SE450068B - Styrkretskoppling for grindstyrda diodstromstellare - Google Patents

Description

_: UI h) UI LH Uw 450 068 g 2 stånd att, upp till en förutbestämd nivå, mata ström till den andra strömställaranordningen; varvid styrklämman hos den tredje strömställaranordningen samt en första utgångsklämma hos den fjärde strömställaranordningen är kopplade till en första styr- kretskopplingingångklämma; varvid en andra utgångsklämma hos den fjärde strömställaranordningen är kopplad till en första utgångs- klämma hos den andra strömställaranordningeng varvid styrklämman hos den fjärde strömställaranordningen samt den första utgångs- klämman hos den tredje strömställaranordningen är sammankopplade och kopplade till en andra styrkretskopplingsklämma; och varvid en andra utgângsklämma hos den tredje strömställaranordningen är kopplad till styrklämman hos den andra strömställaranordningen.

Föreliggande uppfinning är riktad på styrkretskopplingar, som användes tillsammans med en styrströmställare (GDSC),vilken är kopplad via en utgångsklämma till styrklämman hos en likadan belastningsströmställare (GDSL1 eller GDSL2). Både styr- och i belastningsströmställaren har en styrklämma samt första och andra utgångsklämmor. Vid en föredragen utföringsform utgöres dessa strömställare av grindstyrda diodströmställare, vars utgångsklämmor är anoden och katoden och vars styrklämma är styret. Styrkretsen enligt uppfinningen innefattar väsentligen två strömställaranord- ningar (Q2 och Q3), vilka var för sig har en styrklämma samt första och andra utgångsklämmor. Vid en utföringsform utgöres nämnda första och andra strömställaranordningar av bipolära transistorer av p-n-p~typ. Basen hos Q2 samt emittern hos Q3 är hopkopplade till en ingångsklämma. Emittern hos Q2 och basen hos QS är kopplade till 'en gemensamt klämma. Kollektorn hos QS är kopplad till anoden hos GDSC och kollektorn hos Q2 är kopplad till styret hos GDSC. Q2 och Q3 tjänar väsentligen till att styra tillståndet hos GDSC.

Den på ritningen âskâdliggjorda figuren visar en utförings- form av uppfinningen.

Rítningsfiguren visar en strömställaranläggning 10 som inne- fattar en styrkretskoppling 12 (inom den största linjerektangeln), vilken är kopplad via en utgångsklämma 34 till styrena hos ett par av grindstyrda diodströmställaranordningar GDSL1 och GDSL2 med hög spänningsbelastning (pass). Anoden hos GDSL1 och katoden hos GDSL2 är kopplade till en klämma X0 samt till en första klämma hos ett motstånd R3. En andra klämma hos R3 är kopplad till en klämma 36 samt till en spänningskälla V1. Anoden hos GDSL2 och katoden hos GDSL1 är kopplade till en klämma YO och till en första klämma hos ett motstånd R4. En andra klämma hos R4 är ' r] (11 40 3 450 068 kopplad till en klämma 38 och till en spänningskälla V2. Kombina- tionen av GDSL1 och GDSL2 fungerar såsom en dubbelriktad ström- ställare, vilken selektivt leder mellan klämmorna X0 och YO via en väg med relativt låg resistans genom GDSL1 eller GDSL2. För íllustrationsändamål kommer dessa strömställare att antagas vara grindstyrda diodströmställare. Styrkretskopplingen 12 fungerar för att påtrycka de erforderliga spänningarna vid klämmorna 34 och X0 samt för att överföra de nödvändiga spänningarna samt den strömsöknings- eller -sänkningsförmåga,_som är nödvändig för att styra tillstånden hos GDSL1 och GDSL2. ' Såsom är känt innefattar en grindstyrd diodströmställare (GDS) en halvledarkropp med en huvuddel, som har en första typ av ledningsförmåga och en relativt hög resistivitet, ett anodområde av den första ledningstypen och med relativt låg resistivitet, styrelektrod- och katodområden med en andra typ av ledningsförmåga, vilken är motsatt den första ledningstypen. Anod- och katodområdena är kopplade till utgångsklämmor hos strömställaren. Styrelektrod- området är kopplat till en styrklämma hos strömställaren. Anod-, styrelektrod- och katodområdena är inbördes separerade genom delar av halvledarkroppens huvudmassa. Ledning under TILL-tillståndet mellan katod- och anodområdena sker genom dubbelladdningsbärar- införing, som bildar ett ledande plasma. Anordningen kopplas till -FRÅN-tillståndet genom applíceríng av en lämplig spänning på styrelektrodomrâdet för att tömma huvuddelen mellan anod- och _ katodområdena hos laddningsbärarna.

Styrkretskopplingen 12 innefattar väsentligen en strömställare GDSC med hög spänning, en första spänningsgrenkrets 14 (åskådlig- gjord inom en strecklinjerektangel) samt en andra spänningsgren- kretskoppling 16 (åskådliggjord inom en annan strecklinjerektangel).

För åskådliggörande syften antages GDSC vara en grindstyrd diod- strömställare. Grenkretsen 14 bibehåller selektivt GDSL1 och GDSL2 i TILL-tillståndet, så att ledning kan ske genom endera av nämnda GDSL om spänningarna hos dess anod- och katodklämmor är tillräck- liga för att understödja ledning eller om den kan inhibera ledning genom båda belastningsströmställarna genom att hålla belastnings- strömställarna i FRÅN-tillståndet eller om den, för relativt lågt strömflöde genom GDSL1 och/eller GDSL2, kan åstadkomma en brytning av nämnda strömflöde (omkoppla en av nämnda GDSL till ett FRÅN- tillstånd). Grenkretsen 16 tjänar väsentligen till att omkoppla GDSL1 och GDSL2 till ett FRÅN-tillstånd och hjälper därför till att 'Jl 10 KJ U1 30 .u (Ju 40 450 D68 a 4 bryta (koppla bort) relativt stort strömflöde mellan klämmorna Xo och YO oberoende av de därpå påtryckta spänningarna, så länge som dessa spänningar är inom förutvalda gränser. r Grenkretsen 14 innefattar pnp-transistorer Q1, Q2 och QS, npn-transistorn Q4 samt motstånden Rl och RZ. En Vin-ingångs- klämma 18 är kopplad till en första klämma hos R1. En andra klämma hos R1 är kopplad till basdelarna hos Q1 och Q2, emittern hos QS och till en klämma 20. Emíttern hos Q1 är kopplad till en första klämma hos R2 och till en klämma 22. En andnaklämma hos R2 är kopplad till emittern hos Q2, basen hos Q3 samt till en klämma 26, som är kopplad till en effektkälla V++. Kollektorn hos Q1 är kopplad till basen hos Q4 samt till en klämma 24. Kollektorn _ hos Q2 är kopplad till styrelektroden hos GDSC samt till en klämma 28. Kollektorn hos Q3 är kopplad till anoden hos GDSC samt till en klämma 30. Emittern hos Q4 är kopplad till X0 och kollektorn hos Q4 är kopplad till styrelektroderna hos GDSL1 och GDSL2, katoden hos GDSC samt till utgångsklämman 34.

Grenledningen 16 innefattar väsentligen en diod D1, vars katod är kopplad till klämman 30 och vars anod är kopplad till en klämma.32 samt till en effektkälla V+. Normalt är effektkällan V+ mindre positiv i spänning än effektkällan V++.

Principiellt arbetar anläggningen 10 enligt följande: Om man - antar att GDSL1 och GDSL2 inte är ledande och att den på ingångsï klämman 18 påtryckta spänningen motsvaras av "1" (som normalt är 2,5 V mer positiv än V++), så är Q1, QZ och Q4 förspända FRÅN och Q3 förspänd TILL. GDSC är förspänd TILL, eftersom dess anod (klämma 30) har en spänning nära V++, och styrelektrodklämman har normalt flytande spänning vid nivån V++ eller mindre positiv nivå.

Läckströmmar hos GDSL1 och GDSL2 kan strömma från klämman 18 genom emittern-kollektorn hos QS, genom anoden-katoden hos GDSC och till styrelektroderna hos GDSL1 och GDSL2. Approximativt uppträder spänningsnivån V++ vid klämman 34. GDSL1 och GDSL2 är förspända FRÅN och hindrade från att leda ström.

Under antagande att Vin omkopplar från "1" till "0" (en "O"- spänningsnívâ är normalt 2,2 V mindre positiv än V++) förspännes Qi, QZ och Q4 nu TILL och Q3 FRÅN. Eftersom Q2 blir förspänd TILL ökar spänningen vid styrelektroden hos GDSC (klämma 28) till approximativt V++. Spänningen vid anoden hos GDSC (klämma 30), som också hade varit approximativt V++ börjar minska, eftersom GDSC och Q4 båda är TILL. Spänningarna vid anoden och katoden hos GDSC 10 15 25 30 40 5 p a 450 oss minskar till dess de uppgår till approximativt 20 V under spän- ningen vid styrelektroden hos GDSC och sedan kopplar GDSC FRÅN.

Eftersom D4 är TILL fortsätter sedan klämman 34 att minska spän- ningen mot spänningen hos klämman X0.

Antag nu att V1 har spänningen +200 V och VZ har jordpoten- tial och att V++ = +315 V och V+ = +275_V. Eftersom klämman 34 urladdar till approximativt +20 V av spänningen hos klämman X0 kopplar GDSL1 TILL och bringar sedan hastigt klämman 34 att ur- ladda'fill approximativt spänningen hos klämman X0. Sålunda är GDSL1 TILL och leder ström från klämman X0 till klämman YO. Om spänningen V1 vore +200 V och spänningen V2 jordspänning så kopplar alternativt GDSL2 TILL och leder ström från klämman YO till kiämman xo.

Antag nu att Vin, då ström passerar genom antingen GDSL1 eller GDSLZ, omkopplas från "O" till "1". Q1, Q2 och Q4 är nu kopplade FRÅN och Q3 är kopplad TILL. Till en början har styr- elektroden hos GDSC (klämma 28) approximativt V++ och anoden (klämma 30) har approximativt 20 V lägre spänning. Detta resulterar i att GDSC befinner sig i ett FRÅN-tillstånd. Anoden hos GDSC börjar sedan att öka i spänning mot V++ och GDSC kopplar TILL.

Anod-, katod- och styrelektrodspänningarna hos GDSC börjar nu minska allteftersom ström matas till den TILL-kopplade och ledande _ grindstyrda belastningsdiodströmställaren (GDSL1 eller GDSL2).

Styrelektroden (klämma 28) hos GDSC hålles vid approximativt 0;7 V under anoden (klämma 30) hos GDSC, eftersom GDSC är ledande.

Allteftersom anoden hos GDSC minskar sin spänning approximativt en diodminskning under spänningsnivån för V+ blir D1 ledande ochi matar avsevärd ström genom GDSC och till klämman 34 och styrelek- troden hos GDSLT eller GDSL2.

Den spänning V+ (klämma 32) och den ström, som appliceras på styrelektroden GDSL1 eller GDSLZ, är båda förvalda för att vara tillräckliga att bryta strömflödet genom den ledande grind- styrda belastningsdiodströmställaren och sålunda koppla denna FRÅN. När GDSLT eller GDSL2 kopplar FRÅN reduceras den ström, som passerar till dess styrelektrod, avsevärt. Detta tillåter att klämmans 30 spänning ökar till approximativt nivån V++ och sålunda backförspänner Dl. Detta bryter all strömmatning från V+.

Om nivån hos den ström, som passerar genom GDSL1 eller GDSLZ, är tillräckligt låg så är den relativt moderata ström, som passerar genom Q3 och till GDSC, tillräcklig för att bryta strömflödet UI 10 I\-) (fl 40 450 068 genom GDSL1 eller GDSLZ, och spänningen hos klämman 30 minskar inte tillräckligt för att frnmförspännu D1. I Kombinationen av transistorer QZ och QS styr GDSC och styr åtminstone tillståndet hos GDSL1 och GDSL2 relativt oberoende av V+ och D1 samt kombinationen av Q1 och Q4, vilka är ekvivalenta med motsvarande transistorer enligt det amerikanska patentet nr r 4 250 409.

RS och R4 tjänar till att begränsa ström, som kan strömma genom GDSL1 och/eller GDSLZ och att tillåta spänningsskillnaden mellan klämmorna X0 och YO att normalt vara approximativt 2,2 V, när GDSL1 eller GDSL2 är TILL och ledande. 4 Kopplingsanläggningen 10 har tillverkats, provats och be- funnits helt funktionell. Styrkretskopplingen 12 och GDSL1 och GDSL2 tillverkades alla på ett enda halvledarsubstrat med använd- ning av díelektrisk separering. Den tillverkade kretskopplingen inkluderar även ett andra par av grindstyrda belastningsdiod- strömställare med två ytterligare transistorer motsvarande Ql och Q4. Katoden hos GDSC i denna tillverkade kretskoppling var kopplad till anoderna hos ett par ytterligare dioder (icke åskådliggjorda), vilka är likadana som motsvarande dioder, âskâdliggjorda i figur 4 i det amerikanska patentet 4 250 409 med samma rättsinnehavare som föreliggande ansökan.

I den tillverkade kretskopplingen är V++ = +315 V, V+ å +Z75 V, V1 =tzoo v, vz=ï zoo v, 111 = 1s1 Vin "1" = +517,5 v, vin "o" = +21z,s v och Gnsc, Gnsm och GDSL2 hade alla den i artikeln med titeln "S00 V Monolithic Bidirectional 2 x 2 Crosspoint Array", 1980 IEEE International Solid-State Circuits Conference~Digest of Technical Papers, sidorna 170 och 171, visade grundkonstruktionen. De här beskrivna utföríngsformerna är avsedda att åskådliggöra uppfinningens allmänna principer. Olika modifikationer är möjliga inom uppfin- ningens ram. Exempelvis skulle de bipolära transistorerna Q1, Q2, Q3 och Q4 kunna vara fälteffekttransistorer eller andra typer av strömställaranordningar som kan omhänderta relativt 1 höga spänningar och moderata strömmar. Vidare kan en transistor eller annan strömställaranordning användas istället för D1. Vidare kan elektriskt eller optiskt aktiverade strömställare, vilka åskâdliggöres i figur 4 i det amerikanska patentet nr 4 250 409, insättas mellan D1 och effektkällan V+. Med lämpliga läckage för GDSC och GDSL1 och/eller GDSLZ skulle vidare R2, Q1 och Q4 1.0 7 ~ f 4591168 kunna elimineras och kretskopplingen 14 skulle fortfarande fungera. Vidare skulle en strömbegränsare eller ett liknande organ kunna vara inkopplat mellan klämman 34 och klämmorna X0 eller YO eller till en negativ effektkälla och R2, Q1 och Q4 skulle kunna vara eliminerade. Vidare skulle GDSC och/eller GDSL1 och/eller GDSL2 kunna vara utbytta mot andra strömställar- anordningar än de grindstyrda diodströmställarna. Dylika ström- ställare skulle kännetecknas av att de kräver påtryckning av en hög styrspänning på en styrklämma samt matning av ström till styrklämman för att bryta (koppla bort) ledningen mellan dess utgângsklämmor. ' ._._....,:._ . -i.... ... i-__'..._.._......_

Claims (4)

o 'cíëàii Patentkrav

1. Styrkretskoppling för användning tillsammans med en första grindstyrd diodströmställaranordníng (GDSL1) av den typ, som innefattar en halvledarkropp med en huvuddel, vilken har relativt hög resistivitet, samt ett första område med en första typ av ledningsförmåga samt med relativt låg resistivitet samt andra och tredje områden med en andra typ av ledningsförmâga motsatt den första typen av ledningsförmåga, varvid de första och tredje områdena är kopplade till utgångsklämmor (XO,YO) hos den första strömställaranordningen, varvid det andra området är kopplat till en styrklämma (34) hos strömställaranordningen, varvid nämnda första, andra och tredje områden är inbördes separerade genom delar av halvledarkroppens huvudmassa, en andra gríndstyrd diod- strömställaranordning (GDSC) av samma typ och med väsentligen samma elektriska egenskaper som nämnda första strömställaranord- ning samt en utgångsklämma hos nämnda andra strömställaranord- ning, vilken klämma är kopplad till styrklämman (34) hos den första strömställaranordningen, k ä n n e t e c k n a d därav, att den även innefattar tredje (Q2) och fjärde (QS) strömställaranordningar, var och en med en styrklämma samt första och andra utgångsklämmor; varvid styrkretskopplingen är i stånd att upp till en förutbestämd strömnivå åstadkomma matning till den andra strömställaranord- ningen; varvid styrklämman (20) hos den tredje strömställaranord- ningen samt en första utgångsklämma hos den fjärde strömställar- anordningen är kopplade till en första styrkretskopplingsingångs- klämma (18); varvid en andra utgångsklämma (30) hos den fjärde strömställaranordningen är kopplad till en första utgångsklämma hos den andra strömställaranordningen (GDSC); varvid styrklämman (26) hos den fjärde strömställaranordningen och den första utgångs- klämman hos den tredje strömställaranordningen (Q2) är hopkopplade och kopplade till en andra styrkretskopplingsklämma (V++); och varvid en andra utgångsklämma (28) hos den tredje strömställar- anordningen är kopplad till styrklämman hos den andra strömställar- anordningen.

2. Styrkretskoppling enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den vidare innefattar en grenledning (16), som är kopplad till den andra strömställaranordningen och som kan åstadkomma matning till den andra strömställaranordningen av en väsentligt större strömnivå än den förutvalda nivån om och endast om nivån av strömflöde in f den andra strömställaranordningen när dep förut- :t vv w 9 i” '459 968 e f, f valda nivån; femte (Q1) och sjätte (Q4) strömställaranordningar, var och en med en styrklämma samt första och andra utgångsklämmor och kapabel till drift med relativt hög spänning; varvid styr- klämman (20) hos den femte strömställaranordningen är kopplad till styrklämman hos den tredje strömställaranordningen, varvid* den andra utgångsklämman hos den femte strömställaranordningen är kopplad till styrklämman (24) hos den sjätte strömställar- anordningen och varvid den första utgångsklämman hos den femte strömställaranordningen är kopplad till styrklämman (26) hos den fjärde strömställaranordningen; varvid den första utgångs- klämman hos den sjätte strömställaranordningen är kopplad till en av utgångsklämmorna (X0) och den första strömställaranord- ningen och varvid den andra utgångsklämman hos den sjätte ström- ställaranordningen är kopplad till den andra utgångsklämman (34) hos den andra strömställaranordningen (GDSC).

3. Styrkretskoppling enligt kravet 2, k ä n n e t e c k - n a d därav, att den vidare innefattar första (R1) och andra (RZ) motståndsorgan, vart och ett med en första och en andra klämma, varvid den första klämman hos det första motståndsorganet är kopplat till den första styrkretskopplingens ingångklämma (Vin); varvid den andra klämman (20) hos det första motstånds- organet är kopplad till styrklämmorna hos nämnda tredje (Q2) och -femte (Q1) strömställaranordningar och till den första utgångs- klämman hos den fjärde (Q3) strömställaranordníngen; varvid den första klämman (22) hos det andra motståndsorganet är kopplad till den första utgångsklämman hos den femte strömställaranord- ningen; och varvid den andra klämman (26) hos det andra motstånds- organet är kopplad till den första utgångsklämman hos den tredje strömställaranordningen samt till styrklämman hos den fjärde strömställaranordningen.

4. Styrkretskoppling enligt kravet 3, k ä n n e t e c k - n a d därav, att nämnda första och andra strömställaranordningar konstruktionsmässigt är avsedda för drift med hög spänning och relativt hög ström; att nämnda tredje, fjärde, femte och sjätte strömställaranordningar konstruktionsmässigt är avsedda för drift med hög spänning och moderat ström samt att nämnda första och andra motstândsorgan utgöres av första och andra motstånd.