DE4138958A1 - Steuerschaltung fuer digitale leistungshalbleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für ein digi­ tales Leistungshalbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Halbleiterschaltungen der digitalen Leistungselektro­ nik treten oft Probleme bei der Steuerung der Leistungs­ halbleiter auf, gleichgültig ob es sich um Leistungstran­ sistoren, Thyristoren, GTO′s, IGBT′s oder FET′s handelt. Beim schnellen Durchschalten dieser Bauelemente treten an der unvermeidlichen Zuleitungsinduktivität des Emitters bzw. der Source Spannungsabfälle auf, die beim Ein- und Ausschalten Mitkopplungseffekte verursachen. Bei vielen Leistungsbauelementen ist der Emitter- bzw. Source-An­ schluß bereits getrennt für den Steuerkreis und den Lei­ stungskreis herausgeführt.

Solange bei der digitalen Ansteuerung die Einschaltzeit kleiner als 0,5 der Periode ist, kann man für die Poten­ tialtrennung zwischen Steuer- und Leistungskreis einen Übertrager einsetzen, um Rückwirkungen auf den Steuer­ kreis zu unterbinden.

Bei der Ansteuerung eines Leistungshalbleiterbauelementes eines Tiefsetzstellers, auch Drosselregler genannt, und besonders im Modulationsbetrieb, ist die Übertragung des Gleichstromanteils unbedingt erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuer­ schaltung für ein digitales Leistungshalbleiterbauelement zu schaffen, in der transiente Source- bzw. Emitterpoten­ tiale, die beim Einschalten an den Leitungsinduktivitäten des Halbleiterbauelementes entstehen, in ihrer Störwirkung auf den Steuerkreis unterdrückt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzei­ chen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiter­ bildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung unterdrückt die störenden transienten Po­ tentiale aus dem Leistungskreis in vorteilhafter Weise einmal dadurch, daß in dem Steuerkreis eine Drosselwir­ kung auf den Ausgleichsstrom in der Bezugspotentialader der Steuerleitung ausgeübt wird und zum anderen dadurch, daß eine Gleichtaktwirkung auf die anderen Adern der Steuerleitung eintritt, die bei einer Potentialänderung in der Bezugspotentialader die Potentiale der anderen Adern entsprechend der Änderung mitzieht, so daß die Po­ tentialdifferenzen auf der Steuerleitung von der Störung unbeeinflußt bleiben. Dabei bietet die erfindungsgemäße Lösung gegenüber der Verwendung einer transformatorischen Entkopplung des Steuerkreises mittels eines Übertragers den Vorteil, daß die Störunterdrückung auch für Einschalt­ zeiten < 0,5 der Periodedauer einsetzbar ist. Die Erfin­ dung ist für die Steuerung von unterschiedlichen Leistungs­ halbleiterbauelementen, wie z. B. Transistoren, Thyristo­ ren, GTO′s, IGBT′s oder FET′s einsetzbar. In den Unteran­ sprüchen ist gezeigt, daß sie sich auf verschiedene Steu­ erleitungstypen anwenden läßt und vorteilhaft mit einem handelsüblichen Ferritkernring ausführbar ist.

Anhand der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Steuerschaltung für einen FET, die mit einem Flachbandleiter ausgeführt ist,

Fig. 2 zeigt eine derartige Schaltung, die mit einer ab­ geschirmten Doppelleitung ausgeführt ist,

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung mit zusätzlichen Leiterwindungen auf dem erfindungs­ gemäß eingesetzten ferromagnetischen Körper und

Fig. 4 zeigt die Anwendung der Erfindung in einer Paral­ lelschaltung mehrerer Leistungshalbleiterbauele­ mente.

Fig. 1 zeigt eine Steuerschaltung eines Leistungs-FET′s V3. Die Schaltung besteht aus einem Impulsgenerator G1, einem Vortreiber V1, einer dreiadrigen Steuerleitung W1 mit einem als Ferritkernring ausgebildeten ferromagneti­ schen Körper F1 und einem Treiber V2. Das Bezugspotential E1 des Impulsgenerators G1 und des Vortreibers V1, die Hilfsspannung U_H zur Versorgung der Treiber und die Puls­ spannung aus dem Vortreiber V1 gelangen über die als Flachbandleiter ausgeführte Steuerleitung W1 an den Trei­ ber V2. Dabei ist das Bezugspotential E1 des Vortreibers V1 an das Bezugspotential des Treibers V2 geführt. Das Bezugspotential dieses Treibers V2 ist wiederum mit dem Steuerkreis-Source-Anschluß S2 des Leistungs-FET′s V3 verbunden. Die Pulsspannung gelangt über den Treiber V2 an das Gate G des Leistungs-FET′s V3.

Der FET liegt mit seinem Leistungskreis-Source-Anschluß S1 an dem Bezugspotential E2 des Leistungskreises. Auf den Zuleitungen zum FET V3 wirken Leitungsinduktivitäten.

In Fig. 3 sind diese Leitungsinduktivitäten als innere Leitungsinduktivität L1 und als äußere Leitungsindukti­ vität L2 in der Art eines Ersatzschaltbildes dargestellt. Die innere Leitungsinduktivität L1 wirkt vom Leistungs- Source-Anschluß S1 ausgehend im Innern des FET′s V3 und die äußere Leitungsinduktivität L2 wirkt auf der Zulei­ tung bis zu diesem Leistungskreis-Source-Anschluß S1.

Wird nun durch den Impulsgenerator G1 der Leistungs-FET V3 ein- oder ausgeschaltet, dann tritt an der inneren Leitungsinduktivität L1 und an der äußeren Leitungsinduk­ tivität L2 eine transiente Spannung auf. Dieses hat zur Folge, daß ein Ausgleichsstrom vom Steuerkreis-Source-An­ schluß S2 zum Bezugspotential E1 des Vortreibers V1 flie­ ßen will. Dieser Stromfluß wird aber erfindungsgemäß durch den als Drossel wirkenden Ferritkernring unterbun­ den. Gleichzeitig wirkt der Ferritkernring als magneti­ scher Kreis in der Funktion eines Gleichtakt-Transforma­ tors auch auf die anderen Adern der Steuerleitung W1 ein. Vor und hinter dem Ferritkernring sind deshalb die momen­ tanen Potentialdifferenzen zwischen den Adern durch die transienten Source-Spannungen unbeeinflußt.

Die Steuerschaltung in Fig. 2 unterscheidet sich von der Schaltung in Fig. 1 dadurch, daß statt eines dreiadri­ gen Flachbandleiters eine abgeschirmte Doppelleitung als Steuerleitung W1 verwendet ist. Die Schaltung gemäß Fig. 2 löst die erfindungsgemäße Aufgabe mit gleicher Wirkung wie die in Fig. 1 gezeigte Schaltung.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante gezeigt, in wel­ cher der magnetische Fluß innerhalb des Ferritkernringes durch zusätzliche Leiterwindungen der Steuerleitung W1 vermindert ist. Proportional zur Windungszahl n kann dadurch eine höhere Störspannung an L1 + L2 zugelassen werden, ohne daß sich der magnetische Fluß in dem Ferrit­ kernring erhöht.

In dem Ausführungsbeispiel ist für eine kostengünstige Fertigung die Steuerleitung W1 an der Stelle des Ferrit­ kernringes aufgetrennt und mit den Enden einer dreiadri­ gen Wicklung verbunden, die auf dem Ferritkernring sitzt.

Fig. 4 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Steuer­ schaltung in einer Schaltung zum Steuern vieler parallel­ geschalteter Leistungs-FET′s V3, die mit ihrer Source alle auf demselben Bezugspotential E2 liegen. In Fig. 4 sind die Parallelschaltungen mehrerer Leistungs-FET′s V3 beispielhaft an zwei FET′s gezeigt. In der gezeigten Schaltung erfolgt die Steuerung der FET′s mit einem Im­ pulsgenerator G1 und mit einem Vortreiber V1. Von dem Vortreiber V1 führen separate, parallele Steuerleitungen W1, die entsprechend den vorangehend beschriebenen Aus­ führungsbeispielen ausgeführt sind, zu einzelnen, auf die FET′s einwirkenden, Treibern V2.

Claims (6)

1. Steuerschaltung für ein digitales Leistungshalbleiter­ bauelement mit einer mehradrigen Steuerleitung und einer Steuerimpulseinspeisungseinheit, deren Bezugs­ potential über eine der Adern der Steuerleitung an das Emitter- bzw. an das Sourcepotential des Leistungshalb­ leiterbauelementes gekoppelt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrisch isolierte Steuerleitung (W1) von einem ferromagnetischen Körper (F1) umfaßt ist, der einen geschlossenen Ring bildet.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerleitung (W1) als Flachbandleiter ausgeführt ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerleitung (W1) als geschirmte Doppel­ leitung ausgeführt ist.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper (F1) als Ferritkernring ausgebildet ist.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper (F1) mehrere in die Steuerleitung (W1) integrierte elektrisch isolierte Leiterwindungen trägt.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung in einer Parallelschaltung mehrerer Leistungshalbleiterbauele­ mente (V3), deren Leistungskreise alle dasselbe Bezugs­ potential (E2) aufweisen, in mehrfacher Ausführung eingesetzt ist, derart, daß jede zu den Leistungshalb­ leiterbauelementen (V3) führende Steuerleitung (W1) von einem ferromagnetischen Körper (F1) ringförmig um­ faßt ist.