NO780772L - Apparat for styring av driften av effekttransistorer i en omvekslingsmodus - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat for å styre effekttransistorer som drives i en omvekslingsmodus.

Hittil er tyristoren ^'den mest vanlig anvendte statiske omvekslingsanordning i den elektroniske industri. Imidlertid kan effekttransistorer med fordel erstatte tyristoren og dette primært etter at høyspenningstransistoren kom. Det er i rea-liteten en fordel ved transistoren at den tillater at dens koblingsytelse kan styres på ethvert tidspunkt og av denne grunn synes transistoren å være den ideelle omvekslingsanordning for anvendelser som drives i en styrt omvekslingsmodus slik som opphakkere, batteriladere, omformere f or mating av motorer, reservetilførselsenheter, induks jonsoppvarmirigsapparatur, strøm-reguleringsapparater, for eksempel.

Videre tillater transistoren å realisere kretsanordninger som opererer hurtigere enn med tyristorer. Tross dens fordeler kan transistoren anvendes som en erstatning for tyristoren kun hvis den effektivt beskyttes mot overstrøm. Det kreves også forholds-regler for å motvirke spesielle fenomener som oppstår i om-vekslingsmodusen, f.eks. fenomenet med sekundært sammenbrudd, utsving forbi sikkerhetsområdet etc. Videre er det i anvendelser hvor det er ønskelig at flere effekttransistorer anvendes i parallell operasjon, som trengs for å tilveiebringe høyere effekt, nødvendig at.forholdsregler tas for å sikre god strøm-fordeling.

Den foreliggende oppfinnelse har til formål å tilveiebringe et styréapparat for effekttransistor som drives i en omvekslingsmodus og som løser de ovenfor nevnte problemer og gjør det mulig å motstå meget store belastninger slik som de som oppstår når det opereres med en støypåvirket mekanisme eller en direkte;.

jkortslutning ved f.eks. omformerklemmene. !

i Et annet formål ved den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et styreapparat for effekttransistorer som tillater flere slike transistorer å bli enkeltkoblet i parallell, og som tillater forskjellige typer av høyspennings-eller lavspennings-effekttransistorer å bli anvendt.

I overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det et styreapparat som omfatter en første transistor som har sin kollektorelektrode koblet til inngangen av effekttrinnmidler, en andre transistor som har sin.kollektorelektrode koblet til emitterelektroden av den første transistoren, og

. en tredje transistor som har.sin kollektorelektrode koblet til basiselektroden av den andre transistoren, hvor nevnte tredje transistor har sin basiselektrode koblet for å motta et styresignal. Første kretsmidler er koblet mellom basiselektroden av den første transistoren og kollektorelektroden. av den tredje transistoren for å drive den første transistoren i ledende tilstand under en forutbestemt tid for derved å tillate kollektor-emitterspenningen for effekttransistormidlene å nå et nivå

som er lavere enn en forutbestemt terskel. Andre kretsmidler omfattende en motstand seriemessig koblet med i det minste et diodemiddel kobler basiselektroden av den.første transistoren til kollektorelektroden av effekttransistormidlene for å detektere.kollektor-emitterspenningen av effekttransistormidlene som når et kritisk nivå ved innkobling. Tredje kretsmidler er tilveiebragt for å koble en impedans mellom kollektorelektroden av den første transistoren og basiselektroden av

den tredje transistoren for å innstille en minirhumsledetid for den tredje transistoren og således for effekttransistormidlene.

Fig.' 1 er et skjematisk diagram av en eksempelvis utførelse

av styreapparatet ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 er et forenklet diagram av en beskyttelseskrets som skal anvendes med en effekttransistor. Fig. 3 og 4 er diagrammer som viser karakteristikkurvene som illustrerer operasjonen av den styrte effekttransistoren. Fig. 5 er et skjematisk diagram av et omformerapparat som |.. - ' - i anvender styreapparatet ifølge oppfi-nnelsen.

I fig. 1 er det vist én styrekrets ifølge oppfinnelsen som

er beregnet for å styre basisstrømmen i effekttransistoren 'T Jr. Denne transistor representerer en eneste komponent eller

flere parallelt koblede effekttransistorer.

Basisstrømmen i transistoren T kommer fra et effekttrinn-

P

middel omfattende transistorene T^, og T^, T^koblet i komplementær Darlington-koblinger, hvilke koblinger er i og for seg kjent. Dette effekttrinn styres av en logisk krets omfattende transistorene T,-, Tg, T^. Denne logiske krets reagerer overfor et styresignal som påtrykkes styreinngangen A.

Transistorene T^ og T^tilveiebringer en negativ basisstrøm til effekttransistoren T Pnår den sistnevnte blokkerer, hvorved kollektorstrømmen i sistnevnte forsvinner hurtigere.

Styreanordningen mates med likestrømstilførselskilden V+ og

V-.

Darlington-koblingene T^, T2og T^, T^ kan erstattes hver av et forskjellig antall transistorer avhengig av verdien av basisstrømmen som skal tilføres transistoren T og av kompo-

P

nentene som er tilgjengelige.

En del av basisstrømmen for transistorene fås via diodene

1 og 2. Dette, resulterer i en progressiv basisstyring som

tilpasser basisstrømmen til kollektorstrømmen, hvorved basis-strømmen begrenses, hvilket resulterer i en betydelig be-sparelse i kravene til tilførselskilde for basisstyringen. Videre er denne krets som styrer metningstilstanden for effekttransistoren, effektiv til å forbedre blokkeringsoppførselen for transistoren. I tilfeller når den progressive styring av basisstrømmen ikke er ønskelig, f.eks. for å oppnå den lavest mulige verdi for metningsspenningen av transistoren T > kan dioden 1 utelates. Når dioder er tilgjengelige som er i stand til å motstå- en tilstrekkelig høy spenning, kan dioden 3 utelates eller, i reservetilfellet, kan seriekoblede dioder

i tilveiebringes. I dette tidligere tilfellet kan delemotstandene 4 og 5 også sløyfes.

Maksimalverdien av basisstrømmen i transistoren T Pbestemmes av motstanden 6. Når transistoren T er mettet, er spenningen over motstanden 6 maksimal og basisstrømmen i transistoren TP er ved sin maksimumsverdi.' I tilfeller hvor store strømkrav eksisterer for koblingsytelse, vil en kondensator 7 være koblet mellom motstanden 6 og jord (OV).

Først kobles kretsmidler mellom basisen av transistoren T5og kollektoren av effekttransistoren T for å detektere kollektor-P emi. tterspenningen for effekttransistoren T P idet den når et kritisk nivå. Disse midler omfatter en motstand 8 seriemessig koblet med i det minste en av diodene 3, 2 orientert som vist i fig. 1. Når effekttransistoren T er ledende og når dens

P

kollektor-emitterspenning er tilstrekkelig lav, holdes transistoren Tj. ledende gjennom banen som omfatter diodene 2 og 3

og motstanden 8., Videre er kretsmidlene som omfatter kondensatoren 10, motstanden 11 og dioden 12 seriemessig koblet som vist mellom basisen av transistoren T,. og kollektoren av transistoren T_, for å mette transistoren T,. under en forutbestemt tid ved innkobling. Nærværet av transistoren IV er nødvendig fordi når en.kortslutning tilveiebringes i stedet for, sikres ikke beskyttelsesfunksjonen. "Dioden 12 hindrer ladningen på kondensatoren 10 som holder transistoren T r b mettet under et lengre tidsrom når transistoren T? er blokkert. Når kollektor-emitterspenningen i transistoren T poverskrider en kritisk terskel, er transistoren TV ikke lenger mettet og transistorene, som danner del av effekttrinnet, påtrykker en negativ basisstrøm på transistoren T , for derved å bevirke sistnevnte til å være blokkerende. Således detekterer kretsen som nettopp er beskrevet, automatisk en kritisk verdi i kollektor-emitterspenningen av effekttransistoren T , hvorved hurtig, automatisk og selvgjenopprettende beskyttelse mot overstrøm tilveiebringes. Tilveiebringelsen av nevnte be-skyttelsesmidler tillater effekttransistoren T , å bli anvendt

P

ved sin høyeste yteevne. Videre tillater denne kretsen et flertall effekttransistorer å operere i en parallellanordnirig i

i uten å trenge passive fordelingselementer, forutsatt at gode j 'elektriske forbindelser foretas me 1-1 om emitter-, basis-og kollek-torelektrodenei disse transistorer.

Ved innkobling av effekttransistoren T resulterer tilveie-

P

bringelsen av beskyttelsesmidlene som beskrevet ovenfor i frem-bringelsen av en død-tid som er proporsjonal med kåpasitansen

for kondensatoren 10. Denne død-tid representerer tiden under hvilken en uvanlig stor verdi av kollektor-emitterspenningen for transistoren T ikke resulterer i at basisstrømmen avbrytes. Lengden av denne død-tid avhenger av typen av effekttransistor som skal anvendes.og av kretsanordningen hvori denne transis-

tor skal anvendes.

Tilbakekoblingskretsmidler er også tilveiebragt for å styre

de minimale lede- og blokkeringstider for effekttransistoren T P. I det viste eksempel omfatter disse kretsmidler serie-

messig koblet motstand 13 og kondensator 14, for derved å koble en impedans mellom kollektoren av transistoren Tj- og basisen av transistoren T^. Derfor blir, så snart som en styrepuls som har et tilstrekkelig nivå til å gjøre transistoren

ledende påtrykkes, selv for en meget kort varighet, nevnte transistor holdt ledende under en forutbestemt minimumstid som et resultat av tidskonstanten i kretsen omfattende kondensatoren 14, endog når nevnte styrepuls er forsvunnet før nevnte minimumstid er utløpt.. En tilsvarende mekanisme inntreffer ved fjerning, selv for meget kort tid, av styrepulsen på basisen av transistoren . Når man øker verdien av tilbakekoblings-impedansen som er koblet mellom kollektoren av transistoren

T5 r og basisen av transistoren T 7 opptil et vesentlig uendelig

nivå, oppnås det minimums lede- og blokkeringstider stort sett ned til null. Nærværet av denne tilbakekoblingsimpedans til-

later særlig effekttransistorer å operere med en kollektor-emitterspenning som er høyere enn den standardiserte karak-teristiske grense kollektor-emitterspenning VCEO (kollektor-emitterspenning med ikke koblet basis), men lavere enn den andre standardiserte kollektor-emittergrensespenning VCEX (kollektor-emitterspenning med negativ basisforspenning). En slik opera-

sjon råder over dimensjoneringen av beskyttelseskretsmidlene for effekttransistoren T P ved utkoblingy . Disse beskJyttelsesmidler

i 'omfatter vanligvis en motstand (R), en diode (D) og en kondensator (C) anordnet som vist i fig. 2. Dimensjoneringen av disse kretsmidler og konstruksjonen, av basisstrømstyrekretsen

ifølge oppfinnelsen må foretas mens man tar i betraktning de spesielle krav som er omtalt i det etterfølgende.

Hvis man antar at effektkrétsen i hvilken transistoren T skal

P

anvendes, krever en strøm ved brudd inntil kollektor-emitterspenningen VCE når et nivå U^, bør de følgende betingelser være tilfredsstillet: a) Verdien av kollektorstrømmen I c må aldri overskride lekkasjJe-strømverdien i effekttransistoren i blokkerende tilstand når

kollektor- emitterspenningen VCE er høyere enn VCEO, ettersom dette kunne resultere i at halvlederen snur til en lavine-effekttilstand. Verdien av kondensatoren C må velges slik at kollektorstrømmen I allerede har nådd null verdi når VCE når VCEO nivået (se diagrammet i fig. 3).

b) Etter at ' effekttransistoren T per blitt innkoblet er det nødvendig å hindre enhver blokkeringstilstand inntil spenningen

over kondensatoren G når et nivå som er stort sett lavere enn VCEO (se diagrammet i fig. 4). I det motsatte tilfellet vil effekttransistoren T måtte avbryte en strøm ved en spenning som er høyere enn VCEO og den vil muligvis snu til en lavine-effekttilstand. Dette resultat oppnås ved å velge den minimale ledetid t^som bestemt av impedansen i kretsen .13-14.

Når således effekttransistoren tilfeldig innkobles (f.eks.

, ved en parasittstrøm, endog av meget kort varighet, på styre-linjen), holder styrekretsen transistoren ledende under den tid som er nødvendig for å bevirke beskyttelseskondensatoren C til å utlade i en tilstrekkelig grad.

En eksempelvis anvendelse av styreapparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse skjer i forbindelse med en omformer for

å mate likestrømsmotorer fra 380 V nett som skjematisk antydet i fig. 5. Denne omformer omfatter de følgende undergrupper:

(a) En trefase-nett likeretterundergruppe..51 med utjevnings-

i

■;induktans L og filtreringskondensator C for å tilveiebringe en. likestrømstilførselsspenning U^.' (b) En strømstyrt opphakker undergruppe 52 som er i stand til å operere som en to-kvadrant opphakker. Utgangsstrømmen 1^har alltid den samme polariteten og utgangsspenningen U, kan variere mellom og"Ug. Når strømmen 1^og spenningen U, har motsatte polariteter, blir energien matet tilbake til filtreringskondensatoren C og når I^og har den samme polariteten mater<p>pphakkeren belastningen. Diodene Dg og D^q •begrenser utgangsspenningen ved nivået av spenningen over filtreringskondensatoren C. Transistorene T^og T2i opphakker-kretsen må være i stand til å motstå omvekslingsvirkninger ved en spenning VCEO som er større enn U^. De kan drives a<y>et basisstrøm-styreapparat i overensstemmelse med oppfinnelsen (fig. 1).

(c) En strømvekselretter undergruppe 53 som mates fra en tilførselskilde for å påtrykke motoren MA de ønskede strømbølge-former. Diodene D, ., til D,, hindrer transistorene i å bli

11 lb

drevet i sperreretning, mens diodene D^-, til D22begrenser overspenningene som bevirkes av strømomvekslingsmekanismen i motoren MA ved spenningen over kondensatoren C. Ettersom

transistorene T0 til T0 er koblet til en strømkilde utsettes

■lo

de ikke for overbelastninger som stammer fra friløpsdiode-virkninger, slik at det kan gjøres bruk av transistorer som har en VCEO lavere enn tilførselsspenningsnivået og en VCEX større enn nevnte tilførselsspenningsnivå. Disse transistorer drives så ved hjelp av basisstrømstyreappratet i overensstemmelse med

anordningen i fig. 1, innbefattende kretsmidler for å styre minimumsledetiden.

Apparatet ifølge oppfinnelsen omfatter videre midler for å styre og indikere tilstanden (På eller AV) av effekttransistoren T p. Denne indikasjon er spesielt nyttig ved anvendelser hvor to transistorer aldri kan være samtidig PÅ eller innkoblet, slik som f.eks. i en spenningsmatet vekselretter.

Informasjonen vedrørende effekttransistor-tilstanden tilveiebringes av transistoren Tg. Basiselektroden av denne transistor ,mottar et signal som representerer kollektorspenningen for I transistoren T . For dette formål* er basiselektroden av transistoren■Tg koblet via motstanden 15 og diodene 3 og 2

t"il kollektorelektroden av transistoren T . Når sistnevnte

P

mettes, er denskollektor-emitterspenning lav og transistoren Tg er mettet gjennom diodene 2, 3 og motstanden 15. Når effekttransistoren T p er AV eller utkoblet, er transistoren T8Q ikke lenger mettet. Det er således klart at spenningen på utgangen B i fig. 1 indikerer effekttransistorens T^ tilstand.

Utgangen B på fig. 1 kan sammenkobles med styreiringangen A

i styreapparatet fbr■en andre effekttransistor gjennom visse koblingsmidler (ikke vist) som er i stand til å blokkere nevnte styreinngang A når transistoren Tg er mettet og muliggjøre påtrykningen av et styresignal til nevnte,inngang A når transistoren Tg er AV. Slik sammenkobling av styreapparatet for to effekttransistorer gjør det derved mulig å hindre at en effekttransistor innkobles mens den andre fremdeles er PÅ.

Claims (6)

1. Apparat for å styre basisstrømmen i en effekttransistor som drives i en omvekslingsmodus, hvor nevnte effekttransistor mates gjennom effekttrinnmidler for en spenningskilde, karakterisert ved at apparatet omfatter logiske midler som innbefatter: - en første transistor (T,_) som har sin kollektorelektrode koblet til inngangen av effekttrinnmidlerie, -en andre transistor (T,) som har sin kollektorelektrode koblet til emitterelektroden av den første transistoren, - en tredje transistor (T.-,) som har sin kollektorelektrode koblet til basiselektroden av den andre transistoren, hvor nevnte tredje transistor har sin basiselektrode koblet til å motta et styresignal, - første kretsmidler koblet mellom basiselektroden av den første transistoren og kollektorelektroden av den tredje transistoren for å drive den første transistoren i ledende tilstand under en forutbestemt tid for derved å tillate kollektor-emitterspenningen i effekttransistormidlene til å ; nå et nivå som er lavere enn en forutbestemt terskel, i - andre kretsmidler omfattende motstandsmidler (8) seriemessig koblet med i det minste et diodemiddel (2, 3) for-binder basiselektroden av den første transistoren med kollektorelektroden hos effekttransistormidlene, for å detektere kollektor-emitterspenningen hos effekttransistormidlene som når et kritisk nivå ved innkobling, og - tredje kretsmidler anordnet til å koble en impedans mellom kollektorelektroden av den første transistoren og basiselektroden av den tredje transistoren for å innstille en minimumsledetid for den tredje transistoren og således for effekttransistormidlene.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved i det minste et diodemiddel (1, 2) koblet mellom inngangen til effekttrinnmidlene og. kollektorelektroden av effekttransistoren, hvor nevnte diodemiddel er orientert slik at dets katode-elektrode ér koblet til kollektorelektroden av effekttransistoren.

3. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte første kretsmidler omfatter seriemessig koblede kondensatormiddel (10), motstandsmiddel (11) og diodemiddel (12), hvor diodemiddelet er orientert slik at dets katode-elektrode er koblet til kollektorelektroden av den tredje transistoren (T^).

4. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte tredje kretsmidler omfatter seriemessig koblede motstandsmiddel (13) og kondensatormiddel (14).

5. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte tredje kretsmidler omfatter impedansmidler som har en stort sett uendelig verdi.

6. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at det videre er tilveiebragt en fjerde transistor (Tg) koblet slik at dens basiselektrode mottar et signal som indikerer kollektor-emitterspenningen i effekttransistoren, hvor nevnte fjerde transistor er koblet slik at den er AV når i <;> nevnte kollektor-emitterspenning overskrider et forutbestemt terskelnivå.