FI105508B - Ohjainpiiri - Google Patents

Description

1 105508

Ohjainpiiri

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on ohjainpiiri puolijohdekomponentin ohjaamiseen, joka puolijohdekomponentti käsittää emitterin, kollektorin ja hi-5 lan, ohjainpiirin käsittäessä hilaohjaimen, jonka ulostulo on kytketty ohjattavan puolijohdekomponentin hilalle.

Nykyisin käytettävät tehopuolijohteet, kuten esimerkiksi IGB-transistorit, ovat sytytyksen ja sammutuksen osalta niin nopeita komponentteja, että esimerkiksi pulssinleveysmoduloiduissa taajuusmuuttajakäytöissä taa-10 juusmuuttajan ulostulojännitteessä saattaa esiintyä jännitteen muutosnopeuksia, joiden arvo ylittää 10 volttia nanosekunnissa. Tällainen muutosnopeus rasittaa taajuusmuuttajan kuormaa merkittävissä määrin. Taajuusmuuttajan kuormana on tyypillisesti moottori, jolloin suuret jännitteenmuutosnopeudet rasittavat moottorin käämieristyksiä ja aiheuttavat moottorikaapeleissa voimak-15 kaita jänniteheijastuksia. Lisäksi suuret muutosnopeudet saavat aikaan ympäristöön leviävää sähkömagneettista häiriösäteilyä.

Aikaisemmin on tunnettua rajoittaa tehopuolijohteiden jännitteiden muutosnopeuksia puolijohdekomponenttia ohjaavan hilaohjaimen ulostulon ja ohjattavan puolijohdekomponentin hilan välille kytketyn hilavastuksen resis-20 tanssia kasvattamalla. Näin hidastetaan tehokomponentin hilavarauksen kas-vunopeutta, jolloin hilajännitekin kasvaa hitaammin. Kytkennän haittapuolena

Ml on menetelmän riippuvuus tehokomponentin ominaisuuksista ja niiden hajon-nasta, jolloin lopputuloksen tarkkuus on huonohko. Lisäksi kytkennän resis- • Il ' _ . tanssi kasvattaa häviöitä tarpeettomasti.

25 Keksinnön lyhyt selostus • · · ________ : Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada ohjainpiiri, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa puolijohdekomponentin oh-jäämisen luotettavalla ja korhponenttiriippumattomalla tavalla, ja käyttäen ai- • · · , f; noastaan yksinkertaisia ja edullisia passiivisia komponentteja. Tämä tarkoitus 30 saavutetaan keksinnön mukaisella ohjainpiirillä, jolle on tunnusomaista, että • · · ________ .

: ohjainpiiri käsittää lisäksi puolijohdekomponentin emitterin ja hilaohjaimen nollapotentiaalin välille kytketyn resistanssikytkennän, jossa kaksi diodin ja vastuksen sarjakyt- .·. : kentää on vastarinnankytkettynä, ja • · 2 105508 takaisinkytkentäkondensaattorin, joka on kytketty puolijohdekomponentin kollektorin ja resistanssikytkennän hilaohjaimen nollapotentiaaliin kytketyn pään välille.

Keksintö perustuu siihen, että puolijohdekomponentin kollektori-5 emitterijännitteen muutos saa aikaan takaisinkytkentäkondensaattorin C1 kautta kulkevan virran, joka kulkee myös emitterille kytkettyjen vastusten läpi. Jännitteen muutoksen suunnasta riippuu, kumman vastuksen kautta virta kulkee. Kummassakin tapauksessa virta saa aikaan vastuksissa jännitehäviön, joka vähentää puolijohdekomponentin positiivista h ilajä n n itettä sytytettäessä, 10 eli silloin, kun kollektori-emitterijännite pienenee, ja negatiivista hilajännitettä sammutettaessa, eli silloin, kun kollektori-emitterijännite suurenee. Keksinnön mukaisen ohjainpiiri on rakenteeltaan varsin yksinkertainen, ja siten myös kustannuksiltaan edullinen. Lisäksi rakenteen yksinkertaisuuden vuoksi ohjainpiiri on helposti toteutettavissa ja varmatoiminen. Oikein mitoitettuna oh-15 jainpiiri on lisäksi huomattavan pienihäviöinen, joten keksinnön mukaista ohjainpiiriä hyödyntävän laitteen hyötysuhde ei laske merkittävästi piirin myötä aikaansaatavan jännitteen nousunopeuden rajoituksen vuoksi.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 20 yhteydessä, viitaten oheisiin piirrokseen, jossa: '"; Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista ohjainpiiriä.

< r r I i i

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvion 1 mukaisesti puolijohdekomponenttia, joka kuvion esittä- ; * mässä tapauksessa on IGB-transistori (IGBT, insulated gate bipolar transis- • · \v 25 tor), ohjataan siihen kytketyllä hilaohjaimella. Yleisesti käytettävät hilaohjaimet • · · : ovat valmiita kaupallisia piirikomponentteja, mutta hilaohjain voidaan muo dostaa myös käyttämällä tarkoitukseen sopivia erilliskomponentteja. Hilaoh-jaimen pääasiallisena tehtävänä on puolijohdekytkimen kytkeminen johtavaan m .··*. tilaan ja vastaavasti pois johtavasta tilasta. Lisäksi ohjaimen tulee säilyttää 30 kytkennän jälkeen komponentti luotettavasti siinä tilassa, johon komponentti « * · : ; on kytketty. Tehonkulutuksen kannalta on edullisinta, että kytkennät tilasta toi- seen suoritetaan mahdollisimman nopeasti, sillä puolijohdekomponentin, kuten IGBT, häviöteho on suurimmillaan juuri kytkentähetkien aikana. Kuvion 1 esit-: tämä hilaohjain käyttää kaksipuoleista apujännitettä Vcc+, Vcc-. Tällöin kom- 35 ponentin ohjaaminen johtamattomaan tilaan voidaan suorittaa nopeasti ja li- i 3 105508 saksi hilalle yhdistetty negatiivinen jännite verrattuna IGBT:n emitteriin pitää komponentin luotettavalla tavalla johtamattomassa tilassa ja siten estää komponentin syttymisen mahdollisten indusoituvien jännite- ja virtapulssien vaikutuksesta.

5 Hilaohjaimen apujännitteiden Vcc+, Vcc- ja niiden välisen nollapo- tentiaalin Corn avulla voidaan hilaohjaimen logiikkatasoiset ohjaussignaalit On/Off vahvistaa sen suuruisiksi, että puolijohdekomponentin ohjaaminen on mahdollista. IGBT saadaan johtavaan tilaan tuottamalla sen hilalle G positiivinen jännite emitteriin E verrattuna. Hilaohjaimen nollapotentiaali onkin yhdis-10 tetty IGBT:n emitteriin, jolloin hilaohjain voi tuottaa hilalle sytytykseen ja sammutukseen tarvittavat positiivisen ja negatiivisen jännitteen apujännitteistä Vcc+, Vcc-.

Keksinnön mukaisesti hilaohjaimen GD nollapotentiaalinavan ja puolijohdekomponentin emitterin E välille on kytketty vastus R1 ja sen kanssa 15 sarjaan diodi V1 ja näiden kanssa rinnan vastus R2 ja sen kanssa sarjaan diodi V2. Lisäksi hilaohjaimen GD nollapotentiaalinavan ja puolijohdekomponentin kollektorin välille on kytketty takaisinkytkentäkondensaattori C1. Keksinnön mukaisesti diodien V1 ja V2 napaisuudet ovat sellaiset, että puolijohdekomponentin kollektori-emitterijännitteen muutoksen kondensaattorin C1 20 kautta aiheuttama virta pääsee kulkemaan virran suunnasta riippuen vain yhden vastuksen kautta kerrallaan.

Sytytettäessä hilaohjain antaa lähtöönsä positiivisen apujännitteen Vcc+ suuruisen jännitteen, joka on tyypillisesti +15 voltin suuruinen, jonka ai-

I I M

heuttaman hilavirran vaikutuksesta IGBT:n hilajännite alkaa nousta sammu-...,: 25 tustilanteen tyypillisestä noin -7 voltin negatiivisesta apujännitteestä Vcc- kohti komponentin tyypillisesti noin 1Ό voltin kynnysjännitettä. Kun tämä taso saa- « · · ....

l.lm vutetaan, siirtyy IGBT johtavaan tilaan, jolloin sen kollektorijännite alkaa pu dota. Tämä puolestaan saa aikaan kondensaattorin C1, vastuksen R1 ja diodin V1 kautta kulkevan virran, jonka vastuksessa R1 ja diodissa V1 aiheutta-30 ma jännitehäviö aiheuttaa hilaohjaimen nollapotentiaalinavan Corn siirtymisen • · · negatiiviseen suuntaan emitteriin E nähden. Kun efektiivinen hilajännite refe-roituna emitteripotentiaaliin alittaa kynnysjännitteen, alkaa hilavaraus pienen-tyä, joka puolestaan merkitsee kollektorijännitteen muutosnopeuden pienen-''' tyrnistä. Tämä merkitsee kondensaattorin C1 kautta kulkevan virran ja R1:n 35 jännitehäviön pienenemistäTUännltehäviön suuruus riippuu kondensaattorin :.’*i C1 kapasitanssista, vastuksen R1 resistanssista ja kollektorijännitteen muu- 4 105508 tosnopeudesta. Sopivilla komponenttiarvoilla lopputuloksena on likimain koko kytkentätilanteen ajan vakiona pysyvä kollektorijännitteen muutosnopeus.

Sammutettaessa toiminta on analoginen. Kun hilajännite laskee kynnysjännitteen tasolle, alkaa kollektorijännite kasvaa. C1:n kautta kulkeva 5 virta ohjautuu nyt vastuksen R2 ja diodin V2 kautta, ja sen vastuksessa R2 ja diodissa V2 aiheuttama jännitehäviö aiheuttaa hilaohjaimen nollapotentiaali-navan siirtymisen positiiviseen suuntaan emitteriin E nähden. Tyypillisesti R2:n resistanssi on kaksin- kolminkertainen R1:n resistanssiin verrattuna, joten saman virran synnyttämä jännitehäviö on myös vastaavasti suurempi. Suurempi 10 jännitehäviö tarvitaan, sillä kynnysjännitteen ero negatiivisen sammutusjän-nitteeseen on suurempi kuin positiiviseen sytytysjännitteeseen.

Kuviossa 1 esitetyn keksinnön mukaisen kytkennän mukaisesti re-sistanssikytkentä 1 käsittää kaksi vastarinnankytkettyä vastuksen R1, R2 ja diodin V1, V2 sarjakytkentää. Tällaisen järjestelyn avulla saadaan erikseen 15 valittua puolijohdekomponentin sytytyksen ja sammutuksen aikaiset hilajän-nitteen muutokset. Kahden erillisen vastuksen käyttäminen yhdessä diodien kanssa on hyödyllistä, sillä sytytys- ja sammutustilanteissa optimaaliseen toimintaan tarvittavat jännitteen muutokset ovat tyypillisesti erisuuret. Sytytyksessä hilajännitettä pienennetään siten, että jännite putoaa hetkellisesti alle 20 komponentin syttymiseen tarvittavan kynnysjännitteen ennen kuin hilajännite nousee täyteen hilaohjaimen positiiviseen apujännitteeseen Vcc+, jonka tyypillinen arvo on +15 volttia. Sytytystilanteessa virta kulkee vastuksen R1 ja diodin V1 läpi, jolloin diodin V1 katodi on kytketty takaisinkytkentäkondensaattoriin C1.

25 Sammutustilanteessa puolijohdekomponentin hilaa pyritään pitä- mään vastuksessa R2 tapahtuvan jännitehäviön vaikutuksella hetkellisesti • · · kynnysjännitteen yläpuolella, jolloin komponentin sammuminen voidaan saada * tapahtumaan vaaditulla muutosnopeudella. Hilajännite sammutuksessa saatetaan lopuksi hilaohjaimen negatiiviseen apujännitteeseen Vcc-, joka on tyy- 30 pillisesti -7 volttia. Sammutustilanteessa takaisinkytkentäkondensaattorin virta • · · on erisuuntainen kuin sytytystilanteessa, joten diodeja V1, V2 käyttämällä voi-daan määrätä erisuuntaisen virran aikaansaama hilajännitteen muutos.

, Keksintö on esitetty kaksipuolisen apujännitteen käsittävän hila- '·' ohjaimen yhteydessä, mutta yhtä hyvin keksintöä voidaan toteuttaa myös yk- :: 35 sipuoleisen apujännitteen käsittävän hilaohjaimen yhteydessä.

« ·« « * 5 105508

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

« I · « • · • « • · • · · • · • ·· I I I • · · « • « • · • · · »*» • · • I ♦ · · • · · • f · I f I f f

Claims (2)

1. Ohjainpiiri puolijohdekomponentin (2) ohjaamiseen, joka puolijohdekomponentti käsittää emitterin (E), kollektorin (C) ja hilan (G), ohjainpiirin käsittäessä hilaohjaimen (GD), jonka ulostulo on kytketty ohjattavan puolijoh- 5 dekomponentin hilalle (G), tunnettu siitä, että ohjainpiiri käsittää lisäksi puolijohdekomponentin (2) emitterin (E) ja hilaohjaimen (GD) nolla-potentiaalin (Corn) välille kytketyn resistanssikytkennän (1), jossa kaksi diodin (V1, V2) ja vastuksen (R1, R2) sarjakytkentää on vastarinnankytkettynä, ja takaisinkytkentäkondensaattorin (C1), joka on kytketty puolijohde-10 komponentin (2) kollektorin (C) ja resistanssikytkennän (1) hilaohjaimen nolla-potentiaaliin (Corn) kytketyn pään välille.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjainpiiri, tunnettu siitä, että puolijohdekomponentti (2) on IGB-transistori. • « 4 · · 4 4(4 ( I • · • « • · · • · · • · • ·· • · · * · · C · · • « • · ·· « • · · • · • 1 • · · « • · · • · · «rt f « « 1 * « t I I « 1 105508