FI90605B - Puolijohdekytkimen ohjauspiiri - Google Patents

Description

1 90605

Puolijohdekytkimen ohjauspiiri Tämän keksinnön kohteena on puolijohdekytkimen oh-' jauspiiri käsittäen ohjausyksikön ja siihen kytketyn muun- 5 tajan puolijohdekytkimen ohjaustiedon ja ohjausenergian sisältävän vaihtojännitesignaalin kehittämiseksi muuntajan toisiokäämiin; muuntajan toisiokäämiin kytketyn tasasuun-timen käyttöjännitteen muodostamiseksi; logiikkapiirin muuntajan toisiojännitteeseen sisältyvän ohjausinformaa-10 tion erottamiseksi toisiojännitteestä ja logiikkapiirin ohjaaman ohjaimen puolijohdekytkimen ohjaamiseksi, jonka emitterielektrodi on kytketty vertailupotentiaaliin.

Yllä kuvatun kaltaisen ohjauspiirin puolijohdekyt-kintä, kuten fettiä, varten on suunnitellut esimerkiksi 15 Unitrode Integrated Circuits Corporation, USA piiriparil-leen UC3724 ja UC3725. Muuntajan ansiosta, joka välittää sekä tarvittavan tehon että komentosignaalit, ohjauspiiri on galvaanisesti erottava. Jotta ohjaussignaalit saadaan muuntajan ylitse käytetään muuntajalle syötettävän vaihto-20 jännitesignaalin modulointia, kyseisessä tapauksessa vaih to jännitesignaalin toimintajakson muuttamista. Piiriin sisältyvä logiikkapiiri kykenee havaitsemaan kyseisen toimintajakson muutoksen ja sen perusteella muuttamaan piiriltä lähtevää, puolijohdekytkimen hilalle syötettävää oh-25 jaussignaalia, joka ohjaa puolijohdekytkimen joko johtavaan tai ei-johtavaan tilaan.

Tällaisella ohjauspiirillä, vaikka se onkin rakenteeltaan varsin yksinkertainen, on kuitenkin eräitä puutteita. Ensinnäkin se kykenee muuttamaan puolijohdekytkimen 30 ohjauselektrodille syötettyä potentiaalitasoa ainoastaan vertailupotentiaalista, johon puolijohdekytkimen emitterielektrodi on kytketty, johonkin positiiviseen potentiaaliin, jonka lähinnä määrää muuntajan toisiojännite. Edelleen muuntajalle syötettävän vaihtojännitesignaalin käyt-35 töjakson muuttaminen edellyttää tähän tarkoitukseen sovel- 2 9 u 6 O 5 tuvien piirirakenteiden käyttöä. Samoin toimintajakson muutoksen havaitseminen edellyttää sopivan ilmaisupiirin, kuten hystereesikomparaattorin, sisällyttämistä ohjauspiiriin.

5 Esillä olevan keksinnön tavoitteena on tuoda esiin puolijohdekytkimen ohjauspiiri, jossa muuntajalle syötettävää vaihtojännitesignaalia ei jouduta moduloimaan ja jossa puolijohdekytkimen ohjauselektrodille syötettävä jännite voi positiivisen arvon lisäksi saada myös negatii-10 visen arvon. Täten keksinnön mukainen ohjauspiiri soveltuu erityisesti IGBTrn (Insulated Gate Bipolar Transistor) ohjaamiseen, mutta se kykenee luotettavasti ohjaamaan myös muuntyyppisiä hilalta tai vastaavalta ohjauselektrodilta ohjattavia puolijohdekytkimiä, kuten fettejä tai GTO-ty-15 ristoreja.

Yllä mainitun tavoitteen saavuttavalle keksinnön mukaiselle puolijohdekytkimen ohjauspiirille on tunnusomaista, että siinä ohjausyksikkö käsittää ajastuslogiik-kayksikön ja sen ohjaamat, ensimmäisen ja toisen ohjaimen 20 ja muuntaja käsittää ensimmäisen ja toisen muuntajan, joita vastaavasti ensimmäinen ja toinen ohjain syöttävät moduloimattomalla vaihtojännitesignaalilla puolijohdekytkimen ohjaamiseksi johtavaan ja vastaavasti ei-johtavaan tilaan ja joiden toisiokäämit on kytketty vastakkaisista 25 päistään mainittuun vertailupotentiaaliin; tasasuunnin käsittää ensimmäisen ja toisen tasasuuntimen vertailupotentiaaliin nähden positiivisen ja vastaavasti negatiivisen tasajännitteen tasasuuntaamiseksi muuntajien toi-siokäämien yli vaikuttavasta jännitteestä; logiikkapiirin 30 ohjaama ohjain käsittää ensimmäisen ja toisen ohjaimen puolijohdekytkimen pitämiseksi johtavassa ja vastaavasti ei-johtavassa tilassa; ja että ohjauspiiri edelleen käsittää tasasuuntaimien ulostuloihin kytketyt kondensaatto-riyksiköt puolijohdekytkimen vastaavasti sytytys- ja sam-35 mutusenergian varastointia varten.

3 90605

Jakamalla ohjauspiiri ohjaussignaalin syötön suhteen kahteen erilliseen rinnakkaiseen tiehen, joista toisen kautta syötetään puolijohdekytkimen johtavaan tilaan * ohjaavaa signaalia ja toisen kautta puolijohdekytkimen ei- 5 johtavaan tilaan ohjaavaa signaalia, voivat nämä signaalit olla täysin samankaltaisia moduloimattomia vaihtojännite-signaaleja. Kytkemällä muuntajat, joiden kautta vaihtojän-nitesignaalit tuodaan puolijohdekytkimen ohjaussignaalin synnyttävään piirin osaan, toisiokäämiensä vastakkaisista 10 päistä vertailupotentiaaliin, johon myös puolijohdekytkimen emitterielektrodi on kytketty, saavutetaan tilanne, jossa muuntajan toisiosta voidaan tasasuunnata sekä vertailupotentiaaliin nähden positiivinen että negatiivinen tasajännitetaso. Näitä tasajännitetasoja varten piiriin 15 sisältyy myös energiavarastot, joita käytetään puolijohde- kytkimen sytytykseen ja sammutukseen tarvittavan ohjaus-virran lähteinä. Erityisesti IGBT:n tapauksessa tarvittava ohjausvirta on aluksi suhteellisen suuri, mutta pienenee sytytyksen tai sammutuksen tapahduttua nopeasti hyvinkin 20 alhaiselle tasolle.

Edullisesti keksinnön mukainen ohjauspiiri edelleen käsittää logiikkapiirin ohjaaman oikosulunsammutusohjaimen puolijohdekytkimen ohjauselektrodin kytkemiseksi sammutus-energian lähteeseen puolijohdekytkimen läpi kulkevan vir-25 ran ylittäessä ennalta määrätyn arvon.

Syöttämällä ajastuslogiikalta toisen muuntajan kautta vain positiivisia puolijaksoja harvennetussa tahdissa ja niiden kanssa vuorottelevasti toisen muuntajan kautta vain negatiivisia puolijaksoja kyetään puolijohde-30 kytkimen joko johtavaan tai ei-johtavaan tilaan ohjaavat ohjaimet irrottamaan ohjaavasta piiristä. Tässä tilanteessa voidaan oikosulunsammutusohjaimen avulla ohjata puoli-johdekytkimen ohjauselektrodi hallitusti negatiiviseen potentiaaliin ja siten aikaansaada puolijohdekytkimen hal-35 littu sammutus.

* 90605

Seuraavassa keksinnön mukaista ohjauspiiriä kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaisen 5 ohjauspiirin rakenteen, ja kuvio 2 esittää signaalimuotoja, jotka ovat hyödyllisiä kuvion 1 mukaisen ohjauspiirin toimintaa tarkasteltaessa .

Kuviossa 1 esitetty keksinnön mukainen ohjauspiiri 10 käsittää ensinnäkin ajastuslogiikan 1, joka vastaanottaa puolijohdekytkimen 12 johtavaan tilaan ja vastaavasti ei-johtavaan tilaan ohjaavan signaalin ON/OFF, kellosignaalin CLOCK ja puolijohdekytkimen ylivirtatilanteesta tiedottavan signaalin OVER-CURRENT. Ajastuslogiikkayksikkö 1 ohjaa 15 kahta ohjainta 2 ja 3, jotka syöttävät halutun taajuisen, esimerkiksi noin 2 MHz taajuisen, vaihtojännitekanttiaal-tosignaalin muuntajille Tl ja T2. Ohjaimia 2 ja 3 ohjataan vuorottelevasti siten, että kun ajastuslogiikkayksikkö vastaanottaa puolijohdekytkimen 12 johtavaan tilaan ohjaa-20 van käskysignaalin ON, ainoastaan ohjain 2 syöttää muuntajaa Tl kyseisen kaltaisella vaihtojännite-signaalilla ja vastaavasti haluttaessa ohjata kytkin 12 ei-johtavaan tilaan ja sen pitämiseksi siinä ainoastaan ohjain 3 syöttää muuntajalle T2 kyseisen kaltaisen vaihtojännite-signaalin. 25 Muuntajien Tl ja T2 toisiokäämit on kytketty vas takkaisista navoistaan vertailupotentiaaliin RP. Näiden toisiokäämien ylitse vaikuttava vaihtojännite tasasuunna-taan sekä tasa-suuntimella 4 että tasasuuntimella 5. Kyseiset jännitteet tuodaan myös tasonerotuslogiikalle 6, 30 jonka tehtävänä on havaita, kumman muuntajan Tl vaiko T2 kautta vaihtojännitesignaalia syötetään. Tämän tiedon perusteella tasonerotuslogiikka 6 ohjaa joko ohjainta 10 tai ohjainta 11, joista ohjain 10 kytkee kytkimen 12 hilan tasasuuntimen 4 ulostuloon ja ohjain 11 puolestaan kytkee 35 kytkimen 12 hilan tasasuuntimen 5 ulostuloon. Näissä ti- 5 90605 lanteissa puolijohdekytkimen 12 hila kytkeytyy joko ta-sasuuntimen 4 synnyttämään positiiviseen jännitteeseen tai tasasuuntimen 5 synnyttämään negatiiviseen jännitteeseen, * kun jännitetasoja verrataan vertailupotentiaaliin, jossa 5 puolijohdekytkimen emitterielektrodi on.

Tarvittavien sytytys- ja sammutusvirtojen kehittämiseksi tasasuuntimen 4 ja ohjaimen 10 ja vastavaasti tasasuuntimen 5 ja ohjaimen 11 väliin on kytketty konden-saattoriyksikkö 8 vastaavasti 9. Nämä kodensaattoriyksiköt 10 latautuvat joidenkin kellojaksojen aikana tasasuuntimien ulostulojännitteisiin ja ovat kapasiteetiltaan sellaisia, että ne kykenevät syöttämään riittävän suuren virran puoli johdekytkimen 12 ohjausta varten.

Edelleen kuvion 1 mukainen piiri käsittää tason-15 erotuslogikkapiirin 6 ohjaaman oikosulunsammutusohjaimen 7, joka kykenee kytkemään kytkimen 12 hilan vastuksen R kautta negatiivisen potentiaalin lähteeseen 9. Näin saadaan aikaan hallittu sammutus.

Kuviossa 2 on esitetty kuvion 1 mukaisen piirin 20 toiminnan ymmärtämistä helpottavia jännitemuotoja. Ylimpänä on jännite OVER-CURRENT, joka aluksi on alhaisella tasolla ja ylivirtatilanteen synnyttyä se nousee ylemmälle tasolle. Seuraavana on puolijohdekytkimen johtavaan ja vastaavasti ei-johtavaan tilaan vuorottelevasti ohjaava 25 signaali ON/OFF. Sen jälkeen on esitetty kellosignaali CLOCK, joka on halutun taajuinen kanttiaaltosignaali. Signaalia ON/OFF vastaten signaalit A ja B vastaavat muuntajien Tl ja T2 toisiojännitteitä. Signaalien A ja B perusteella saadaan tasonerotuslogiikalta 6 ohjaimien 10 ja 11 30 ohjaussignaalit C ja D. Signaali E on puolestaan oikosulunsammutusoh jaimen ulostulosignaali, jolla on suuri-impe-danssinen tila signaalin ON/OFF ollessa tilassa ON ja pie-ni-impedanssinen tila kyseisen signaalin ollessa tilassa OFF ja erityisesti OVER-CURRENT-signaalin siirryttyä yli-35 virtatilannetta osoittavaan ylempään arvoonsa. Signaali F

6 90605 on puolestaan kytkimen 12 hilalle menevä signaali, jossa havaitaan jakso, jossa kytkin on johtavassa tilassa, jakso, jossa kytkin ei-johtavassa tilassa ja jakso, jonka aikana kytkin ohjataan johtavasta tilasta oikosulunsammu-5 tusohjaimen avulla ei-johtavaan tilaan.

Keksinnön mukaisen ohjauspiirin eräänä perusideana on käyttää kahta erillistä muuntajaa Tl ja T2 välittämään sekä informaatiota että energiaa. Informaatio siirretään muuntajan läpi yhteiseen kelloon CLOCK synkronoituna sym-10 metrisenä ja mitenkään moduloimattomana kanttiaaltopurs-keena (katso kuvion 2 signaalit A ja B), jonka kestoaika on sama kuin puolijohteen johtava tai ei-johtava tila. Sytytys- ja sammutussignaalit ovat siis jatkuvia. Muuntaja Tl välittää tiedon puolijohteen sytytyksestä ja muuntaja 15 T2 vastaavasti sammutuksesta. Kaikissa tilanteissa vain jompikumpi muuntajista toimii kerrallaan. Synkronointi mahdollistaa usean hilaohjaimen rinnankytkennän ohjaamaan rinnan kytkettyjä puolijohdekytkimiä.

Muuntajan Tl välittämässä kanttiaallossa A jokainen 20 positiivinen puolijakso merkitsee teho-ohjaimen 11 pakko-ohjausta johtamattomaan tilaan ja vastaavasti jokainen negatiivinen puolijakso teho-ohjaimen 10 pakko-ohjausta johtavaan tilaan. Tämä merkitsee positiivisen varauksen syöttämistä puolijohteen hilalle, jonka potentiaali lähestyy 25 syöttöjännitettä V+. Puolijohde siis syttyy. Koska muunta jan Tl ohjaus alkaa aina positiivisella puolijaksolla, on teho-ohjaimella 11 aikaa tämän puolijakson verran sammua ennen teho-ohjaimen 10 syttymistä (kuollut aika), joten hilaohjaimen läpisyttyminen on estetty. Kuollutta aikaa 30 voidaan säätää kellotaajuutta muuttamalla. Tarvittava sy-tytysenergia otetaan energiavarstosta 8, jonka menettämä energia täydennetään välittömästi ennalleen muutaman kellojakson puitteissa.

Muuntajan T2 välittämässä kanttiaallossa B jokainen 35 negatiivinen puolijakso merkitsee teho-ohjaimen 10 pakko- 7 90605 ohjausta johtamattomaan tilaan ja vastaavasti jokainen positiivinen puolijakso teho-ohjaimen 11 pakko-ohjausta johtavaan tilaan. Tämä merkitsee negatiivisen varauksen syöt- tämistä puolijohteen hilalle, jonka potentiaali lähestyy 5 syöttöjännitettä V-. Puolijohde siis sammuu. Koska muunta jan T2 ohjaus alkaa aina negatiivisella puolijaksolla, on teho-ohjaimella 10 aikaa tämän puolijakson verran sammua ennen teho-ohjaimen 11 syttymistä (kuollut aika), joten hilaohjaimen läpisyttyminen on estetty. Kuollutta aikaa 10 voidaan säätää kellotaajuutta muuttamalla. Tarvittava sam-mutusenergia otetaan energiavarastosta 9, jonka menettämä energia täydennetään välittömästi ennalleen muutaman kellojakson puitteissa.

Oikosulkutilanteessa ulkopuoliselta logiikalta saa-15 tava OVER-CURRENT-signaali pakottaa ajastuslogiikan 1 antamaan vuorotellen ja harvakseltaan positiivisia puolijak-soja muuntajalle Tl ja vastaavasti negatiivisia puolijak-soja muuntajalle T2. Kuten edellä selostettiin pakottavat Tl:n positiiviset puolijaksot teho-ohjaimen 11 johtamatto-20 maan tilaan samoin kuin T2:n negatiiviset puolijaksot teho-ohjaimen 10 vastaavaan tilaan. Hila siis irrotetaan kummastakin energiavarastosta. Oikosulunsammutusohjain 7 kytkee hilan sammutusvastuksen R kautta negatiiviseen energiavarastoon 9, mikäli kumpikin teho-ohjain on saatet-25 tu samanaikaisesti johtamattomaan tilaan. Näin saadaan aikaan hallittu sammutus.

Yllä keksinnön mukaista puolijohdekytkimen ohjaus-piiriä on kuvattu vain yhden esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla, ja on ymmärrettävää että siihen voidaan tehdä 30 joitakin muutoksia erityisesti perustuen kulloinkin ohjattavaksi halutun puolijohdekytkimen ominaisuuksiin, poikkeamatta kuitenkaan oheisten patenttivaatimusten määrittelemästä suojapiiristä.

Claims (3)

1. 8 90605
2. 1. Puolijohdekytkimen ohjauspiiri käsittäen ohjausyksikön (1-3) ja siihen kytketyn muuntajan 5 (Tl, T2) puolijohdekytkimen (12) ohjaustiedon ja ohjaus-energian sisältävän vaihtojännitesignaalin (A, B) kehittämiseksi muuntajan toisiokäämiin; muuntajan (Tl, T2) toisiokäämiin kytketyn tasasuun-timen (4,5) puolijohdekytkimen ohjaukseen käytettävän talo sajännitteen (V+, V-) muodostamiseksi; logiikkapiirin (6) muuntajan toisiojännitteeseen sisältyvän ohjausinformaation erottamiseksi toisiojännit-teestä ja logiikkapiirin (6) ohjaaman ohjaimen (10, 11) puolijohdekytkimen (12) ohjaamiseksi, jonka emitterielek-15 trodi on kytketty vertailupotentiaaliin (RP), tunnettu siitä, että ohjausyksikkö käsittää ajastuslogiikkayksikön (1) ja sen ohjaamat, ensimmäisen ja toisen ohjaimen (2, 3) ja muuntaja käsittää ensimmäisen ja toisen muuntajan (Tl,
3. 20 T2), joita vastaavasti ensimmäinen ja toinen ohjain (2,3) syöttävät moduloimattomalla vaihtojännitesignaalilla (A, B) puolijohdekytkimen ohjaamiseksi johtavaan ja vastaavasti ei-johtavaan tilaan ja joiden toisiokäämit on kytketty vastakkaisista päistään mainittuun vertailupotentiaaliin 25 (RP); tasasuunnin käsittää ensimmäisen ja toisen tasa-suuntimen (4, 5) vertailupotentiaaliin nähden positiivisen (V+) ja vastaavasti negatiivisen (V-) tasajännitteen ta-sasuuntaamiseksi muuntajien toisiokäämien yli vaikuttavas-30 ta jännitteestä (A, B); logiikkapiirin (6) ohjaama ohjain käsittää ensimmäisen ja toisen ohjaimen (10, 11) puolijohdekytkimen (12) pitämiseksi johtavassa ja vastaavasti ei-johtavassa tilassa; ja 35 että ohjauspiiri edelleen käsittää tasasuuntaimien 9 90605 ulostuloihin kytketyt kondensaattoriyksiköt (8, 9) puoli-johdekytkimen vastaavasti sytys- ja sammutusenergian varastointia varten. - 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjauspiiri, 5 tunnettu siitä, että se edelleen käsittää logiikkapiirin (6) ohjaaman oikosulunsammutusohjaimen (7) puoli-johdekytkimen (12) ohjauselektrodin kytkemiseksi sammutus-energian lähteeseen (V-) puolijohdekytkimen läpi kulkevan virran ylittäessä ennalta määrätyn arvon. ίο 9 Π 6 ϋ 5