DE3247707A1

DE3247707A1 - Entlastungsnetzwerk fuer einen leistungstransistor

Info

Publication number: DE3247707A1
Application number: DE19823247707
Authority: DE
Inventors: Gerhard 6901 Bammental Becker; Edwin Dipl.-Ing. 7524 Tiefenbach Petschenka
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1982-12-23
Publication date: 1984-06-28

Description

Entlastungsnetzwerk für einen Leistungstransistor
Die Erfindung bezieht sich auf ein Entlastungsnetzwerk für einen Leistungstransistor, der sich spannungsmaßig auf 0-Volt-Potential bzw. Minus-Potential bezieht und der über einen Treiber angesteuert wird und in dessen Kollektorkreis eine Last mit paralleler Freilaufdiode angeordnet ist. Die Patentanmeldung findet Anwendung in der Leistungselektronik, beispielsweise zur Ansteuerung von Drehstromantrieben für Werkzeugmaschinen.
Transistoren, die eine induktive Last schalten müssen, sind beim Ein- und Ausschalten starken Belastungen unterworfen, weil die Lastinduktivität versucht, den Strom über den Transistor aufrechtzuerhalten, während die Spannung ansteigt. Zu diesem Zweck ist es bekannt, lastparallele Löschkreise aus Dioden vorzusehen. In diesen Bauteilen soll die gespeicherte magnetische Energie der induktiven Last beim Zu- oder Abschalten der Transistorstufe vernichtet werden, so daß die Verlustleistung (P - U . I) im Transistor nicht so hoch ansteigt (DE-PS 24 56 190).
Andere Schaltungen zur Begrenzung der Verlustleistung durch Verzögern des Stromanstiegs beim Einschalten und des Spannungsanstiegs beim Abschalten durch zuschaltbare Spulen und Kondensatoren sind bekannt aus wt-Zeltschrift für industrielle Fertigung 1979, Seite 463 bis 473. Hier werden auch die Probleme von Schalttransistoren an einfachen Beispielen durchgesprochen und Lösungsvorschläge für Entlastungsschaltungen aufgezeigt. Der bauteilmäßige Aufwand bei derartigen Schaltungen ist allerdings erheblich. Weiterhin wird die im Transistor eingesparte Verlustenergie in den zusätzlichen Bauteilen in unnütze Wärme umgewandelt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein bauteilmäßig sehr einfach ausgestaltetes Entlastungsnetzwerk zu finden, bei dem ein Schalttransistor mit Last (Spule oder Kondensator) an einem hohen Gleichstromnetz verlustfrei zu betreiben ist.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruchs erzielt.
Neben der besonders einfachen und preisgünstigen Ausführung des erfindungsgemäßen Entlastungsnetzwerkes ist es vorteilhaft, daß die bisher in den Bauteilen in Wärme umgesetzte Verlustleistung verwendet wird, um einen gro-Ren Teil der Treiberleistung für den Transistorsteuerstrom zu bekommen. Dadurch wird der Basisstrom des Transistors gespeist durchsdie eigene Verlustleistung des Schalttransistors. Eine obligatorische Treiberschaltung, die Leistung aus dem Netz aufnehmen muß, kann deshalb einfacher und kleiner aufgebaut werden. Da die zum Schalten der Transistorstufe aus dem Netz aufgenommene Energie nur noch sehr gering ist, konnte der Wirkungsgrad erheblich verbessert werden. Weitere Vorteile sind aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel ersichtlich.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Entlastungsnetzwerks in einer prinzipiell dargestellten Transistorschaltstufe wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Ein Leistungstransistor 1 wird an seiner Basis über einen Treiber 2 angesteuert, so däß eine im Kollektorkreis des Transistors 1 angeordnete Last 3 zu- und abgeschaltet werden kann. Die Last 3 ist an eine Versorgungsspannung UB, beispielsweise das gleichgerichtete 380-Volt-Drehstromnetz, gelegt. Bezugspotential ist die 0-Volt-Schiene. Der Treiber 2, der aus einer Verstärkerstufe besteht, wird von einer Treiberspannung UT versorgt und mit einer Steuerspannung S beaufschlagt. Die Last 3 besteht aus einer Spule-Widerstandsanordnung (Motor). Parallel zu der Last 3 ist eine Freilaufdiode 4 geschaltet. Vom Emitter des Transistors 1 ist eine Spule 5 mit Eisenkern nach 0-Volt-Potential gelegt. Von dem 0-Volt-Potential ist noch eine Entlastungsdiode 6 auf einen Spannungseingang des Treibers 2 geschaltet. Von dem Kollektor des Transistors 1 ist ein Kondensator 7 auf 0-Volt-Potential gelegt.
Diese Anordnung arbeitet wie folgt: Die Last 3 soll über den durchgeschalteten Transistor 1 an die Betriebsspannung Ug gelegt werden. Dazu wird ein Steuerbefehl S auf den Treiber 2 gegeben und hier verstärkt, so daß die Basis des Transistors mit einem ausreichend groRen Basisstrom 1B angesteuert wird. Der Transistor 1 schaltet durch und ein Stromfluß von Ug zur 0-Volt-Schiene setzt ein. Da gleichzeitig noch die volle Versorgungsspannung über dem Transistor 1 ansteht, tritt eine hohe Verlustleistung (Wärme) auf. Gemäß der Erfindung wird jetzt im Emitterkreis des Transistors 1 eine weitere Spule 5 eingeschaltet. Beim Durchschalten des Transistors 1 steht jetzt nicht mehr die gesamte Versorgungsspannung über dem Transistor, sondern über der Spule 5 an. Die Spule verzögert den ansteigenden Laststrom von Ug nach 0-Volt und nimmt entsprechend Energie auf. Der Laststrom wird von der Versorgungsspannung getrieben. Wenn der Strom durch den Transistor 1 und die Spule 5 seine volle Höhe erreicht hat (der Strom durch die Freilaufdiode ist zu Null geworden), tritt keine schnelle Stromanderung mehr auf und die Spannung über der -Spule 5 sinkt ab.
Im Einschaltaugenblick nimmt also nicht der Transistor 1 die Betriebsspannung auf, sondern die Spule 5. Die Spule 5 läßt dann den Strom zeitlinear ansteigen, bis der normale Laststrom erreicht ist. Die Spule 5 verzögert also den Stromanstieg durch den Transistor 1. Durch den zeitversetzten Anstieg von Strom und Abfall der Spannung im Transistor 1 ist dessen Verlustleistung sehr gering.
Beim Abschaltvorgang wird über den Tre-iber der Basisstrom Ig des Transistors 1 zu Null gemacht. Der-,Strom durch den Transistor 1 verringert sich zeitlinear. Diese Stromänderung bewirkt über dem Transistor -1 langsam den vollen Spannungsanstieg. Wenn- die Durchbruchspånnung der Freilaufdiode 4 erreicht ist, schaltet-diese durch und der Stromfluß durch den Transistor 1 hört schlagartig auf. Die Spannung muß über den Transistor also erst ansteigen bevor der Strom durch den Transistor abklingen kann. Um den Spannungsanstieg über den Transistor zu verzögern und damit dessen Verlust leistung zu verringern, ist der Kondensator 7 vom Kollektor gegen 0-Volt-Potential geschaltet.
Um die Verlustleistung im Transistor 1 zu verringern, wirkt also erfindungsgemSX beim Ausschalten ein Kondensator 7 spannungsverzögert und beim Einschalten eine Spule 5 stromverzögert auf die gesamte Transistorschaltstufe.
Beim Ausschalten. versucht die Spule 5, den bisherigen Stromfluß aufrechtzuerhalten. Die in der Spule enthaltende Energie wird über die Entlastungsdiode 6 auf die Treiberstufe 2 geführt. Damit wird also die Verlustleistungsenergie, die am Transistor 7 anfallen würde, indirekt von der Spule 5 aufgenommen und über Diode 6 auf den Treiber 2 geleitet. Der Treiber nimmt dementsprechend weniger Energie aus seiner Versorgungsspannung UT auf. Für die nächste Taktperiode des Transistors 1 wird dadurch der Basisstrom 1B teilweise aus der Energie der Spule 5 gewonnen.

Claims

A n s p r u c h Entlastungsnetzwerk für einen Leistungstransistor, der sich spannungsmäßig auf 0-Volt-Potential bzw.

Minus-Potential bezieht und der über einen Treiber angesteuert wird und in dessen Kollektorkreis eine Last mit paralleler Freilaufdiode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß vom 0-Volt-Potential eine Spule (5) auf den Emitter, ein Kondensator (7) auf den Kollektor des Transistors (1) und eine Entla-stungsdiode (6) auf den Treiber (2) derart geschaltet ist, daR beim Einschalten des Transistors (1) die Spule (5) stromverzögernd und beim Ausschalten des Transistors (1) der Kondensator (7) spannungsverzögernd wirkt, so daR die Verlustleistung des Transistors (1) sehr klein wird und daß beim Ausschalten des Transistors (1) die Energie der Spule () über die Entlastungsdiode (6) auf den Treiber (2) einwirkt.