FI97176B - Puolijohdekytkimen ohjauspiiri - Google Patents

Description

97176

Puolijohdekytkimen ohjauspiiri Tämän keksinnön kohteena on puolijohdekytkimen ohjauspiiri, joka käsittää muuntajakytkennän sekä ohjaus-5 energian että ohjaustiedon sisältävien vaihtojännitesig-naalien kehittämiseksi, tasasuuntauskytkennän muuntajakytkennän kehittämien vaihtojännitesignaalien tasasuuntaami-seksi puolijohdekytkimen sytyttämiseen ja sammuttamiseen soveltuvien tasajännitetasojen kehittämiseksi, ensimmäisen 10 vastuksen kytkettynä ensimmäisestä päästään puolijohdekytkimen ohjauselektrodiin, toisen vastuksen kytkettynä puolijohdekytkimen ohjauselektrodin ja emitteri- tai source-elektrodin väliin ja apupuolijohdekytkimen sovitettuna puolijohdekytkimen ohjauselektrodin ja tasasuuntauskytken-15 nän kehittämän, puolijohdekytkimen sammutukseen tarkoitetun tasajänniteulostulon väliin apupuolijohtimen ohjaus-elektrodin ollessa kytkettynä tasasuuntauskytkennän kehittämään, apupuolijohdekytkimen ohjaukseen tarkoitettuun tasaj änniteulostuloon.

20 Keksinnön mukainen ohjauspiiri on tarkoitettu eri tyisesti pienten IGBT- tai FET-puolijohdekytkinkomponent-tien ohjaukseen taajuusmuuttajissa ja muissa vastaavissa. Jatkossa näistä puolijohdekytkinkomponenteista käytetään yhteisnimitystä tehokomponentti. Ohjauspiirejä vastaavien 25 tehokomponenttien ohjaamiseen tunnetaan esimerkiksi US-patenttijulkaisusta 5168182 ja EP-hakemusjulkaisusta 561316. Niissäkin kuvatut ratkaisut perustuvat suoraan sytytysenergian välitykseen muuntajan kautta. Molemmille ratkaisuille on kuitenkin tyypillistä, että niissä ohjat-30 tavan tehokomponentin ohjauselektrodin, jota jatkossa nimitetään hilaksi, jännite on stabiloimaton oikosulkutilan-teessa. US-patenttijulkaisusta 5168182 tunnetulle ratkaisulle on lisäksi tyypillistä, että siinä tehokomponentin sammutus perustuu ainoastaan hilapotentiaalin viemiseen 35 lähelle tehokytkimen emitteripotentiaalia. EP-hakemusjui- 97176 2 kaisussa 561316 kuvatussa ratkaisussa sammutukseen käytetään tehokomponentin emitteripotentiaaliin nähden negatiivista potentiaalia. Tämän negatiivisen potentiaalin synnyttämiseen tarvitaan kuitenkin energiavarasto, kuten kon-5 densaattori, johon tarvittava sammutusenergia joudutaan ennalta lataamaan. Lisäksi energiavarastona käytetty kondensaattori on komponentti, joka tyypillisesti on rakenteeltaan elektrolyyttiä sisältävä ja jonka elinikä lyhenee dramaattisesti, mikäli se sijoitetaan lähelle tehokom-10 ponenttia ja siten kuumaan ympäristöön. Sijoitus kauemmaksi puolestaan johtaa suuriin hajainduktansseihin. Kyseisen ohjauspiirin puutteena voidaan lisäksi mainita, että siinä sammutusjännite on yhtä suuri kuin sytytysjännite, mistä seurauksena on peräkkäin toistuvien sytytyksien hidastumi-15 nen, koska tehokomponentin hilapotentiaali on aina välillä vedettävä täyttä sytytysjännitettä vastaavaan negatiiviseen arvoon. Edelleen kyseisen kytkennän ongelmana on sammutuksen hidas käynnistyminen, koska tehokomponentin sammutus voi alkaa vasta, kun apupuolijohdekytkinkomponentti-20 na käytetyn FETin hilakapasitanssi on varautunut suurioh-misen vastuksen kautta riittävän suureen potentiaaliin.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on tuoda esiin puolijohdekytkimen ohjauspiiri, johon ei liity yllä mainittuja aikaisemmin tunnettujen ohjauspiiriratkaisujen 25 puutteita. Tähän päästään keksinnön mukaisen ohjauspiirin avulla, jolle on tunnusomaista että se lisäksi käsittää zenerdiodin kytkettynä ensimmäisen vastuksen toisen pään ja tasasuuntauskytkennän kehittämän, puolijohdekytkimen sytytykseen tarkoitetun tasajänniteulostulon väliin ja 30 diodin kytkettynä päästösuuntaisena tasasuuntauskytkennän sammutusjänniteulostulon ja puolijohdekytkimen emitteri-tai source-elektrodin väliin.

Todettakoon, että tämän hakemuksen yhteydessä diodilla ja zenerdiodilla ei tarkoiteta pelkästään vastaavan 35 nimisiä diskreettejä komponentteja vaan mitä tahansa vas- • li 97176 3 taavan toiminnan aikaansaavia komponentteja tai komponent-tikokoonpanoja, jotka muodostuvat diskreeteistä komponenteista tai ovat osana integroitua piiriä.

Käytetyn kytkennän ansiosta sammutusenergiaa kye-5 tään syöttämään tehokomponentin hilalle jatkuvasti muunta-jakytkennän kautta ulkoa ja mitään energiavarastoa ei tarvita eikä tällaisten energiavarastojen lämpövanheneminen siten myöskään muodostu ongelmaksi. Vaikka energiavarastoa ei ole, on sammutus nopea sen seurauksena, että sytytyksen 10 aiheuttama hilaVaraus tehokomponentissa purkautuu nopeasti apupuolijohdekytkimen ja diodin kautta vain näiden komponenttien impedanssien rajoittamalla nopeudella.

Edullisesti ohjauspiiri lisäksi käsittää zener-diodin ja diodin sarjaankytkennän kytkettynä päästösuun-15 täisenä puolijohdekytkimen ohjauselektrodin ja apupuolijohdekytkimen ohjauselektrodin väliin. Tämän kytkennän ansiosta sytytysjännitteen liiallinen nousu kyetään estämään ja siten estämään puolijohdekytkimen tuhoutuminen tällaisessa tilanteessa.

20 Edelleen on edullista, että kytkentä käsittää li säksi kolmannen vastuksen kytkettynä apupuolijohdekytkimen ja puolijohdekytkimen sammutukseen tarkoitetun tasajänni-teulostulon väliin. Tällaisen edullisesti pieniohmisen vastuksen avulla kyetään puolijohdekytkimen hilavarauksen 25 purkautumisen synnyttämän virran huippuarvo rajoittamaan tiettyyn haluttuun arvoon.

Keksinnön mukaisen ohjauskytkennän eräänä periaatteellisena lähtökohtana on, että käytettävissä on useita erilaisia tasajännitetasoja. Edullisesti tähän päästään 30 siten, että ohjauspiirissä käytetty muuntajakytkentä käsittää sytytysjännitteeksi tasasuunnattavan jännitteen kehittävän ensimmäisen muuntajan ja sammutusjännitteeksi ja apupuolijohdekytkimen ohjaus jännitteeksi tasasuunnat tavat jännitteet kehittävän toisen muuntajan ja että ensim-35 mäisen muuntajan toisiokäämin toinen napa ja toisen muun- • 97176 4 ta jän toisiokäämin keskipiste on kytketty toisiinsa ja puolijohdekytkimen emitteri- tai source-elektrodiin ver-tailupotentiaalin muodostamiseksi.

Seuraavassa keksinnön mukaista ohjauspiiriä kuva-5 taan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen ohjauspiirin kytkentäkaavion ja kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen ohjauspiirin 10 kytkentäkaaviota, kun ohjattavia puolijohdekytkimiä on kaksi ja ne ohjataan vuorotellen johtaviksi.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen ohjaus-piirin esimerkinomaisen suoritusmuodon kytkentäkaavio. Tämän ohjauspiirin avulla ohjataan tehokomponenttia SW1, 15 joka tyypillisesti on IGBT- tai FET-komponentti ja kuviossa 1 esitetyssä tapauksessa IGBT-komponentti. Kytkentä sopii erityisesti käytettäväksi silloin, kun tehokomponen-tin emitterikollektorivirtatien tai lähdekollektorivirta-tien nimellisvirta ei ylitä arvoa 25 A. Kuviossa 1 kuvattu 20 kytkentä käsittää muuntajakytkennän, joka käsittää muuntajat Tl ja T2, joiden kehittämät vaihtojännitesignaalitasot tasasuunnataan sopiviksi tehokomponentin SW1 ohjaamiseen soveltuviksi tasajännitetasoiksi kahden tasasuuntaussillan DB1 ja DB2 avulla. Muuntajien Tl ja T2 avulla syötetään • 25 sekä ohjausinformaatio että ohjausenergia tehokom- ponentille SW1.

Tehokomponentti SW1 sytytetään ja sammutetaan kahdella vuorottain vaikuttavalla kanttiaallolla (sytytys, sammutus), jotka kumpikin samanvaiheisena ja invertoituna 30 ohjaavat oman muuntajansa Tl ja vastaavasti T2 ensiökää-miä. Muuntajien ensiökäämien keskipisteet on kytketty +15 V:n jännitteeseen ja käämien vapaat päät kytketään vuorotellen maapotentiaaliin sytytys- ja vastaavasti sammutus-signaalin ohjaamien FETien FI...F4 avulla. Muuntajien toi-35 siokäämeihin syntyy ohjausta vastaavat signaalit, jotka il 97176 5 tasasuunnataan tasasuuntaussilloilla DB1 ja DB2 jännitteiksi UI ja vastaavasti U2 ja U3. Jännite UI saadaan muuntajan Tl toisesta navasta sen toisen navan ollessa kytkettynä vertailupotentiaaliin, jota on merkitty merkin-5 nällä OV. Tähän vertailupotentiaaliin on liitetty myös toisen muuntajan toisiokäämin keskipiste samoikuin teho-komponentin SW1 emitterielektrodi. Toisen muuntajan T2 toisesta navasta tasasuunnataan jännite U2 ja toisesta jännite U3. Nämä jännitteet U2 ja U3 ovat vastakkaissuun-10 täisiä verrattuna toisiokäämin keskipisteessä olevaan vertailupotentiaaliin OV nähden.

Sytytyksen alkaessa jännite UI nousee nopeasti noin arvoon 20 V, jolloin tehokomponentin SW1 hilakapasitanssi alkaa latautua zenerdiodin V2 ja hilavastuksen R2 kautta 15 kulkevan virran vaikutuksesta. Zenerdiodin arvoksi on merkitty 4,7 V. Tehokomponentti SW1 syttyy noin yhden mik-rosekunnin päästä ja hilavirta alkaa pienentyä lähestyen nollaa. Tehokomponentin SW1 ohjauselektrodi eli hila on kytketty apupuolijohdekytkinkomponenttina käytetyn FETin 20 VI ja vastuksen R3 kautta jännitetasoon U3. Lisäksi teho-komponentin SW1 ohjauselektrodi on 12 V zenerdiodin V3 ja diodin V5 kautta kytketty jännitetasoon U2, joka puolestaan liittyy FETin VI ohjauselektrodiin. Tämän kytkennän ansiosta päästään siihen, että mikäli jännite tehokom-25 ponentin SW1 hilalla ylittää noin 15 V tason, alkaa FET VI johtaa, jolloin sen ja jännitetason U3 ja vertailujännite-tason OV väliin kytketyn diodin V4 kautta kulkeva virta rajoittaa jännitteen nousun edelleen. Tämän takia tehokomponentin hilajännite ei voi ylittää mainittua noin 15 V 30 jännitettä. Samasta syystä, mikäli tehokomponentti menisi oikosulkuun, estyy hilajännitteen nousu yli kyseisen jännitteen. Oikosulkutilanteessa voidaan ensin poistaa syty-tysohjaus ja antaa tehokomponentin sammua "pehmeästi" vastuksen Rl varassa ja kytkeä vasta myöhemmin jäykkä sammu-35 tus päälle. Vastus Rl on kytketty tehokomponentin hilan ja 97176 6 sen emitterielektrodin väliin.

Sammutuksen alkaessa FETin VI hilalla vaikuttava tasajännitetaso U2 nousee hyvin nopeasti +5 V tasoon, minkä seurauksena FET VI siirtyy johtavaan tilaan. Vastaavas-5 ti FETin VI sourcejännite U3 pyrkii laskemaan samanaikaisesti kohti -5 V tasoa, mutta syntyvä virta nostaa aluksi kyseisen sourcejännitteen diodin V4 päästöjännitteen verran positiiviseksi. Tehokomponentin SW1 hilavaraus purkautuu aluksi vain FETin VI sisäisen resistanssin rajoitta-10 maila virralla diodin V4 kautta. Tämän virran suuruutta on kuviossa 1 kuvatussa kytkennässä lisäksi rajoitettu pie-niohmisella vastuksella R3, joka on kytketty FETin VI source-elektrodin ja jännitetason U3 väliin. Noin 200 ns kuluttua sammutuksen alkamisesta tehokomponentin hilajän-15 nite on emitteripotentiaalissa ja lähestyy sekä lopuksi saavuttaa tason -5 V, sillä zenerdiodi V2 estää virran kulun tasasuuntaussillan DB1 ja muuntajan Tl toision kautta. Ilman zenerdiodin V2 vaikutusta hilajännite ei pääsisi tähän negatiiviseen tasoon. Lisäksi muuntajan Tl sydämen 20 kyllästyminen tasavirran vaikutuksesta estyy.

Tehokomponentin SW1 hilan ja emitterin väliin kytketty vastus Rl pitää tehokomponentin hilan emitteripotentiaalissa ja komponentin sammuksissa silloin, kun apujän-nitettä eikä ohjaussignaaleja ole käytettävissä.

* 25 Kuviossa 2 on esitetty ratkaisu, jonka avulla ku viossa 1 kuvattua ohjauspiiriä voidaan käyttää kokonaisen haaran ohjaamiseen eli tilanteessa, jossa ohjattavia teho-puolijohdekomponentteja on kaksi kappaletta eli tehokom-ponentit SW1 ja SW2 ja ne ohjataan vuorotellen johtaviksi. 30 Kummankin tehokomponentin ohjauspiiri on kuviossa 1 esitetyn kaltainen ja ne toimivat aiemmin esitetyn mukaisesti, mutta muuntajakytkentää ja sen ohjaimia ei ole kuitenkaan kahdennettu. Kuviossa 2 esitetyn kytkennän avulla säästetään tällaiseen kahdennettuun tapaukseen nähden kak-35 si muuntajaa ja niiden ohjaimet. Tähän päästään siten, il 97176 7 että samalla kun toinen ohjaussignaali sytyttää ylähaaran tehokomponentin se myös samalla kehittää jännitteen, joka sammuttaa alahaaran tehokomponentin. Vastaavasti toinen muuntaja kehittää toisen tehokomponentin sammutukseen tar-5 vittavat jännitetasot ja vastaavasti toisen tehokomponentin sytyttämiseen tarvittavat jännitetasot. Koska keksinnön mukaisessa ohjauskytkennässä tehokompontin sammutus on useita kertoja nopeampi kuin sytytys, saadaan toinen teho-komponentti sammumaan ennen kuin samalla ohjaussignaalilla 10 ohjattu toinen tehokomponentti saadaan syttymään, jolloin haaran läpisyttyminen estyy. Jos molempia tehokomponentte-ja ohjataan hetkellisesti yhtä aikaa, sammuvat molemmat tehokomponentit. Tämä perustuu siihen, että molempien te-hokomponenttien apupuolijohdekytkinkomponentit saavat hi-15 lalleen ohjauksen, jolloin ne molemmat siirtyvät johtavaan tilaan. Tällöin niiden kautta kulkeva virta kasvaa niin suureksi, ettei muuntajan sytytysenergiaa syöttävä käämi pysty ylläpitämään tehokomponentin hilajännitettä vaan se tulee alas ja komponentti sammuu. Kumpikin ohjaus voidaan 20 muutaman kymmenen mikrosekunnin kuluttua poistaa samanaikaisesti. Tällöin tehokomponentit jäävät aiemmin esitetyn mukaisesti sammuksiin niiden hilaemitterivälille kytketyn vastuksen vaikutuksesta.

Kuten edellä on todettu, keksinnön mukaisessa teho-25 komponentin ohjauspiirissä tehokomponentin sytytykseen tarvittava energia tuodaan suoraan muuntajan läpi en-siöpiirin puolelta eikä tehokomponentin emitteripotenti-aalissa tarvita lainkaan energiavarastoa. Koska keksinnön mukaisessa ratkaisussa ei tarvita sammutusenergiavarastona 3 0 lämmönkestoltaan huonohkoja elektrolyyttikondensaattoreita eikä muitakaan lämpötilalle arkoja komponentteja, on keksinnön mukainen ohjauspiiri mahdollista sijoittaa kuumaankin ympäristöön käyttöiän silti vaarantumatta.

Yhteenvetona voidaan vielä todeta, että keksinnön 35 mukaiselle ohjauspiirille on tyypillistä, että sen avulla 8 97176 kyetään toteuttamaan täydellinen galvaaninen eristys mielivaltaiseen jännitetasoon saakka muuntajakytkennän ansiosta, erillistä tehonsyöttöä hilanohjauspiirille ei tarvita, tehokomponentin sammutus aikaansaadaan negatiivisel-5 la hilajännitteellä, pehmeä sammutus on mahdollinen oi-kosulkutilanteessa, sytytysjännitteen regulointi ja hila-jännitteen rajoitus tapahtuvat oikosulkutilanteessa automaattisesti ja sammutus on useita kertoja nopeampi kuin sytytys, mistä seurauksena olevan kuolleen ajan ansiosta 10 push-pull -kytketty tehoaste ei voi syttyä läpi.

Yllä keksinnön mukaista puolijohdekytkimen ohjaus-piiriä on kuvattu vain yhden esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla ja on ymmärrettävää, että siihen voidaan tehdä joitakin muutoksia poikkeamatta kuitenkaan oheisten pa-15 tenttivaatimusten määrittelemästä suojapiiristä. Täten kuvauksessa tehokomponenttina käytetty IGBT-komponentti voisi olla FET-komponentti. Samoin apupuolijohdekytkimenä soveltuvat käytettäväksi muutkin elektroniset kytkinkom-ponentit kuin kuvioissa esitetty FET.

Il

Claims (4)

97176 9

1. Puolijohdekytkimen ohjauspiiri, joka käsittää muuntajakytkennän (Tl, T2) sekä ohjausenergian että 5 ohjaustiedon sisältävien vaihtojännitesignaalien kehittämiseksi , tasasuuntauskytkennän (DB1, DB2) muuntajakytkennän (Tl, T2) kehittämien vaihtojännitesignaalien tasasuuntaa-miseksi puolijohdekytkimen (SW1) sytyttämiseen ja sammut-10 tamiseen soveltuvien tasajännitetasojen (UI, U3, U2) kehittämiseksi, ensimmäisen vastuksen (R2) kytkettynä ensimmäisestä päästään puolijohdekytkimen (SW1) ohjauselektrodiin, toisen vastuksen (Rl) kytkettynä puolijohdekytkimen 15 ohjauselektrodin ja emitteri- tai lähde-elektrodin väliin ja apupuolijohdekytkimen (VI) sovitettuna puolijohde-kytkimen (SW1) ohjauselektrodin ja tasasuuntauskytkennän kehittämän, puolijohdekytkimen sammutukseen tarkoitetun 20 tasajänniteulostulon (U3) väliin apupuolijohtimen (VI) ohjauselektrodin ollessa kytkettynä tasasuuntauskytkennän kehittämään, apupuolijohdekytkimen ohjaukseen tarkoitettuun tasajänniteulostuloon (U2) , tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää 25 zenerdiodin (V2) kytkettynä ensimmäisen vastuksen (R2) toisen pään ja tasasuuntauskytkennän kehittämän, puoli johdekytkimen (SW1) sytytykseen tarkoitetun tasajänniteulostulon (UI) väliin ja diodin (V4) kytkettynä päästösuuntaisena tasasuun-30 tauskytkennän sammutusjänniteulostulon (U3) ja puolijohde-: kytkimen (SW1) emitteri- tai lähde-elektrodin väliin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjauspiiri, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää zenerdiodin (V3) ja diodin (V5) sarjaankytkennän 35 kytkettynä päästösuuntaisena puolijohdekytkimen (SW1) oh- 97176 10 jauselektrodin ja apupuolijohdekytkimen (VI) ohjauselekt-rodin väliin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ohjauspiiri, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää kol- 5 mannen vastuksen (R3) kytkettynä apupuolijohdekytkimen (VI) ja puolijohdekytkimen sammutukseen tarkoitetun tasa-jänniteulostulon (U3) väliin.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen ohjaus-piiri, tunnettu siitä, että muuntajakytkentä kä- 10 sittää sytytysjännitteeksi (UI) tasasuunnattavan jännitteen kehittävän ensimmäisen muuntajan (Tl) ja sammutusjän-nitteeksi (U3) ja apupuolijohdekytkimen (VI) ohjausjännitteeksi (U2) tasasuunnattavat jännitteet kehittävän toisen muuntajan (T2) ja että ensimmäisen muuntajan (Tl) toi-15 siokäämin toinen napa ja toisen muuntajan (T2) toisiokää-min keskipiste on kytketty toisiinsa ja puolijohdekytkimen emitteri- tai lähde-elektrodiin vertailupotentiaalin (0V) muodostamiseksi. il 97176 11