DD225568A1 - Schaltungsanordnung zur ansteuerung von hochvoltleistungsschalttransistoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Schaltungsvariante zur Ansteuerung von Hochvoltleistungsschalttransistoren. Diese Ansteuerschaltungen finden Anwendung in Schaltnetzteilen und Gleichspannungswandlern, die nach dem Sperr- oder Durchflusswandlerprinzip arbeiten. Durch die Erfindung ist die volle Ausnutzung der Sperrspannung des Niederspannungstransistors zur Ansteuerung des hochsperrenden Leistungstransistors und gleichzeitig eine Geringhaltung der Abschaltverluste moeglich. Gemaess der Erfindung wird dazu eine Diode so geschaltet, dass die Anode der Diode und die Katode mit dem Kollektor des Hochvoltleitungsschalttransistors verbunden ist. Fig. 1

Description

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Hochvoltleistungssehalttransistoren

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zsur Ansteuerung von Hochvoltleistungsschalttransistoren, insbesondere von hochsperrenden Leistungstransistoren, wie sie in Schaltnetzteilen und Gleichspannungswandlern, die nach dem Sperr- oder Durchflußprinzip arbeiten, eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Die Ansteuerung von hochsperrenden Leistungstransistoren mit induktiven Lasten im Kollektorkreis erfordert für ein möglichst verlustarmes Schaltverhalten dieser Transistoren einen verhältnismäßig hohen Schaltungsaufwand. Je nachdem, ob der Hegler von der Primär- oder von der Sekundärseite

-2-

des IJetztails oder V/'andlers versorgt wird, spricht man von primär- bzw, sekundarseitiger Regelung. Dia primarseitige Regelung hat wegen ihrer relativ einfachen Versorgung aus dem Primärnetz und dem damit verbundenen ,Vegfall von automatischen Startschaltungen, die verhältnismäßig aufwendig sind und in bestimmten Betriebszuständen (Bauelemanteausfälle) au kritischen Erwarmungszuständen in der Schaltung führen können, wesentliche Vorteile, Andererseits wirken sich die hohen Versorgungsspannungen negativ auf die Ansteuerung aus, da man gezwungen ist, hochsperrende Treibertransistoren für die Ansteuerung

~" der Leistungsschalttransistoren einzusetzen. Abgesehen davon, daß diese Treibertransistoren teuer sind, sind sie für die Ansteuerung wegen ihres verhältnismäßig tragen Schaltverhaltens ungeeignet, bzw. es ist für ihre Ansteuerung ein wiederum hoher schaltungstechnischer Aufwand erforderlich.

Um diesen Nachteil zu umgehen, sind Schaltungen bekannt, die als Vorstufen- und Treibertransistoren schneilschaltende Niederspannungstransistoren verwenden und direkt aus dein Netz mit hoher Spannung versorgt werden. Solche Schaltungen werden z. B. bei Technische Informationen für die ) Industrie "Schaltnetzteile mit Transistoren der Reihe BUX 80» Valvo-Applikation 761027 und in der BB-OS 3233204 beschrieben. Trotz hoher Betriebsspannungen, die die Sperrspannungen der Transistoren wesentlich überschreiten, werden die Sperrspannungen der Transistoren durch schaltungstechnische Maßnahmen im Normalbetrieb eingehalten bzw. aus Gründen der Erhöhung der Zuverlässigkeit unterschritten.

Insbesondere geeignet, wie auch im oben erwähnten Beispiel dargestellt, ist die Sperrwandlertreiberstufe mit Strombegrenzung. Nachteil dieser Schaltungen ist, daß die in

den SekundärkrGis des Sperrwandlers übertragbare Spannung (Spannung an der Hauptinduktivität) immer v/esentlich kleiner als die Sperrspannung des Niederspannungstransistors ist, da als spannungsbegrenzendes Bauelement Kondensatoren verwendet v/erden, die sich während des Sperrvorgangs aufladen, d. n. nur im ersten Abschaltmoment die Hauptinduktivität einseitig an das Bezugspotential der Eingangsspannung klemmen. Die Sperrspannung bzw. Kollektorsperrspannung setzt sich demzufolge immer aus Kondensatorspannung und Spannung an der Hauptinduktivität zusammen. lieben dem weiteren Nachteil, daß eine Diode zur Vermeidung von inversen Belastungen des iüedervolttransistors infolge möglichen Umschwingens des Reihenresonanzkreises notwendig ist, sind aufwendige besondere Schaltungsmaßnahmen im Basiskreis des Hochvolt-Leistungsschalttransistors notwendig, die insbesondere ein verlustarmes Abschaltverhalten herbeiführen sollen. Hierzu sind weiterhin a. T. aufwendige Schaltungen bekannt (Thomson-CSF, Bereich Halbleiter "Handbuch Schalttransistoren")) die das Zuschalten der negativen Basissperrspannung vom Ansteigen der Kollektorsperrspannung auf einen vorgegebenen 7/ert abhängig machen. Dadurch wird ein besonders schneller Kollektorstromabfall erreicht, der geringe Abschaltveriuste bedingt und andererseits das für den Transistorbetrieb nicht ungefährliche Sperren der Basis-Emitterdiode bei gleichzeitig noch leitender Kollektor-Basisdiode verhindert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit vergleichsweise ..einfachen Mitteln eine Treiberstufe zur Ansteuerung von hochsperrenden Leistungsschalttransistoren zu schaffen, die eine verbesserte Ausnutzung der in der Treiberstufe eingesetzten Niederspannungstransistoren gestattet und durch schnelles Abschalten des Kollektorstroms des Hochvoltleistungs-schalttransistors die Abschaltverluste gering hält.

Darlegung des "Yesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die volle Nutzung der Sperrspannung des Niederspannungstransistors in der Sperrwandlertreiberstufe als übertragbare Steuerspannung zur Ansteuerung der Basis des hochsperrenden Hochvoltleistungsschalttransistors und die Zuschaltung einer Sperrspannung im selben Basiskreis nach Sperrung der Kollektor-Basisdiode.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der erste Anschluß der Primärwicklung des Sperrwandlerübertragers mit dem Kollektor des Niederspannungstransistors, der zweite Anschluß mit einem Strombegrenzungswiderstand verbunden ist. Der Strombegrenzungswiderstand liegt mit seinem aweiten Anschluß an dem positiven Pol der Eingangsspannung. Der zweite Anschluß der Primärwicklung ist gleichzeitig über eine Diode mit dem Kollektor des Hochvoltleistungsschalttransistors verbunden. Dabei liegt die Katode der Diode am Kollektorpotential des Hochvoltleistungsschalttransistors. Mit diesem Kollektor ist ebenfalls der erste Anschluß der Primärwicklung des Leistungsübertragers verbunden. Der zweite Anschluß der Primärwicklung des Leistungsübertragers liegt am positiven Pol der Eingangsspannung. Der erste Anschluß der Sekundärwicklung des Treibertransformators ist ebenso wie der Emitter des Hochvoltleistungschalttransistors mit dem Bezugspotential der Eingangsspannung verbunden. Der zweite Anschluß der Sekundärwicklung ist über einen Zweipol mit der Basis des Hochvoltleistungsschalttransistors in Kontakt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

In den zugehörigen Darstellungen zeigen:

Fig. 1: die Schaltung zur Ansteuerung eines Hochvoltle-istungsschalttransistors, Fig. 2: die Inipulsdiagramme der Schaltvorgänga.

Entsprechend der Fig. 1 liegt eine Gleichspannung mit der angegebenen Polarität einerseits an der als strombegrenzter Sperrwandler arbeitenden Schaltung, bestehend aus einer Reihenschaltung das Strombegrenzungswiderstandes 1, einer Diode 3, einem Inipulsübertrager 8 und einem Niederspannungstransistor 4. Die Sekundärwicklung des Impulsübertragers 8 ist über einen Koppelzweipol 5, der die Aufgabe einer Impulsformung hat, einerseits mit der Basis des Hochvoltleistungsschalttransistors 7 verbunden, andererseits mit dem Emitter desselben Hochvoltleistungsschalttransist'ors. Der Yerbindungspunkt 9 ist über die Diode. 2 mit dem Kollektor des Hochvoltleistungsschalttransistors 7 verbunden. Andererseits liegt der Kollektor des Hochvoltleistungsschalttransistors 7 über die Primärwicklung des Leistungsübertragers 5 am positiven Pol der Eingangsgleichspannung ü.. Der Punkt 10 ist ein Zweipol zur Bedämpfung des Kollektorspannungsanstieges und der Vierpol 11 dient zur Gleichrichtung und Siebung der Ausgangsspannung U..

Die Basis des Niederspannungstransistors 4 wird zum Zweck einer geregelten Ausgangsgleichspannung ü"_a mit einem von der Ausgangsspannung abhängigen, pulsbreiten modulierten Signal angesteuert.

Entsprechend Fig. 2 wird in der Einschaltphase vom I-Iiederspannungstransistor 4 während der Zeitdauer t^ magnetische Energie im Impulsübertrager 8 gespeichert. Der Hochvoltleistungsschalttransistor 7 schaltet wegen seiner Speicherzeit t verzögert ab. V.'ährend dieser Zeit ist die Spannung an der Primärwicklung von Impulsübertrager 8 entsprechend Fig. 2b nur geringfügig positiv, da durch Hochvoltleistungsschalttransistor 7 für diese Zeit der Yerbindungspunkt 9 praktisch auf Beaugspotential von U^

(-Ü-,) geklemmt ist. In dem Maße, indem die liollektorspannung vom Hociivoltleistungstransistor 7 ansteigt, steigt auch die Spannung am Yerbindungspunkt 9 gemäß Fig. 2c an. Dieser Spannungsanstieg überträgt sich auf die Sekundärwicklung des Impulsübertragers 8 als Basissperrspannung vom Hochvoltlaistungsschalttransistor 7. Damit wird die Basissperrspannung am Hochvoltleistungsschalttransistors 7 erst in dem Moment voll wirksam, in dem der Hochvoltleistungsschalttransistor 7 sich im quasi-gesättigten Betrieb befindet. Dieser Zustand führt zu einar schnellen Ausräumung des Basisgebiets vom Hochvoltleistungsschalttransistor 7 und damit au einem schnellen Kollektorstromabfall, wie er für das möglichst verlustarme Abschalten des Hochvoltleistungsschalttransistors 7 notwendig ist.

Gemäß Fig. 2a wird der Hiederspannungstransistor 4 zum Zeitpunkt t₂ gesperrt. Die im Impulsübertrager 8 gespeicherte Energie wird in den Basiskreis des Eochvoltleistungsschalttransistors 7 sofort als Steuerenergie übertragen, der Hochvoltleistungsschalttransistor 7 schaltet unveraögert ein. Die Diode 3 verhindert während des Abschaltvorganges des Niederspannungstransistors 4 das Entladen der Primärinduktivität vom Impulsübertrager 8 über den Niederspannungstransistor 4, die Diode 2 und den noch leitenden Hochvoltleistungsschalttransistor 7. Der Verbindungspunkt 9 ist für die Zeitdauer T₂ auf Bezugspotential der Eingangsspannung geklemmt. Sin geringer Spannungsanstieg des Yerbindungspunktes 9 ergibt sich aus der Einschaltverzögerung des Hochvoltleistungsschalt-· transistors 7, der durch starkes übersteuern vom Hochvoltleistungsschalttransistor 7 in der Sinschaltphase sehr gering zu halten ist.

Als Sperrspannungsbelastung des Niederspannungstransistors ergibt sich das Bild gemäß Fig. 2d. Die Sperrspannungsbeiastung entspricht im wesentlichen dem negierten

~ 7 —

gsverl

verlauf an der rri^ärv/icklung des Inpulsübertragers 3 im Zeitintervall T₂ gemäß Fig. 2b. Das SparmungsTT.axiniuin, v/elcnes gleichseitig das Sperr— spannung smaximuir. ist, ist damit lediglich vom Spannungs vsrlauf an der abgeschalteten Primärwicklung des Impuls Übertragers 8 abhängig, da der Yerbindungspunkt 9 in dieser Phase auf -U-. geklemmt ist. Damit kann die volle Sperrspannung des Niederspannungstransistors 4 für die Energiespeicherung im Impulsübertrager 8 gemäß Darstellung Fig. 2b (Zeitphase T^) genutzt v/erden und Transistor und Impulsübertrager für diese Bedingungen optimal ausgelegt v/erden.

In erster Näherung ergibt sich für den Spannungsverlauf an der Primärinduktivität

_Λ I-j L-j= Primärinduktivität von Übertrager 8 Fig.1 R-j R-{ = Strombegrenzungswiderstand 1 Fig.1

1^2 - Zeitkonstante des Spannungsanstieges im Pkt.9 Fig.1

Der Zeitpunkt der maximal auftretenden Sperrspannung läßt sich auf der Basis von (2) aus

4 = T₁-T₂-U fe

berechnen. Das Maximum der Spannung U-j_m ergibt sich da mit gemäß (1) und (2) zu

C3)

Bei gegebener Dimensionierung L^,R^ v/ird die Höhe dar

gebener Dimensionierung

n T ,

Sperrspannung von T , also vom Spannungsanstieg am Kollektor des Hochvoltleistungsschalttransistors 7 abhängen. Dieser Spannungsanstieg ist durch die Dimension!* rung der RCD-Beschaltung 10 τοη Hochvoltleistungsschalttransistor 7 beeinflußbar.

Claims (1)

1. — g —

   Schaltungsanordnung sur Ansteuerung von Hochvoltleistungsschalttransistoren mit einer aus dar Eingangsgleicuspannung gespeisten, stroabegrenzten Sperrv/andlertreiberschaltung, bei dar als Treibartransistor ein schnellschaltender Niederspannungstransistor eingesetzt wird und die Zuschaltung des Basissperrimpulses für den Hochvoltleistungsschalttransistor in einem Seitpunkt erfolgt, in dem der Hochvoltleistungsschalttransistor in der Quasi-Sättigung arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrwandlertreiberschaltung, bestehend aus der Reihenschaltung eines V/iderstandes (1), einer Diode (3), eines Impulsübertragers (8) und des Niederspannungstransistors (4), am Yerbindungspunkt (9), der zwischen dem Widerstand (1) und der Anode der Diode (3) liegt, wobei die Katode der Diode (3) mit dem aweiten Anschluß der Primärwicklung des Impulsübertragers (8) und der erste Anschluß der Primärwicklung des Impulsübertragers (8) mit dem Sollektor des Eiederspannungstransistors (4) verbunden sind, mit einer Diode (2) an den Kollektor des Hochroltleistungsschalttransistors (7) gekoppelt ist, wobei die Anode der Diode (2) mit dem Yerbindungspunkt (9) und die Katode der Diode (2) mit dem Kollektor des Hochvoltleistungsschalttransistors (7) verbunden sind.

   Hierau 2 Seiten Zeichnungen

   -10-