DE4421837C2 - Treibermodul zur potentialfreien Signalübertragung - Google Patents

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.

Ein derartiges Modul ist z. B. in der DE 40 34 718 A1 be­ schrieben, wobei dort die Besonderheit vorgesehen ist, daß ein DC/DC-Konverter die Ausgangsseite mit Energie versorgt, die er aus dem Steuersignal bezieht.

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, jedoch mit einer Einschränkung der niedrigsten Übertragungs­ frequenz. 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 bei ei­ nem Modul der eingangs beschriebenen Art die Steuersignale gleichzeitig von einem Impulsübertrager (24) und einem dazu signaltechnisch parallelgeschalteten Optokoppler (14) über­ tragbar sind, wobei eine Auswertelektronik (26) die Ausgangs­ signale des Optokopplers (14) und des Impulsübertragers (24) zu einem Signal zusammenfügt.

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, so daß bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Verstärker gleichzeitig die Leuchtdiode des Optokopplers und die Primärwicklung des Im­ pulsübertragers mit in einem Frequenzbereich von 0-500 kHz liegenden Rechtecksignalen aussteuern kann.

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 gangsignals 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 24 V, +/-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 Ausgangsspannungen durch einen Gleichrichter 20 gleichgerichtet und mit zwei Festspannungsreglern 22 auf zwei symmetrische Betriebsspannungen von +15 V und -15 V 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 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 flieptt 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 daPt 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 Impulsübertrager 24 gesteuert.

Claims (8)

1. Modul zur potentialfreien Ansteuerung von IGBT's oder Feldeffekttransistoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale gleichzeitig von einem Impulsübertrager (24) und einem dazu signaltechnisch parallelgeschalte­ ten Optokoppler (14) übertragbar sind, wobei eine Aus­ wertelektronik (26) die Ausgangssignale des Optokopp­ lers (14) und des Impulsübertragers (24) zu einem Si­ gnal zusammenfügt.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (12) gleichzeitig die Leuchtdiode des Opto­ kopplers (14) und die Primärwicklung des Impulsübertra­ gers (24) mit in einem Frequenzbereich von 0 bis 500 kHz liegenden rechteckförmige Steuersignalen ansteuert.

3. Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertelektronik (26) wenigstens ein Ausgangsverstär­ ker (28, 32) nachgeschaltet ist.

4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsverstärker (28) einen Steueranschluß (30) be­ sitzt, mit Hilfe dessen sein Ausgang sperrbar ist.

5. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsübertrager (24) beim Einschalten eines Signalimpulses über ein Diodennetzwerk (26) einen Im­ puls auf den Basisanschluß des Fototransistors im Opto­ koppler (14) gibt.

6. Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Impulsübertrager (24) beim Einschalten eines Signalimpulses gleichzeitig einen negativen Impuls auf den Kollektor des Fototransistors gibt, der die Basis der folgenden Verstärkerstufe (28) ausräumt.

7. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsübertrager (24) einen Transistor ansteuert, der beim Beendigen eines Signalimpulses die Basis des Fototransistors mit dessen Emitter kurz­ schließt.

8. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieversorgung der potenti­ alfreien Ausgangsseite (26, 28) eine potentialfreie Be­ triebsspannungsversorgung (16, 18, 20, 22) vorgesehen ist.