DE4441492A1 - Potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter Halbleiterventile - Google Patents
Potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter HalbleiterventileInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine potentialtrennende Treiber-
Schaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter Halbleiterventile
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sie bezieht sich auf Ansteuerschaltungen, bei denen sowohl die
Information, als auch die Energie zum Ansteuern über genau einen
Ansteuerübertrager für ein oder mehrere Ventile übertragen wird.
Der Ansteuerübertrager solcher Schaltungen weist je zu steuern
dem Ventil eine Sekundärwicklung auf.
Es sind sowohl Ansteuerschaltungen mit einer aktiven Schaltung
zwischen der jeweiligen Sekundärwicklung des Ansteuerübertra
gers, als auch Ansteuerschaltungen ohne eine solche aktive
Schaltung bekannt.
Ansteuerschaltungen mit aktiver Schaltung auf der Sekundärseite
des Ansteuerübertragers sind aus John D. Repp: "Ultra fast iso
lated gate drive circuit", HFPC 1989, Proceedings, pp. 438-445
bekannt. Derartige Schaltungen ermöglichen eine Signalformung,
erhöhen aber den Realisierungsaufwand.
Die Erfindung bezieht sich auf Ansteuerschaltungen ohne aktive
sekundärseitige Schaltungen.
Der Stand der Technik auf dem Gebiet der gattungsgemäßen Ansteu
erschaltungen wird nachstehend anhand der Fig. 5 bis 10 be
schrieben, wobei zunächst bekannte und häufig verwendete Schal
tungen für die Primärseite des Ansteuerübertragers, dann bekann
te sekundärseitige Schaltungen sowie deren Eigenschaften be
trachtet werden.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen Schaltungen für die Primärseite einer
Treiberschaltung.
Fig. 5 zeigt eine erste primärseitige Schaltung mit einer Span
nungsquelle 1, die eine Gleichspannung U1 liefert. Die Spannung
U1 wird über einen Schalter 2 und eine Primärwicklung 3 eines
Ansteuerübertragers geschaltet. Eine zur Primärwicklung paral
lelgeschaltete Reihenschaltung einer Diode 4 und eines Wider
stands 5 dienen der Entmagnetisierung des Übertragers. Bei die
ser Schaltungsvariante ist die sichere Entmagnetisierung des
Übertragers bzw. die Vermeidung von Sättigungserscheinungen des
Übertragerkerns problematisch.
Fig. 6 zeigt eine Schaltung, die einer asymmetrisch gesteuerten
Halbbrücke entspricht. Bei einer solchen Schaltung sorgen der
Umschalter 6 und die Kondensatoren 7, 8 für eine stabile Magne
tisierung des Übertragers. Die Halbbrückenschaltung und auch die
in Fig. 7 gezeigte Vollbrückenschaltung, bei der Umschalter 6, 9
in Verbindung mit dem dort einzigen Kondensator 10 für eine
stabile Magnetisierung sorgen, vermeidet bei allen
Tastverhältnissen eine Sättigungserscheingung des Übertragers.
Unter Tastverhältnis D wird das Verhältnis der Einschaltdauer
eines Schalters zur Periodendauer verstanden.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen Beispiele für bekannte, sekundärseitige
Schaltungen einer Ansteuerschaltung.
Fig. 8 zeigt eine erste Schaltungsvariante bei der theoretisch
beliebig viele Halbleiterventile V1 bis Vn ansteuerbar sind. Wie
auch bei den Schaltungen gemäß den Fig. 9 und 10 ist je zu steu
erndem Ventil V1 bis Vn eine Sekundärwicklung 3.1 des Ansteuer
übertragers angeordnet.
Fig. 9 zeigt eine sekundärseitige Ansteuerschaltung im Fall ei
ner synchronen Ansteuerung von zwei Ventilen V1, V2 am Beispiel
eines Wechselrichters eines Zwei-Transistor-Flußkonverters. In
einer solchen Anordnung liegt die Primärwicklung des Lasttrans
formators T₁ in Reihe mit den Ventilen V1, V2. Mit Bezugszeichen
11 ist die Energiequelle im Lastkreis bezeichnet; der Ansteuer
übertrager ist mit Ta bezeichnet.
Für die weiter unten stehende Betrachtung der Eigenschaften ei
ner solchen Anordnung werden folgende Annahmen und Definitionen
getroffen:
- a) Alle Bauteile werden idealisiert. Dies vereinfacht die Be trachtung.
- b) Es werden die in Fig. 6 (p = 1) oder die in Fig. 7 (p = 2) gezeigte primärseitige Schaltung zur Ansteuerung des Über tragers Ta verwendet.
- c) uGm = maximal zulässige Gate-Source-Spannung des Ventils V1, V2 (laut Datenblatt).
- d) uGt = Theshold-Spannung des Ventils (laut Datenblatt).
- e) Tastverhältnis D→0 ist ein zulässiger Arbeitspunkt.
Wie in P. Imbertson and N. Mohan: "Asymmetrical Duty Cycle Per
mits Zero Switching Loss in PWM Circuits with No Conduction Loss
Penalty", IEEE/IAS 1991 hergeleitet, gilt für die Sekundärspan
nung des Übertragers Ta und damit für die Gate-Source-Spannung
uGS der Ventile:
Im allgemeinen ist der Variatonsbereich des Tastverhältnisses D
nach Gleichung (4) für Flußkonverter ausreichend.
Fig. 10 zeigt die komplementäre Ansteuerung zweier Ventile V1,
V2, wie sie in Stromrichtern mit Wechselrichtern in Brücken
schaltung üblich ist. Wegen des Spannungszwischenkreises dürfen
nie beide Ventile gleichzeitig leiten. Da die Einschaltverzöge
rungszeit bei üblicherweise eingesetzten Ventilen kleiner ist
als die Ausschaltverzögerungszeit, muß eine Mindestzeitspanne
(Sicherheitszeit) zwischen Ausschalt- und Einschaltzeitpunkt
eingehalten werden.
Die Sicherheitszeit wird im vorliegenden Fall wie folgt garan
tiert bzw. beeinflußt:
- a) Es wird für eine enge Kopplung der Sekundärwicklungen ge sorgt.
- b) Bedingt durch Leitungs- und Streuinduktivität einerseits und durch parasitäre Leitungswiderstände im Übertrager Ta und in den (elektronischen) Wechselschaltern andererseits, sind sowohl Momentanwert, als auch Änderungsgeschwindigkeit des Gate-Ladestromes nach oben beschränkt. Die inhärente, parasitäre Eingangskapazität der Ventile beschränkt in Ver bindung mit dem nur endlich großen Strom die Änderungsge schwindigkeit der (eng gekoppelten) Gate-Source-Spannungen. Es verstreicht also eine gewisse Zeit zwischen dem Sperrbe ginn des einen Ventils (Threshold-Spannung wird unter schritten) und dem Durchschalten des komplementären Ventils (Threshold-Spannung dieses Ventils wird überschritten).
Neben den Annahmen und Definitionen a bis d, die oben in Verbin
dung mit der Schaltung gemäß Fig. 9 beschrieben sind, gelte der
Index 1 für Größen am Ventil 1. Index 2 bezeichnet Größen am
Ventil 2.
Analog zu Gleichung (1) gilt:
Im günstigsten Fall gelten in den Beziehungen (7) bis (10) die
Gleichheitszeichen. Eine Division von "Gleichung" (10) durch (8)
liefert:
Nach analoger Division von (7) durch (10) liefert das Gleichset
zungsverfahren:
Symmetrieüberlegungen führen ebenfalls zu Gleichung (13).
Einsetzen von Gleichung (13) in (11) liefert:
Vorstehend anhand der Fig. 9 und 10 beschriebene Steuerverfah
ren, bei denen auf eine aktive Signalformung verzichtet ist,
weisen nachstehende Nachteile auf:
- 1) Die Gleichungen (4) und (14) zeigen, daß die Variationsmög lichkeiten für das Tastverhältnis D beschränkt sind.
- 2) Zur Ausnutzung des gesamten Spielraumes müssen die Ventile bis an die zulässigen Grenzen belastet werden.
- 3) Der Spannungshub der Gate-Source-Spannung ist deutlich grö ßer als die Threshold-Spannung. Entsprechend groß sind die Ansteuerverluste.
- 4) Zur Erzielung größerer Sicherheitszeiten muß die Anstiegs geschwindigkeit der Gate-Source-Spannung reduziert werden. Dadurch arbeiten die Ventile länger im aktiven Bereich, wo durch sowohl die Ein- wie auch die Ausschaltverluste ver größert werden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsge
steuerter Halbleiterventile anzugeben, bei der ebenfalls auf ei
ne aktive Signalformung verzichtet wird und trotzdem die vorge
nannten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Treiberschaltung nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale ge
löst.
Das erfindungsgemäße Prinzip beruht demnach darauf, zur Sekun
därspannung des Ansteuerübertragers Ta eine Gleichspannung U₂ zu
addieren. Die Summe beider Spannungen wirkt dann als Ga
te-Source-Spannung.
Die Erfindung sowie deren Ausgestaltungsmöglichkeiten und Vor
teile werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren beschrie
ben.
Es zeigen:
Fig. 1 erfindungsgemäßes Prinzip der Treiberschaltung,
Fig. 2 erfindungsgemäße Treiberschaltung mit fester Gleich
spannung,
Fig. 3 erfindungsgemäße Treiberschaltung mit variabler
Gleichspannung,
Fig. 4 vollständiges Ersatzschaltbild einer Ansteuerschal
tung mit variabler Gleichspannung,
Fig. 5 bis 10 oben erläuterte Schaltungen zum Stand der Technik.
Es ist anzumerken, daß sich die Terminologie in dieser Beschrei
bung der Einfachheit halber hauptsächlich auf selbstsperrende
n-Kanal MOSFETs bezieht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist je
doch sinngemäß auch auf andere Klassen spannungsgesteuerter
Halbleiterventile (selbstleitend p-Kanal, IGBT) übertragbar.
Fig. 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Treiberschaltung,
wobei lediglich die Treiberschaltung sekundärseitig vom Ansteu
erübertrager Ta dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß zur
Sekundärspannung us, die an der Sekundärwicklung 3.1 ansteht,
eine Gleichspannung U₂ einer Gleichspannungsquelle 12 als Ga
te-Source-Spannung für ein Ventil V1 in Reihe geschaltet ist.
Fig. 2 zeigt eine erste Schaltungsvariante, wobei eine feste
Gleichspannung U₂ zur Sekundärspannung us addiert wird. Als
Gleichspannungsquelle wirkt ein Kondensator C1, dessen Spannung
durch eine parallelgeschaltete Zenerdiode Z₁ bestimmt wird. Zur
Gate-Source-Strecke ist die Reihenschaltung eines Widerstandes
R₁ und einer Diode D₁ parallelgeschaltet. Zur Auslegung der Kom
ponenten und zur Funktionsweise der Schaltungsvariante wird
nachstehend ausgeführt:
- a) Der Kondensator C₁ ist sehr viel größer als die Eingangska pazität des Ventils V₁. Weil die Gate-Ladeströme deshalb nur einen marginalen Einfluß auf die Spannung an C₁ besit zen, ist dessen Spannung entsprechend konstant.
- b) Praktisch nur während des Anlaufes des Stromrichters wird C₁ über R₁ und D₁ geladen, während die Sekundärspannung po sitiv ist. Der Ladestrom kann deshalb sehr klein sein, weil er nach dem Anlaufvorgang nur für eine Ladungserhaltung in C₁ sorgen muß. Entsprechend groß kann R₁ gewählt werden.
- c) Der Wert der (festen) Gleichspannung U₂ wird durch die Zen erdiode Z₁ bestimmt.
In der gezeigten Schaltungsvariante liegt die Spannung zwischen
Gate und Source immer um die Zenerspannung von Z₁ unter der Se
kundärspannung us. Soll die Gate-Source-Spannung über der Sekun
därspannung liegen, müssen die Dioden Z₁ und D₁ jede für sich
umgekehrt gepolt werden.
Mit dieser Variante lassen sich für den Anwendungsfall aus
Fig. 10 für eines der dort gezeigten Ventile Tastverhältnisse
zwischen 0<D<0,6 realisieren. Das andere Ventil schaltet
komplementär.
Fig. 3 zeigt eine zweite Schaltungsvariante, wobei eine variable
Gleichspannung zur Sekundärspannung addiert wird und ebenfalls
ein Kondensator C₁ als Gleichspannungsquelle dient. Die Ga
te-Source-Spannung wird durch Zenerdioden Z₂, Z₃ nach oben und
nach unten begrenzt, wobei die Zenerdioden in Antiparallelschal
tung zwischen Gate und Source geschaltet sind. Zur Schaltungsge
staltung und deren Arbeitsweise wird nachstehend ausgeführt:
- a) Der Kondensator C₁ ist sehr viel größer als die Eingangska pazität des Ventils V1. Weil die Gate-Ladeströme deshalb nur einen marginalen Einfluß auf die Spannung an C₁ besit zen, ist dessen Spannung entsprechend konstant.
- b) Die Summe der Zenerspannungen ist etwas größer als der Hub der Sekundärspannung. Im stationären Bereich mit Tastver hältnis D ≡ const. werden die Zenerdioden deshalb nie lei tend.
- c) Die Zenerspannung von Z₂ bildet eine obere Schranke für die Gate-Source-Spannung.
- d) Die Zenerspannung von Z₃ bildet eine untere Schranke für die Gate-Source-Spannung.
- e) Vergrößert (verkleinert) sich das Tastverhältnis, werden gemäß Gleichung (1) Suprenum und Infimum der Sekundärspan nung us kleiner (größer). Dabei wird die Durchbruchspannung von Z₃ (Z₂) überschritten und es fließt ein Gleichstrom über die Zenerdioden. Dieser Strom lädt den Kondensator C₁ so um, daß die Gate-Source-Spannung stets in dem von den Zenerspannungen vorgegebenen Bereich bleibt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß es Stand der Technik ist, wie ge
zeigt zwischen Gate und Source zwei Zenerdioden antiparallel an
zuordnen. In bekannten Schaltungen dienen diese Zenerdioden aber
ausschließlich dem Gate als Schutz vor Überspannungen. Dement
sprechend liegen bei bekannten Anordnungen die Zenerspannungen
knapp unterhalb der maximal zulässigen Gate-Source-Spannung.
Bei der hier gezeigten erfindungsgemäßen Schaltung liegen die
Zenerspannungen wesentlich niedriger. Sie dienen im Wesentlichen
nicht dem Schutz des Gates, sondern regeln in Abhängig vom Ta
stverhältnis die (Gleich)-Spannung an C₁. Damit sind Tastver
hältnisse zwischen 0<D<1 realisierbar.
Bei gleicher Änderungsgeschwindigkeit der Spannung an den Gates
im Anwendungsfall Fig. 10 läßt sich die Sicherheitszeit durch
Variation der Zenerspannung von Z₃ beeinflussen.
Beträgt die Zenerspannung von Z₂ beispielsweise etwas mehr als
die Threshold-Spannung, so fängt das Ventil praktisch sofort mit
Beginn des Schaltvorganges an zu sperren. Unter der Vorausset
zung, eines symmetrischen Aufbaues dauert es bei gegebener Span
nungssteilheit mit zunehmender Zenerspannung von Z₃ immer län
ger, bis am Gate des komplementären Ventils die Threshold-Span
nung erreicht ist und dieses leitend wird. Dabei wird vorausge
setzt, daß gemäß Punkt b der Spannungshub entsprechend der
Zunahme der Zenerspannung angepaßt wird.
Die erfindungsgemäße Ansteuerung entsprechend der zweiten Vari
ante wurde in mehreren Stromrichtern mit Wechselrichtern gemäß
Fig. 10 erfolgreich eingesetzt.
Fig. 4 zeigt das Ersatzschaltbild einer solchen Stromrichter
schaltung, die als Anwendung zweier in Fig. 3 gezeigter Treiber
schaltungen in einer asymmetrisch gesteuerten Wechselrichter
schaltung gemäß Fig. 10 aufzufassen ist.
Der primärseitig zum Ansteuerübertrager Ta liegende Schaltungs
teil bedarfim Zusammenhang mit der Erfindung keiner näheren Er
läuterung. Er wird aus einer Versorgungsspannung Uh von z. B. 15V
gespeist. Eingangsseitig liegt ein von einem nicht dargestellten
Funktionsgenerator geliefertes digitales Signal ut an, woraus
Steuersignale zur Ansteuerung der Ventile V1, V2 gebildet werden
und die vom Übertrager Ta auf die Sekundärseite übertragen wer
den.
Mit Cta bzw. Ctc sind jeweils die Kondensatoren bezeichnet, die
die Gleichspannung U₂ liefern, die zwar variabel, aber durch die
Zenerdioden Zta und Ztb bzw. Ztc und Ztd begrenzt wird. Im Bei
spiel sind die Werte der Zenerdioden gewählt zu Zta,c=8,2V und
Ztb,d=7,5V. Zur Gate-Source-Strecke der Ventile V1, V2 jeweils
parallelgeschaltete Kondensatoren Ctb bzw. Ctd vergrößern die
Eingangskapazität der Ventile und mildern so die negativen Aus
wirkungen der Miller-Kapazität. Dazu jeweils parallelgeschaltete
Widerstände Rtb bzw. Rtd garantieren definierte Anfangsbedingun
gen vor dem Anlauf. Mit Ui ist die Eingangsspannung der nachfol
genden Stromrichterschaltung bezeichnet.
Claims (3)
1. Potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung
spannungsgesteuerter Halbleiterventile (V1 bis Vn), wobei sowohl
die Information, als auch die Energie zum Ansteuern über einen
Ansteuerübertrager (Ta) für ein oder mehrere Ventile (V1 bis Vn)
übertragen werden, und wobei zwischen den für jedes Ventil (V1
bis Vn) angeordneten Sekundärwicklungen (3.1 bis 3n) des Über
tragers (Ta) und dem jeweiligen Ventil (V1 bis Vn) keine aktive
Schaltung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Se
kundärseite des Ansteuerübertragers (Ta) jeweils zur Sekundär
wicklung (3.1 bis 3n) eine Gleichspannungsquelle (12) so in
Reihe geschaltet ist, daß sich die Spannungen der beiden Quellen
(z. B. 3.1 und 12) als Gate-Source-Spannung addieren.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß als Gleichspannungsquelle (12) eine Anordnung eines
Kondensators (C₁) mit parallel geschalteter Zenerdiode (Z₁) je
weils zur Sekundärwicklung (z. B. 3.1) des Ansteuerübertragers
(Ta) in Reihe geschaltet ist, wodurch zur Sekundärspannung (us)
eine weitgehend feste Gleichspannung addiert wird.
3. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß als Gleichspannungsquelle (12) jeweils ein Kondensator
(C₁) in Reihe zur Sekundärwicklung (z. B. 3.1) des Übertragers
(Ta) geschaltet ist und zu dieser Reihenschaltung antiparallel
geschaltete Zenerdioden (Z₂, Z₃) parallelgeschaltet sind, wo
durch eine variable, aber auf einen oberen und einen unteren
Grenzwert begrenzte Gleichspannung zur Sekundärspannung (us) ad
diert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944441492 DE4441492A1 (de) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter Halbleiterventile |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19944441492 DE4441492A1 (de) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter Halbleiterventile |
Publications (1)
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DE4441492A1 true DE4441492A1 (de) | 1996-05-23 |
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ID=6533828
Family Applications (1)
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DE19944441492 Withdrawn DE4441492A1 (de) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Potentialtrennende Treiberschaltung zur Ansteuerung spannungsgesteuerter Halbleiterventile |
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