FI110972B

FI110972B - Stabiloitu hilaohjain

Info

Publication number: FI110972B
Application number: FI990523A
Authority: FI
Inventors: Erkki Miettinen
Original assignee: Abb Industry Oy
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2003-04-30
Also published as: JP2000333442A; DE60039143D1; FI990523A; EP1037387B1; US6229356B1; EP1037387A3; EP1037387A2; ATE398355T1; FI990523A0

Description

110972

Stabiloitu hilaohjain

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on stabiloitu hilaohjain, joka käsittää virtalähdemuuntajan, joka käsittää ensiö- ja toisiokäämin, ja hilaohjainyksikön, 5 joka käsittää positiivisen apujännitesisääntulon ja negatiivisen apujännitesi-sääntuion.

Ohjattaessa tehopuolijohdekomponenttia, kuten esimerkiksi IGB-transistoria, on tärkeää, että ohjausjännite pysyy tiettyjen arvojen sisäpuolella. IGB-transistorin sytytykseen käytettävä jännite ei saa tyypillisesti alittaa +13 10 volttia, sillä liian alhaisella jännitteellä ohjattaessa tehopuolijohde ei mene aivan täyteen kyllästykseen, jonka vuoksi tehopuolijohteessa syntyy ylimääräisiä johtohäviöitä. Samoin hilajännitteen ylittäessä +15 volttia kasvaa mahdollinen oikosulkuvirta niin suureksi, että sen katkaiseminen nopeasti ei ole enää turvallista.

15 Häiriökestoisuuden kannalta tulee sammutettavan IGBT:n hila oh jata emitteriin nähden negatiiviseen potentiaaliin. Näin menettelemällä voidaan estää potentiaalin muutoksista aiheutuva tehopuolijohteen tahaton syttyminen. Sopiva jännitealue IGBT:n sammuttamiseen on noin -5...-15 volttia. Sammu-tusjännite voi vaihdella suuremmissa rajoissa kuin sytytysjännite ilman, että 20 siitä koituisi haittaa tehopuolijohteen toiminnalle.

Jännitteiden muodostaminen tehopuolijohteen ohjaamista varten on aikaisemmin toteutettu käyttämällä virtalähdemuuntajaa, jonka toisiokäämissä on keskiulosotto. Näin saadaan aikaiseksi kaksipuoleinen symmetrinen jänni-” te, joka ei kuitenkaan täytä kaikkia tehopuolijohteen ohjaamiseen asetettuja 25 kriteereitä. Koska virtalähdemuuntajaa syöttävää jännitettä ei ole stabiloitu, saattaa jännite usein vaihdella tarpeettoman paljon, josta on haittaa etenkin positiivisella puolella. Lisäksi keskiulosoton sisältävän muuntajan rakenne muodostuu tarpeettoman monimutkaiseksi, joka puolestaan vaikuttaa suoraan kyseisen ratkaisun kustannuksiin.

30 Keksinnön lyhyt selostus <( Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada stabiloitu hilaoh- jäin, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa tehopuolijohteiden ohjaamisen luotettavalla tavalla. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella hilaohjaimella, jolle on tunnusomaista se, että hilaohjain käsittää lisäk-35 si diodin, jonka anodi on kytketty virtalähdemuuntajan toisiokäämin positiivi- 2 110972 seen napaan, zener-diodin, jonka katodi on kytketty diodin katodille, resistanssin, jonka toinen napa on kytketty zener-diodin anodille ja toinen napa virta-lähdemuuntajan toisiokäämin negatiiviseen napaan, ensimmäisen puolijohde-kytkimen, jonka ohjauselektrodi on kytketty zener-diodin ja resistanssin väli-5 seen pisteeseen, ja jonka kollektori on kytketty zener-diodin katodille, toisen puolijohdekytkimen, jonka ohjauselektrodi on kytketty zener-diodin ja resistanssin väliseen pisteeseen, ja jonka kollektori on kytketty virtalähdemuuntajan toisiokäämin negatiiviseen napaan ja emitteri ensimmäisen puolijohdekytkimen emitteriin, ensimmäisen kapasitanssin, jonka ensimmäinen napa on kytketty 10 ensimmäisen puolijohdekytkimen kollektorille ja toinen napa ensimmäisen puolijohdekytkimen emitterille kapasitanssin ensimmäisen navan muodostaessa positiivisen jännitesyötön, joka on yhdistetty hilaohjainyksikön positiiviseen apujännitesisääntuloon, ja toisen kapasitanssin, jonka ensimmäinen napa on kytketty toisen puolijohdekytkimen emitterille ja toinen napa toisen puolijohde-15 kytkimen kollektoriiie kapasitanssin toisen navan muodostaessa negatiivisen jännitesyötön, joka on yhdistetty hilaohjainyksikön negatiiviseen apujännitesisääntuloon, jolloin kapasitanssien välinen piste muodostaa positiivisen ja negatiivisen jännitesyötön välisen nollapotentiaalin.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että hilaohjaimen toiminta 20 saadaan luotettavaksi stabiloimalla hilaohjainyksikölle syötettävät apujännit-teet siten, että muodostuu kaksipuoleinen jännite, jonka positiivisen jännite-syöttö saadaan säilymään halutuissa rajoissa tehopuolijohteen luotettavaa sytyttämistä ja johtotilassa säilyttämistä varten. Positiivinen jännitesyöttö stabiloidaan käyttämällä yksinkertaista jännitteenjakokytkentää yhdistettynä virta-25 puskuriin. Keksinnön mukaisen hilaohjaimen etuna on se, että huolimatta virtalähdemuuntajan ulostulojännitteen vaihteluista, positiivinen apujännite saadaan aina pysymään halutuissa jänniterajoissa. Virtalähdemuuntajan ulostulojännitteen vaihtelu vaikuttaa ainoastaan keksinnön mukaisen hilaohjaimen negatiivisen jännitesyötön suuruuteen, jolle sallitaankin suuremmat vaihtelu-30 rajat.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheiseen piirrokseen, joka kuvio esittää piirikaavioesitystä keksinnön mukaisesta hilaohjaimesta.

3 110972

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvion mukaisesti keksinnön mukaisessa stabiloidussa hilaoh-jaimessa syötetään stabiloitua jännitettä hilaohjainyksikölle GD. Hilaohjainyksi-j kön ulostulo on edelleen kytketty ohjattavan tehopuolijohteen IGBT hilalle G.

5 Hilaohjainyksikön ja hilaohjaimen tarkoituksena on tuottaa ohjattavan komponentin hilalle emitteriin nähden positiivinen sytytysjännite ja negatiivinen sammutusjännite. Jotta hilaohjainyksikkö GD ja sen myötä ohjattava tehopuoli-johde toimisivat tarkoituksen mukaisella tavalla, tulee hilaohjainyksikön positiiviseen ja negatiiviseen apujännitesisääntuloon Va+, Va- syötettävien positiivi-10 sen ja negatiivisen apujännitteen olla tietyissä rajoissa. Hilaohjaimen virtaläh-demuuntaja T saa tyypillisissä tapauksissa syöttönsä jännitelähteestä, jonka ulostulo on suuritaajuista kantoaaltoa. Tällaisen kantoaallon jännite saattaa vaihdella jopa ±10%. Lisäksi virtalähdemuuntajassa ja sen ohjaimessa syntyy vaihtelevan suuruisia jännitehäviöitä. Näiden vaikutusten vuoksi hilaohjaimen 15 syöttämä positiivinen hilajännite saattaa vaihdella ilman stabilointia välillä +12...+18 volttia.

Keksinnön mukainen stabiloitu hilaohjain koostuu kuvion mukaisesti virtalähdemuuntajasta T, jonka toisiokäämin positiiviseen napaan on kytketty diodin D anodi. Virtalähdemuuntajan ensiö saa kuvion esittämällä tavalla si-20 sääntulokseen kanttimaista jännitettä. Diodin D tarkoituksena on tasasuunnata ensiön pulssimainen jännite ja mahdollistaa virran kulkeminen ainoastaan diodin päästösuuntaan.

Diodin D katodille on keksinnön mukaisesti kytketty zener-diodin Z katodi ja puolestaan zener-diodin anodille resistanssi R. Resistanssin toinen 25 napa on kytketty edelleen virtalähdemuuntajan toisiokäämin negatiiviseen napaan. Zener-diodi on tunnetusti komponentti, joka estää virran kulkemisen katodilta anodilleen komponentin yli vaikuttavan jännitteen ollessa ennalta määrättyä rajaa pienempi. Jännitteen ollessa kyseistä rajaa suurempi virta pääsee kuitenkin vapaasti kulkemaan komponentin läpi. Tämän ominaisuuden vuoksi 30 zener-diodia voidaan käyttää jännitteen suuruuden rajoittamiseen.

Zenerdiodin Z ja resistanssin R sarjaankytkennän rinnalle on kytketty keksinnön mukaisesti kuvion esittämällä tavalla kahden puolijohdekytkimen T1, T2 sarjakytkentä. Kuvion esittämässä suoritusmuodossa puolijohdekytki-met ovat NPN- ja PNP-transistorit. Puolijohdekytkimen T1 kollektori on kytketty 35 zener-diodin Z katodille ja ohjauselektrodi B zener-diodin Z ja resistanssin R väliseen pisteeseen. Toisen puolijohdekytkimen T2 ohjauselektrodi B on kyt- 4 110972 ketty ensimmäisen puolijohdekytkimen ohjauselektrodin kanssa samaan pisteeseen. Lisäksi toisen puolijohdekytkimen emitteri on kytketty ensimmäisen puolijohdekytkimen emitterille ja kollektori on kytketty virtalähdemuuntajan T toisiokäämin negatiiviseen napaan.

5 Keksinnön mukainen kytkentä käsittää lisäksi ensimmäisen ja toisen kapasitanssin C1, C2, jotka on kytketty sarjaan kuvion esittämällä tavalla. Sar-jakytkentä on kytketty puolijohdekytkimien sarjakytkennän kanssa rinnan siten, että kapasitanssin C1 ensimmäinen napa on kytketty ensimmäisen puolijohde-kytkimen T1 kollektorille ja toinen napa saman puolijohdekytkimen emitterille. 10 Toinen kapasitanssi C2 on vastaavasti kytketty toisen puolijohdekytkimen T2 kollektorin ja emitterin välille. Kapasitanssin C1 ensimmäisen puolijohdekytkimen T1 kollektorille kytketty napa muodostaa keksinnön mukaisen hilaohjai-men positiivisen jännitesyötön V+. Negatiivinen jännitesyöttö muodostuu puolestaan kapasitanssin C2 toisen puolijohdekytkimen kollektorille kytketystä nais vasta, joka on samalla virtalähdemuuntajan T toision negatiivinen napa. Kapasitanssien C1, C2 välinen piste muodostaa keksinnön mukaisen hilaohjai-men positiivisen ja negatiivisen jännitesyötön välisen nollapotentiaalin Corn.

Keksinnön mukaisessa hilaohjaimessa jännite stabiloidaan siten, että virtalähdemuuntajalta T saatava toisiojännite tasasuunnataan arvoon, joka 20 on likimain haluttujen sytytys- ja sammutusjännitteiden erotus eli tyypillisessä tapauksessa noin 24 volttia. Tästä jännitteestä muodostetaan kaksipuolinen jännite siten, että jännite jaetaan positiiviseen ja negatiiviseen osaan sillä tavoin, että positiivinen puoli stabiloituu ja rajoittuu noin +15 voltin tasoon ja negatiivinen puoli käsittää jäljelle jäävän osan eli noin -9 volttia.

„ 25 Jännitteenäkö tapahtuu zener-diodin Z ja resistanssin R antaman referenssijännitteen arvoon käyttämällä keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti NPN- ja PNP-transistorien T1, T2 muodostamaa komplementääri-paria virtapuskurina. Saatu puskuroitu jännite muodostuu hilaohjaimen nolla-potentiaaliin Corn, joka kuvion mukaisesti yhdistetään ohjattavan tehopuolijoh-30 teen IGBT emitteriin. Hilaohjaimen positiivinen ja negatiivinen jännitesyöttö V+, V- kytketään keksinnön mukaisesti hilaohjainyksikön GD vastaaviin apu-jännitesisääntuloihin Va+, Va-, jolloin hilaohjaiyksikkö GD pystyy antamaan ohjattavan tehopuolijohteen IGBT hilalle G joko +15 voltin tai noin -9 voltin jännitteen suhteessa tehopuolijohteen emitteriin. Miinuspuolen jännite saattaa 35 vaihdella syöttöjännitetoleranssien vuoksi rajoissa-9...-12 volttia, mutta vaih- 5 110972 telu on toiminnan kannalta merkityksetöntä. Keksinnön mukaisessa hilaohjai-messa oleva hilaohjainyksikkö GD on tyypiltään esimerkiksi Hewlett Packardin valmistama optisesti erotettu hilaohjainyksikkö HCNW 3120. Hilaohjainyksik-( köä ja samalla hilaohjaimeen yhdistettyä tehopuolijohdetta ohjataan hilaoh- 5 jainyksikön ohjaussisääntuloilla On/Off.

Kuviosta huomataan, että positiivisen jännitesyötön jännitteen V+ pyrkiessä nousemaan yli +15 voltin, kulkee zener-diodin Z kautta transistorin T1 kannalle virta, joka aiheuttaa transistorin virtavahvistuksen verran suuremman kollektorivirran. Tämä kollektorivirta estää jännitteen kohoamisen edel-10 leen. Kytkennän statiikka on käytännössä riippuvainen ainoastaan zener-diodin Z dynaamisesta resistanssista, joka mainituilla jännitteillä on noin 20 ohmia. Mikäli transistorin T1 virtavahvistus on 100, merkitsee tämä noin 0,2 ohmin lähtöresistanssia keksinnön mukaiselle ohjaimelle. Mainittu lähtöresis-tanssiarvo on aivan tarpeeksi pieni käytettäväksi jopa 100 ampeerin IGBT:n 15 yhteydessä.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti virtalähdemuunta-jan T, toisiokäämi käsittää kaksi vastakkaisvaiheisesti käämittyä käämiä. Tällöin käytettäessä keksinnön mukaista hilaohjainta esimerkiksi taajuusmuutta-jakäytön yhteydessä toinen toisiokäämeistä syöttää taajuusmuuttajan ulostu-20 lovaiheen ylemmän tehokytkimen ohjainpiiriä ja toinen vastaavasti alemman tehokytkimen ohjainpiiriä. Toisiokäämit on kytketty keskenään vastakkaisvai-heisiksi, jotta estetään muuntajan puoliaaltosuuntauksen aiheuttama tasa-komponentti. Tällä tavoin järjestettynä keskimäärin sekä ala- että yläkytkimen ohjainpiirien muuntajan kautta ottama teho on samansuuruinen. Koska kysei-25 nen teho lisäksi otetaan vuorotellen ja vastakkaisvaiheisesti eri toisiokäämeistä, ei puoliaaltosuuntauksesta ole harmia.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaati-30 musten puitteissa.

Claims

6 110972

1. Stabiloitu hilaohjain, joka käsittää virtalähdemuuntajan (T), joka käsittää ensiö- ja toisiokäämin, ja hilaohjainyksikön (GD), joka käsittää positiivisen apujännitesisään-5 tulon (Va+) ja negatiivisen apujännitesisääntulon (Va-), sekä diodin (D), jonka anodi on kytketty virtalähdemuuntajan (T) toisiokäämin positiiviseen napaan, tunnettu siitä, että hilaohjain käsittää lisäksi zener-diodin (Z), jonka katodi on kytketty diodin (D) katodille, 10 resistanssin (R), jonka toinen napa on kytketty zener-diodin (Z) anodille ja toinen napa virtalähdemuuntajan (T) toisiokäämin negatiiviseen napaan, ensimmäisen puolijohdekytkimen (T1), jonka ohjauselektrodi (B) on kytketty zener-diodin ja resistanssin väliseen pisteeseen, ja jonka kollektori on 15 kytketty zener-diodin katodille, toisen puolijohdekytkimen (T2), jonka ohjauselektrodi (B) on kytketty zener-diodin ja resistanssin väliseen pisteeseen, ja jonka kollektori on kytketty virtalähdemuuntajan (T) toisiokäämin negatiiviseen napaan ja emitteri ensimmäisen puolijohdekytkimen (T1) emitteriin, 20 ensimmäisen kapasitanssin (C1), jonka ensimmäinen napa on kyt ketty ensimmäisen puolijohdekytkimen (T1) kollektorille ja toinen napa ensimmäisen puolijohdekytkimen (T1) emitterille kapasitanssin (C1) ensimmäisen navan muodostaessa positiivisen jännitesyötön (V+), joka on yhdistetty hilaohjainyksikön (GD) positiiviseen apujännitesisääntuloon (Va+), ja 25 toisen kapasitanssin (C2), jonka ensimmäinen napa on kytketty toi sen puolijohdekytkimen (T2) emitterille ja toinen napa toisen puolijohdekytkimen (T2) kollektorille kapasitanssin (C2) toisen navan muodostaessa negatiivisen jännitesyötön (V-), joka on yhdistetty hilaohjainyksikön (GD) negatiiviseen apujännitesisääntuloon (Va-), jolloin kapasitanssien (C1, C2) välinen pis-30 te muodostaa positiivisen (V+) ja negatiivisen (V-) jännitesyötön välisen nolla-potentiaalin (Corn).

2. Gallerstyrare enligt patentkrav 1,kännetecknad avatt den 35 första halvledaromkopplaren (T1) är en NPN-transistor och den andra halv-ledaromkopplaren (T2) är en PNP-transistor. 110972 8

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hilaohjain, tunnettu siitä, että ensimmäinen puolijohdekytkin (T1) on NPN-transistori ja toinen puolijoh-dekytkin (T2) on PNP-transistori.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen hilaohjain, tunnettu siitä, että virtalähdemuuntaja (T) käsittää kaksi vastakkaisvaiheista toisiokää-miä. 7 110972 /t 1. Stabiliserad gallerstyrare, vilken omfattar en transformatorströmkälla (T), som omfattar en primär- och en se-5 kundärlindning, och en gallerstyrarenhet (GD), som omfattar en positiv hjälpspänningsingäng (Va+) och en negativ hjälpspänningsingäng (Va-), samt en diod (D), vars anod är kopplad till sekundärlindningens positiva pol i transformatorströmkällan (T), kännetecknad avatt gallerstyraren 10 dessutom omfattar en zenerdiod (Z), vars katod är kopplad till diodens (D) katod, en resistans (R), vars ena pol är kopplad till zenerdiodens (Z) anod och andra pol till sekundärlindningens negativa pol i transformatorströmkällan (T), 15 en första halvledaromkopplare (T1), vars styrelektrod (B) är kopplad till en punkt mellan zenerdioden och resistansen, och vars kollektor är kopplad till zenerdiodens katod, en andra halvledaromkopplare (T2), vars styrelektrod (B) är kopplad till en punkt mellan zenerdioden och resistansen, och vars kollektor är kopplad 20 till sekundärlindningens negativa pol i transformatorströmkällan (T) och emitter till den första halvledaromkopplarens (T1) emitter, en första kapacitans (C1), vars första pol är kopplad till den första halvledaromkopplarens (T1) kollektor och andra pol till den första halvledar-: · omkopplarens (T1) emitter, varvid kapacitansens (C1) första pol bildar en posi- 25 tiv spänningstillförsel (V+), som är förenad med gallerstyrarenhetens (GD) positiva hjälpspänningsingäng (Va+), och en andra kapacitans (C2), vars första pol är kopplad till den andra halvledaromkopplarens (T2) emitter och andra pol till den andra halvledaromkopplarens (T2) kollektor, varvid kapacitansens (C2) andra pol bildar en 30 negativ spänningstillförsel (V-), som är förenad med gallerstyrarenhetens (GD) negativa hjälpspänningsingäng (Va-), varvid punkten mellan kapacitanserna (C1, C2) bildar en nollpotential (Com) mellan den positiva (V+) och negativa (V-) spänningstillförseln.

3. Gallerstyrare enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att transformatorströmkällan (T) omfattar tva sekundärlindningar med motsatt fas.