DE3723581A1 - Verlustarme schaltungsanordnung zur verringerung der abschaltverluste von bipolaren schalttransistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verlustarme Schaltungsanordnung zur Verringerung der Abschaltverluste von bipolaren Schalttransi­ storen, in deren Schaltkreis induktive und bzw. oder ohmsche Elemente angeordnet sind, mittels einer bei Abschaltung des Schalttransistors wirksam werdenden Steuerschaltung, die den Basisstrom rasch reduziert.

Beim Transistor, der als Schalter dient, sind außer den Grenz­ werten für die Spannungen und die Ströme die höchstzulässige Verlustleistung bei vorgegebener Umgebungstemperatur sowie die tatsächlich auftretenden Schaltzeiten zu beachten. Diese Schalt­ zeiten beeinflussen die Verluste im Transistor und die dadurch bewirkte Temperaturerhöhung.

Im Schaltbetrieb ist dabei zu beachten, daß die Übergänge zwi­ schen Durchlaßzustand und Sperrzustand auch bei sprunghafter Änderung des Wertes der Steuergröße nicht abrupt erfolgen, sondern Zeit beanspruchen. Während des Abschaltvorganges unter­ scheidet man die Speicherzeit, während der der Transistor aus dem gesättigten Bereich in den aktiven Bereich übergeführt wird und die Fallzeit, in der der Transistor die Sperrspannung aufbaut. Da sich der Transistor während des Abschaltvorganges besonders stark erwärmt, ist es notwendig, die Abschaltezeit möglichst kurz zu halten.

Werden also bipolare Transistoren als Schalter betrieben, muß bekanntlich bei Übergang in den sperrenden Zustand die im Ba­ sisraum vorhandene Ladung abfließen. Je höher dabei der Be­ trag dieses als Ausräumstrom bezeichneten Basisstromes ist, desto kürzer ist die Fallzeit des Transistors. Das kann entwe­ der durch Kurzschließen der Basis-Emitterstrecke, wobei der Basis-Emitterstrom um den Transistor umgeleitet wird, oder durch Erzeugen eines inversen Basis-Emitterstromes bzw. An­ bieten einer inversen Basis-Emitterspannung erreicht werden.

Übliche Schaltungen zur Verkürzung der Fallzeit zielen auch auf die Verringerung der Speicherzeit und begrenzen deshalb zur Vermeidung einer Übersteuerung durch zu großen Basisstrom den Basisstrom des Schalttransistors, andererseits steuern sie den Basiskurzschluß oder einen inversen Basisstrom des Schalttran­ sistors. Dabei ist es schwierig und vielfach aufwendig, das Auftreten von parasitären Spitzenströmen und Verlustleistungen durch zeitliche Überschneidung in den Treiberstufen zu verhin­ dern. Außerdem fallen in der Speicherzeit oft unnötige Steuer­ leistungen an. Es sind auch Schaltungen bekannt, die aus zu­ sätzlichen Hilfsspannungen und mit erheblichen Bauteileaufwand den Beginn der Fallzeit erkennen und erst daraus die erforder­ lichen Schalthandlungen ableiten. Während die Übersteuerung des Schalttransistors mit bekannten Maßnahmen kontrolliert werden kann, um die Speicherzeit möglichst kurz zu halten, zielt die Erfindung auf eine Verkürzung der Fallzeit allein mit geringem Bauteile- und Leistungsaufwand.

Erfindungsgemäß wird dies erzielt durch eine an den Schalt­ stromkreis des Schalttransistors angeschlossene Reihenschaltung bestehend aus Widerstand, Diode und Kondensator, wobei bei be­ ginnendem Sperren des Schalttransistors die Potentialänderung an einem Teilerpunkt der Reihenschaltung über den Kondensator an einen Pol der Basis-Emitterstrecke eines Hilfstransistors dessen anderer Pol auf konstanten Potential festgehalten ist, sodaß der Hilfstransistor durchsteuert, übertragen wird, wo­ durch entweder die Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors kurzgeschlossen oder ein inverser Basisstrom in den Schalt­ transistor eingespeist wird.

Ein noch besseres Zeitverhalten der Schaltungsanordnung ergibt sich dann, wenn eine Diode in den Lastkreis des Schalttran­ sistors geschaltet ist, im Sinne der Erzeugung einer größeren negativen Basisvorspannung am Schalttransistor.

Als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind die in den Lastkreis des Schalttransistors geschaltete Diode und eine Freilaufdiode als Doppeldiode in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.

Der Vorteil der Erfindung besteht vor allem darin, daß die Schaltungen selbst den richtigen Einschaltzeitpunkt erkennen und deshalb weder von Speicherzeiten des Schalttransistors, von Arbeitspunkten, Temperaturen, Betriebsströmen, sowie von der Steuerung selbst abhängig sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar­ gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 und Fig. 3 die Realisierung durch Kurzschluß der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors in Basisschal­ tung bzw. in Emitterschaltung und Fig. 2 die Variante mit in­ versem Basisstrom.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung, in der ein Schalttransistor T 1 in einem Tiefsetzsteller (Schaltnetzgerät) über eine Drossel L 1 und einen Kondensator C 2 betrieben wird, wobei bei beginnendem Übergang vom Durchlaßzustand in den Sperrzustand des Schalt­ transistors T 1 dessen Basis-Emitterstrecke über einen Hilfs­ transistor T 2 kurzgeschlossen wird. Erfindungsgemäß wird die Steuerung von Hilfstransistor T 2 folgendermaßen realisiert: Während der Leitphase des Schalttransistors T 1 wird aus dessen Emitterspannung ein Kondensator C 1 über eine Diode D 1 und einen Widerstand R 1 aufgeladen. Erhält die Basis des Schalttran­ sistors T 1 über eine nicht dargestellte Ansteuerschaltung ein Steuersignal, welches den Sperrvorgang einleitet, sinkt dessen Emitterspannung gegenüber der Eingangsspannung ab und unter­ schreitet die bisherige Ladespannung am Kondensator C 1. Damit entlädt sich der Kondensator C 1 über einen Widerstand R 4, eine Diode D 4 und die Basis-Emitterstrecke von Hilfstransistor T 2 in die sich absenkende Emitterspannung des Schalttransistors T 1. Dadurch wird Hilfstransistor T 2 leitend und schließt die Basis-Emitterstrecke in der gewünschten Weise kurz. Durch die Diode D 2 wird beim Ausräumen eine größere negative Basisvor­ spannung am Schalttransistor T 1 erzielt, wodurch ein noch besseres Zeitverhalten erreicht wird. Die Dioden D 3 und D 1 begrenzen negative Basis-Emitterspannungen der jeweiligen Transistoren T 1 und T 2. Die Diode D 5 arbeitet in bekannter Wei­ se als Freilaufdiode.

Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung wurde eine Verrin­ gerung der Fallzeit von 1500 ns auf 100 ns erreicht.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung, in der der Schalttransistor T 1 über eine Drossel L 1 einen Kondensator C 2 in einem Tiefsetzsteller lädt. Das Schaltsignal einer hier nicht gezeigten Ansteuer­ schaltung gelangt an die Basis des Schalttransistors T 1, wobei über den Hilfstransistor T 2 dem Schalttransistor T 1 während der Fallzeit negativer Basisstrom zugeführt wird. Die Steue­ rung des Hilfstransistors T 2 wird erfindungsgemäß wie folgt realisiert: Der Kondensator C 1 wird während der Leitphase des Schalttransistors T 1 über die Diode D 1 und den Widerstand R 1 aufgeladen. Bei beginnendem Sperren des Schalttransistors T 1 sinkt dessen Emitterspannung zunächst langsam ab, sodaß bei zunächst festgehaltener Ladespannung des Kondensators C 1 auch die Emitterspannung des Hilfstransistors T 2 abgesenkt wird, während das Basispotential des Hilfstransistors T 2 über den Widerstand R 1 auf Grundpotential festgehalten wird. Damit wird der Hilfstransistor T 2 angesteuert und zieht über einen strom­ begrenzenden Widerstand R 3 einen inversen Basisstrom aus dem Schalttransistor T 1. Die Dioden D 3 und D 1 dienen der Begrenzung von negativen Basis-Emitterspannungen an den Transistoren T 1 und T 2. Die Diode D 5 dient als Freilaufdiode.

Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung gelang es, die Fall­ zeit des Schalttransistors T 1 von 1000 ns auf 250 ns zu ver­ kürzen.

In Fig. 3 wird das erfindungsgemäße Schaltungsprinzip auf einen Schalttransistor T 1 dessen Emitter auf Masse liegt, übertragen, wobei in dessen Kollektorkreis, transformatorisch angekoppelt, ein Kondensator C 1 über eine Drossel L 1 geladen wird. Befindet sich der Schalttransistor T 1 im leitenden Zustand, ist dessen Kollektorpotential gering und es kann kein Strom über die Basis-Emitterstrecke des Transistors T 2, den Widerstand R 2 und den Kondensator C 1 fließen. Bei beginnendem Sperren des Schalt­ transistors T 1 steigt dessen Kollektorpotential, wodurch es über den Kondensator C 1 zu einer Potentialverschiebung an der Basis des Hilfstransistors T 2 kommt, während dessen Emitter auf konstanten Potential festgehalten ist, sodaß der Hilfs­ transistor T 2 durchsteuert und damit die Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors T 1 kurzgeschlossen wird. Die Diode D 2 dient zur Herstellung einer größeren inversen Vorspannung des Transistors T 1. Die Diode D 1 begrenzt negative Basis-Emitter­ spannungen am Hilfstransistor T 2. Als Freilaufdiode arbeitet die Diode D 5.

Claims (4)

1. Verlustarme Schaltungsanordnung zur Verringerung der Ab­ schaltverluste von bipolaren Schalttransistoren, in deren Schaltkreis induktive und bzw. oder ohmsche Elemente angeord­ net sind, mittels einer bei Abschaltung des Schalttransistors wirksam werdenden Steuerschaltung, die den Basisstrom rasch reduziert, gekennzeichnet durch eine an den Schaltstromkreis des Schalttransistors (T 1) angeschlos­ sene Reihenschaltung bestehend aus Widerstand (R 1), Diode (D 1) und Kondensator (C 1), wobei bei beginnendem Sperren des Schalt­ transistors (T 1) die auftretende Potentialänderung an einem Teilerpunkt der Reihenschaltung (R 1, D 1, C 1) über den Kondensa­ tor (C 1) an einen Pol der Basis-Emitterstrecke eines Hilfstran­ sistors (T 2) dessen anderer Pol auf konstanten Potential festge­ halten ist, sodaß der Hilfstransistor (T 2) durchsteuert, über­ tragen wird, wodurch entweder die Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors (T 1) kurzgeschlossen oder ein inverser Basis­ strom in den Schalttransistor (T 1) eingespeist wird.

2. Schaltungsanordnung zur Verringerung der Abschaltverluste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schalttransistor (T 1) in Emitterschaltung betrieben wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (D 2) in den Lastkreis des Schalttransistors (T 1) geschaltet ist, die der Verbesserung des Zeitverhaltens im Sinne einer Erzeugung einer größeren negativen Basisvorspannung am Schalttransistor (T 1) dient.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in den Lastkreis geschal­ tete Diode (D 2) und eine Freilaufdiode (D 5) als Doppeldiode in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.