FI105509B - Ohjainpiiri - Google Patents

Description

1 105509

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 kasvunopeutta, jolloin hilajännitekin kasvaa hitaammin. Kytkennän haittapuolena on menetelmän riippuvuus tehokomponentin ominaisuuksista ja niiden hajonnasta, jolloin lopputuloksen tarkkuus on huonohko. Lisäksi kytkennän resistanssi kasvattaa häviöitä tarpeettomasti.

25 Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada ohjainpiiri, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa puolijohdekomponentin ohjaamisen luotettavalla ja komponenttiriippumattomalla tavalla, ja käyttäen ainoastaan yksinkertaisia ja edullisia passiivisia komponentteja. Tämä tarkoitus 30 saavutetaan keksinnön mukaisella ohjainpiirillä, jolle on tunnusomaista, että ohjainpiiri käsittää lisäksi resistanssikytkennän, jossa kaksi diodin ja vastuksen sarjakytken-tää on vastarinnankytkettynä ja yhdistettynä puolijohdekomponentin emitterin ja hilaohjaimen nollapotentiaalin välille, ja 2 105509 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 hilajännitettä 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 piirroksiin, joissa:

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista ohjainpiiriä; ja

Kuvio 2 esittää keksinnön erästä edullista suoritusmuotoa.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvion 1 mukaisesti puolijohdekomponenttia, joka kuvion esittä-25 mässä tapauksessa on IGB-transistori (IGBT, insulated gate bipolar transistor), ohjataan siihen kytketyllä hilaohjaimella. Yleisesti käytettävät hilaohjaimet ovat valmiita kaupallisia piirikomponentteja, mutta hilaohjain voidaan muodostaa myös käyttämällä tarkoitukseen sopivia erilliskomponentteja. Hilaohjaimen pääasiallisena tehtävänä on puolijohdekytkimen kytkeminen johtavaan 30 tilaan ja vastaavasti pois johtavasta tilasta. Lisäksi ohjaimen tulee säilyttää kytkennän jälkeen komponentti luotettavasti siinä tilassa, johon komponentti on kytketty. Tehonkulutuksen kannalta on edullisinta, että kytkennät tilasta toiseen suoritetaan mahdollisimman nopeasti, sillä puolijohdekomponentin, kuten IGBT, häviöteho on suurimmillaan juuri kytkentähetkien aikana. Kuvion 1 esit-35 tämä hilaohjain käyttää kaksipuolista apujännitettä Vcc+, Vcc-. Tällöin kom- 3 105509 ponentin ohjaaminen johtamattomaan tilaan voidaan suorittaa nopeasti ja lisäksi hilalle yhdistetty negatiivinen jännite verrattuna IGBT:n emitteriin pitää komponentin luotettavalla tavalla johtamattomassa tilassa ja siten estää komponentin syttymisen mahdollisten indusoituvien jännite- ja virtapulssien vaiku-5 tuksesta.

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 positiivi-10 nen jännite emitteriin E verrattuna. Hilaohjaimen nollapotentiaali onkin yhdistetty 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 15 puolijohdekomponentin emitterin E välille on kytketty vastus R1 ja sen kanssa 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 VI ja V2 napaisuudet ovat sellaiset, että puolijoh-20 dekomponentin kollektori-emitterijännitteen muutoksen kondensaattorin C1 kautta aiheuttama virta pääsee kulkemaan virran suunnasta riippuen vain yhden vastuksen kautta kerrallaan.

Sytytettäessä hilaohjain antaa lähtöönsä positiivisen apujännitteen Vcc+ suuruisen jännitteen, [oka on tyypillisesti +15 voltin suuruinen, jonka ai-25 heuttaman hilavirran vaikutuksesta IGBT.n hilajännite alkaa nousta sammu-tustilanteen tyypillisestä noin -7 voltin negatiivisesta apujännitteestä Vcc- kohti komponentin tyypillisesti noin 10 voltin kynnysjännitettä. Kun tämä taso saavutetaan, siirtyy IGBT johtavaan tilaan, jolloin sen kollektorijännite alkaa pudota. Tämä puolestaan saa aikaan kondensaattorin C1, vastuksen R1 ja dio-30 din V1 kautta kulkevan virran, jonka vastuksessa R1 ja diodissa V1 aiheuttama jännitehäviö aiheuttaa hilaohjaimen nollapotentiaalinavan Corn siirtymisen negatiiviseen suuntaan emitteriin E nähden. Kun efektiivinen hilajännite referoituna emitteripotentiaaliin alittaa kynnysjännitteen, alkaa hilavaraus pienentyä, joka puolestaan merkitsee kollektorijännitteen muutosnopeuden pienen-35 tyrnistä. Tämä merkitsee kondensaattorin C1 kautta kulkevan virran ja R1:n jännitehäviön pienenemistä. Jännitehäviön suuruus riippuu kondensaattorin 4 105509 C1 kapasitanssista, vastuksen R1 resistanssista ja kollektorijännitteen muutosnopeudesta. Sopivilla komponenttiarvoilla lopputuloksena on likimain koko kytkentätilanteen ajan vakiona pysyvä kollektorijännitteen muutosnopeus.

Sammutettaessa toiminta on analoginen. Kun hilajännite laskee 5 kynnysjännitteen tasolle, alkaa kollektorijännite kasvaa. C1:n kautta kulkeva 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 RT.n resistanssiin verrattuna, joten salo man virran synnyttämä jännitehäviö on myös vastaavasti suurempi. Suurempi 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 15 diodin V1, V2 sarjakytkentää. Tällaisen järjestelyn avulla saadaan erikseen 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. Sytytyk-20 sessä hilajännitettä pienennetään siten, että jännite putoaa hetkellisesti alle 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 25 C1.

Sammutustilanteessa puolijohdekomponentin hilaa pyritään pitämään vastuksessa R2 tapahtuvan jännitehäviön vaikutuksella hetkellisesti kynnysjännitteen yläpuolella, jolloin komponentin sammuminen voidaan saada tapahtumaan vaaditulla muutosnopeudella. Hilajännite sammutuksessa saa-30 tetaan lopuksi hilaohjaimen negatiiviseen apujännitteeseen Vcc-, joka on tyypillisesti -7 volttia. Sammutustilanteessa takaisinkytkentäkondensaattorin virta on erisuuntainen kuin sytytystilanteessa, joten diodeja V1, V2 käyttämällä voidaan määrätä erisuuntaisen virran aikaansaama hilajännitteen muutos.

Keksintö on esitetty kaksipuoleisen apujännitteen käsittävän hila-35 ohjaimen yhteydessä, mutta yhtä hyvin keksintöä voidaan toteuttaa myös yksipuolisen apujännitteen käsittävän hilaohjaimen yhteydessä.

5 105509

Kuvio 2 esittää keksinnön edullista suoritusmuotoa, jossa diodin V1, V2 ja vastuksen R1, R2 sarjakytkennät on kytketty siten, että toinen sarjakyt-kentä on yhdistetty hilaohjaimen nollapotentiaalista Corn puolijohdekomponentin apuemitterille AE ja toinen emitteriUe E. Sarjakytkentöjen diodien suun-5 nat ovat siten, että puolijohdekomponentin apuemitterille AE on kytketty diodin V1 anodi ja vastaavasti emitteriUe E toisen diodin V2 katodi. Apuemitteri on puolijohdekomponentin elektrodi, jota käytetään tyypillisesti ainoastaan määrittämään puolijohdekomponentin, kuten IGBT, potentiaali, jotta komponenttia voidaan ohjata hilalta luotettavalla tavalla. Emitteri puolestaan on elektrodi, 10 jonka kautta emitterivirta on tarkoitettu kulkemaan. Apuemitteri ja emitteri ovat toisiinsa suorassa sähköisessä yhteydessä. Kuvion 2 esittämässä kytkennässä apuemitteriä ja emitteriä yhdistävää johdinta kuvataan emitteripiirin hajain-duktanssilla L.

Kuvion 2 esittämää kytkentää käyttämällä saavutetaan kaikki samat 15 vaikutukset kuin kuvion 1 esittämälläkin kytkennällä. Lisäetuna saavutetaan vielä mahdollisen oikosulun aiheuttaman voimakkaan puolijohdekomponentin läpi kulkevan virran rajoitus. Oikosulkutilanteessa puolijohdekomponentin, kuten IGBT, kyllästysjännite kasvaa voimakkaasti, jolloin takaisinkytkentäkon-densaattori C1 yhdessä resistanssikytkennän 1 kanssa pyrkii edelleen kas-20 vattamaan hilajännitettä. Edullisessa suoritusmuodossa käytetäänkin puolijohdekomponentin emitteripiirin hajainduktanssia L alentamaan hilajännitettä oikosulkutilanteessa ja siten rajoittamaan pehmeästi oikosulkuvirran maksimiarvoa.

Tehopuolijohteen emitteripiirissä on aina sisäistä hajainduktanssia, ' 25 jonka yli jää tietty jännitehäviö emitterivirran muuttuessa. Jännitehäviön suu ruus riippuu mm. emitterivirran muutosnopeudesta. Kuvion 2 esittämässä tilanteessa nopesti kasvava oikosulkuvirta aiheuttaa emitteripiirin hajainduk-tanssissa L jännitehäviön, joka näkyy jännitteenä apuemitterin ja emitterin välillä siten, että emitteri on negatiivisempi kuin apuemitteri. Samoin vastusten 30 R1 ja R2 välinen piste on negatiivisempi kuin apuemitteri, johon puolijohdekomponentin hilajännite referoituu.

Koska vastusten R1 ja R2 välinen piste on myös hilaohjaimen nol-lapotentiaali Corn eli hilaohjaimen positiivisen ja negatiivisen syöttöjännitteen yhteinen välipiste, merkitsee tapahtuma sitä, että hilajännite pyrkii pienene-35 mään suhteessa apuemitterijännitteeseen. Hilajännitteen pieneneminen mer- ! β ' 105509 kitsee komponentin läpi kulkevan virran rajoittumista, mikä oikosulkutilantees-sa onkin haluttu lopputulos.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-5 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

• ·

Claims (3)

105509

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 resistanssikytkennän (1), jossa kaksi diodin (V1, V2) ja vastuksen (R1, R2) sarjakytkentää on vastarinnankytkettynä ja yhdistettynä puolijohdekomponentin (2) emitterin (E) ja hilaohjaimen (GD) nollapotentiaalin (Corn) välille, ja 10 takaisinkytkentäkondensaattorin (C1), joka on kytketty puolijohde komponentin (2) kollektorin (C) ja resistanssikytkennän (1) hilaohjaimen nolla-potentiaaliin (Corn) kytketyn pään välille.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjainpiiri puolijohdekomponentin käsittäessä lisäksi apuemitterin, tunnettu siitä, että resistanssikytkentä 15 (1) käsittää kaksi diodin (V1, V2) ja vastuksen (R1, R2) sarjakytkentää, joista ensimmäinen sarjakytkentä (V1, R1) on kytkettynä hilaohjaimen nollapotentiaalin (Corn) ja puolijohdekomponentin apuemitterin (AE) välille diodin (V1) anodin ollessa kytkettynä puolijohdekomponentin apuemitterille ja toinen sarjakytkentä (V2, R2) hilaohjaimen nollapotentiaalin (Corn) ja puolijohdekompo- 20 nentin emitterin (E) välille diodin (V2) katodin ollessa kytkettynä puolijohdekomponentin emitterille.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ohjainpiiri, tunnettu siitä, että puolijohdekomponentti (2) on IGB-transistori. • · • · 105509