannung, ohne daß die Basis des Schalttransistors 3 den Generator 5 nennenswert belastet. Die Quelle 2a speist auch den Verstärker 14.
Zwischen dem Eingang des Stromverstärkers 14 und dem Emitter des Schalttransistors 3 liegt ferner ein Widerstand 15. Sodann liegt zwischen dem Steuereingang 7 und dem Stromverstärkereingang eine Diode 16, deren Kathode mit dem Steuereingang 7 und deren Anode mit dem Stromverstärkereingang verbunden ist.
Wenn eine positive Halbwelle der Steuerspannung am Steuereingang 7 auftritt, treibt diese über den Widerstand 11, die Diode 13 und den Stromverstärker 14 einen Strom, den Basisstrom, durch die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors 3. Dadurch wird der Schalttransistor3 leitend Sobald das Kollektorpotential (gegenüber dem Potential des Emitters des Schalttransistors 3 bzw dem negativen Pol der Betriebsspannungsquelle 2) um die Summe der Schleusenspannungen der Dioden 9 und 10 niedriger als das Potential der Verbindung zwischen Widerstand 11 und Diode 9 ist, werden die Dioden 9 und 10 leitend. Die Steuerspannung treibt daher einen zusätzlichen Strom über den Widerstand 11, die Dioden 9 und 10 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors 3. Da die Spannungsabfälle an den Dioden 9, 10 und 13 in Durchlaßrichtung etwa gleich sind, dagegen der Spannungsabfall am Stromverstärker 14 (wegen der Spannungsverstärkung »1«) als vernachlässigbar klein angesehen werden kann, liegt das Kollektorpotential um den Spannungsabfall einer der Dioden 9 und 10 niedriger als das Basispotential. Mit anderen Worten, die Basis-Emitter-Spannung ist um den Spannungsabfall einer Diode (9 oder 10) höher als die Kollektor-Emitter-Spannung des Schalttransistors 3. Da beim Leitendwerden der Dioden 9 und 10 ein Teil des zuvor über die Basis geflossenen Stroms nunmehr über die Dioden 9 und 10 und die Kollektor-Emitter-Strecke fließt bzw.
das Potential der Verbindung von Widerstand 11 und Diode 9 wegen des Spannungsabfalls am Widerstand 11 und am Innenwiderstand des Generators 5 abnimmt, verringert sich der Basisstrom, so daß die Aussteuerung des Schalttransistors 3 wieder etwas verringert wird und die Kollektor-Emitter-Spannung entsprechend ansteigt.
Dies führt zu einer Sperrung der Dioden 9 und 10 und einem entsprechenden Wiederanstieg des Basisstroms.
Im Ergebnis stabilisiert sich der Arbeitspunkt des Schalttransistors 3 so, daß seine Basis-Emitter-Spannung etwa um den Durchlaßspannungsabfall einer Diode höher als seine Kollektor-Emitter-Spannung ist.
Auf diese Weise ist dafür gesorgt, daß der Schalttransistor 3 beim Einschalten stets bis in die Sättigung durchgesteuert, jedoch nicht zu weit in die Sättigung getrieben wird. Er weist daher geringe Einschaltverluste auf. Dennoch wird beim Ausschalten des Schalttransistors 3 für eine verhältnismäßig rasche Abfuhr der im Basisraum während der Sättigung gespeicherten Ladungsträger gesorgt, da nur eine begrenzte Sättigung bewirkt wird.
Da das Ausschalten mittels einer in bezug auf Masse bzw. das Emitterpotential negativen Steuerspannung bewirkt wird, die sich aufgrund der Diode 16 praktisch voll auf die Basis des Schalttransistors 3 auswirkt, wird die Ladungsträger-Abfuhr aus dem Basisraum des gesättigten Schalttransistors 3 rascher als bei lediglich Wegnahme einer positiven Einschalt-Steuerspannung bewirkt. Die Folge ist ein um so rascheres Ausschalten (Sperren) des Schalttransistors.
Die Widerstände 11 und 15 haben in bezug auf eine positive Einschalt-Steuerspannung die Wirkung eines Spannungsteilers zur Anpassung der Steuerspannung an die gewünschte Aussteuerung des Schalttransistors 3.
Die Dioden 9 und 13, deren Durchlaßspannungsabfälle sich hinsichtlich der Kollektor-Basis-Spannung kompensieren, könnten zur Erzielung lediglich einer (geringen) Sättigung entfallen (kurzgeschlossen werden). Die Diode 9 ist jedoch erwünscht, wenn ein Verbraucher 1 für höhere Spannungen als der Sperrspannung einer normalen Diode durch den Schalttransistor geschaltet werden soll. Gegebenenfalls sind die Sperrspannungen beider Dioden 9, 10 gemeinsam ausreichend, um die Betriebsspannung von der Basis zu trennen. Auch bei Verwendung einer »schnellen« Hochspannungsdiode 10, wie sie zum Schalten eines mit noch höherer Spannung betriebenen Verbrauchers 1, z. B. eines über einen Wechselrichter aus einer Spannungsquelle von etwa 600 bis 800 Volt gespeisten 380-Volt-Asynchronmotors, erforderlich ist, ist die Diode 9 günstig. Eine solche Hochspannungsdiode 10 hat eine verhältnismäßig hohe Streu- bzw.
Schaltkapazität, die dazu führt, daß die hohen positiven Spannungssprünge oder andere hohe Störimpulse am Kollektor des Schalttransistors auf die Basis des Schalttransistors durchschlagen. Die zweite Diode 9 verhindert dies, wobei die Diode 12 zusätzlich dafür sorgt, daß an der Kathode der Diode 9 auftretende Überspannungen (insbesondere bei einem induktiven Verbraucher) in die Betriebsspannungsquelle 2 zurückgeführt werden, so daß die Diode 9 als einfache Niederspannüngsdiode ausgebildet sein kann.
Bei Verwendung der zweiten Diode 9 ohne die Diode 13 wäre die Basis-Emitter-Spannung beim Einschalten des Schalttransistors 3 um die Durchlaßspannungsabfälle beider Dioden 9 und 10 höher als die Kollektor-Emitter-Spannung. Dadurch würde der Schalttransistor 3 zu weit in die Sättigung getrieben. Die Hinzunahme -der Diode 13 kompensiert den Spannungsabfall an der Diode 9, so daß der- Unterschied zwischen Kollektor-und Basispotential nur dem Durchlaßspannungsabfall der Diode 10 entspricht.
Bei Verwendung einer oder mehrerer weiterer mit den Dioden 9, 10 in der Sättigungssteuerschaltung 8 gleichsinnig in Reihe liegender Dioden, um noch höhere Spannungen zu schalten, können anstelle der einen Diode -13 zwei oder mehr gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden verwendet werden, um jeweils den Spannungsabfall an der zweiten und der oder den weiteren Dioden in der Sättigungssteuerschaltung zu kompensieren, so daß das Emitterpotential stets um den Spannungsabfall nur einer Diode der Sättigungssteuerschaltung höher als das Kollektorpotential gegenüber Masse (dem Emitter) liegt.
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Claims

Patentansprüche: 1 Steuervorrichtung für einen Schalttransistor mit einer zwischen einem Steuereingang der Steuervorrichtung und der Basis des Schalttransistors liegenden Basissteuerschaltung, uber die der Schalttransistor abwechselnd durch eine Steuerspannung ein- und aussohaltbar ist, um einen mit der lÆoilektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors in Reihe an einer Betriebsspannungsquelle liegenden Verbraucher ein- und auszuschalten, mit wenigstens einer in der Basissteuerschaltung liegenden Diode, deren Durchlaßrichtung gleichsinnig mit der der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors gepolt ist, mit einer zwischen dem Steuereingang und dem Kollektor des Schalttransistors liegenden Sättigungssteuerschaltung, die wenigstens eine erste Diode aufweist, deren Durchlaßrichtung gleichsinnig mit der der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors gepolt ist, d a d u r c h g e k e n n 2 e i eh -n e t, daß die Sättigungssteuerschaltung (8) wenigstens eine zweite Diode (9) aufweist, die gleichsinnig mit der ersten (10) in Reihe geschaltet ist, und daß die Sättigungssteuerschaltung so ausgelegt ist, daß die Basis-Emitter-Spannung des Schalttransistors (3) bei Anlegen einer Einschaltsteuerspannung an den Steuereingang (7) etwa um den Durchlaßspannungsabfall einer Diode (9; 10) höher als die Kollektor-Emitter-Spannung des Schalttransistors (3) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Diode (10) in der Sättigungssteuerschaltung (8) eine Hochspannungsdiode ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode (9) der Sättigungssteuerschaltung (8) eine Niederspannungsdiode ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, insbesondere mit einem Stromverstärker in der Basissteuerschaltung, da durch gekennzeichnet, daß die kollektorseitige erste Diode (10) die Hochspannungsdiode ist und daß zwischen der Verbindung von erster und zweiter Diode (9, 10) der Sättigungssteuerschaltung (8) und dem der Polarität des Kollektors entsprechenden Pol (+) einer Niederspannungsquelle (2a) eine bei Überspannung an dieser Verbindung leitende Diode (12) liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung eine Rechteck-Wechselspannung ist, daß der zweiten Diode (9) der Sättigungssteuerschaltung (8) und der Diode (13) in der Basissteuerschaltung (6) ein gemeinsamer erster Widerstand (11) vorgeschaltet ist, daß die in der Basissteuerschaltung liegende Diode - (13) dem Eingang des Stromverstärkers (14) vorgeschaltet ist, daß zwischen dem Eingang des Stromverstärkers (14) und dem Emitter des Schalttransistors (3) ein zweiter Widerstand (15) liegt und daß zwischen dem Steuereingang (7) der Steuervorrichtung (4) und dem Stromverstärkereingang eine weitere, eine Einschalt-Steuerspannung sperrende Diode (16) liegt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für einen Schalttransistor mit einer zwischen einem Steuereingang der Steuervorrichtung und der Basis des Schalttransistors liegenden Basissteuerschaltung, über die der Schalttransistor abwechselnd durch eine Steuerspannung ein- und ausschaltbar ist, um einen mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors in Reihe an einer Betriebsspannungsquelle liegenden Verbraucher ein- und auszuschalten, mit wenigstens einer in der Basissteuerschaltung liegenden Diode, deren Durchlaßrichtung gleichsinnig mit der der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors gepolt ist, mit einer zwischen dem Steuereingang und dem Kollektor des Schalttransistors liegenden Sättigungssteuerschaltung, die wenigstens eine erste Diode aufweist, deren Durchlaßrichtung gleichsinnig mit der der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors gepolt ist.

Bei einer bekannten Steuervorrichtung dieser Art enthält die Sättigungssteuerschaltung nur eine Anti-Sättigungsdiode und die Basissteuerschaltung ebenfalls nur eine Diode, wobei die Schleusenspannungen dieser Dioden etwa gleich sind. Bei Anlegen einer Einschalt-Steuerspannung an den Steuereingang der Steuervorrichtung fließt zunächst nur über die Diode der Basissteuerschaltung und die Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors ein Strom. Sobald die Kollektor-Emitter-Spannung des Schalttransistors aufgrund der Aussteuerung mit dem Basisstrom so weit abgesunken ist, daß sie um die Schleusenspannung der Anti-Sättigungsdiode niedriger als die Steuerspannung ist, wird ein Strom aus dem Basiskreis über die Anti-Sättigungsdiode und die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors abgezweigt, so daß die Aussteuerung (der Basisstrom) verringert wird, sich aber ein<Gleichgewichtszustand einstellt, bei dem die Potentiale von Basis und Kollektor gegenüber dem Emitter weitgehend gleich sind. Der Arbeitspunkt des Transistors liegt dann kurz unterhalb des Sättigungsknicks. Durch das Vermeiden der Sättigung wird erreicht, daß im Basisraum des leitenden Transistors nicht zu viele Ladungsträger gespeichert werden, die zunächst wieder entfernt werden müßten, bevor der Schalttransistor wieder in den Ausschaltzustand zurückkehren kann. Die dadurch bedingte Ausschaltverzögerungszeit verringert insgesamt die Schaltgeschwindigkeit des Schalttransistors.

Um den -Sättigungsbereich mit noch höherer Sicherheit zu vermeiden, ist es auch schon bekannt, die Sättigungssteuerschaltung mit nur einer Anti-Sättigungsdiode, dagegen die Basissteuerschaltung mit zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden zu versehen.

Im eingeschalteten Zustand liegt dann das Basispotential um den Durchlaßspannungsabfall der einen Diode der Basissteuerschaltung niedriger als das Kollektorpotential, wenn man von etwa gleichen Schleusenspannungen aller Dioden ausgeht.

Das Vermeiden der Sättigung bei einem Schalttransisfor kann jedoch zu hohen Schaltverlusten führen, insbesondere bei Schalttransistoren für hohe Leistungen und hohe Betriebsspannungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die geringe Einschaltverluste, insbesondere bei einem Schalttransistor für hohe Leistungen und hohe Spannungen, sicherstellt.