DE4421837A1 - Treibermodul zur potentialfreien Signalübertragung - Google Patents
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem Modul zur potentialfreien
Signalübertragung, insbesondere als Treibermodul zur Ansteue
rung von IGBT′s oder Feldeffekttransistoren, mit einem
Optokoppler zur galvanischen Trennung.
In der Leistungselektronik werden IGBT′s (Insolated Gate Bi
polar Transistor) für Wechselrichter, Schaltwandler in großen
Netzgeräten, unterbrechungsfreie Stromversorgungen usw. ein
gesetzt. In den meisten Fällen müssen zur Ansteuerung der
IGBT′s, aus Sicherheitsgründen oder technisch bedingt, gal
vanisch von der Niederspannungselektronik isolierte Treiber
verwendet werden.
Hochleistungs-IGBT-Module sind erst seit einigen Jahren auf
dem Markt. Spezielle Treibermodule zur potentialfreien An
steuerung dieser Leistungshalbleiter werden derzeit nur von
wenigen Herstellern angeboten.
Es gibt Treiber mit und ohne integrierte potentialfreie Be
triebsspannungsversorgung. Das Steuersignal wird bei allen
bekannten Verfahren entweder nur mit einem Optokoppler oder
nur mit einem Transformator übertragen.
Bei Optokopplern ist die Übertragung von Signalen mit belie
big niedriger Frequenz, sowie statische Signalübertragung
ohne Energieübertragung möglich. Die maximale Übertragungs
frequenz ist durch die Trägheit der Lumineszensdiode und des
Fototransistors oder der Fotodiode eingeschränkt.
Bei Transformatoren hingegen ist zwar die Übertragung von
hochfrequenten Signalen mit Energieübertragung möglich, je
doch mit einer Einschränkung der niedrigsten Übertragungsfrequenz.
Eine statische Signalübertragung ist nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Modul der oben genannten
Art zu schaffen, das die genannten Nachteile der beiden be
kannten Systeme vermeidet und weitere vorteilhafte
Eigenschaften aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Mo
dul einen Optokoppler zur galvanischen Trennung und einen
dazu parallel geschalteten Transformator als Übertrager auf
weist.
Das neue Modul ermöglicht die Signalübertragung in einem Fre
quenzbereich von 0 . . . 500 kHz. Herkömmliche Treiber können
mit Optokoppler maximal 0 . . . 30 kHz und mit Transformatoren
ca. 2 . . . 100 kHz übertragen.
Im Gegensatz zu der Übertragung mit nur einem Optokoppler,
der ein sehr schneller und damit teurer Typ sein muß, kommt
das neue Verfahren mit einem Standard-Koppler aus.
Treiber, die mit Transformatoren arbeiten, müssen Breitband
übertrager besitzen, die groß und teuer sind und dennoch ei
nen eingeschränkten Frequenzbereich haben. Der neue Treiber
benötigt neben dem kostengünstigen Standard-Optokoppler le
diglich einen sehr kleinen Impulsübertrager, der wesentlich
höhere Frequenzen übertragen kann als der Breitbandübertra
ger.
Um die Ausgangssignale des Optokopplers und des Transforma
tors als Impulsübertrager auszuwerten und zu synchronisieren,
sind ein Diodennetzwerk und wenigstens eine Transistorschalt
stufe vorgesehen.
Vorzugsweise gibt der Transformator beim Einschalten eines
Signalimpulses über ein Diodennetzwerk einen Impuls auf den
Basisanschluß des Fototransistors im Optokoppler.
Dies hat den Vorteil, daß der Fototransistor schneller nie
deromig wird und sich dadurch die Signalqualität des Aus
gangssignals verbessert. Um die Verzögerung beim Abschalten
der Verstärkerstufe nach Beendigung des Signalimpulses mög
lichst gering zu halten, ist vorgesehen, daß der Transforma
tor einen Transistor ansteuert, der bei einem Ausschaltim
puls die Basis des Fototransistors mit dem Emitter kurz
schließt. Dadurch sperrt der Fototransistor sehr schnell.
Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher
auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaubild eines Moduls zur po
tentialfreien Signalübertragung;
Fig. 2 die Signalverläufe innerhalb des Moduls
nach Fig. 1.
Das in Fig. 1 gezeigte Modul benötigt auf der Eingangsseite
eine Gleichspannung von 24V, ± 10%. Eine interne Spannungs
stabilisierung 10 versorgt einen Eingangsverstärker 12 und
einen Optokoppler 14 mit einer geregelten Gleichspannung.
Ein freischwingender Oszillator 16 mit Gegentaktendstufe
speist einen Transformator 18 mit einer Wechselspannung. Die
von dem Transformator 18 übertragene Energie dient zur Be
triebsspannungsversorgung der potentialfreien Ausgangsseite
des Modules. Der Transformator 18 besitzt zwei Sekundärwick
lungen oder eine Wicklung mit Mittenanzapfung, deren Aus
gangsspannungen durch einen Gleichrichter 20 gleichgerichtet
und mit zwei Festspannungsreglern 22 auf zwei symmetrische
Betriebsspannungen von +15V und -15V stabilisiert werden.
Der Eingangsverstärker 12 dient als Impedanzwandler, um den
Steuereingang des Modules CMOS-kompatibel zu machen. Der Ver
stärker 12 steuert den Optokoppler 14 und parallel dazu ei
nen Transformator 24 als Impulsübertrager.
Für eine statische Signalübertragung und für niedrige Fre
quenzen wird der Optokoppler 14 benötigt. Um auch hochfre
quente Signale übertragen zu können, wird der Impulsüber
trager 24 eingesetzt.
Eine Auswertelektronik 26 vereinigt die Ausgangssignale der
beiden Übertragungssysteme 14, 24.
Ein Ausgangsverstärker 28 verfügt über einen Steuereingang
30, über den der Ausgang des Modules gesperrt werden kann. Er
dient z. B. als Anschluß für eine Überstromabschaltung.
Die Gegentaktendstufe 32 kann kurzfristig einen Strom von 3 A
schalten. Dem Modul darf ein Dauerstrom von maximal 100 mA
entnommen werden.
Die Potentialtrennung ist in Fig. 1 durch eine gestrichelte
Linie im Bereich des Transformators 18 des Optokopplers 14
und des Übertragers 24 angedeutet.
Als Schaltwandler 16 dient ein ungeregelter Gegentakt-Durch
flußwandler in Halbbrückenschaltung und Kondensatorkopplung.
Die Schaltstufe ist als komplementärer Emmitterfolger mit Bi
polartransistoren ausgeführt und wird durch einen Oszillator
mit fester Frequenz (ca. 30 kHz) und einem Tastverhältnis von
0,5 angesteuert.
Der Transformator 18 besteht aus einem Ferritkern mit einer
Primärwicklung und einer Sekundärwicklung mit Mittenanzap
fung.
Der Gleichrichter 20 ist als Vollbrücke in einer Mittelpunkt
schaltung vorgesehen. Die Regelung der Ausgangsspannungen
übernehmen zwei Festspannungsregler 22.
Die Signalübertragung geschieht in folgender Weise:
Der Vorverstärker 12 steuert direkt die Leuchtdiode eines Op tokopplers 14 und über einen Kondensator die Primärwicklung des Impulsübertragers 24 an.
Der Vorverstärker 12 steuert direkt die Leuchtdiode eines Op tokopplers 14 und über einen Kondensator die Primärwicklung des Impulsübertragers 24 an.
Der Optokoppler 14 kann ein handelsüblicher Standardtyp mit
Leuchtdiode und Fototransistor mit herausgeführtem Basisan
schluß sein. Als Impulsübertrager eignet sich ein kleiner
Ringkern (ca. 6 mm Durchmesser) mit wenigen Windungen auf der
Primär- und der Sekundärseite.
Die Übertragungsfrequenz des Optokopplers 14 ist durch seine
Verzugszeit (Delay) und seine endliche Anstiegsgeschwindig
keit (Slew-rate) begrenzt. Die Verzugszeit des Impulsübertra
gers 24 ist dagegen vernachlässigbar und die Anstiegsge
schwindigkeit hängt hauptsächlich von der Schaltgeschwindig
keit und der Ausgangsimpedanz des Vorverstärkers 12 ab. Der
Übertrager 24 ist so zu dimensionieren, daß dessen minimal
übertragbare Impulsbreite der Verzugszeit plus der Schaltzeit
des Optokopplers 14 entspricht.
In Fig. 2 sind die Ausgangssignalverläufe des Optokopplers
14, des Impulsübertragers 24 und des Gesamtmoduls aufgezeigt.
Mit einem positiven Eingangssignal fließt sinngemäß ein Strom
durch die LED des Optokopplers 14, dessen Fototransistor nie
derohmig werden soll. Zur Beschleunigung des Vorganges wird
ein positiver Impuls von dem Übertrager 24 über ein Dioden
netzwerk (nicht gezeigt) auf den Basisanschluß des Fototran
sistors geleitet. Gleichzeitig wird ein negativer Impuls auf
den Kollektor geschaltet, um die Basis der folgenden Verstär
kerstufe (Inverter) sehr schnell auszuräumen.
Wenn der Steuereingang auf Gnd geschaltet wird, schaltet die
LED ab und der Fototransistor wird hochohmig. Der Impulsüber
trager 24 steuert gleichzeitig einen zusätzlichen Transistor
an, der die Basis des Fototransistors mit dessen Emitter
kurzschließt. Der Fototransistor sperrt dadurch sehr schnell,
so daß die folgende Verstärkerstufe den Ausgang mit einer nur
sehr geringen Verzögerung ausschalten kann.
Wenn die dynamischen Schaltvorgänge abgeschlossen sind, über
nimmt der Optokoppler 14 die Signalübermittlung, wodurch das
Eingangssignal auch statisch übertragen werden kann. Bei sehr
hohen Frequenzen übernimmt der Impulsübertrager 24 die Haupt
tätigkeit. Ab einer Frequenz von ca. 100 kHz ist der Opto
koppler 14 an der Signalübertragung nicht mehr aktiv betei
ligt. Der Fototransistor ist zwar in die Signalauswert-Schaltung
mit eingebunden, er wird in dem Fall aber aus
schließlich über seine Basis, wie ein "normaler" Transistor
von dem Impuls-Übertrager 24 gesteuert.
Claims (5)
1. Modul zur potentialfreien Signalübertragung, insbesondere
als Treibermodul zur Ansteuerung von IGBT′s oder Feld
effekttransistoren, mit einem Optokoppler (14) zur galva
nischen Trennung, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem
Optokoppler (14) ein Transformator (24) als Übertrager
parallel geschaltet ist.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Auswertung der Ausgangssignale des Optokopplers (14) und
des Impulsübertragers (24) ein Diodennetzwerk (26) und
wenigstens eine Transistorschaltstufe (28, 32) vorgese
hen sind.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Impulsübertrager (24) bei einem Einschaltimpuls über
das Diodennetzwerk (26) einen Impuls auf den Basisan
schluß des Phototransistor im Optokoppler (14) gibt.
4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Impulsübertrager (24) bei einem Einschaltimpuls gleich
zeitig einen negativen Impuls auf den Kollektor des Pho
totransistors gibt, der die Basis der folgenden Verstär
kerstufe (28) ausräumt.
5. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Impulsübertrager (24) einen Tran
sistor ansteuert, der bei einem Ausschaltimpuls die Basis
des Phototransisters mit dessen Emitter kurzschließt.
Priority Applications (2)
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DE4421837A DE4421837C2 (de) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | Treibermodul zur potentialfreien Signalübertragung |
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DE4421837A DE4421837C2 (de) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | Treibermodul zur potentialfreien Signalübertragung |
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