DE4007566A1 - Leistungsverstaerker fuer die speisung einer induktivitaet mit geschalteten transistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker für die Speisung einer Induktivität mit geschalteten Transistoren, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, in deren Diagonalen die Induktivität angeschlossen ist, wobei jedem Transistor eine Freilaufdiode zugeordnet ist, die beim Ausschalten des Transistors dessen Stromfluß übernimmt und wobei in jedem Brückenzweig mehrere Transistoren parallel geschaltet sind.

Ein derartiger Leistungsverstärker ist beispielsweise aus der DE-A1-34 38 034 bekannt. Hierbei kann durch entsprechende Ansteuerung der Transistoren der Brückenschaltung ein beliebiger Stromverlauf in beiden Richtungen eingestellt werden. Durch den Schaltbetrieb der Transistoren ergeben sich, verglichen mit einem Linearverstärkerkonzept, erhebliche Vorteile bezüglich Platzbedarf, Verlustleistung und damit Kosten. Es stehen bipolare Transistoren mit hoher Leistungsfähigkeit zur Verfügung, so daß man auch hohe Ströme schalten kann, ohne viele Transistoren parallel schalten zu müssen. Damit wird eine gedrungene Aufbautechnik mit kurzer Leitungsführung und damit geringer Leitungsinduktivität möglich. Allerdings sind vor allem die Umschaltverluste bei bipolaren Transistoren mit hoher Stromtragfähigkeit aufgrund der begrenzten Schaltgeschwindigkeit noch beträchtlich, so daß man schnell in Leistungsbereiche kommt, bei denen eine Wasserkühlung erforderlich ist. Ein gravierender Nachteil bei der Anwendung bipolarer Schalttransistoren besteht auch in der eingeschränkten Regelbarkeit des Leistungsverstärkers. Bipolare Transistoren hoher Stromtragfähigkeit weisen wegen der Speicherzeit eine Abschaltverzögerung von ca. 5 µs auf. Wegen dieser Abschaltverzögerung und ihrer Exemplarstreuung muß eine nennenswerte Sicherheitszeit zwischen den einzelnen Schaltvorgängen eingehalten werden. Damit wird verhindert, daß zwei bezüglich der Betriebsspannung in Reihe liegende Transistoren gleichzeitig leiten und damit Querströme entstehen. Die notwendige Sicherheitszeit liegt bei ca. 10% des Schaltzyklus. Regelungstechnisch wirkt diese Sicherheitszeit als Totzeit, was sich in einer Verschlechterung der erreichbaren Kurvenform, vor allem bei kleinen Strömen, äußert.

Wesentlich höhere Schaltgeschwindigkeiten und damit reduzierte Umschaltverluste sind mit Leistungs-MosFet-Transistoren zu erzielen. Prinzipiell haben MosFet-Transistoren keine Speicherzeit, so daß die Totzeit deutlich verringert werden kann und damit die Regelbarkeit eines Verstärkers verbessert wird. Ein Nachteil der Leistungs-MosFet-Transistoren gegenüber bipolaren Transistoren ist die geringere Stromtragfähigkeit. Wenn von einem Leistungsverstärker hohe Ströme gefordert werden, müssen viele MosFet-Transistoren parallel geschaltet werden.

Hohe Anforderungen an Leistungsverstärker treten beispielsweise bei Gradientenverstärkern von Kernspintomographen auf. Dabei sind Spulenanordnungen zur Erzeugung linearer Magnetfeldgradienten mit Strom zu versorgen. Es ergeben sich z. B. folgende typische Anforderungen an solche Leistungsverstärker:

• a) die Ströme müssen in einem Bereich vom 10 mA bis 250 A exakt eingestellt werden können;
• b) es werden Ströme in zwei Richtungen gefordert;
• c) eine durch eine Ansteuerung vorgegebene Stromkurvenform muß möglichst präzise wiedergegeben werden;
• d) der Leistungsverstärker muß eine Ausgangsspannung liefern, die eine ausreichende Stromanstiegsgeschwindigkeit in der Gradientenspule sicherstellt. Ein charakteristischer Wert für die Ausgangsspannung ist z. B. ±300 V;
• e) der Leistungsverstärker muß bei einem möglichst großen Nennstrom einen möglichst hohen "duty cycle" zulassen;
• f) der Leistungsverstärker muß räumlich klein und möglichst ohne Kühlwasserbedarf auszuführen sein.

Bei der Parallelschaltung vieler Transistoren und hoher Schaltgeschwindigkeit tritt das Problem der gleichmäßigen Stromaufteilung auf die parallel geschalteten Transistoren auf. Insbesondere bei Umschaltvorgängen besteht die Gefahr, daß - z. B. aufgrund von Induktivitäten - die Stromaufteilung ungleichmäßig ist, was schnell zu einer Zerstörung von Transistoren führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Leistungsverstärker mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Transistoren so aufzubauen, daß eine gleichmäßige Stromaufteilung auf die Transistoren sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die parallel geschalteten Transistoren jeweils auf einem thermisch und elektrisch leitenden ersten Ring befestigt, symmetrisch über diesen Ring verteilt und mit diesem mit jeweils einem Anschluß elektrisch verbunden sind, wobei die Verbindungen zu weiteren Anschlüssen der Transistoren im wesentlichen rotationssymmetrisch über großflächige Leiterplatten erfolgen.

Durch die symmetrische Anordnung der Transistoren in Kreisform und die flächige Ausführung der Verbindungsleitung wird erreicht, daß die gleichmäßige Aufteilung des zu schaltenden Stromes auf die einzelnen Transistoren auch bei den erreichbaren höchsten Umschaltgeschwindigkeiten von ca. 30 ns zu jedem Zeitpunkt sichergestellt ist. Durch die mit diesem Aufbau mögliche kurze Ausführung der Stromwege werden schädliche Induktivitäten auf kleine und für die Strompfade zu den einzelnen Transistoren weitgehend gleiche Induktivitätswerte reduziert. Damit werden auch für die Transistoren gefährliche Überspannungsspitzen beim Schalten vermieden.

Vorteilhafterweise können auf dem ersten Ring zusätzlich Freilaufdioden angeordnet sein, die in unmittelbarer Nähe zum zugeordneten Transistor montiert sind. Damit ist eine Verbindung zwischen Transistor und jeweils zugeordneter Freilaufdiode möglich, die kurz und daher niederinduktiv ist. Gerade bei dieser Verbindung ist die geringe Induktivität von Vorteil, da der Stromübergang von Transistor zu zugeordneter Freilaufdiode extrem schnell erfolgt. Alternativ können die Freilaufdioden auch auf einem zweiten Ring angeordnet sein, der konzentrisch zum ersten Ring ist und mit diesem thermisch gut leitend, aber elektrisch isoliert verbunden ist.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn jeweils ein Transistor und eine Diode räumlich zusammengefaßt und in Reihenschaltung an Versorgungsspannungsklemmen angeschlossen sind und wenn jeder Verbindungspunkt von Transistor und Diode mit einem Lastanschluß verbunden ist.

Zur Aufnahme von Laststößen können den Dioden-Transistor-Reihenschaltungen Kondensatoren parallel geschaltet sein, wobei die Kondensatoren koaxial zu dem Ring angeordnet sind und über Leiterplatten großflächig mit den zugeordneten Transistor-Dioden- Reihenschaltungen verbunden sind. Diese Anordnung der Kondensatoren, die als Betriebsspannungs-Puffer-Kondensatoren wirken, trägt ebenfalls zu einer gleichmäßigen Stromaufteilung beim Einschalten der Transistoren bei.

Die für jeden Kondensator erforderliche Kapazität kann auf mehrere parallel geschaltete Teilkondensatoren unterschiedlicher Kapazität und Stromstoßverhaltens aufgeteilt werden, wobei der Teilkondensator mit dem besten Stoßstromverhalten am dichtesten zum Ring angeordnet ist. Durch diese Aufteilung auf mehrere Teilkondensatoren ergibt sich insgesamt ein geringerer Aufwand, da zur Erreichung einer hohen Kapazität z. B. Elektrolytkondensatoren mit hoher Kapazität bei geringem Bauvolumen, jedoch relativ schlechtem Stoßstromverhalten eingesetzt werden können. Der beim Einschalten erforderliche Stoßstrom wird dann zuerst von Teilkondensatoren mit gutem Stoßstromverhalten (z. B. Folienkondensatoren) übernommen, die jedoch bei gleicher Kapazität wesentlich größer und teuerer als Elektrolytkondensatoren sind. Durch die Anordnung dieser Kondensatoren dicht zu den Transistoren erzielt man eine geringe Induktivität der mit Strömen hoher Anstiegsteilheit beaufschlagten Verbindung.

In einer vorteilhaften Bauform erfolgt ein Anschluß zu den Transistoren über einen zentrisch zum Ring angeordneten Bolzen, der mit den Transistoren über großflächige Leiterplatten verbunden ist. Da von diesem zentrischen Bolzen die Leitungswege zu allen Transistoren gleich lang sind und somit auch eine übereinstimmende Induktivität aufweisen, wird die gleichmäßige Stromaufteilung nicht durch unterschiedliche Induktivitäten gestört.

Durch eine Anordnung der Treiberschaltungen für die Transistoren innerhalb des Ringes wird auch die Induktivität der Ansteuerleitungen für alle Transistoren gleich, so daß eine ungleichmäßige Stromverteilung aufgrund unterschiedlicher Einschaltzeitpunkte der Transistoren vermieden wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 9 bis 14 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Leistungsverstärkers,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Seite einer rotationssymmetrischen Baueinheit und

Fig. 3 eine Draufsicht auf dieselbe Baueinheit.

Fig. 4 ein Beispiel für die Ansteuerung eines MosFet-Transistors.

In Fig. 1 ist die Brückenschaltung des Leistungsverstärkers mit den Brückenzweigen I bis IV in der Weise dargestellt, daß jeweils einander räumlich zugeordnete Bauteile zusammengefaßt sind und die entsprechende Schaltung schraffiert ist. So ist z. B. der mit I bezeichnete Brückenzweig als Schaltungseinheit - wie nachfolgend noch näher erläutert wird - auf einem ersten Ring und der mit IV bezeichnete Brückenzweig auf einem zweiten Ring angeordnet, wobei diese beiden Ringe wiederum zu einer Baueinheit verbunden sind. Eine zweite Baueinheit enthält dann Ringe mit den Schaltungselementen der Brücken II und III.

Jeder Brückenzweig enthält eine Vielzahl parallel geschalteter Transistoren und Dioden. Im folgenden werden die einzelnen Transistoren des Brückenzweiges I mit Tll bis Tln, allgemein mit T1 . . . bezeichnet. Die Bezeichnungen für die Brückenzweige II bis IV lauten entsprechend T2 . . . bis T4 . . . Eine analoge Nomenklatur wird für Dioden und die Kondensatoren jedes Brückenzweiges gewählt.

Zu jedem Transistor T1 . . . bis T4 . . . ist eine Diode D1 . . . bis D4 . . in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung an Versorgungsspannungsklemmen U^- und U⁺ angeschlossen ist. Parallel zu jeder Reihenschaltung liegt ein Kondensator C1 . . . bis C4 . . . Jeder Transistor T1 . . bis T4 . . wird von einer Treiberschaltung Tr1 bis Tr4 je Brückenzweig angesteuert. Sämtliche Elemente der Brückenzweige I bis IV, also die Transistoren T1 . . . bis T4 . . , die Dioden D1 . . bis D4 . . und die Kondensatoren C1 . . bis C4 . . sind mehrfach vorhanden und parallel geschaltet.

Der Verbindungspunkt jedes Transistors T1 . . mit jeder Diode D1 . . (als Anschluß B1 bezeichnet) und der Verbindungspunkt des Transistors T2 mit der Diode D2 (als Anschluß B2 bezeichnet) sind jeweils über ein Glättungsfilter G1 bzw. G2 und eine Drossel Dr1 bzw. Dr2 mit einem ersten Anschluß La1 der Last La verbunden, während die entsprechenden Anschlüsse B3 und B4 ebenfalls über Glättungsfilter G3 bzw. G4 und Drossel Dr3 bzw. Dr4 mit dem zweiten Anschluß La2 der Last La verbunden sind. Jedes Glättungsfilter G1 bis G4 ist als RC-Glied mit der Parallelschaltung einer Induktivität GL und eines Widerstandes GR in Serie zum Laststrom und einem Kondensator GC, der eine Verbindung zu einer Versorgungsspannungsklemme herstellt, ausgeführt.

Durch Einschalten der Transistoren T1 . . . und T3 . . . kann die Last La mit einem Strom in einer ersten Richtung, durch Einschalten der Transistoren T2 und T4 mit einem Strom in entgegengesetzter Richtung beaufschlagt werden. Beim Ausschalten eines Strompfades wird der aufgrund der Induktivität der Last La weiterfließende Laststrom von den zugeordneten Dioden D1 . . . bis D4 . . . übernommen, also z. B. beim Ausschalten der Transistoren T1 . . und T4 . . von den Dioden D1 . . . und D4 . . . Die Kondensatoren C1 . . . bis C4 . . . dienen als Zwischenkreis-Kondensatoren, d. h. als Betriebsspannungs-Puffer-Kondensatoren und ermöglichen kurze Stromanstiegszeiten, ohne daß an die Betriebsspannungsquelle extreme Bedingungen bezüglich der Induktivität gestellt werden. Die Glättungsfilter G1 bis G4 dienen zur Filterung der Schaltspitzen beim Schalten der Transistoren T1 . . bis T4 . . .

Die Drosseln Dr1 bis Dr4 erfüllen eine zweifache Funktion: Zum einen verhindern sie einen allzu schnellen Stromanstieg, wenn die Transistoren T1 . . . und T2 . . . bzw. T3 . . . und T4 . . durch einen Fehler gleichzeitig eingeschaltet sind. Außerdem wird durch die Drosseln Dr1 bis Dr4 folgendes Problem gelöst: Jeder MosFet- Transistor besitzt eine inhärente Diode, die für jeden Transistor T1 . . . bis T4 . . . gestrichelt eingezeichnet ist. Diese Diode wirkt im Prinzip als Freilaufdiode, sie weist jedoch im Vergleich zur Transistorstrecke selbst eine lange Schaltzeit, d. h. Sperrverzögerungszeit, auf. Die Sperrverzögerung würde beim Einschalten des anderen Transistors im Querzweig (z. B. von T1 . . nach T2 . .) einen unzulässig hohen Querstrom bewirken, der neben wesentlich höheren Schaltverlusten auch die Zerstörung der Transistoren zur Folge haben könnte. Durch die Drosseln Dr1 bis Dr4 wird jedoch erreicht, daß der Laststrom nur über diese Drosseln auf eine inhärente Diode kommutieren kann, während eine Kommutierung auf die wesentlich schnelleren Dioden D1 bis D4 ohne Zwischenschaltung einer Drossel und damit wesentlich schneller erfolgt. Damit sind die inhärenten Dioden praktisch wirkungslos geworden und damit ihr störender Effekt eliminiert.

Um das Bauvolumen der Drossel Dr1 bis Dr4 in Grenzen zu halten, ist es erforderlich, die Sättigung der Drosselkerne durch den Ausgangsstrom zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Drosseln Dr1 und Dr4 bzw. Dr2 und Dr3 jeweils mit geeigneter Wicklungsrichtung auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Dadurch wird der durch den Laststrom erzeugte Fluß jeweils kompensiert, d. h. die Drosseln sind stromkompensiert. Die oben angegebene Funktion bei der Stromkommutierung wird dabei nicht beeinträchtigt.

Jeder Brückenzweig besteht aus einer Mehrzahl parallel geschalteter Transistoren T1 . . bis T4. ., Dioden D1 . . bis D4 . . und Kondensatoren C1 . . bis C4 . . , von denen in Fig. 1 jeweils nur ein Element dargestellt ist: Nur so kann mit MosFet-Transistoren die beispielsweise für Gradientenverstärker notwendige Stromtragfähigkeit erreicht werden. Mit der Parallelschaltung der Transistoren tritt aber, wie ebenfalls bereits eingangs erörtert, das Problem der gleichmäßigen Stromaufteilung insbesondere beim Einschalten auf. Eine gleichmäßige Stromaufteilung wird mit einer konstruktiven Anordnung, wie sie in den Fig. 2 und 3 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, erreicht.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine Baueinheit, die eine Brückenhälfte, nämlich die Brückenzweige I und IV, nach Fig. 1 beinhaltet. Die Baueinheit ist rotationssymmetrisch bezüglich der strichpunktiert dargestellten Achse aufgebaut und der Übersichtlichkeit wegen ist nur der linke Teil der Baueinheit dargestellt.

Auf zwei ersten Ringen R1 bzw. R1′ sind die den Brückenzweigen I bis IV zugeordneten Transistoren T1 . . bzw. T4 . . angeordnet. In eine Aussparung der Ringe R1 bzw. R1′ sind elektrisch isoliert, jedoch gut wärmeleitend Ringe R2 bzw. R2′ eingesetzt. Auf diesen Ringen R2, R2′ sind Freilaufdioden D1 . . . bzw. D4 . . . angeordnet. Die Ringe R1, R1′, R2, R2′ bestehen vorzugsweise aus Aluminium. Die Transistoren T1 . . und T4 . . und Freilaufdioden D1 . . und D4 . . sind mit den Ringen R bzw. R′ gut wärmeleitend verbunden, so daß die Verlustleistung an die Ringe R und R′ abgeführt wird. Die Ringe R und R′ sind wiederum gut wärmeleitend mit je einem Luft-Kühlkörper K bzw. K′ verbunden, über die die Verlustleistung an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Konzentrisch zu den Transistoren T1, T4 sind Teilkondensatoren Cl′ bis Cl 3′ angeordnet. Die konzentrische Anordnung der Dioden, der Transistoren und der Teilkondensatoren auf jeweils unterschiedliche Radien ist in Fig. 3 deutlich sichtbar.

Jeweils drei Kondensatoren C1′ . . bis C1′′′ . . bzw. C4′ . . bis C4′′′ . . in Parallelschaltung bilden einen Kondensator C1 . . bzw. C4 . . gemäß dem Schaltbild nach Fig. 1. Dabei sind die Kondensatoren C1′ . . bzw. C4′ . . auf dem kleinsten Radius als Folienkondensatoren ausgeführt und weisen ein besonders gutes Stoßstromverhalten, d. h. niedrigen Innenwiderstand und Induktivität auf. Aufgrund der kürzesten Entfernung zu den Transistoren tragen sie zum schnellen Stromanstieg beim Einschalten bei. Konstruktionsbedingt haben solche Kondensatoren jedoch nur kleine Kapazitätswerte. Die etwas weiter von den Transistoren entfernten Kondensatoren C1′′ . . bzw. C4′′ . . weisen ein mittleres Stoßstromverhalten, jedoch eine größere Kapazität auf und sind vorzugsweise ebenfalls als Folienkondensatoren ausgeführt. Der größte Teil der benötigten Kapazität wird schließlich durch die Kondensatoren C1′′′ bzw. C4′′′ gebildet, die vorzugsweise als Elektrolyt-Kondensatoren ausgeführt sind und auf dem größten Radius angeordnet sind. Derartige Kondensatoren weisen zwar eine hohe Kapazität, jedoch im Vergleich zu Folienkondensatoren ein ungünstigeres Stoßstromverhalten auf.

Die für die Ansteuerung der Transistoren erforderlichen Treiberschaltungen TR1, TR4 sind ebenfalls koaxial zum Ring R bzw. R′ und innerhalb von diesem angeordnet. Zur Verbindung der Bauelemente untereinander sind Leiterplatten vorgesehen, die jeweils eine kurze, großflächige Verbindung mit niedriger Induktivität herstellen. Eine Sandwich-Bauweise aus mehreren Leiterplatten bewirkt eine verkopplungsfreie, symmetrische und niederinduktive Kontaktierung der Bauelemente, wobei sich durch Aufteilung auf mehrere Leiterbahnebenen optimale Leiterquerschnitte gestalten lassen. Durch die geringe Induktivität der Verbindungsleitungen werden für die Transistoren gefährliche Überspannungsspitzen bei schnellen Schaltvorgängen vermieden. Zusätzlich lassen sich durch geeignete Ausführung gegenüberliegende Metallbeläge der Leiterplatten äußerst induktivitätsarme zusätzliche Speicherkondensatoren in kürzester Entfernung zu den Transistoren realisieren, welche den Energiebedarf für schnellste Stromspitzen decken können. Zur lösbaren Verbindung der Bauelemente der beiden Brückenzweige I und IV untereinander sind zwei konzentrische Kontaktringe K1 und K2 vorgesehen. Diese Kontaktringe bestehen jeweils aus zwei Kontaktbahnen K1′, K1′′ bzw. K2′, K2′′, wobei von den beiden Kontaktbahnen jedes Kontaktringes mindestens eine in Form federnder Lamellen ausgeführt ist. Die Kontaktbahn K1′ ist über Stehbolzen ST leitend mit dem Ring R verbunden. In der Mittelachse der Anordnung ist ein Bolzen BO vorgesehen, der über eine Kreisscheibe KK mit der Leiterplatte LE1 verbunden ist.

Im folgenden wird der Stromverlauf in der Anordnung nach Fig. 2 in Verbindung mit dem Schaltbild nach Fig. 1 näher erläutert. Der positive Versorgungsspannungsanschluß U⁺ wird an den Ring R1 angeschlossen. Diese Verbindung ist in den Fig. 1 und 2 übereinstimmend mit A1 bezeichnet. Die Verbindung der Diode D4 . . mit dem positiven Betriebsspannungsanschluß erfolgt über den Kontaktring K1 und die Leiterplatte LE3. Diese Verbindung ist jeweils mit L1 bezeichnet. Der Anschluß der negativen Betriebsspannung U^- erfolgt über die Leiterplatte LE5 zum Transistor T4 . . sowie weiter über die Leiterplatte LE5, den Kontaktring K2 und die Leiterplatte LE2 zum Transistor T1 . . . Die Teilkondensatoren C1′ bis C1′′′ sind mit der positiven und negativen Betriebsspannung über die Leiterplatte LE2, die Kondensatoren C4′ bis C4′′′ über die Leiterplatten LE3 und LE4 verbunden. Der Lastanschluß B1 nach Fig. 1 wird mit dem Bolzen BO, der über die Scheibe KR und die Leiterplatte LE2 mit dem Verbindungspunkt von Transistor T1 . . . und Diode D1 . . verbunden ist, hergestellt. Der in Fig. 1 mit B4 bezeichnete Lastanschluß des Brückenzweiges IV wird über den Ring R1′ hergestellt, mit dem ebenfalls je ein Anschluß des Transistors T4 . . und der Diode D4 . . verbunden ist.

Die Ansteuerung der Transistoren T1 . . . bzw. T4 . . durch die Treiberschaltungen TR1 bzw. TR4 erfolgt über Leiterplatten LE1 bzw. LE4.

Durch den konsequenten Aufbau der Anordnung in koaxialer Form werden kurze Verbindungswege zu den Bauelementen sichergestellt. Ferner werden die Anschlußwege zu allen Bauelementen gleich lang, so daß die Zuleitungsinduktivitäten übereinstimmen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, daß auch im dynamischen Fall eine gleichmäßige Stromaufteilung erreicht wird. Durch den Aufbau wird auch eine gleichmäßige Abführung der Verlustwärme von allen Transistoren und Dioden gewährleistet. Dadurch arbeiten sämtliche Transistoren und Freilaufdioden bei gleicher Temperatur, was eine weitere Voraussetzung für die gleichmäßige Stromaufteilung darstellt.

Aufgrund der extrem hohen Schaltgeschwindigkeit, die mit der dargestellten Anordnung ermöglicht wird, muß noch ein weiteres Problem gelöst werden, das im folgenden anhand der Fig. 4 näher erläutert wird.

Fig. 4 zeigt das Ersatzschaltbild eines MosFet-Transistors mit einer inhärenten Diode D_J, der Drain-Source-Kapazität C_DS, der Drain-Gate-Kapazität C_mi, der Gate-Source-Kapazität C_GS, dem Gate-Widerstand R_G und dem Drain-Source-Widerstand R_DS. Die Drain-Gate-Kapazität wirkt auch als Rückwirkungskapazität.

Bei der gemeinsamen Ansteuerung vieler parallelgeschalteter MosFet-Transistoren tritt folgendes Problem auf: durch die räumliche Anordnung der Transistoren bei der Parallelschaltung ergeben sich zwangsläufig höhere Gate-Impedanzen, da die Entfernungen der Gate-Anschlüsse zum gemeinsamen Treiberanschluß entsprechend größer werden. Beim Einschalten der Transistoren kann es nun über die Rückwirkungskapazität (= C_mi nach Fig. 4) zu Schwingungen am Gate kommen, die ein kurzes Wiederausschalten zur Folge haben. Dadurch würden die Schaltverluste stark ansteigen. Um trotzdem sicher und schnell schalten zu können, wird an jedem Gate-Source-Anschluß jedes MosFet-Transistors ein zusätzlicher Kondensator (C_Gext) angeschlossen (Fig. 4). Die parasitären Kapazitäten der MosFet-Transistoren sind stark von der Drain-Source-Spannung abhängig. Mit der Erhöhung der Eingangskapazität durch einen externen Kondensator verringert sich diese Abhängigkeit. Die beim Einschalten ansteigende Rückwirkungskapazität wird in ihrer Wirkung abgeschwächt, da die Impedanz am Gate verkleinert wurde.

Die externen Gate-Source-Kondensatoren befinden sich auf den Leiterplatten LE1 sowie LE6 (Fig. 2) und sind jedem Transistor räumlich zugeordnet. Durch diese Maßnahme ist es möglich, mit geringer Treiberleistung viele parallel geschaltete MosFet- Transistoren verlustarm und schnell zu schalten.

Claims (14)

1. Leistungsverstärker für die Speisung einer Induktivität (La) mit geschalteten Transistoren (T1 . . bis T4 . .), die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, in deren Diagonalen die Induktivität (La) angeschlossen ist, wobei jedem Transistor (T1 . . bis T4 . .) eine Freilaufdiode (D1 . . bis D4 . .) zugeordnet ist, die beim Ausschalten des Transistors (T1 . . bis T4 . .) dessen Stromfluß übernimmt und wobei in jedem Brückenzweig (I bis IV) mehrere Transistoren (T1 . . bis T4 . .) parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel geschalteten Transistoren (T1 . . bis T4 . .) jeweils auf einem thermisch und elektrisch leitenden ersten Ring (R1, R1′) befestigt, symmetrisch über diesen Ring (R1, R1′) verteilt und mit diesem mit jeweils einem Anschluß elektrisch verbunden sind, wobei die Verbindungen zu weiteren Anschlüssen der Transistoren (T1 . . bis T4 . .) im wesentlichen rotationssymmetrisch über großflächige Leiterplatten (LE1 bis LE5) erfolgen.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten Ring (R1, R1′) zusätzlich Freilaufdioden (D1 . . bis D4 . .) angeordnet sind, die in unmittelbarer Nähe zum zugeordneten Transistor (T1 . . bis T4 . .) montiert sind.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilaufdioden (D1 . . bis D4 . .) auf einem zweiten Ring (R1, R2′) angeordnet sind, der konzentrisch zum ersten Ring (R1, R1′) ist und mit diesem thermisch gut leitend, aber elektrisch isoliert verbunden ist.

4. Leistungsverstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Transistor (T1 . . bis T4 . .) und eine Diode (D1 . . bis D4 . .) räumlich zusammengefaßt und in Reihenschaltung an Versorgungsspannungsklemmen (U^-, U⁺) angeschlossen sind und daß jeder Verbindungspunkt von Transistor (T1 . . bis T4 . .) und Diode (D1 . . bis D4 . .) mit einem Lastanschluß verbunden ist.

5. Leistungsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Dioden-Transistor- Reihenschaltungen (T1 . . bis T4 . . , D1 . . bis D4 . .) Kondensatoren (C1 . . bis C4 . .) parallel geschaltet sind, wobei die Kondensatoren (C1 . . bis C4 . .) koaxial zu den Ringen (R1, R1′, R2, R2′) angeordnet sind und über Leiterplatten (LE2 bis LE5) großflächig mit den zugeordneten Transistor-Dioden-Reihenschaltungen (T1 . . bis T4 . . , D1 . . bis D4 . .) verbunden sind.

6. Leistungsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die für jeden Kondensator (C1 . . bis C4 . .) erforderliche Kapazität auf mehrere parallel geschaltete Teilkondensatoren (C1′. . bis C1′′ . . - C4′ . . bis C4′′′. .) unterschiedlicher Kapazität und Stoßstromverhaltens aufgeteilt ist, wobei jeweils der Teilkondensator (C1′ . . bis C4′ . .) mit dem besten Stoßstromverhalten am dichtesten zum ersten Ring (R1, R1′) angeordnet ist.

7. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß (B) zu den Transistoren (T1 . . bis T4 . .) über einen zentrisch zu den Ringen (R1, R1′, R2, R2′) angeordneten Bolzen (BO) erfolgt, der mit den Transistoren (T1 . . bis T4 . .) über großflächige Leiterplatten (LE2) verbunden ist.

8. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jedes Ringes (R, R′) Treiberschaltungen (TR1 bis TR4) für die Transistoren (T1 bis T4) angeordnet sind.

9. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate- Source-Strecke jedes Transistors (T1 . . bis T4 . .) ein Kondensator parallel geschaltet ist.

10. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Ring (R1, R1′, R2, R2′) ein Kühlkörper (K, K′) thermisch leitend verbunden ist.

11. Leistungsverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die einer Brückenhälfte zugeordneten Ringe (R1, R1′, R2, R2′) zu einer Baueinheit derart zusammengefaßt sind, daß die Kühlkörper (K, K′) parallel zu den Ringen (R1, R1′, R2, R2′) nach außen liegen und daß zwischen den beiden Ringen (R1, R1′, R2, R2′) konzentrische Kontaktringe (K1, K2) zur lösbaren elektrischen Verbindung der den Ringen (R1, R1′, R2, R2′) zugeordneten elektrischen Bauelemente vorgesehen sind.

12. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen den beiden in Serie an der Betriebsspannung liegenden Brückenzweigen in Serie zwei Drosseln (Dr1 bis Dr4) angeordnet sind, an deren Verbindungspunkt die Last (L) angeschlossen ist.

13. Leistungsverstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die beiden Drosseln (Dr1, Dr4 bzw. Dr2, Dr3), die zwei parallel an der Betriebsspannung liegenden Brückenzweigen zugeordnet sind, induktiv so gekoppelt sind, daß der Laststrom keinen resultierenden Fluß erzeugt.

14. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Lastanschluß (B1 bis B4) jedes Brückenzweiges ein Tiefpaßfilter (G1 bis G4) vorgesehen ist.