ITMI971116A1 - Dispositivo in configurazione emitter-switching con mezzi per recuperare la carica elettrica durante la fase di spegnimento - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un dispositivo in configurazione emitter-switching, ed in modo particolare un dispositivo secondo il preambolo della prima rivendicazione.
Un particolare tipo di dispositivo in configurazione emitter-switching è costituito da un elemento interruttore di potenza ad alta tensione (ad esempio un transistore bipolare) e da un elemento interruttore di segnale a bassa tensione (ad esempio un transistore bipolare o ad effetto di campo) in cui il terminale di emettitore del transistore di alta tensione è connesso al terminale di raccolta di cariche (collettore o drain) del transistore di bassa tensione; tipicamente, il transistore di alta tensione ha una tensione di rottura della giunzione collettore-base ad emettitore aperto (Bvcbo o Breakdown Voltage collectorbase, open emitter) che può raggiungere 2kV, mentre il transistore di bassa tensione ha una tensione di rottura inferiore a 60V. Lo spegnimento veloce del transistore di bassa tensione consente uno spegnimento estremamente rapido del transistore di alta tensione, per cui tale configurazione è comunemente impiegata in applicazioni in cui si richiede al transistore di alta tensione capacita' di rapida commutazione tra i suoi stati di conduzione e di interdizione.
Un dispositivo in configurazione emitter-switching include un elemento di spegnimento, costituito ad esempio da un diodo, collegato tra il terminale di base del transistore di alta tensione ed il terminale di emissione di cariche (emettitore o source) del transistore di bassa tensione. In fase di apertura del dispositivo, il tempo di spegnimento del transistore di alta tensione risulta maggiore del tempo di spegnimento del transistore di bassa tensione, a causa del forte accumulo di cariche nella regione di base. Pertanto, dopo che il transistore di bassa tensione si è spento annullando la corrente di emettitore del transistore di alta tensione, la corrente di collettore del transistore di alta tensione fluisce attraverso la sua base scaricandosi tramite l'elemento di spegnimento, tipicamente verso un terminale di riferimento, a massa. Una volta che il transistore di alta tensione ha eliminato tutte le cariche residue in base, tale transistore si spegne e la sua corrente di collettore si annulla.
Gli inventori hanno riconosciuto che nei dispostivi in configurazione emitter-switching noti la carica elettrica scaricata a massa durante la fase di spegnimento non è in alcun modo utilizzata, con conseguente<' >spreco di energia in un circuito in cui è inserito il dispositivo.
Scopo della presente invenzione è di ovviare a tale inconveniente. Per raggiungere tale scopo è previsto un dispositivo in configurazione emitterswitching come descritto nella prima rivendicazione.
Il dispositivo della presente invenzione recupera la carica elettrica comunemente scaricata verso massa durante la fase di spegnimento al fine di utilizzarla per altri scopi, ottenendo in tale modo un notevole risparmio di energia.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo in configurazione emitter-switching secondo la presente invenzione risulteranno dalla descrizione di seguito riportata di una sua forma di realizzazione preferita, data a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle figure allegate, in cui:
Fig.la-lc illustrano diverse forme di realizzazione del dispositivo in configurazione emitter-swirching della presente invenzione;
Fig.2 è uno schema di principio di un circuito noto di pilotaggio per una lampada,·
Fig.3 mostra un esempio di icazione del dispositivo della presente invenzione nel circuito della Fig.2.
Con riferimento in particolare alla Fig.la, è illustrato un dispositivo in configurazione emitterswitching ES comprendente un transistore a giunzione bipolare {Eipolar Junction Transistor, o BJT) di alta tensione Th (di tipo NPN), il cui terminale di emettitore è collegato al terminale di drain di un transistore ad effetto di campo di tipo metallo-ossidosilicio (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor, MOSFET o semplicemente MOS) di bassa tensione MI (a canale N). Il terminale di base del transistore Th, a cui è collegato un resistore di ingresso R, ed il terminale di gate del transistore MI costituiscono un terminale di comando Ct.del dispositivo ES, il quale permette di aprire e chiudere alternativamente il collegamento tra due rami di un circuito connessi ad un primo (P1) e ad un secondo (P2) terminale di potenza del dispositivo ES costituiti, rispettivamente, dal terminale di collettore del transistore Th e dal terminale di source del transistore MI.
Il dispositivo ES comprende inoltre un elemento di connessione (o di spegnimento) costituito da un diodo D (oppure una catena di diodi, un diodo Zener, e simili) collegato tra il terminale di base del transistore Th ed il terminale di source del transistore Mi. Nel dispositivo della presente invenzione, l'elemento di spegnimento include inoltre mezzi in grado di recuperare la carica elettrica scaricata durante una fase di spegnimento del dispositivo ES; preferibilmente, è utilizzato un condensatore C avente un terminale collegato al terminale di source del transistore Mi e l'altro terminale connesso al terminale di catodo del diodo D, il cui terminale di anodo è collegato al terminale di base del transistore Th. Durante ogni fase di spegnimento del dispositivo ES, le cariche residue nella base del transistore Th sono scaricate attraverso il diodo D ed accumulate nel condensatore C; l'energia così recuperata è quindi successivamente utilizzabile per le più svariate applicazioni. La presente invenzione si presta comunque ad essere realizzata anche con un transistore MOS avente il terminale di gate cortocircuitato sul terminale di source, con altri mezzi di accumulo di carica equivalenti, oppure con mezzi in grado di utilizzare direttamente tale carica elettrica .
Con riferimento alla Fig.lb (gli elementi già rappresentati nella Fig.la sono identificati con gli stessi simboli di riferimento), considerazioni analoghe si applicano in un dispositivo in configurazione emitter-switching ES' ottenuto sostituendo il transistore MOS con un transistore bipolare di bassa tensione (di tipo NPN) Tl, o- con altri elementi interruttori di bassa tensione equivalenti.
In una. forma di realizzazione alternativa, come mostrato in Fig.lc, un dispositivo in configurazione emitter- switching ES'' è realizzato utilizzando due transistori di alta tensione Th'· e Th'' collegati in configurazione Darlington, cioè con il terminale di collettore in comune ed il terminale di emettitore del transistore Th' direttamente collegato al terminale di base del transistore Th''; analogamente al caso precedente, un resistore di ingresso R' è collegato al terminale di base del transistore Th'. L'elemento di spegnimento è costituito da un condensatore C' avente un terminale collegato al terminale di source del transistore MI, mentre l'altro terminale è connesso al terminale di catodo di due diodi D' e D'', i cui terminali di anodo sono collegati al terminale di base del transistore, rispettivamente, Th' e Th' '. Considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui siano utilizzati tre o più transitori di alta tensione in coniigurazione Darlington, o altri elementi interruttori di alta tensione equivalenti. _
Un esempio particolarmente vantaggioso di utilizzo del dispositivo in configurazione emitter-switching della presente invenzione è costituito da un circuito in cui è già presente un condensatore che accumula una carica elettrica e la fornisce quindi ad un apposito dispositivo utilizzatore. Con riferimento in particolare alla Fig.2, è illustrato un circuito noto di pilotaggio per una lampada, ad esempio a fluorescenza, costituito da un convertitore di frequenza a semi-ponte. Il circuito include un generatore di tensione Vr che mantiene tra un suo terminale negativo (-), collegato ad un terminale di riferimento o massa, ed un suo terminale positivo (+) una tensione costante, ad esempio di 300V. Il generatore di tensione Vr è tipicamente costituito da un alimentatore che riceve in ingresso una tensione alternata fornita da una rete di alimentazione (ad esempio con ampiezza di 220V e frequenza di 50Hz), la raddrizza e la filtra per fornire in uscita una tensione continua di valore desiderato.
Due interruttori di alta tensione S1 ed S2 tra loro collegati in serie sono connessi in parallelo al generatore di tensione Vr; gli interruttori S1 ed S2 hanno un terminale di potenza in comune, mentre l'altro terminale di potenza dell'interruttore S1 e l'altro terminale di potenza dell'interruttore S2 sono collegati, rispettivamente, al terminale positivo (+) ed al terminale negativo (-) del generatore di tensione Vr. Ciascuno degli interruttore S1 ed S2 è comandato da un corrispondente dispositivo di pilotaggio (driver), rispettivamente, Dr1 e Dr2; un terminale di comando dei dispositivi di pilotaggio Dr1 e Dr2 è collegato ad un corrispondente terminale di comando degli interruttori, rispettivamente, S1 ed S2.
L'alimentazione del dispositivo di pilotaggio Dr2 è realizzata utilizzando una pompa di carica collegata in parallelo all'interruttore S2 e costituita da un condensatore C1, un diodo Di ed un ulteriore condensatore C2 tra loro connessi in serie. In particolare, un primo terminale del condensatore C1 è collegato al terminale di potenza dell'interruttore S2 connesso al terminale di massa, mentre l'altro terminale è collegato al terminale di catodo del diodo D1, il terminale di anodo del diodo Di è collegato ad un terminale del condensatore C2, l'altro terminale del quale è collegato all'altro terminale di potenza dell'interruttore S2. Un condensatore di protezione (snubber) C3 {con la capacità del condensatore C3 inferiore a quella del condensatore C1) è inoltre connesso tra il terminale di anodo del diodo D1 ed il terminale di potenza dell'interruttore S2 connesso al terminale di massa.
Il dispositivo di pilotaggio Dr2 ha un terminale di alimentazione negativo (-) ed un terminale di alimentazione positivo {+) collegati, rispettivamente, al terminale del condensatore C1 connesso al terminale di massa ed all'altro terminale dello stesso condensatore C1. Una ulteriore pompa di carica, non mostrata in figura, trasla opportunamente la tensione di alimentazione del dispositivo di pilotaggio Dr2; tale tensione traslata è applicata ad un terminale di traslazione del dispositivo di pilotaggio Dr2 a cui è collegato un terminale di alimentazione negativo (-) del dispositivo di pilotaggio Dr1, un terminale di alimentazione positivo (+) del quale è collegato al terminale positivo (+) del generatore di tensione Vr. In alternativa, l'alimentazione del dispositivo di pilotaggio Dr1 è realizzata utilizzando una pompa di carica analoga a quella descritta sopra e collegata in parallelo all'interruttore S1.
Un induttore L1, un condensatore C4 ed una lampada FL, tra loro collegati in serie, sono connessi in parallelo all'interruttore S1. In parallelo alla lampada FL è infine collegato un condensatore C5 per l'accensione (start-up) della lampada FL.
I dispositivi di pilotaggio Dr1 e Dr2 comandano alternativamente in apertura ed in chiusura gli interruttori, rispettivamente, S1 ed S2, in modo che quando un interruttore è aperto l'altro interruttore è chiuso, e viceversa. Quando l'interruttore S2 è aperto, ai capi della pompa di carica C1,D1,C2 è applicato un gradino di tensione,, nell'esempio in questione di 300V (essendo l'interruttore S1 chiuso),-nella pompa di carica C1,D1,C2 circola pertanto una corrente che carica i condensatori C1, C2 e C3. Quando l'interruttore S2 è chiuso, il diodo D1 è polarizzato inversamente, in modo da impedire al condensatore C1 di scaricarsi. In tale modo, ai capi del condensatore C1 si ottiene una tensione opportuna (ad esempio 10V) utilizzata per alimentare il dispositivo di pilotaggio Dr2 ; tipicamente, all'interno del dispositivo di pilotaggio Dr2 è previsto un diodo Zener di stabilizzazione (non mostrato in figura) collegato in parallelo al condensatore C1 per limitare la tensione massima ai capi dello stesso.
La tensione di alimentazione fornita dal condensatore C1 è opportunamente traslata, ad esempio ad un valore di 290V. Tale tensione traslata è applicata, tramite il terminale di traslazione del dispositivo di pilotaggio Dr2, al terminale di alimentazione negativo (-) del dispositivo di pilotaggio Dr1, al cui terminale di alimentazione positivo (+) è applicata la tensione di 300V; in questo modo, anche il dispositivo di pilotaggio Dr1 risulta alimentato da una opportuna tensione, nell'esempio in questione uguale a 300-290=10V.
Ai capi dell'interruttore S2 si ottiene un'onda quadra con una tensione di valore 0 quando l'interruttore S2 è chiuso (e l'interruttore S1 è aperto) ed un valore di tensione uguale a 300V quando l'interruttore S2 è aperto (e l'interruttore S1 è chiuso) . Tale onda quadra è filtrata dall'induttore L1 e dal condensatore C4, in modo che ai capi dalla lampada FL si abbia una tensione sinusoidale con frequenza elevata determinata, ad esempio 50kHZ.
Con riferimento ora alla Fig.3 (gli elementi già rappresentati nelle Fig.la e 2 sono identificati con gli stessi simboli di riferimento), è illustrato uno schema di principio di un circuito di pilotaggio Dr per una lampada comprendente il dispositivo in configurazione emitter-switching della presente invenzione. In particolare, il dispositivo della presente invenzione è utilizzato per realizzare l'interruttore S2; considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui tale dispositivo sia utilizzato per realizzare l'interruttore S1, oppure entrambi gli interruttori S1 ed S2.
L'interruttore S2 comprende il dispositivo in configurazione emitter-switching della Fig.la, in cui il terminale di source del transistore MI è collegato al terminale di alimentazione negativo (-) del dispositivo di pilotaggio Dr2, il terminale di collettore del transistore Th è connesso al terminale di potenza {collegato all'induttore L1) dell'interruttore S1 ed il terminale di base del transistore Th (tramite il resistere R) ed il terminale di gate del transistore Mi sono collegati al terminale di comando del dispositivo di pilotaggio Dr2. Un diodo di ricircolo (free-wheeling) D2 è collegato con i suoi terminali di anodo e di catodo, rispettivamente, al terminale di source del transistore Mi ed al terminale di collettore del transistore Th. Il condensatore di snubber C3 è in tale caso collegato tra il terminale di source del transistore MI ed il terminale di collettore del transistore Th.
Il terminale del condensatore C collegato al terminale di source del transistore Mi risulta pertanto connesso al terminale di alimentazione negativo (-) del dispositivo di pilotaggio Dr2; l'altro terminale del condensatore C (connesso al catodo del diodo D) è collegato al terminale di alimentazione positivo (+) del dispositivo di pilotaggio Dr2. Tale condensatore è utilizzato per alimentare il dispositivo di pilotaggio Dr2 (analogamente al condensatore C1 della Fig.2); durante ogni fase di spegnimento dell'interruttore S2, il condensatore C è caricato in modo da rimpiazzare la carica elettrica fornita dallo stesso condensatore al dispositivo di pilotaggio Dr2 durante la fase di conduzione dell'interruttore S2. Tale struttura risulta particolarmente semplice ed offre il vantaggio di permettere un notevole risparmio di componenti (gli elementi D1 e C2 della Fig.2).
Il dispositivo della presente invenzione si presta comunque ad essere utilizzato anche in diverse applicazioni, come ad esempio in un regolatore di tensione per un sistema di alimentazione, e simili.
Ovviamente al dispositivo in configurazione emitter-switching sopra descritto un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nell'ambito di protezione dell'invenzione, quale definito dalle seguenti rivendicazioni.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo in configurazione emitter-switching (ES), avente un primo (P1) ed un secondo (P2) terminale di potenza ed un terminale di comando (Ct), comprendente un elemento interruttore di alta tensione (Th) avente un primo terminale connesso direttamente al primo terminale di potenza (P1) del dispositivo (ES), un terminale di comando collegato al terminale di comando (Ct) del dispositivo (ES) ed un secondo terminale, un elemento interruttore di bassa tensione (M1) avente un primo terminale connesso direttamente al secondo terminale dell'elemento interruttore di alta tensione (Th), un secondo terminale ed un<' >terminale di comando connessi direttamente, rispettivamente, al secondo terminale di potenza (P2) ed al terminale di comando (Ct) del dispositivo (ES), mezzi di connessione (D) per scaricare una carica elettrica dal terminale di comando dell'elemento interruttore di alta tensione (Th) al secondo terminale dell'elemento interruttore di bassa tensione (M1) durante una fase di spegnimento del dispositivo (ES), caratterizzato dal fatto che i mezzi di connessione includono mezzi (C) per recuperare detta carica elettrica.
- 2. Dispositivo (ES) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di recupero sono costituiti da mezzi (C) per accumulare detta carica elettrica durante la fase di spegnimento.
- 3. Dispositivo (ES) secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di accumulo di carica sono costituiti da un condensatore (C).
- 4. Dispositivo (ES) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui l'elemento interruttore di bassa tensione è costituito da un transistore ad effetto di campo (M1), il primo terminale, il secondo terminale ed il terminale di comando dell'elemento interruttore di bassa tensione (Mi) essendo, rispettivamente, un terminale di drain, un terminale di source ed un terminale di gate.
- 5. Dispositivo (ES') secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui l'elemento interruttore di bassa tensione è costituito da un transistore bipolare (Tl), il primo terminale, il secondo terminale ed il terminale di comando dell'elemento interruttore di bassa tensione essendo, rispettivamente, un terminale di collettore, un terminale di emettitore ed un terminale di base.
- 6. Dispositivo (ES) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui l'elemento interruttore di alta tensione è costituito da un transistore bipolare di alta tensione (Th), il primo terminale, il secondo terminale ed il terminale di comando dell'elemento interruttore di alta tensione (Th) essendo, rispettivamente, un terminale di collettore, un terminale di emettitore ed un terminale di base.
- 7. Dispositivo (ES) secondo la rivendicazione 6, in cui i mezzi di connessione includono un diodo (D) collegato in serie al condensatore (C) in modo che quando il diodo (D) è polarizzato in diretta la corrente scorre nei mezzi di connessione dal terminale di base del transistore di alta tensione (Th) verso il secondo terminale dell'elemento interruttore di bassa tensione (Mi).
- 8. Dispositivo (ES'') secóndo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui l'elemento interruttore di alta tensione è costituito da almeno due transistori bipolari di alta tensione (Th',Th'') in configurazione Darlington aventi ciascuno un terminale di collettore, un terminale di emettitore ed un terminale di base, il primo terminale, il secondo terminale ed il terminale di comando dell'elemento interruttore di alta tensione essendo, rispettivamente, il terminale di collettore di un primo transistore di alta tensione (Th'), un terminale di emettitore di un ultimo transistore di alta tensione (Th'') ed un terminale di base del primo transistore di alta tensione (Th').
- 9. Dispositivo (ES'') secondo la rivendicazione 8, in cui i mezzi di connessione includono almeno due diodi (D',D'') aventi ciascuno un terminale di anodo collegato al terminale di base di un transistore di alta tensione (Th',Th'') corrispondente, il condensatore (C) avendo un primo terminale collegato ad un terminale di catodo di detti diodi (D',D" ) ed un secondo terminale collegato al secondo terminale dell'elemento interruttore di bassa tensione (M1).
- 10 . Circuito (Dr) comprendente il dispositivo in configurazione emitter-switching (S2) di una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 9 ed un elemento di pilotaggio (Dr2) per comandare detto dispositivo (S2) avente un primo (+) ed un secondo (-) terminale di alimentazione collegati, rispettivamente, ad un primo e ad un secondo terminale dei mezzi di accumulo di carica (C) .
- 11. Circuito secondo la rivendicazione 10, ulteriormente comprendente un generatore di tensione costante (Vr) avente un primo (+) ed un secondo (-) terminale, il secondo terminale (-) del generatore (Vr) essendo collegato al secondo terminale di potenza (P2) del dispositivo in configurazione emitter-switching (ES) , un ulteriore elemento interruttore di potenza (S1) avente un primo terminale di potenza collegato al primo terminale (+) del generatore (Vr) ed un secondo terminale di potenza collegato al primo terminale di potenza (P1) del dispositivo in configurazione emitterswitching (ES), un ulteriore elemento di pilotaggio (Dri) per comandare l'ulteriore elemento interruttore di alta tensione (S1) avente un primo (+) ed un secondo (-) terminale di alimentazione collegati, rispettivamente, al primo terminale (+) del generatore (Vr) e ad un terminale di traslazione dell'elemento di pilotaggio (Dr2),mezzi di filtraggio (L1,C4) collegati all'ulteriore elemento interruttore (S1) per applicare ad una lampada (FL) una tensione sostanzialmente sinusoidale a frequenza determinata.
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- 1997-05-13 IT IT97MI001116A patent/IT1291363B1/it active IP Right Grant
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1998
- 1998-04-27 US US09/067,365 patent/US6091276A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IT1291363B1 (it) | 1999-01-07 |
| ITMI971116A0 (it) | 1997-05-13 |
| US6091276A (en) | 2000-07-18 |
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| 0001 | Granted |