DE4007539A1 - Ansteuerschaltung fuer einen leistungshalbleiterschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Ansteuerschaltung ist aus Elektronik, 18/9.9.1983, Seite 128, Bild 1 bekannt. Die bekannte Schaltung erlaubt mit Hilfe eines Pulstransformators eine potentialgetrennte Ansteuerung eines Leistungs-FET. Ansteigende und abfallende Flanken des Eingangssignals werden dabei als positive oder negative Nadelimpulse übertragen und schalten einen als Flip-Flop ausgeführten Impulsspeicher. Über eine sekundärseitige Treiberstufe wird der Leistungs-FET angesteuert. Außerdem ist eine Überstromüberwachungsschaltung vorhanden, welche das Flip-Flop und den Leistungs-FET bei Überstrom abschal­ tet. Eine Rückmeldung der Abschaltung wegen Überstrom erfolgt allerdings nicht.

Eine Ansteuerschaltung mit einer potentialgetrennten Rückmeldung einer Abschaltung des Leistungshalbleiter­ schalters ist aus Siemens Components 25 (1987), Heft 2, Seiten 59 bis 61, insbesondere Bild 1, bekannt. Dabei werden Diodenkoppler verwendet, die aus Lichtleit-Sende- und -Empfangsdioden und Kunststoff-Lichtleiter aufgebaut sind. Die Schaltungsanordnung ist relativ aufwendig.

Zu den wichtigsten Forderungen, die an Ansteuerschaltun­ gen für Leistungshalbleiter gestellt werden, gehören minimale Durchlaß- und Schaltverluste, ein Tastverhält­ nisbereich von 0% bis 100%, eine galvanische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis, ein Kurzschluß- und Erd­ schlußschutz, eine Unterspannungsabschaltung und eine potentialgetrennte Fehlerrückmeldung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuer­ schaltung für Leistungshalbleiterschalter anzugeben, die alle genannten Forderungen erfüllt und trotzdem nur ei­ nen vergleichsweise geringen Schaltungsaufwand erfor­ dert.

Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung für Lei­ stungshalbleiterschalter gelöst, mit einem Pulstransfor­ mator, einer ersten Primärwicklung und einer Sekundär­ wicklung zur Übertragung von Flankenänderungen eines an einem Ansteuersignaleingang anstehenden Ansteuersignals, einem sekundärseitigen Impulsspeicher, der in eine "Ein"- und eine "Aus"-Position gebracht werden kann, zur Speicherung des Ansteuersignalzustandes, dessen Ausgang über eine sekundärseitige Treiberstufe auf den Steuer­ eingang des Leistungshalbleiterschalters geführt ist und einer Überstromüberwachungsschaltung, der ein am Kollek­ tor des Leistungshalbleiterschalters abgegriffenes Si­ gnal zugeführt ist und die bei einem festgestellten Überstrom den sekundärseitigen Impulsspeicher in die "Aus"-Position schaltet, wodurch auch der Leistungshalb­ leiterschalter ausgeschaltet wird, wobei der Pulstrans­ formator eine zweite Primärwicklung aufweist, die mit einem primärseitigen Impulsspeicher verbunden ist, wel­ cher eine von der Überstromüberwachungsschaltung ausge­ löste Abschaltung des Leistungshalbleiterschalters als Fehlermeldung an einen Meldeausgang ausgibt und eine Sperrung einer primärseitigen Treiberstufe für das An­ steuersignal bewirkt, und wobei eine von der Überstrom­ überwachungsschaltung bewirkte Abschaltung des Lei­ stungshalbleiterschalters dadurch erfaßt wird, daß ein in der "Ein"-Position des sekundärseitigen Impulsspei­ chers durch die Sekundärwicklung des Pulstransformators fließender Strom im Fall einer von der Überstromüberwa­ chungsschaltung bewirkten Umschaltung des sekundärseiti­ gen Impulsspeichers in die "Aus"-Position abgeschaltet wird, wodurch ein Puls in der zweiten Primärwicklung induziert wird, der den primärseitigen Impulsspeicher in eine Fehlermelde-Position setzt.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß mit nur einem Pulstransformator sowohl die Übertragung von An­ steuerimpulsen für den Leistungshalbleiterschalter, als auch eine potentialgetrennte Rückmeldung einer durch Überstrom oder Unterspannung verursachten Störung ermög­ licht ist. Das Tastverhältnis ist nicht eingeschränkt. Die Schaltungsanordnung kann mit besonders kleinen An­ steuereinrichtungen, z. B. in Oberflächenmontagetechnik realisiert werden, die sich in Leistungshalbleitermodule einbauen lassen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben und im Rahmen der nachstehen­ den Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Die Erfindung wird anhand einer in der Zeichung darge­ stellten beispielhaften Ansteuerschaltung näher erläu­ tert, wobei Fig. 1 ein Blockschema und Fig. 2 eine detaillierte Schaltung zeigt.

In dem Blockschema gemäß Fig. 1 sind Wirkungsrichtungen durch Pfeile angegeben. Die Anordnung enthält einen Im­ pulstransformator TR mit einer ersten Primärwicklung W1, einer zweiten Primärwicklung W2 und einer Sekundärwick­ lung W3. Primärseitig wird die Schaltungsanordnung von einer Betriebsspannung UB gespeist, sekundärseitig wird der Lastkreis mit einer Versorgungsspannung UV betrieben und der sekundäre Teil der Ansteuerschaltung mit einer Hilfsspannung UH, die z. B. mit Hilfe eines nicht darge­ stellten DC/DC-Wandlers aus der Betriebsspannung UB ab­ geleitet werden kann. Ein Ansteuersignal U1 wird über einen Ansteuersignaleingang E auf eine primärseitige Treiberstufe 2 geführt, welche durch einen primärseiti­ gen Impulsspeicher 1 gesperrt werden kann. Von der Treiberstufe 2 gelangt das Ansteuersignal zur ersten Primärwicklung W1, wobei ansteigende und abfallende Flanken des Ansteuersignals in der Sekundärwicklung W3 negative und positive Nadelimpulse U2 induzieren. Die Nadelimpulse U2 setzen einen sekundärseitigen Impuls­ speicher 4 in eine "Ein"- oder "Aus"-Position. Der se­ kundärseitige Impulsspeicher 4 wirkt als steuerbarer Schalter, der außerdem durch eine Überstromüberwachungs­ schaltung 3 ausgeschaltet werden kann. In der "Ein"-Po­ sition des Impulsspeichers 4 wird über eine sekundärsei­ tige Treiberstufe 5 ein Leistungshalbleiterschalter LT angesteuert. Beim eingeschalteten Leistungshalbleiter­ schalter LT fließt ein Strom im Lastkreis, in welchem ein Lastwiderstand L enthalten ist. Die Erfassung eines Überstromes erfolgt durch Abgriff der Kollektor-Emit­ ter-Spannung U_CE am Leistungshalbleiterschalter LT über eine sogenannte Kollektordiode D, welche mit der Über­ stromüberwachungsschaltung 3 verbunden ist. Die Über­ stromüberwachungsschaltung 3 setzt den sekundärseitigen Impulsspeicher 4 in seine "Aus"-Position, wenn sie einen Kurzschlußstrom oder Überstrom dedektiert.

In der "Ein"-Position des sekundärseitigen Impulsspei­ chers 4 fließt ein Haltestrom über die Sekundärwicklung W3. Wenn die Hilfsspannung UH zu klein ist, also Unter­ spannung gegeben ist, kippt der Impulsspeicher 4 in sei­ ne "Aus"-Position. Beide Fehlersituationen, nämlich vor­ zeitige Abschaltung des Impulsspeichers 4 durch Unter­ spannung oder durch Überstrom bewirken, daß der durch die Sekundärwicklung W3 fließende Haltestrom plötzlich abgeschaltet wird, wodurch ein Induktionspuls in der zweiten Primärwicklung W2 einen Spannungsimpuls erzeugt, der den primärseitigen Impulsspeicher 1 in eine Ab­ schaltposition setzt, welche über einen Meldeausgang FA nach außen gemeldet wird und zur Anzeige gebracht werden kann. Der primärseitige Impulsspeicher 1 kann über einen Setzeingang RS durch positive oder negative Setzsignale in eine Einschalt- oder eine Ausschaltposition gebracht werden. Dadurch kann eine Rücksetzung des primärseitigen Impulsspeichers 1 nach einer Abschaltung durch Überstrom bewirkt werden. Andererseits kann über den Rücksetzein­ gang RS eine Sperrung der Ansteuerung des Leistungshalb­ leiterschalters LT bewirkt werden, weil nämlich der pri­ märseitige Impulsspeicher 1 in seiner Abschaltposition den primärseitigen Treiber 2 sperrt und somit eine Ein­ schaltung des sekundärseitigen Impulsspeichers 4 durch Ansteuersignale U1 verhindert.

Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Realisierung der in Fig. 1 als Blockschema angegebenen Ansteuerschaltung. Die mit der Beschreibung von Fig. 1 eingeführten Be­ zugszeichen gelten auch für Fig. 2. Die Fig. 1 und 2 sind im Zusammenhang zu betrachten.

Das Ansteuersignal U1 besteht aus +5V-Rechteckimpulsen, wobei die Ansteuerschaltung bewirkt, daß der Leistungs­ halbleiterschalter LT so lange eingeschaltet bleibt, wie die +5V-Spannung am Eingang E anliegt. Das Ansteuersi­ gnal kann somit sowohl ein höherfrequentes Signal sein, wobei der Leistungshalbleiterschalter dann im Takt die­ ses Signals ein- und ausschaltet, als auch ein Dauersi­ gnal, wobei der Leistungshalbleiterschalter LT für die Dauer des Signals eingeschaltet bleibt.

Die primärseitige Treiberstufe 2 wird gebildet durch einen ersten Transistor T1 mit seinen Basis-Spannungs­ teilerwiderständen R1 und R2. Der Basis des Transistors T1 wird das Ansteuersignal U1 über einen Eingangskonden­ sator C1 zugeführt. Wenn der Transistor T1 leitend wird, fließt über einen Vorwiderstand R10 und die mit der Ver­ sorgungsspannung UV verbundene erste Primärwicklung W1 ein Strom. Mit der ansteigenden Flanke des Ansteuersi­ gnals U1 wird ein negativer Nadelimpuls U2 in der Sekun­ därwicklung W3 des Transformators TR induziert.

Der sekundärseitige Impulsspeicher 4 ist realisiert mit Hilfe von fünften und sechsten Transistoren T5 und T6, die eine Thyristortetrode bilden. Die an die Hilfsspan­ nung UH angeschlossene Sekundärwicklung W3 bildet über den Widerstand R11 und die Basis-Emitterstrecke des Transistors T5 einen Stromkreis, in welchem der in der Sekundärwicklung W3 vom Ansteuersignal U1 induzierte negative Nadelimpuls U2 den Transistor T5 aufsteuert. Von der Hilfsspannung UH, durch die Sekundärwicklung W3 und den leitend gewordenen Transistor T5 fließt somit ein Strom, von dem mit der Masse der Hilfsspannung UH verbundenen Begrenzungswiderstand R12 begrenzt wird.

In diesem Schaltzustand wird der sechste Transistor T6 aufgesteuert und über Kollektor und Emitter des Transi­ stors T6 werden der elfte Widerstand R11 und der drei­ zehnte Widerstand R13 zum Spannungsteiler, der den Ba­ sisstrom und die Basisspannung der Transistoren T5 und T6 bestimmt und diese im leitenden Zustand hält. Über einen vom Kollektor des fünften Transistors T5 ausgehen­ den Strombegrenzungswiderstand R16 wird als sekundärsei­ tige Treiberstufe 5 eine von zehnten und elften Transi­ storen T10 und T11 gebildete Gegentakt-Endstufe ange­ steuert. Der zehnte Transistor T10 ist gesperrt, weil an der Basis fast die gesamte Hilfsspannung UH anliegt und der Emitter nur ein um etwa 0,7 V geringeres Potential aufweist. Der mit den Emittern der Transistoren T10 und T11 verbundene feldgesteuerte Leistungshalbleiterschal­ ter LT wird über sein Gate G sehr schnell eingeschaltet.

Ein Ausschaltvorgang wird durch eine abfallende Flanke des Ansteuersignals U1 eingeleitet, welches in der Se­ kundärwicklung W3 einen positiven Spannungsimpuls be­ wirkt. Diese positive Spannung ist der Haltespannung des fünften Transistors T5 entgegengerichtet und schaltet diesen aus. Gleichzeitig wird auch der sechste Transi­ stor T6 geöffnet und der Haltekreis unterbrochen, wo­ durch also der sekundärseitige Impulsspeicher 4 ausge­ schaltet ist. Das jetzt an der Basis der Gegentakt-End­ stufe anstehende Nullsignal sperrt den zehnten Transi­ stor T10 und der elfte Transistor T11 wird leitend. Über den leitenden Transistor T11 wird das Gate G des Lei­ stungshalbleiterschalters LT mit hohem Strom rasch ent­ laden und der Leistungshalbleiterschalter LT wird ausge­ schaltet.

Nachstehend werden Aufbau und Funktion der Überstromab­ schaltung erläutert.

Da der Leistungshalbleiterschalter LT mit der Last L in Reihe geschaltet ist, liegt bei kurzgeschlossener Last L die gesamte Versorgungsspannung UV an der Kollektor- Emitterstrecke des Leistungshalbleiterschalters LT. Um eine thermische Zerstörung des Leistungshalbleiterschal­ ters LT zu verhindern, muß in diesem Fehlerfall eine rasche Abschaltung eingeleitet werden. Zur Erfassung eines Überstromes wird die Kollektor-Emitterspannung U_CE des Leistungshalbleiterschalters LT überwacht, weil die­ se als Folge einer Entsättigung rasch zunimmt.

Über die Kollektordiode D wird die Kollektor-Emitter­ spannung U_CE der Überstromüberwachungsschaltung 3 zuge­ führt.

Die Kathode der Diode D ist an den Kollektor C des Lei­ stungshalbleiterschalters LT angeschlossen. Die Anode der Diode D ist über einen achtzehnten Widerstand R18 mit der Basis eines achten Transistors T8 und außerdem über einen zwanzigsten Widerstand R20 und einem dem Wi­ derstand R20 parallelgeschalteten zweiten Kondensator C2 mit dem Gate G des Leistungshalbleiterschalters LT ver­ bunden. Im ungestörten Ein- und Ausschaltbetrieb des Leistungshalbleiterschalters LT ist der Transistor T8 leitend, weil seine Basis ein niedrigeres Potential als sein Emitter aufweist, welcher über einen siebzehnten Widerstand R17 mit der Hilfsspannung UH verbunden ist. Mit dem Widerstand R17 wird die Schaltschwelle des Tran­ sistors T8 eingestellt.

Eine Fehlersituation, die zur Abschaltung führen soll, liegt vor, wenn der Leistungshalbleiterschalter LT durch einen Überstrom über Kollektor und Emitter entsättigt wird, wodurch die Spannung an der Diode D ansteigt. Da­ durch wird die Basisspannung des Transistors T8 größer als die Spannung am Emitter und der Transistor T8 öff­ net. Am Kollektor des Transistors T8, der über einen neunzehnten Widerstand R19 mit der Masse verbunden ist, steht jetzt ein Nullsignal an und dadurch wird über ei­ nen fünfzehnten Widerstand R15, der zusammen mit einem vierzehnten Widerstand R14 eine Spannungsteilerfunktion hat, ein siebter Transistor T7 aufgesteuert. Damit än­ dert sich ein durch die Widerstände R11 und R13 einge­ stelltes Spannungsteilerverhältnis, wodurch der Halte­ kreis der Transistoren T5 und T6 unterbrochen wird, d. h. die damit gebildete Thyristortetrode des Impulsspei­ chers 4 ausschaltet. Der Leistungshalbleiterschalter LT wird wie bei der betriebsmäßigen Abschaltung von der Gegentakt-Endstufe T10, T11 schnell abgeschaltet. Schon lange bevor der nach z. B. 20 µs erreichbare maximale transistorspezifische Strom im Leistungshalbleiterschal­ ter LT fließen kann, nämlich nach weniger als 1 µs, wird über die Überstromüberwachungsschaltung 3 und den sekun­ därseitigen Impulsspeicher 4 abgeschaltet, so daß der Überstrom im Störungsfall auf niedrigem Niveau begrenzt bleibt, ehe er abgeschaltet wird.

Die weiteren Ausführungen beziehen sich auf die poten­ tialgetrennte Fehlerrückmeldung.

Wie bereits im Rahmen der Beschreibung zu Fig. 1 erläu­ tert, bewirkt ein Ausschalten des sekundärseitigen Im­ pulsspeichers 4 eine Abschaltung eines Stromes in der Sekundärwicklung W3, wodurch in der zweiten Primärwick­ lung W2 ein negativer Spannungsimpuls erzeugt wird. Der negative Spannungsimpuls bewirkt, daß der primärseitige Impulsspeicher 4, welcher aus den zweiten und dritten Transistoren T2 und T3 und den dritten bis fünften Wi­ derständen R3, R4, R5 besteht, eingeschaltet wird. Die Widerstände R3, R4, R5 des primärseitigen Impulsspei­ chers 4 sind hochohmiger ausgelegt als die Widerstände des sekundärseitigen Impulsspeichers 1. Dies hat zur Folge, daß im normalen Betrieb der Ansteuerschaltung der primärseitige Impulsspeicher 4 ausgeschaltet bleibt.

Der Emitter des Transistors T3 ist über einen neunten Widerstand R9 mit der Basis eines vierten Transistors T4 verbunden. Wenn der Transistor T3 eingeschaltet ist, bleibt der Transistor T4 aufgesteuert und sperrt den ersten Transistor T1. Damit können keine weiteren An­ steuerimpulse mehr übertragen werden. Der Leistungshalb­ leiterschalter LT bleibt ausgeschaltet und die Fehler­ meldung, welche über einen achten Widerstand R8 zum Mel­ deausgang FA geführt ist, bleibt erhalten. Die Fehler­ meldung kann extern weiterverarbeitet werden.

Mit Hilfe einer von einem neunten Transistor T9, einem sechsten Widerstand R6 und dem dritten Widerstand R3 gebildeten Transistorschaltstufe kann mit über einen siebten Widerstand R7 zugeführten negativen oder posi­ tiven Spannungsimpulsen ein Ein- oder Ausschalten der Thyristortetrode T2, T3 bewirkt werden.

Bezugszeichenliste

1 primärseitiger Impulsspeicher
2 primärseitige Treiberstufe
3 Überstromüberwachungsschaltung
4 sekundärseitiger Impulsspeicher
5 sekundärseitige Treiberstufe
C Kollektor
C1 Eingangskondensator
C2 zweiter Kondensator
D Kollektordiode
E Ansteuersignaleingang
FA Meldeausgang
G Steuereingang, Gate
L Lastwiderstand, Last
LT Leistungshalbleiterschalter
RS Setzeingang
R1 bis R20 Widerstände
S Signal am Kollektor
TR Pulstransformator
T1 bis T10 Transistoren
UB Betriebsspannung
UH Hilfsspannung
UV Versorgungsspannung
U1 Ansteuersignal
U2 Nadelimpuls
U_CE Kollektor-Emitterspannung
W1 erste Primärwicklung
W2 zweite Primärwicklung
W3 Sekundärwicklung

Claims (5)

1. Ansteuerschaltung für einen Leistungshalbleiter­ schalter (LT) mit

• - einem Pulstransformator (TR) mit einer ersten Primär­ wicklung (W1) und einer Sekundärwicklung (W3) zur Übertragung von Flankenänderungen eines an einem An­ steuersignaleingang (E) anstehenden Ansteuersignals,
• - einem sekundärseitigen Impulsspeicher (4), der in eine "Ein"- und eine "Aus"-Position gebracht werden kann, zur Speicherung des Ansteuersignalzustandes, dessen Ausgang über eine sekundärseitige Treiberstufe (5) auf den Steuereingang (G) des Leistungshalblei­ terschalters (LT) geführt ist und
• - einer Überstromüberwachungsschaltung, der ein am Kol­ lektor (C) des Leistungshalbleiterschalters (LT) ab­ gegriffenes Signal (S) zugeführt ist und die bei ei­ nem festgestellten Überstrom den sekundärseitigen Impulsspeicher (4) in die "Aus"-Position schaltet, wodurch auch der Leistungshalbleiterschalter (LT) ausgeschaltet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Pulstransformator (TR) eine zweite Primärwicklung (W2) aufweist, die mit einem primärseitigen Impulsspeicher (1) verbunden ist, welcher eine von der Überstromüberwachungsschaltung (3) ausgelö­ ste Abschaltung des Leistungshalbleiterschalters (LT) als Fehlermeldung an einen Meldeausgang (FA) ausgibt und eine Sperrung einer primärseitigen Treiberstufe (2) für das Ansteuersignal bewirkt, wobei eine von der Über­ stromüberwachungsschaltung (3) bewirkte Abschaltung des Leistungshalbleiterschalters (LT) dadurch erfaßt wird, daß ein in der "Ein"-Position des sekundärseitigen Impulsspeichers (4) durch die Sekundärwicklung (W3) des Pulstransformators (TR) fließender Strom im Fall einer von der Überstromüberwachungsschaltung (3) bewirkten Umschaltung des sekundärseitigen Impulsspeichers (4) in die "Aus"-Position abgeschaltet wird, wodurch ein Puls in der zweiten Primärwicklung (W2) induziert wird, der den primärseitigen Impulsspeicher (1) in eine Fehlermel­ de-Position setzt.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Überstromüberwachungsschaltung (3) eine Transistorschaltstufe ( T8, R15) enthält, die von der am Kollektor (C) des Leistungshalbleiterschalters (LT) abgegriffenen und über eine in Sperrichtung ge­ schaltete Kollektordiode (D) und einen Basiswiderstand (R18) zugeführten Kollektor-Emitter-Spannung (U_CE) ange­ steuert wird und daß ein RC-Glied (R20, C2) zwischen der Anode der Diode (D) und dem Steuereingang (G) des Lei­ stungshalbleiterschalters (LT) angeordnet ist, das be­ wirkt, daß die Schaltstufe (T8, R15) bei einer Entsät­ tigung des Leistungshalbleiterschalters (LT) schaltet.

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der sekundärseitige Impuls­ speicher (4) als Thyristortetrode (T5, T6) ausgeführt ist, welche als steuerbarer Schalter wirkt, der durch negative und positive Spannungsimpulse an der Sekundär­ wicklung (W3) ein- und ausschaltbar ist.

4. Ansteuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der primärseitige Impulsspeicher (1) als Thyristortetrode (T2, T3) ausge­ führt ist, welche als steuerbarer Schalter wirkt, der durch negative oder positive Spannungsimpulse an einem Setzeingang (RS) ein- und ausschaltbar ist.