DE3238127A1 - Anordnung zur steuerung von halbleiterschaltungen - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung von Halbleiterschaltungen und insbesondere zur Überwachung ihrer Leitungs-Niveaus.

Halbleiterschaltungen werden häufig in unterschiedlichen Leitungs-Niveaus betrieben, wenn sie als Schalter arbeiten, d.h. sie werden abwechselnd auf ein vollgesättigtes Leitungsniveau (Ein) oder ein nichtleitendes Niveau (Aus) geschaltet. Schaltkreise, die Halbleiter als Schalter verwenden, verwenden ferner häufig Feldeffekttransistoren als Schaltelemente, die in der Lage sind, starke Ströme über einen weiten Bereich von Schaltraten zu schalten, mit Hilfe einer kleinen Steuerspannung, die an Steuerelektroden gelegt wird.

Es ist häufig erforderlich, einen solchen Schalter in einem Schaltungsteil mit hoher Spannung (bezüglich Erde oder Masse des .Schaltkreises) anzuordnen, wobei es erforderlich ist, die Steuerspannung, obwohl sie klein ist, gleichmäßig über das Erdpotential des Schaltkreises zu erhöhen. Wenn der Schaltungsvorgang kontinuierlich mit einer relativ hohen Frequenz erfolgt, wird dies erreicht, indem über einen Transformator die Steuerspannung in Form von Impulsen eines Generators mit den Steuerelektroden gekoppelt wird, wobei die Impulse ein Spannungs-Zeit-Produkt aufweisen, das geeignet ist, den Schaltzustand des Transistors über die erforderlich Dauer aufrechtzuerhalten.

Eine derartige Anordnung arbeitet nur bei Schaltfrequenzen oberhalb von mehreren hundert Hetz wirksam, während darunter das Spannungs-Zeit-Produkt der umgeformten Steuerimpulse spezielle und teure Transformator-Konstruktionen verlangt, welche die Kostenvorteile der Transistor-Schaltung vermindern.

Die Leitungs-Pegel eines Schalttransistors zwischen "Ein" und "Aus" sind nur ein Beispiel einer Schaltung, die generell zwischen zwei verschiedenen Pegeln erfolgen kann, welche auch Zwischenwerte bzw. Zwischen-Pegel einer Halbleiterschaltungsanordnung sein können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine mittels Transformator gekoppelte Steuerschaltung zum Schalten alternierender Leitungspegel in einer Halbleiteranordnung zu schaffen, die sich für niedrigere Schalt-Raten eignet und einen einfacheren Transformator benötigt als bisher bekannte Anordnungen.

Nach der Erfindung ist hierzu eine transformator-gekoppelte Ansteueranordnung zum Schalten unterschiedlicher Leitungs-Niveaus in einer Halbleiteranordnung vorgesehen, mit einem Impulserzeuger, der intermittierend Steuerimpulse mit abwechselnd entgegengesetzter Polarität an die Primärwicklung eines Impulstransformators gibt, welcher eine Sekundärwindung hat, die über asymmetrische Leitungseinrichtungen an Steuerelektroden der Halbleiteranordnung geschaltet ist, wodurch transformierte Steuerimpulse einer Polarität die asymmetrische Leitungseinrichtung vorspannen, dmit sie in einer Richtung leitet, wobei wenigstens ein Teil des Spannungs-Pegels dieser umgeformten Steuerimpulse an die Steuerelektroden gelegt wird, damit die Schaltungsanordnung ein Leitungs-Niveau einnimmt, das nach dem Impuls aufrechterhalten wird, indem die asymmetrische Schwellwert-Leitungseinrichtung rückwärts vorgespannt wird, durch Speicherung der Steuerspannung an den Steuerelektroden der Halbleiteranordnung, wobei erfindungsgemäß die asymmetrische Leitungseinrichtung in zwei Richtungen über die Schwellwerte hinaus leitet, die jeder Leitungsrichtung zugeordnet sind, wobei ferner umgeformte Impulse dieser anderen Polarität die asymmetrische Leitungseinrichtung vorspannen, damit sie in der entgegengesetzten Richtung leitet, um wenigstens einen Teil der gespeicherten Steuerspannung von den Steuerelektroden abzunehmen, damit die Anordnung ein anderes Leitungs-Niveau annimmt.

Unterschiedliche Leitungs-Niveaus in Halbleiterschaltungen können durch

eine Vielzahl von Steueranordnungen geschaltet werden, wie sie vorstehend beschrieben wurden, wobei die Impulserzeuger und die Primärwicklung des Impulsumformers für alle Schaltungsanordnungen gemeinsam sind und von ihnen benutzt werden.

Die Bezeichnung "asymmetrische Zwei-Richtungs-Leitungseinrichtung" wird in der Beschreibung benutzt zur Bezeichnung einer Anordnung oder einer Kombination von Anordnungen, die auf eine Spannung ansprechen, die über einem ersten vorgegebenen Schwell wert liegt, der an die Anordnung in einem Sinn gelegt ist, um eine Leitung in einer Richtung zu bewirken und die auf eine Spannung ansprechen, die über einem zweiten vorgegebenen Schwellwert liegt, der an die Einrichtung in entgegengesetztem Sinn angelegt ist, um eine Leitung in entgegengesetzter Richtung zu bewirken.

Solche Einrichtungen können sein, z.B. eine Zwei-Richtungs-Halbleiterdiode, die sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärts-Durchbruchsweise arbeitet, beispielsweise eine Zener-Diode, wobei in diesem Fall eine der Schwellwertspannungen im wesentlichen Null ist und die andere die Zener-Durchbruchsspannung, oder es kann ein Paar solcher Dioden vorgesehen sein, die in Reihe liegen und entgegengesetzt gepolt sind. Alternativ kann als asymmetrische Leitungseinrichtung ein Paar in einer Richtung leitende parallel geschaltete Elemente verwendet werden, z.B. entgegengesetzt gepolte sogenannte Referenz-Dioden, von denen jede entgegengesetzt gepolte konventionelle und Zener-Dioden in Reihe umfaßt, um eine Leitung nur in der Zener-Durchbruchsweise zuzulassen, oder ein komplementärer Transistor oder andere Halbleiter oder Nicht-Halbleiter-Schwellwertelernente.

Wenn eine Mehrzahl von Schaltungsanordnungen vorhanden ist, können der erste und der zweite vorgegebene SchwelIwert-Pegel gleich oder unterschiedlich sein.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine Schaltung einer Steueranordnung nach der Erfindung für einen Feldeffekttransistor zeigt, der eine asymmetrische Schwellwertleitungseinrichtung in Form einer Zenerdiode aufweist.

Fig. 2a ist eine Schaltung einer Steueranordnung, ähnlich derjenigen nach Fig. 1, wobei als asymmetrische Schwellwertleitungseinrichtung eine reihengeschaltete Zenerdiodenanordnung vorgesehen ist.

Fig. 2b ist eine Schaltung einer Steueranordnung, ähnlich derjenigen von Fig. 2a, wobei als asymmetrische Schwellwert-Leitungseinrichtung parallel geschaltete Referenz-Dioden verwendet werden.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung eines Reihen-Reglers mit einer Steueranordnung nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung einer Proportional-Steueranordnung, die eine Einrichtung nach der Erfindung verwendet.

Fig. 5 zeigt einen Schaltkreis eines Inverters mit einem Paar in Reihe geschalteter Transistor-Schalter, die individuell gesteuert werden, um variable Impuls-Tastverhältnisse zu ermöglichen.

Fig. 6 ist ein Schaltkreis eines Inverters mit einer Steueranordnung nach der Erfindung, die eine synchrone Schaltung in einem Paar reihengeschalterer Transistorschalter ermöglicht.

Fig. 7a zeigt die Schaltung eines Gegentaktinverters mit der Steueranordnung nach der Erfindung, die eine synchrone Schaltung in Transistorschaltern in einem Niederspannungsteil des Schaltkreises ermöglicht.

Fig. 7b zeigt die Schaltung eines Gegentaktinverters, ähnlich nach demjenigen von Fig. 7a, wobei die Transistorschalter in dem Hochspannungsteil des Schaltkreises liegen.

Fig. 8 zeigt die Schaltung einer dreiphasigen Motoransteuerung mit Schalttransistoren, die durch eine Ansteuereinrichtung nach der Erfindung gesteuert werden.

In Fig. 1 wird ein Strom durch eine Last L zwischen positiven und neutralen Speiseleitungen. 11, 12 gesteuert durch einen Schalter 13, der einen n-Kanal-Verstärkungs-Feldeffekttransistor enthält. Die Schaltung des Leitungspegels des Transistors 13 zwischen einem gesättigten Leitungszustand "Ein" und einem nicht-leitenden Zustand "Aus", wird gesteuert durch einen Impulsgenerator 14, der kurze Steuerimpulse von wechselnd entgegengesetzter Polarität intermittierend erzeugt, z.B. Impulse mit einer Dauer von 1 Mikrosekunde alle 10 Mikrosekunden, oder länger.

Die Ausgangsklemmen des Impulsgenerators 14 sind an die Primärwicklung eines Impulstransformators 16 gelegt, der eine Sekundärwicklung 17 besitzt. Der Impulstransformator 16 kann ein einfaches Element sein, mit einem Verhältnis von 1:1, bestehend aus bifilaren Wicklungen für Primär- und Sekundärwicklung mit etwa 10-15 Windungen auf einem ringförmigen Kern. Die Sekundärwicklung 17 hat eine Klemme 18, die an eine Steuerelektrode (source) 19 des Transistors gelegt ist und eine weitere Klemme20, die über eine asymmetrische Schwellwerteinrichtung in Form einer Zenerdiode 21 an eine Steuerelektrode (gate) 22 des Transistors gelegt ist. Die Zenerdiode liegt mit ihrer Anode am Anschluß 20 der Sekundärwicklung, während ihre Kathode mit der Torelektrode 22 des Transistors verbunden ist. Die Zener-Durchbrunchsspannung der Diode 21 und die Impulsamplitude der erzeugten Steuerimpulse werden gewählt, daß sie im wesentlichen gleich sind und geeignet als Schaltspannung für den Transistor 13, beispielsweise zwanzig Volt.

Im allgemeinen erzeugt der Impulsgenerator 14 Impulse mit bezug auf die neutrale Leitung 12, mit der er über eine Leitung 23 verbunden ist, wobei ferner die Schalt-Spannung, die an den Steuerelektroden des Transistors entsteht, in der Größenordnung von etwa 20 Volt liegt, während die Elektroden selbst unter dem Potential der Speiseleitung 11 arbeiten, das viele hundert Volt über dem Potential der neutralen Leitung 12 liegen kann. Die Transformator-Kopplung bietet einen geeigneten praktischen Weg zur Isolierung bzw. Trennung des Impulsgenerators und der Steuerelektroden.

Wenn der Generator 14 nach Fig. 1 einen positiv gehenden Steuerimpuls von 20 Volt bezüglich der neutralen Leitung 12 erzeugt, wird durch einen positiv gehenden Impuls zwischen den Klemmen 20 und 18 der Sekundärwicklung die Zenerdiode 21 vorwärts vorgespannt und der Impuls erscheint an den Steuerelektroden 22 und 19 des Transistors 13, wodurch dieser in den Sättigungszustand (saturated conduction) gesteuert und die Tor-Kapazität des Transistors aufgeladen wird. Wenn der erzeugte Impuls endigt (nach 1 Mikrosekunde), wird die Zenerdiode rückwärts durch das Potential vorgespannt, das in der Tor-Kapazität gespeichert ist, welches - es liegt nicht über dem Zener-Durchbruchsniveau - an den Steuerelektroden verbleibt und den "Ein"-Zustand des Transistors aufrechterhält.

Wenn der Generator 14 danach einen negativ gehenden Impuls von 20 Volt Amplitude erzeugt, wird dieser umgeformt, wodurch eine Potentialdifferenz von 40 Volt an der Zenerdiode 21 auftritt, die in Durchbruchsweise leitet, bis die Kathode, die mit dem Tor 22 verbunden ist, auf 20 Volt über dem Anoden-Niveau reduziert wird, d.h. null Volt bezüglich der Klemme 19, an welchem Punkt der Transistor 19 abschaltet und so verbleibt, nachdem der Steuerimpuls geendet hat.

Der nächste positiv gehende Impuls schaltet den Transistor wieder ein und der Transistor schaltet um zwischen den Stellungen "Ein" und "Aus" bei jedem Steuerimpuls, obwohl die Steuerimpulse selbst viel kurzer sind als das Intervall zwischen ihnen.

Das Intervall zwischen den Impulsen kann gewählt werden, derart, daß es irgendeinen längeren Wert als die Impulsdauer hat, womit sich ein weiter Variationsbereich für die Transistor-Schaltrate ergibt, wobei ein Betrieb mit Schaltraten in der Größenordnung von einigen zehn bis einigen hundert Hertz besonders geeignet ist. Hierbei ist nur eine Umformung eines kurzen Impulses durch den Impulstransformator 16 erforderlich.

Die Schaltung wird bewirkt als Folge einer schnellen Aufladung oder Entladung der Tor-Kapazität des Transistors, was eine Funktion der Größe dieser Kapazität, der angelegten Spannung und der Dauer des Impulses ist.

Um die Schaltcharakteristiken zu verbessern, kann die Schaltung ergänzt werden durdi eine weitere Kapazität zwischen den Steuerelektroden, mittels eines Kondensators 34, wobei sich eine Stärke in der Größenordnung von 1nF (Nanofarad) als geeignet erwiesen hat in Verbindung mit dem Feldeffekttransistor 13. Ein Widerstand 25 kann an die Sekundärwicklung des Transformators geschaltet werden, um ein Schwingen des Transformators und der Schaltkreis-Kapazitäten zu dämpfen, wenn der Impuls weggenommen wird.

Die Schaltcharakteristiken können auch unterschiedliche Betriebs-Zusammenhänge zwischen den umgeformten Steuerimpulsen und der Zener-Durchbruchsspannung bedingen.

Beispielsweise kann ein Feldeffekttransistor,wie beschrieben, eine Einschal tspannung in der Größenordnung von 15-20 Volt und eine Abschaltspannung von weniger als 5 Volt aufweisen. Die Impulsamplitude kann kleiner sein als die Zener-Durchbruchsspannung, z.B. 20 und 24 Volt, derart, daß der positiv gehende Impuls die vollen 20 Volt anlegt, um den Transistor einzuschalten, während der negativ gehende Impuls, der zu einem Zener-Durchbruch führt, eine positive Spannung von etwa 4 Volt an den Steuerelektroden beläßt, welche unterhalb des Abschalt-Pegels liegt. Alternativ kann der Transistor-Schalter übersteuert werden, d.h. er kann durch Spannungsdifferenzen angesteuert werden, die zu Spannungsniveaus führen, die wesentlich größer sind als die erforderlichen für die Schaltung, die jedoch die Schalt-Zeiten abkürzen. In der Schaltung * nach Fig. 1 sind derartige Übersteuer-Spannungen ein zeitweiliges Merkmal über die Dauer des Ansteuer-Impulses, wobei die Niveaus etwas fallen, um den leitenden Zustand beizubehalten.

Wenn die umgeformte Steuerimpulsspannung größer gewählt wird als die Zener-

Durchbruchsspannung, z.B. 24 VoH und 20 Volt, so wird durch einen positiv gehenden Impuls eine Spannung von 24 Volt benutzt, um die Zenerdiode vorwärts vorzuspannen und den Transistor einzuschalten. Am Ende des Steuerimpulses wird die Diode rückwärts vorgespannt, über ihr Zener-Durchbruchsniveau hinaus, und sie leitet bis die Spannung an der Steuerelektrode 20 Volt beträgt, was ausreicht für die Aufrechterhaltung des leitenden Zustandes. Wenn ein negativ gehender Impuls angelegt wird, leitet die Diode wieder in Zener-Weise, wobei die Steuerelektrode auf eine Steuerspannung von -4 Volt gebracht wird, welche den Transistor abschaltet. Nachdem der Steuerimpuls beendet ist, wird die Steuerspannung erhöht, infolge einer Leitung durch die Diode, auf eine Spannung in der Größenordnung von null Volt.

Der Vorteil dieser Betriebsweise liegt darin , daß die Schaltgeschwindigkeit, die eine Funktion der Zeit ist, die erforderlich ist zur Ladung oder Entladung der Tor-Kapazitä't, gesteigert wird, vorausgesetzt, daß sichergestellt ist, daß die temporär angelegten Spannungen die Sicherheits-Niveaus des Betreibers des Transistors nicht übersteigen.

In den bisher beschriebenen Steuerungen liegt die Steuerspannung, um den Transistor ausgeschaltet zu halten, bei oder über null Volt. Bei einigen Schaltkreisen kann dies zu nahe an den Leitungs-Niveaus liegen, um eine Nicht-Leitung unter allen Bedingungen zu gewährleisten, weshalb die Steuerspannung zweckmäßigerweise auf einem negativen Wert gehalten wird, anstatt nur zeitweilig während des Schaltvorganges. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt, die ähnlich derjenigen nach Fig., 1 ist, wobei jedoch die asymmetrische Schwellwert-Einrichtung 21 ein Paar Zenerdioden 26, 27 aufweist, die gegensinnig in Reihe-geschaltet sind, so daß die vorgegebenen Schwellwertspannungen, die erforderlich sind, um eine Leitung in jeder Richtung zu bewirken, der Zener-Durchbruchsspannung der Zenerdiode entsprechen, die in dieser Richtung rückwärts vorgespannt ist. Die Diode 26 ist eine Hauptdiode und die Diode 27 eine Nebendiode. Für den Betrieb sind die Größen, die für die Übersteuerung in Fig. 1 beschrieben wurden, ebenfalls geeignet, d.h. ein umgeformter Impuls von 24 Volt und eine Durchbruchsspannung der Zenerdiode 26 von 20 Volt. Die Diode 27 hat eine Durchbruchsspannung von etwa 4 Volt, das ist angenähert die Differenz zwischen der

Durchbruchsspannung der Diode 26 und der Amplitude des umgeformten Steuerimpulses.

Wenn ein positiver Steuerimpuls von 24 Volt umgeformt wird, werden 4 Volt an der Hilfsdiode 27 unterdrückt und der Rest von 20 Volt wird an die Steuerelektrode des Transistors gelegt, um das Einschalten des Transistors zu bewirken. Diese Spannung ist nicht größer als die Zener-Durchbruchsspannung der Hauptdiode 26 und sie wird aufrechterhalten, nachdem der Steuerimpuls beendet ist. Wenn ein negativer Steuerimpuls erzeugt wird, wird die Spannung der Steuerelektrode auf -4 Volt reduziert, welche nach dem Ende des Steuerimpulses mittels der rückwärts vorgespannten Hilfsdiode 27 beibehalten wird.

Die Form der Zenerdioden-Schaltung nach Fig. 2a ermöglicht Variationen der relativen Pegel der Steuerimpulsamplitude und der Zener-Durchbruchsspannungen. Beispielsweise kann die Schaltung übersteuert werden durch Anlegen von Impulsen mit größeren Amplituden, wodurch temporäre Schaltspannungen an die Steuerelektroden über die Dauer der Steuerimpulse gelegt werden, wodurch die Haltespannungen erniedrigt werden.

Eine alternative Ausführungsform einer Zenerdioden-Schaltung ist in Fig. 2b gezeigt, worin ein Paar sogenannter Referenzdioden 26' und 27' parallel geschaltet sind. Jede Referenzdiode umfaßt eine Zenerdiode in Reihe mit einer entgegengesetzt gepolten konventionellen Diode, welche eine vorwärts vorgespannte Leitung durch die Zenerdiode sperrt und eine Leitung nur in der Zener-Durchbruchsweise zuläßt. Die Betriebsweise ist im wesentlichen gleich derjenigen nach Fig. 2a, der Spannungsabfall über der vorwärts vorgespannten Zenerdiode in dieser Schaltung wird jedoch vermieden.

Der beschriebene Schaltkreis kann variiert werden, z.B. kann ein Impulstransformator mit einem Verhältnis verwendet werden, das von 1:1 abweicht und/oder ein Impulsgenerator, bei welchem die Intervalle zwischen positiven und negativen Impulsen unterschiedlich oder im Betrieb variabel sind, um ein asymmetrisches Tastverhältnis der leitenden Zustände des Transistors zu bewirken.

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Ferner kann die Frequenz der Steuerimpulse in einfacher Weise variiert werden, um ein Umschalten der Anordnung mit gewünschter Frequenz zu bewirken. Ferner können die Werte bzw. Pegel, die für die Spannung gewählt werden, die an die Steuerelektroden gelegt wird, nicht derart sein, daß der Transistor entweder in gesättigte Leitung oder nichtleitenden Zustand geschaltet wird, sondern sie können so gewählt werden, daß das Leitungsniveau auf einen Zwischenwert eingestellt wird. Auch ist die Steuerungsanordnung nicht beschränkt zur Verwendung mit η-Kanal-Verstärkungsfeldeffekttransistoren, wie sie zum Zwecke der Beschreibung gewählt wurden. Sie eignet sich zur Ansteuerung unterschiedlicher Geräte, vorausgesetzt, daß keine merkliche Leckage der Spannung der Steuerelektrode auftritt, die ihr Leitungs-Niveau beeinflussen könnte, oder die Schaltungsanordnung mit einer relativ hohen Schaltrate betrieben wird. Die vorstehend beschriebene Steuerungsanordnung, die nachfolgend mit Bezug auf einen η-Kanal-Feldeffekttransistor beschrieben wird, kann einfach angepaßt werden zur Verwendung mit Geräten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch geeignete Polaritätsumkehr der Zenerdioden-Schaltung.

Die asymmetrische Zweirichtungs-Anordnung ist oben in Form einer Zenerdioden-Schaltung beschrieben worden, entweder als einzelne Komponente oder als eine Kombination von Komponenten. In jeder der beschriebenen Ausführungsformen kann jedoch die Zenerdioden-Schaltung Elemente enthalten, wie Halbleiter oder andere, die dieselben Leitungscharakteristiken bei den geeigneten Schwellwertspannungen haben.

Nachstehend werden einige Beispiele von Schaltkreisen, die die Steueranordnung nach der Erfindung verwenden, erläutert.

Aus Gründen der Zwakmäßigkeit wird ebenfalls eine asymmetrische Schwellwertanordnung in Form einer einzelnen Zenerdiode verwendet.

Diese Ausführungsform einer mittels Transformator gekoppelten Steuerungseinrichtung für einen Schalttransistor eignet sich besonders für Schaltungen in welchen die Steuerelektroden des Transistors auf einem hohen Potential gegenüber dem Impulsgenerator liegen. Ein Beispiel einer solchen Schaltung,

in welcher der Schalttransistor als Reihen-Regler (series regulator) verwendet wird, ist in Fig. 3 dargestellt, wobei der Transistor 30 und seine Steuerelektroden 31, 32 gegenüber dem Impulsgenerator 33 durch den Impulstransformator 34 getrennt sind. Der restliche Teil des Reglers ist konventionell und im Betrieb wird der Transistor 3o alternativ ein- und ausgeschaltet unter der Steuerung des Generators 33. Der Generator 33 kann so vorab eingestellt werden, daß er asymmetrische "Ein"-Zeiten und "Aus"-Zeiten liefert, um die Ausgangsspannung zu variieren oder als Funktion des Regler-Ausganges oder des Stromes variabel zu machen, um einen stabilisierten Ausgang aufrechtzuerhalten, unabhängig von der Ladung.

Die Anordnung kann auch verwendet werden in Verbindung mit gesteuerten Geräten, wie z.B. einer elektromechanischen Betätigungseinrichtung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. Der Strom durch eine Spule 36 wird gesteuert durch den Schalttransistor 37 und gemessen durch eine Spannung, die über einem Widerstand 38 entsteht. Diese Spannung wird benutzt, um einen Impulsgenerator der Transistoranordnung 40 anzusteuern, um den Abstand zwischen Impulsen entgegengesetzter Polarität zu steuern, wobei eine gemessene Reduzierung des Stromes und das Intervall zwischen positiven und negativen Steuerimpulsen erhöht wird, um den Zeitanteil zu steigern, in der der Schalter 37 eingeschaltet ist.

Alle insoweit beschriebenen Schaltungen, die die Steueranordnung nach der Erfindung verwenden, haben einen einzelnen Transistor, der durch Umschalten gesteuert wird. Es gibt jedoch Ausführungsformen von Schaltkreisen, in welchen es erforderlich ist, eine Mehrzahl von Transistoren in Intervallen ein- und auszuschalten, von denen einer, ein Inverter, in Fig. 5 dargestellt ist.

Die Inverterschaltung 41 hat eine Gleichspannungsquelle 42, zu der ein Paar Kondensatoren 43, 44 geshuntet ist, die in Reihe zueinander an einem Verbindungspunkt 45 liegen und einen Kapazitätsteiler über der Spannungsquelle bilden. Zu der Spannungsquelle ist ferner ein Paar steuerbarer Halbleiterschaltungen in Form von n-Kanal-Verstärkungs-Feldeffekttransistoren

46, 47 geschaltet, die ebenfalls in Reihe zueinander an einem Verbindungspunkt 48 liegen. Die Anschlußpunkte 45 und 48 zwischen den Kondensator und Transistor-Paaren sind durch die Primärwicklung eines Ausgangstransformators 49 verbunden, dessen Sekundärwicklung an Ausgangsklemmen 50 gelegt ist, um eine Wechselspannungslast (nicht gezeigt) zu versorgen.

Diese Ausführungsform einer Inverterschaltung ist bekannt und sie wird betätigt durch abwechselndes Durchschalten der Transistoren 46 und 47 in leitenden Zustand, während der andere Transistor abgeschaltet wird. Die Transistoren werden durch individuelle Steuereinrichtungen 51, 52 angesteuert, die oben in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurden, wobei die Impulsgeneratoren 53, 54 entsprechende Eingangsverbindungen haben, durch welche das Intervall zwischen positiv und negativ gehenden Impulsen jedes Generators variiert werden kann, entweder manuell durch eine äußere Steuerung (nicht gezeigt) oder als Folge einer Messung des Ausganges des Transformators 49, um diesen Ausgang zu stabilisieren. Die Transistorschalter 46 und 47 dürfen nicht gleichzeitig den Schaltzustand "Ein" haben, und dies wird erreicht durch die Impulserzeuger 53 und 54, die außer Phase arbeiten, d.h. die Steuerimpulse des Generators 54 für "Ein" und "Aus" werden erzeugt zwischen aufeinanderfolgenden "Aus- und EinImpulsen" des Generators 53.

Die vorbeschriebene Interterschaltung stellt eine allgemeine Ausführungsform dar, bei der die leitenden Perioden der Transistorschalter unabhängig voneinander variiert werden können, um ein Intervall zwischen den Schaltzuständen "Ein" der beiden Transistoren zu schaffen.

Eine weitverbreitete Ausführungsform des Inverters nach Fig. 5 verwendet eine synchrone Schaltung der Transistoren, bei der die Transistoren nie beide gleichzeitig den Schaltzustand "Aus" haben, sondern wenn ein Transistor ausgeschaltet ist, ist der andere eingeschaltet und umgekehrt. Hierbei ist darauf zu achten, daß ein Transistor ausgeschaltet ist, ehe der andere eingeschaltet wird.

Eine Steuerschaltung nach der Erfindung, die sich für einen solchen Inverter eignet, ist in Fig. 6 gezeigt.

In Fig. 6 ist der Inverter allgemein mit 55 bezeichnet und er enthält in Reihe liegende Schalttransistoren 56, 57 (die den Transistoren 46, von Fig. 5 entsprechen). Die Ansteuerschaltung für die Transistoren umfaßt einen Impulsgenerator 58, der abwechselnd positiv und negativ gehende Impulse bezüglich der neutralen Leitung 59 erzeugt, wobei der Ausgang des Generators an eine Primärwicklung 60 eines Impulstransformators 61 gelegt wird.

Der Impulstransformator 61 hat zwei Sekundärwicklungen 62, 63, von denen jede ein Windungsverhältnis von 1:1 mit der Primärwicklung 60 hat, die jedoch (wie durch die Punkte angedeutet) so geschaltet sind, daß sie mit entgegengesetzter Polarität arbeiten. Die Wicklung 62 ist über eine Zenerdiode 64 mit den Steuerelektroden des Transistors 56 verbunden und die Wicklung 63 des Impulstransformators, deren Ausgang eine entgegengesetzte Polarität zur ersten Wicklung hat, ist über eine Zenerdiode 65 mit den Steuerelektroden des Transostors 57 verbunden.

Wenn die Transistoren 56 und 57 im wesentlichen dieselben Betriebscharakteristiken haben, können die Zenerdioden 64 und 65 zweckmäßigerweise dieselbe Form und dieselbe Durchbruchsspannung aufweisen, die in Übereinstimmung mit den oben diskutierten veränderlichen Größen gewählt wird, und der Impulsgenerator 58 erzeugt Impulse mit einer Amplitude, ebenfalls in Übereinstimmung mit diesen Variablen.

Betrachtet man die Anschlüsse der Transformatorenwicklungen, so ergibt sich, daß ein positiv gehender Steuerimpuls, der an die Primärwicklung 60 angelegt wird, zu einer positiven Spannung an den Steuerelektroden des Transistors 56 führt, wodurch dieser eingeschaltet wird, und gleichzeitig (durch den Durchbruch in der Diode 65) zu einer Reduzierung der Spannung an den Steuerelektroden des Transistors 57, wodurch dieser abgeschaltet wird. Ein nachfolgender negativ gehender Steuerimpuls führt zu einem Durchbruch der Diode 64 und einer Reduzierung der Spannung an den Steuer-

elektroden des Transistors 56, wodurch dieser abgeschaltet wird, während •gleichzeitig die Spannung an den Steuerelektroden des Transistors 57 erhöht und dieser eingeschaltet wird.

Durch eine Variation des Intervalles zwischen positiven und negativen Steuerimpulsen wird das Verhältnis der leitenden Zeiten zwischen den Transistoren 56 und 57 entsprechend variiert. Da ferner jeder Steuerimpuls dazu dient, die leitenden Zustände oder Pegel beider Transistoren gleichzeitig zu schalten, besteht keine Möglichkeit eines direkten Kurzschlusses der Gleichspannungs-Versorgungsleitungen und es ist keine zusätzliche Schaltung erforderlich, um einen solchen Kurzschluß zu verhindern.

Wie bereits erwähnt, ist das Verhältnis zwischen der umgeformten Impulsamplitude und der Zener-Durchbruchsspannung veränderbar, abhängig von den Transistor-Parametern.

Die Ausführungsform der Zener-Diodenschaltung nach Fig. 2, d.h. zwei gegensinnig geschaltete Zenerdioden, eignet sich besonders für eine Vielfach-Steuerschaltung, bei der eine Impulsspannungsamplitude, die für die wirksame Schaltung eines Gerätes erforderlich ist, auf ein geeignetes Niveau für das andere Gerät reduziert werden kann, durch geeignete Wahl der Zener-Durchbruchsspannungen.

Diese Vielfach-Steuerungsanordnung hat weitere Varianten. Beispielsweise kann das Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und jeder der Sekundärwicklungen verschieden sein, oder es können Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps verwendet werden durch geeignete Polaritätsumkehr der Zenerdioden und der Sekundärwicklungen des Transformators.

Die vorbeschriebene Vielfach-Steuerungsanordnung, obwohl sie sich zur Ansteuerung von reihengeschalteten Geräten eignet, bei denen die Steuerelektroden eines Gerätes notwendigerweise auf höherem Potential liegen als die anderen, ist auf solche Schaltungen nicht beschränkt,

sondern eignet sich auch für parallel geschaltete Geräte oder Schaltungen, wie den Gegentaktinvertern nach den Fig. 7a und 7b. Fig. 7a zeigt die Verwendung von Transistorschaltern, die durch eine Vielfach-Steuerungseinrichtung angesteuert werden, wobei die Transistorschalter in einem Niederspannungsteil der Schaltung liegen, während Fig. 7b eine entsprechende Anordnung zeigt, bei der die Transistorschalter in einem Hochspannungsteil des Schaltkreises angeordnet sind.

Die Steuerungsschaltung nach der Erfindung eignet sich aber auch für andere Formen von Schaltvorgängen bzw. Schaltungen, wie z.B. für eine dreiphasige Motorsteuerung, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Der Betrieb der Steuerungsschaltung für die reihengeschalteten Transistorschalter ist praktisch gleich demjenigen nach Fig. 6, wobei die Impulsgeneratoren (nicht gezeigt) an die Transformatoranschlüsse A, B und C gelegt sind, die in einer vorgegebenen Phasenzuordnung stehen, um an die Motorwicklungen dreiphasige Ausgänge abzugeben.

Die Frequenz der Schaltungen, d.h. die Konimutation der Schaltungen, die durch die Steuerschaltung gesteuert werden, ist direkt auf die Impulsfrequenz der Impulsgeneratoren bezogen, welche Frequenz vorgegeben sein kann, oder auch variabel sein kann.

Vorstehend wurde die Vielfach-Steuerungsanordnung in Verbindung mit zwei zu steuernden Geräten beschrieben, es wird jedoch betont, daß auch eine größere Anzahl von Geräten oder Schaltungen synchron durch einen Impulsgenerator und einen Impulstransformator angesteuert werden können, wobei jedes Gerät eine separate Sekundärwicklung und eine Zenerdiode benötigt.

Leerseite

Claims (21)

1. Ferranti pic - A 14 584 -

   Patentansprüche

   μ) Anordnung zur Steuerung von Halbleiterschaltungen zum Schalten unterschiedlicher Leitungsniveaus in einer Halbleiteranordnung, mit einem Impulsgenerator, der intermittierend Steuerimpulse von abwechselnd entgegengesetzter Polarität an die Primärwicklung „. eines Impulstransformators legt, dessen Sekundärwicklung über r-^efne asymmetrische Leitungs-Einrichtung an Steuerelektroden der Halbleiteranordnung geschaltet ist, wodurch umgeformte Steuerimpulse einer Polarität die asymmetrische Leitungs-Einrichtung vorspannen, damit sie in einer Richtung leitet, um wenigstens einen Teil des Spannungsniveaus des umgeformten Steuerimpulses an die Steuerelektroden zu geben, damit die Halbleiterschaltung ein Leitungsniveau einnimmt, das aufrechterhalten wird, nachdem der Impuls beendet ist durch Rückwärtsvorspannung der asymmetrischen Leitungseinrichtung durch Speicherung der Steuerspannung an den Steuerelektroden der Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrische Leitungs-Einrichtung in zwei Richtungen leitet über die Schwellwerte hinaus, die jeder Leitungsrichtung zugeordnet sind, und daß die umgeformten Impulse dieser anderen Polarität die in zwei Richtungen leitende asymmetrische Leitungs-Einrichtung vorspannen, damit sie in der entgegengesetzten Richtung leitet, um wenigstens einen Teil der gespeicherten Steuerspannung von den Steuerelektroden wegzunehmen, damit die Halbleiterschaltung ein anderes Leitungsniveau einnimmt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator an die Steuerelektroden der Halbleiterschaltung gelegt ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand an die Sekundärwicklung des Impulstransformators gelegt ist.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrische Leitungs-Einrichtung eine Zener-Diodenschaitung aufweist, bei der die Durchbruchsspannung einer Zenerdiode wenigstens eine der vorgegebenen Schwellwertspannungen bildet, die erforderlich ist, um eine Leitung in der asymmetrischen Leitungs-Schaltung zu bewirken.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Diodenschaltung eine einzige Zenerdiode aufweist, wobei der Spannungsabfall der vorwärts vorgespannten Diode die andere vorgegebene Schwellwertspannung bildet, die erforderlich ist, um eine entgegengesetzte Leitung in der asymmetrischen Leitungs-Einrichtung zu bewirken.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Diodenschaltung ein Paar entgegengesetzt gepolter Zenerdioden aufweist, und daß die Durchbruchsspannungen der beiden Zenerdioden die vorgegebenen Schwellwertspannungen, die für die Leitung erforderlich sind, bilden.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerdioden in Reihe geschaltet sind.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerdioden parallel geschaltet sind, und daß zu jeder Zenerdiode in Reihe eine weitere Diode liegt, um eine vorwärts vorgespannte Leitung durch die zugehörige Zenerdiode zu verhindern.
9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8 für einen Transistorschalter, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator und der Impulstransformator Impulse solcher Amplitude liefern, daß die asymmetrische Leitungs-Schaltung in einer Richtung leitet, um den Transistor in gesättigten Leitungszustand (voll eingeschaltet) zu schalten und daß sie in anderer Richtung leitet, um den Transistor nicht-leitend zu machen (voll ausgeschaltet).
10. 10. Anordnung nach Anspruch 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchsspannung der Zenerdiode höher ist als die Einschalt-Steuerspannung des Transistorschalters, daß ferner der Impulsgenerator umgeformte Impulse mit einer Amplitude liefert, die größer ist als die Einschalt-Steuerspannung des Transistors, und daß die Differenz zwischen der umgeformten Impulsspannung und der Durchbruchsspannung der Zenerdiode kleiner als die Ausschalt-Spannung des Transistors ist.
11. 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Durchbruchsspannung und die Amplitude der umgeformten Impulse im wesentlichen gleiche Größe haben, um eine Abschalt-Spannung an den Steuerelektroden des Transistorschalters zu erzeugen, die im wesentlichen den Wert Null hat.
12. 12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß.die umgeformte Impulsamplitude größer ist als die Zener-Durchbruchsspannung, um am Anfang eine Abschalt-Spannung entgegengesetzter Polarität zu derjenigen der Einschalt-Spannung zu erzeugen.
13. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 6-8 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zenerdioden eine Durchbruchsspannung hat, die höher ist als die Einschalt-Steuerspannung des Transistors und daß die andere Zenerdiode eine Durchbruchsspannung hat, die nicht niedriger ist als die Größe einer Abschalt-Spannung entgegengesetzter Polarität zu derjenigen der aufrechtzuerhaltenden Einschalt-Spannung.
14. 14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator und der Impulstransformator umgeformte Impulse mit einer Größe erzeugen, die im wesentlichen gleich der Summe der Durchbruchsspannungen der Zenerdioden ist.
15. 15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator Steuerimpulse mit einer Dauer in

    Größenordnung von einer Mikrosekunde erzeugt.
16. 16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulstransformator ein Verhältnis von Primärwicklung zu Sekundärwicklung von 1:1 hat.
17. 17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen des Impulstransformators bifilar sind und auf einen ringförmigen Kern gewickelt sind.
18. 18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Ansteuern bzw. Schalten einer Mehrzahl von Halbleiterschaltungen, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Steueranordnungen, wobei der Impulsgenerator und die Primärwicklung des Impulstransformators für alle Steueranordnungen gemeinsam sind.
19. 19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Halbleiterschaltungen mit entgegengesetztem Leitungs-Niveau als die übrigen Halbleiterschaltungen betrieben werden.
20. 20. Anordnung nach Anspruch 19 für Halbleiterschaltungen desselben

    • Polaritätstyps, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen ^fl des Impulstransformators, die diesen einigen Halbleiterschaltungen zugeordnet sind, Impulse entgegengesetzter Polarität.bezug!ich der Sekundärwicklungen liefern, die den übrigen Halbleiterschaltungen zugeordnet sind.
21. 21. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltung ein η-Kanal-Verstärkungsfeldeffekttransistor ist (n-channel enhancement mode F.E.T.).