-
-
Steuerschaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines
-
bipolaren Transistors Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltungsanordnung
zum Ein- und Ausschalten eines bipolaren Transistors, der mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke
in einem Hauptstromkreis und mit seiner Basis-Emitter-Strecke sowohl in einem, nur
während der Einschaltphase geschlossenen ersten Steuerkreis als auch in einem, nur
während der Ausschaltphase geschlossenen zweiten Steuerkreis angeordnet ist, wobei
der zweite Steuerkreis eine Drossel enthält und im Hauptstromkreis in Serie zur
Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors eine Primärwicklung eines Stromwandlers
angeordnet ist.
-
Eine derartige Steuerschaltungsanordnung ist bereits aus der DE-AS
28 41 342 bekannt. Bei der bekannten Steuerschaltung liegt in einem ersten Steuerkreis,
der nur während der Einschaltphase des einzuschaltenden bipolaren Leistungsschalttransistors
geschlossen ist, die Sekundärwicklung eines Stromwandlers, dessen Primärwicklung
in dem mit Hilfe des Schalttransistors ein- oder auszuschaltenden Hauptstromkreises
angeordnet ist. In einem zweiten Steuerkreis, der nur während der Ausschaltphase
des Schalttransistors geschlossen ist, ist eine Drossel angeordnet. Über diese Drossel,
die über die Emitter-Kollektor-Strecke eines zugeordneten Treibertransistors an
einer negativen Spannung geführt ist, baut sich während der Ausschaltphase der negative
Basisstrom des Schalttransistors mit linearem Anstieg nach dem Induktionsgesetz
auf, wobei der Maximalwert des Basisstromes durch einen in der Kollektorleitung
des Treibertransistors liegenden Widerstand begrenzt wird. Nachdem die Speicherzeit
des Schalttransistors beendet und die Emitter-Basis-Strecke ladungsträgerfrei
ist,
erscheint an der Emitter-Basis-Strecke des Schalttransistors die negative Steuerspannung
und die Spannung an der Drosselspule polt um. Hierdurch lassen sich beim Leistungstransistor
geringe Abschaltverlustt erzielen. Der Stromwandler beschleunigt das Einschalten
des Leistungstransistors, ist jedoch in der Abschaltphase nicht wirksam.
-
Weiterhin ist bereits aus der DE-AS 2 040 793 eine Steuerschaltungsanordnung
für einen Schalttransistor bekannt, bei der ein mit seiner Primärwicklung im Hauptstromkreis
liegender Stromwandler mit einer Mitkopplungswicklung in einem ersten urdmit einer
Gegenkopplungswicklung in einem zweiten Steuerkreis angeordnet ist. Eine Diode zur
Verlangsamung der Umsteuerung des Schalttransistors während der Abschaltphase ist
dabei nicht vorgesehen.
-
Ferner sind bereits aus der DE-Z Valvo-Berichte, Sonderdruck aus Band
20, Heft 1, Seiten 1 bis 12 Steuerschaltungsanordnungen zum Ein- und Ausschalten
von bipolaren Transistoren bekannt, bei denen der Basis des Schalttransistors eine
Drossel vorgeschaltet ist, die das Abnehmen des Basisstromes während der Abschaltphase
verlangsamt.
-
Die Drossel liegt dabei jeweils in einem Stromzweig, der sowohl in
der Einschaltphase als auch während der Abschaltphase des Schalttransistors wirksam
ist. Eine Mitkopplung in der Einschaltphase und/oder eine Gegenkopplung in der Ausschaltphase
ist dabei nicht vorgesehen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerschaltungsanordnung zum Ein-
und Ausschalten eines bipolaren Transistors derart auszubilden, daß die Verlustleistung,
die in dem Transistor insbesondere während der Abschaltphase auftritt, gegenüber
vergleichbaren bekannten Schaltungsanordnungen noch weiter verringert ist.
-
Gemäß der Erfindung wird die Steuerschaltungsanordnung zur Lösung
dieser Aufgabe derart ausgebildet, daß in dem zweiten Steuerkreis in Serie zur Drossel
eine durch eine Diode überbrückte und als Gegenkopplungswicklung angeordnete Sekundärwicklung
des Stromwandlers angeordnet ist und daß die Diode derart gepolt ist, daß sie für
den Transistor sperrende Ströme leitend ist.
-
Durch diese Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Steuerschaltungsanordnung,
bei der die Sperrung des Schalttransistors zu Beginn der Abschaltphase durch die
Stromwandler-Rückkopplung steuerungsmäßig wirkungsvoll unterstützt wird und bei
der zum Ende des Abschaltvorganges der über die Basis des.Transistors fließende
Ausräumstrom in der für das gewünschte Ausräumen zweckmäßigen Größe bis zur Beendigung
des Abschaltvorganges weiter aufrechterhalten bleibt, obwohl die Steuerwirkung der
Stromwandler-Rückkopplung durch Verluste und Magnetisierungs-Strombedarf des Stromwandlers
gegen Ende des Abschaltvorganges zunehmend nachläßt.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
-
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiele sowie anhand des Diagramms nach Fig. 3 näher erläutert. -Es
zeigen Fig. 1 einen Eintakt-Durchflußumrichter mit einer Drossel im Kollektorzweig
eines Treibertransistors, Fig. 2 einen Eintakt-Durchflußumrichter mit einer Drossel
im Emitterzweit eines Treibertransistors und Fig. 3 ein Diagramm, aus dem für den
Umrichter nach Fig.l der zeitliche Verlauf von Kollektorstrom und Basisstrom des
Schalttransistors hervorgeht.
-
Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Eintakt-Durchfluß-Umrichtern
verläuft der Hauptstromkreis vom Pluspol der Spannungsquelle 1 über die Primärwicklung
des Transformators 21 zum Kollektor des npn-Leistungsschalttransistors 4, dessen
Emitter über die Primärwicklung 51 des Stromwandlers 5 an den Minuspol der Spannungsquelle
1 geführt ist. Die dem bipolaren Schalttransistor 4 vorgeschaltete Steuervorrichtung
enthält einen ersten Steuerstromkreis mit einer als Mitkopplungswicklung geschalteten
Sekundärwicklung 52 des Stromwandlers 5 und einen zweiten Steuerkreis mit einer
als Gegenkopplungswicklung geschalteten Tertiärwicklung 53 des Stromwandlers 5.
Die Mitkopplung und die Gegenkopplung ergeben sich dadurch, daß unmittelbar am Emitter
des Transistors 4 die Wicklungen 51 und 53 des Stromwandlers 5 mit ihrem Anfang
und die Wicklung 52 mit ihrem Ende angeschlossen ist. Die beiden Steuerkreise werden
mit Hilfe von zwei komplementären Treibertransistoren 18 und 19 bzw. 31 und 35 abwechselnd
ein- und ausgeschaltet bzw. geschlossen und geöffnet. Der Transformator 21 ist mit
seiner Sekundärwicklung über eine Diode 22 und weitere, nicht dargestellte Schaltmittel
des Leistungsteils 2 an den Lastwiderstand 3 geführt.
-
Die in den Steuerkreisen liegenden Dioden 6 und 8 sind so gepolt,
daß die Diode 6 für positive, den Transistor 4 öffnende Basisströme und die Diode
8 für negative, den Transistor 4 sperrende Basisströme durchlässig ist.
-
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Spannungsumsetzer ist die Basis des Transistors
4 an die unmittelbar miteinander verbundenen Emitter der komplementären Treibertransistoren
18 und 19 angeschlossen. Der erste Steuerkreis, mit dessen Hilfe der bipolare Transistor
4 eingeschaltet wird, verläuft vom Emitter des Transistors 4 über die Sekundärwicklung
52 des Stromwandlers 5, die Diode 6 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
18 zur Basis
des Transistors 4. Der zweite Steuerkreis, mit dessen
Hilfe der Transistor 4 abgeschaltet wird, verläuft von der Basis des Transistors
4 zum Emitter des Transistors 19 und vom Kollektor des Transistors 19 über die Drossel
21, die Diode 8 und die als Gegenkopplungswicklung geschaltete Tertiärwicklung 53
des Stromwandlers 5 zum Emitter des Transistors 4.
-
Parallel zur Sekundärwicklung 52 liegt die aus dem Kondensator 22
und dem Widerstand 23 bestehende R-C-Serienschaltung. Parallel zur Tertiärwicklung
53 ist der Widerstand 25 angeordnet. Zwischen Basis und Emitter des Transistors
4 liegt der Widerstand 24. Parallel zur Drossel 21 ist der Widerstand 20 angeordnet.
-
Die Spannungsquelle 1 und die Hilfsspannungsquelle 9 sind mit ihren
Minuspolen zusammengeführt. An der ersten Hilfsspannungsquelle 9, die die Hilfsspannung
UHl abgibt, liegt die aus einer Steuerschaltung S, einem Regler R und einem Taktgeber
T bestehende Steuereinrichtung 11. Der pnp-Transistor 10 ist mit seiner Basis an
die Steuerschaltung S und mit seinem Emitter an den Pluspol der Hilfsspannungsquelle
9 angeschlossen und ist mit seinem Kollektor über die in Durchlaßrichtung gepolte
Diode 14 an die Basisverbindung der Transistoren 18 und 19 geführt.
-
Die zweite Hilfsspannungsquelle 17, die die Hilfsspannung UH2 liefert,
liegt mit ihrem Pluspol am Emitter des Transistors 4 und ist mit ihrem Minuspol
sowohl über die Widerstände 13 und 12 an den Kollektor des Transistors 10 als auch
über den Widerstand 16 und die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 15 an die
Basisverbindung der Transistoren 18 und 19 geführt. Die Basis des Transistors 15
liegt am Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 13.
-
Die Serienschaltung aus der Tertiärwicklung 53 des Stromwandlers 5
und der Diode 8 ist durch die Diode 7 überbrückt. Die Dioden 7 und 8 sind dabei
mit einander ent-
gegengesetzter Polarität in Serie geschaltet.
-
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt.
-
Geführt von Taktgeber T und Regler R der Steuereinrichtung 11 gibt
die Steuerschaltung S das Einschaltsignal für den Kollektorstrom des Transistors
4. Dieses bewirkt ein Leitendwerden der Transistoren 10, 18 und 4. Die Transistoren
15 und 19 sind dabei gesperrt. Die Ansteuerung des Transistors 4 wird dabei durch
den Stromwandler 5 über die Wicklungen 51 und 52 durch Mitkopplung über den ersten
Steuerkreis unterstützt.
-
Bei der Beendigung des Arbeitstaktes durch den Regler R wird der Transistor
10 nichtleitend. Mit Hilfe der Hilfsspannung UH2, die für den Transistor 4 eine
Sperrspannung darstellt, werden die Transistoren 15 und 19 leitend.
-
Gleichzeitig wird der Transistor 18 gesperrt. Damit ist der Abschaltvorgang
für den Transistor 4 durch Gegenkopplung mittels der Wicklungen 51 und 53 eingeleitet
und wickelt sich entsprechend der Speicherzeit des Transistors 4, den Beschaltungen
22,23; 21 und 20 im Stromwandlerkreis und dem Leistungsvermögen der Sperrspannungsquelle
17 ab.
-
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Spannungsumsetzer sind die Hilfsspannungsquellen
26 und 27 zueinander in Serie geschaltet. An dieser Serienschaltung liegt die aus
einer Steuerschaltung S, einem Regler R und einem Taktgeber T bestehende Steuereinrichtung
28. Außerdem ist der Basisanschluß des Treibertransistors 31 über den Widerstand
29 an das Ende der Hilfsspannungsquelle 26 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors
35 ist über den Widerstand 34 an das freie Ende der Hilfsspannungsquelle 27 geführt.
-
Die komplementären Treibertransistoren 31 und 35 sind
einerseits
mit ihren Basisanschlüssen über den Widerstand 33 und andererseits mit ihren Emitteranschlüssen
über den Widerstand 32 zusammengeführt. Die Basis des Transistors 31 liegt am Ausgang
des Komparators 30, der an den Regler R angeschlossen ist.
-
Der Emitter des Transistors 35 ist über die Drossel 36 an die Basis
des Transistors 4 geführt. Parallel zu der aus dem Widerstand 32 und der Drossel
36 bestehenden Serienschaltung liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
39, wobei die Emitter der Transistoren 31 und 39 unmittelbar miteinander verbunden
sind. Zwischen dem Emitter des Transistors 4 und der Basis des Transistors 39 liegt
der Widerstand 37.
-
Der erste Steuerkreis, mit dessen Hilfe der bipolare Transistor 4
eingeschaltet wird, verläuft von der Basis des Transistors 4 über die Kollektor-Emitter-Strecke
des pnp-Treibertransistors 39 und die Emitter-Kollektor-Strecke des npn-Treibertransistors
31 und über die Diode 6 und die Sekundärwicklung 52 des Stromwandlers 5 zum Emitter
des Transistors 4. Der zweite Steuerkreis, mit dessen Hilfe der Transistor 4 abgeschaltet
wird, verläuft von der Basis des Transistors 4 über die Drossel 36 zum Emitter des
npn-Treibertransistors 35 und vom Kollektor des Transistors 35 über die Diode 8
und die als Gegenkopplungswicklung geschaltete Tertiärwicklung 53 des Stromwandlers
5 zum Emitter des Transistors 4.
-
Zum Schutz des Stromwandlers liegt parallel zur Sekundärwicklung
52 eine aus zwei mit entgegengesetzter Polung in Serie geschaltete Z-Dioden bestehende
Serienschaltung 40. Zwischen Basis und Emitter des Transistors 4 liegt der Widerstand
24.
-
Die in Fig. 2 gezeigte Steuerschaltungsanordnung arbeitet wie folgt.
-
vs Der Leistungstransistor 4 wird in ähnlicher Weise wie bei dem
Durchflußumrichter nach Fig. 1 von der Steuereinrichtung 28 mit Hilfe des Stro-mwandlers
5 und der Transistoren 31, 39 und 35 aus den Hilfsspannungsquellen 26 und 27 entsprechend
der Taktfrequenz des Taktgebers T und dem Einfluß des Reglers R ein- und ausgeschaltet.
-
Geführt von der Steuerschaltung 28 gibt der Regler R über den Komparator
30 das Einschaltsignal für den Kollektorstrom des Transistors 4. Dieses bewirkt,
daß aus der Hilfsspannungsquelle 26 ein Steuerstrom durch die Basis-Emitterstrecke
des Transistors 31, die Emitter-Basisstrecke des Transistors 39, den Widerstand
37 und die Primärwicklung 51 des Stromwandlers 5 fließt. Die Transistoren 31, 39
und 4 werden leitend. Der Transistor 35 ist dabei gesperrt. Die Ansteuerung des
Transistors 4 wird dabei durch den Stromwandler 5 über die Wicklungen 51 und 52
durch Mitkopplung über den ersten Steuerkreis unterstützt.
-
Bei der Beendigung des Arbeitstaktes durch den Regler R wird der Transistor
31 gesperrt und der Transistor 35 leitend gesteuert. Aus der Hilfsspannungsquelle
27 fließt ein Strom über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 35, die Drossel
36, die Basis-Emitterstrecke des Transistors 4 und die Primärwicklung 51 des Stromwandlers
5. Damit ist der Abschaltvorgang für den Transistor 4 durch Gegenkopplung mittels
der Wicklungen 51 und 53 eingeleitet und wickelt sich entsprechend der Speicherzeit
des Transistors 4, den Beschaltungen 40 im Stromwandlerkreis und dem Leistungsvermögen
der Sperrspannungsquelle 27 ab.
-
Mit sinkendem Kollektor- bzw. Emitterstrom des Transistors 4 nimmt
die Wirkung der Gegenkopplung ab.
-
Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Steuerschaltungsanordnungen
kann man parallel zur Drossel 21 bzw. 36 -bei Drossel 21 insbesondere zusätzlich
zum Widerstand 20 -eine Serienschaltung von zwei mit entgegengesetzter Polung in
Reihe geschalteten Z-Dioden vornehmen. Hierdurch kann die von der Drossel abgegebene
Spannung begrenzt werden.
-
Fig. 3 zeigt, wie der Ein- und Ausschaltvorgang für den Leistungstransistor
4 bei der in Fig 1 gezeigten Schaltungsanordnung verläuft. Dabei sind der Basisstrom
1B und der Kollektorstrom IC über der Zeit dargestellt. Für die einzelnen Zeitabschnitte
ergeben sich die folgenden Bedeutungen: t0 - t1 = Anstiegszeit tO - t2 ' Dauer des
"Ein"-Signals der Steuerung tO - t4 - Stromführungszeit des Haupttransistors (4)
t - t6 = Taktzeit t2 - t3 = Umkehrung des Steuerstromes t2 - t4 = Speicherzeit des
Haupttransistors t4 - t5 = Fallzeit des Kollektorstromes und Rückgang des Basis-Steuerstromes.
-
Von besonderer Bedeutung ist der Zeitabschnitt t4-t5. Nach Einleitung
des Abschaltvorganges zum Zeitpunkt t2 und Beendigung der Transistor-Speicherzeit
zur Zeit t4 beginnt mit einem steilen Abfall des Kollektorstromes IC des Transistors
4 die eigentliche Abschaltung, die bis zum Zeitpunkt t5 dauert. Sie ist im ersten
und größten Teil durch die mit Hilfe des Stromwandlers 5 erzielte Rückkopplung steuerungsmäßig
wirkungsvoll unterstützt. Zum Ende des Vorganges läßt jedoch die Steuerwirkung der
Rückkopplung durch Verluste und einen Magnetisierungs-Strombedarf im Stromwandler
5 zunehmend nach. Ohne die Diode 7 ergäben
sich daraus ein weniger
steiles Abfallen des Kollektorstromes Ic, eine Verlängerung der Abfallzeit und damit
auch höhere Abschaltverluste am Transistor 4.
-
Die Diode 7 bewirkt, daß die Drossel 21, die zunächst eine gewünschte
Verlangsamung der Umsteuerung bewirkt, im weiteren Verlauf des Abschaltvorganges
die im Zeitabschnitt t2-t3 aufgenommene Energie am Stromwandler 5 vorbei direkt
an die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 4 abgibt. Somit kann der über die Basis
des Leistungstransistors 4 fließende Ausräumstrom länger aufrecht erhalten werden,
als dies ohnedie Diode 7 der Fall wäre. Damit wirkt die Steuerschaltung verbessert
bis zur Beendigung des Abschaltvorganges weiter und es werden auf diese Weise besonders
wenig Abschaltverluste erzielt.
-
Auch bei der Steuerschaltungsanordnung nach Fig. 2 wird die in der
Drossel 36 gespeicherte magnetische Energie, bei entsprechender Dimensionierung
der Drossel 36, zur Unterstützung der Endphase des Abschaltens ausgenützt.
-
Auch hierbei müßte ohne die Diode 7 die dann in Reihe zur Drossel
36 liegende Impedanz des Stromwandlers 5 bei höherem Spannungsbedarf aus der Drossel
36 überwunden werden, so daß eine entsprechend groß bemessene Induktivität erforderlich
wäre. Mit Hilfe der Diode 7 läßt sich das gewünschte verlustarme Abschaltverhalten
mit einer wesentlich kleineren Induktivität der Drossel erzielen.
-
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Steuerschaltungsanordnungen dienen
zur Verbesserung des Abschaltvorganges von bipolaren Leistungstransistoren in getakteten
Spannungsumsetzern. Dabei wird der Leistungstransistor durch die Steuerschaltung
bei konstanter Taktfrequenz mit veränderlichem Tastgrad ein- und ausgeschaltet.
-
Die Steuerschaltungsanordnung kann ferner auch bei Sr;nnungsumsetzern
mit variabler Taktfrequenz oder in weiteren
Schaltungsanordnungen,
bei denen Laststromkreise ein- und ausgeschaltet werden, vorteilhaft Anwendung finden.