DE3321107A1

DE3321107A1 - High-voltage-resistant power switch

Info

Publication number: DE3321107A1
Application number: DE19833321107
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing.(grad.) 8031 Gilching Hoepfner; Bernd Dipl.-Ing. 8000 München Klauck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-06-10
Filing date: 1983-06-10
Publication date: 1984-12-13
Also published as: DE3321107C2

Abstract

In known power switches for high switching voltages, which consist of the series circuit of a field-effect transistor of low voltage resistance, controlled by the switching signal, and the emitter-collector path of a bipolar transistor of high voltage resistance, it is frequently difficult to supply the required base current for the bipolar transistor. The base current is considerably reduced using a second bipolar transistor which is connected to the first bipolar transistor in the manner of a Darlington circuit. <IMAGE>

Description

Bochspannungsfester LeistungsschalterBoch voltage-proof circuit breaker

Die Erfindung bezieht sich auf einen hochspannungsfesten Leistungsschalter gesäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a high-voltage-resistant circuit breaker according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Leistungsschalter ist unter der Bezeichnung Kaskadenschalter aus "Elektronik" 23/1981, Seite 94 bis 96 bekannt. Durch die Kombination eines Feldeffekttransistors mit niedriger Sperrspannung und eines Bipolartransistors mit hoher Sperrspannung lassen sich mit derzeit verfügbaren Leistungstransistoren mit entsprechend großer StrombelastbarkeitSchaltspannungen bis zu etwa 1000 V und Schaltströme von 10 A und mehr bewältigen.Such a circuit breaker is known as a cascade switch from "Elektronik" 23/1981, pages 94 to 96 known. By combining a field effect transistor with low blocking voltage and a bipolar transistor with high blocking voltage can be with currently available power transistors with correspondingly large Switching voltages up to approx. 1000 V and switching currents of 10 A. and cope with more.

Während die Bereitstellung der SteuersignaLe zum Schalten wenig Schwierigkeiten verursacht, weil nur für das genügend schnelle Umladen der Kapazität der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors, z.B. eines MOS-FET, gesorgt werden muß, bereitet die Lieferung des notwendigen Basisstroms für den Bipolartransistor auf Grund des hohen Leistungsbedarfs und der daraus entstehenden Kosten häufig mehr Schwierigkeiten.While providing the control signals for switching little difficulty caused because only for the sufficiently rapid reloading of the capacitance of the control electrode of the field effect transistor, e.g. a MOS-FET, must be taken care of, the Delivery of the necessary base current for the bipolar transistor due to the high Power requirements and the resulting costs often cause more difficulties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsfesten Leistungsschalter der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Strombelastung der Quelle zur Lieferung des Basisstroms für den Bipolartransistor stark vermindert wird. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein weiterer Bipolartransistor mit dem ersten Bipolartransistor nach Art einer Darlington-Schaltung verbunden ist.The invention is based on the object of a high-voltage mount To train circuit breakers of the type mentioned so that the current load the source for supplying the base current for the bipolar transistor is greatly reduced will. According to the invention, this object is achieved in that a further bipolar transistor is connected to the first bipolar transistor in the manner of a Darlington pair.

Es ist bekannt, Transistoren in Darlington-Schaltung vor allem in Endstufen von Verstärkern einzusetzen, die in der Lage sein sollen, eine große Ausgangsleistung zu geben.It is known to use Darlington pair transistors especially Use output stages of amplifiers that should be able to produce a large output power admit.

Der Zweck einer solchen Maßnahme ist die Einsparung an Steuerleistung, die für die in Darlington-Schaltung verbundenen Transistoren aufgebracht werden muß. Der Stromverstärkungsfaktor der Gesamtanordnung ist bekanntlich ungefähr dem Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der Einzeltransistoren gleich. Dabei ist davon auszugehen, daß das Bingangssignal an der Basis des in der Darlington-Schaltung ersten Transistors anliegt Im Gegensatz hierzu erfolgt die Steuerung des in Serie zu den Feldeffekttransistor angeordneten Bipolartransistors beim Leistungsschalter gemäß der Erfindung nicht über dessen Basis und somit auch nicht über den weiteren, im Sinn einer Darlington-Schaltung vorgeschalteten Transistor.; sondern über den mit dem Feldeffekttransistor verbundenen Emitter des Bipolartransisotrs.The purpose of such a measure is to save on tax payments, which are applied for the transistors connected in Darlington got to. The current amplification factor of the overall arrangement is known to be approximately that The product of the current amplification factors of the individual transistors is the same. There is of it assume that the input signal is at the base of the Darlington pair first transistor is present In contrast to this, the control of the takes place in series to the field effect transistor arranged bipolar transistor at the power switch according to the invention not about its basis and thus also not about the further, transistor connected upstream in the sense of a Darlington circuit .; but about the with the field effect transistor connected emitter of the bipolar transistor.

Ein Ausführungsbeispiel des hochspannungsfesten Leistungsschalters gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Ein Feldeffekttransistor T1, dessen Quellenelektrode mit einem Bezugspotential VR verbunden ist, wird durch ein Schaltsignal S gesteuert. In Serie zu der geschalteten Strecke des Feldeffekttransistors T1 liegt die Emitter-Kollektor-Strecke eine Bipolartransistors T2 und ein Lastwiderstand RL. Der Lastwiderstand RL, der sowohl ein ohmscher Widerstand als auch ein induktiver Widerstand sein kann, ist einseitig an die Betriebsspannung Vv angeschlossen. Die Betriebsspannung Vv kann beispielsweise 300 V gegen das Bezugspotential VR betragen, sofern der Bipolartransistor T2 für so hohe Sperrspannungen geeignet ist.An embodiment of the high-voltage-proof circuit breaker according to the invention is shown in the drawing. A field effect transistor T1, whose source electrode is connected to a reference potential VR is through a Switching signal S controlled. In series with the connected path of the field effect transistor T1 is the emitter-collector path, a bipolar transistor T2 and a load resistor RL. The load resistance RL, which is both an ohmic resistance and an inductive one Resistance can be, is connected on one side to the operating voltage Vv. the Operating voltage Vv can be, for example, 300 V against the reference potential VR, provided that the bipolar transistor T2 is suitable for such high reverse voltages.

Die Basis und der Kollektor des Bipolartransistors T2, der im folgenden zur besseren Unterscheidung willkürlich als Haupttransistor bezeichnet wird, sind durch die Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren Bipolartransistors T3 überbrückt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, entspricht die Kombination der beiden Bipolartransistoren T2 und T3 an sich der bekannten Darlington-Sahaltung.The base and the collector of the bipolar transistor T2, hereinafter is arbitrarily referred to as the main transistor for better differentiation bridged by the emitter-collector path of a further bipolar transistor T3. As can be seen from the drawing, the combination of the two bipolar transistors corresponds T2 and T3 per se of the well-known Darlington-Saharan position.

Der Transistor T3, im folgenden als Hilfstransistor bezeichnet, erhält seinen Basisstrom über einen Basisvorwiderstand Rv, der an ein festes Potential mit der Spannung UH gegen das Bezugspotential VR angeschlossen ist.The transistor T3, hereinafter referred to as the auxiliary transistor, receives its base current via a base series resistor Rv, which is connected to a fixed potential with the voltage UH connected to the reference potential VR.

Parallel zum Basisvorwiderstand RV liegt eine Kapazität.There is a capacitance in parallel with the base series resistor RV.

Wie schon erwähnt wurde, wird der Leistungsschalter durch ein an der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors T1 anliegendes Steuersignal S gesteuert. Für die Betrachtung der daraus resultierenden Vorgänge wird zunächst der Einfluß der Kapazität C ignoriert. Wenn die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T1 gesperrt ist, wird der Emitter des Haupttransistors T2 vom Bezugspotential VR abgetrennt, so daß durch die Darlington-Schaltung und den Lastwiderstand RL (praktisch) kein Strom fließt. Damit verschwindet auch der Strom IB3 durch den Basisvorwiderstand und die Basis des Transistors T3 führt die Spannung UH.As already mentioned, the circuit breaker is activated by an on the Control electrode of the field effect transistor T1 applied control signal S controlled. For the consideration of the resulting processes, first of all the influence of capacitance C is ignored. When the switching path of the field effect transistor T1 is blocked is, the emitter of the main transistor T2 is separated from the reference potential VR, so that due to the Darlington pair and the load resistor RL (practically) no Electricity flows. This means that the current IB3 through the base series resistor also disappears and the base of the transistor T3 carries the voltage UH.

Ist die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T1 leitend, dann liegt der Emitter des Haupttransistors T2 niederohmig am Bezugspotential VR und es fließt ein Strom IC über den Schalter und durch den Lastwiderstand RL Voraussetzung dafür ist allerdings, daß der Basisstrom 1B3 für den Hilfstransistor T3 ausreicht, um letztlich den Haupttransistor T2 nahezu in den Sättigungsbereich zu steuern, damit die Verlustleistung genügend klein bleibt.If the switching path of the field effect transistor T1 is conductive, then it is the emitter of the main transistor T2 has a low resistance to the reference potential VR and it flows a current IC through the switch and through the load resistor RL is a prerequisite for this is, however, that the base current 1B3 for the auxiliary transistor T3 is sufficient to ultimately to control the main transistor T2 almost into the saturation range, so the power loss remains sufficiently small.

IC Es gilt IB3 = (B3 + 1). B2 + B3 mit B2 Stromverstärkungsfaktor von T2 B3 Stromverstärkungsfaktor von T3. IC IB3 = (B3 + 1) applies. B2 + B3 with B2 current amplification factor from T2 B3 current amplification factor from T3.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Stromverstärkungsfaktoren wegen der nahezu erreichten Sättigung, besonders beim Haupttransistor T2 wesentlich kleiner anzusetzen sind als die im linearen Verstärkungsbereich gültigen Werte.It must be taken into account that the current gain factors because of the almost reached saturation, especially with the main transistor T2 much smaller are to be applied as the values valid in the linear amplification range.

Für den Basisvorwiderstand ergibt sich: RV = UH - UF - 2UBE IB3 mit UF Spannungsabfall am leitenden Feldeffekttransistor T1 und UBE Spannungsabfall an der leitenden Basis-Emitter-Diode eines Bipolartransistors.The following results for the basic series resistor: RV = UH - UF - 2UBE IB3 with UF voltage drop across the conductive field effect transistor T1 and UBE voltage drop on the conductive base-emitter diode of a bipolar transistor.

Mit den folgenden Größen IC = 5000 mA, B2 = 8, B3 = 20, UH 20V, UF = 3,5 V und U BE = 0,8 V erhält man beispielsweise IB3 # 27 mA und RV # 550# .With the following sizes IC = 5000 mA, B2 = 8, B3 = 20, UH 20V, UF = 3.5 V and U BE = 0.8 V, for example, IB3 # 27 mA and RV # 550 # are obtained.

Die Kapazität C verkürzt die Schaltzeiten beim Ein-und Ausschalten des Schalters. Geht man davon aus, daß die Zeitkonstante RV . C etwas kleiner als die Dauer der Sperrphasen ist, dann ist die Spannung an der Basis des Hilfstransistors T3 am Ende einer Sperrphase annähernd gleich der Spannung UH Im Augenblick des Einschaltens fließt daher kurzzeitig ein Strom über die Basis des Transistors T3, der den vorher genannten Basisstrom IB3 weit übersteigt. Auch der Haupttransistor T3 wird daher zunächst weit übersteuert. Die Folge davon ist ein rascher Ubergang in den leitenden Zustand.The capacitance C shortens the switching times when switching on and off of the switch. Assuming that the time constant RV. C slightly smaller than is the duration of the blocking phases, then the voltage at the base of the auxiliary transistor T3 at the end of a blocking phase approximately equal to the voltage UH at the moment of switching on Therefore, a current briefly flows through the base of the transistor T3, the previously far exceeds the base current IB3 mentioned. The main transistor T3 is therefore also initially far overdriven. The consequence of this is a rapid transition to the senior State.

über den sehr niedrigen dynamischen Widerstand der Basis-Emitter-Strecken der Bipolartransistoren T2 und T3 und die leitende Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T1 wird die Kapazität C schnell entladen, so daß die Spannung an der Basis des Hilfstransistors T3 schon bald auf einen vergleichsweise niearigen Wert absinkt. Damit wird aber bei der Sperrung des Feldeffekttransistors T1 auch der Schwellwert für die Sperrung der Darlington-Schaltung schnell erreicht.via the very low dynamic resistance of the base-emitter paths the bipolar transistors T2 and T3 and the conductive switching path of the field effect transistor T1, the capacitance C is quickly discharged, so that the voltage at the base of the auxiliary transistor T3 soon drops to a comparatively low value. But with that when the field effect transistor T1 is blocked, the threshold value for the blocking is also applied quickly reached the Darlington pair.

Aus der beschriebenen Wirkung der Kapazität C ist übrigens leicht erkennbar, daß diese anstatt mit der Quelle für die Spannung UH auch mit dem Bezugspotential VR oder mit einem sonstigen festen Potential verbunden sein kann.Incidentally, the described effect of the capacitance C is easy recognizable that this instead of the source for the voltage UH also with the reference potential VR or can be connected to some other fixed potential.

1 Figur 2 Patentansprüche1 Figure 2 claims

Claims

Claims High-voltage-proof circuit breaker with a one-sided Series circuit connected to a reference potential from a circuit connected by a switching signal controlled field effect transistor with low dielectric strength and from the emitter-collector path of a bipolar transistor with high dielectric strength, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that another bipolar transistor (T3) is provided which is connected to the first bipolar transistor (T2) is connected in the manner of a Darlington pair.

2. Circuit breaker according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the base of the further bipolar transistor (T3) via a base series resistor (RV) with a voltage source whose voltage (UH) is opposite the reference potential (VR) is at least twice as large as the sum of the forward voltages of the field effect transistor (T1) and the base-emitter diodes of the bipolar transistors (T2, T3), and via a Capacitance is connected to any fixed potential and that the product from the basic series resistor (RV) and the capacitance (C) (time constant) somewhat smaller than the duration of the shortest switching pauses.