ITTO950767A1 - Circuito di controllo per un commutatore a semiconduttore - Google Patents
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Abstract
Il circuito comprende un accoppiamento a un trasformatore (T1, T2), un accoppiamento di rettificazione (DB1, DB2) per la generazione di livelli in tensione (U1, U2, U3) in corrente continua appropriati a dis/innescare un commutatore a semiconduttore (SW1), un primo resistore (R2) connesso a un elettrodo di attivazione del commutatore (SW1), un secondo resistore (R1) connesso tra l'elettrodo di attivazione e l'elettrodo di emettitore o sorgente del commutatore a semiconduttore, e un commutatore a semiconduttore di spinta (V1), l'elettrodo di attivazione del semiconduttore (V1) essendo connesso a un'uscita in tensione (U2) generata dall'accoppiamento di rettificazione e destinata al controllo del commutatore a semiconduttore di spinta. Il circuito comprende inoltre un diodo zener (V2) connesso tra il resistore (R2) e un'uscita (U1) generata dall'accoppiamento di rettificazione e destinata all'innesco del commutatore (SW1) e un diodo (V4) connesso nel verso di condizione tra l'uscita in tensione di disinnesco (U3) dell'accoppiamento di rettificazione e l'elettrodo di emettitore o di sorgente del commutatore (SW1).
Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Circuito di controllo per un commutatore a semiconduttore".
Questa invenzione si riferisce ad un circuito di controllo per un commutatore a semiconduttore, comprendente un accoppiamento a un trasformatore per la generazione di segnali in tensione in corrente alternata che includono informazioni sia di controllo che energetiche, un accoppiamento di rettificazione per la rettificazione dei segnali in tensione in corrente alternata generati dall'accoppiamento al trasformatore per la generazione di livelli in tensione in corrente continua appropriati a innescare e disinnescare i commutatori a semiconduttore, ‘un primo resistore connesso in corrispondenza della sua prima estremità a un elettrodo di attivazione del commutatore a semiconduttore, un secondo resistore connesso tra l'elettrodo di attivazione e l'elettrodo di emettitore o sorgente del commutatore a semiconduttore, e un commutatore a semiconduttore di spinta fornito tra l'elettrodo di attivazione del commutatore a semiconduttore e un'uscita in tensione in corrente continua generata dall'accoppiamento di rettificazione e destinata a disinnescare il commutatore a semiconduttore, l'elettrodo di attivazione del semiconduttore di spinta essendo connesso a un'uscita in tensione in corrente continua generata dall'accoppiamento di rettificazione e destinata al controllo del commutatore a semiconduttore di spinta.
Il circuito di controllo dell'invenzione è specialmente destinato al controllo di piccoli componenti a commutatore a semiconduttore IGBT o FET in convertitori di frequenza e altri dispositivi simili. In seguito, ci si riferirà generalmente a questi componenti di commutatore a semiconduttore come a componenti attivi. I circuiti di controllo per il controllo di simili componenti attivi sono precedentemente noti per esempio dalla richiesta di brevetto statunitense 5168182 e la richiesta di brevetto europea 561316. Le soluzioni ivi descritte sono anche basate sulla trasmissione diretta di energia di innesco attraverso un trasformatore. Tuttavia, è tipico di entrambe le soluzioni che la tensione dell'elettrodo di attivazione, a cui in seguito ci si riferirà come a una griglia, del- componente attivo da controllare non sia stabilizzata nel caso di cortocircuito. Inoltre, è tipico della soluzione nota dalla richiesta di brevetto statunitense 5168182 il fatto che il disinnesco del componente attivo vi si basa solamente sul trasferimento del potenziale di griglia in prossimità del potenziale di emettitore del commutatore fattivo. Nella soluzione descritta nella richiesta di brevetto europea 561316, si utilizza un potenziale negativo rispetto al potenziale di emettitore del componente attivo per un disinnesco. ;Per la generazione di questo potenziale negativo, tuttavia, si richiede un serbatoio di energia, quale un condensatore, in cui si deve caricare in anticipo l'energia richiesta per il disinnesco. Inoltre, il condensatore utilizzato come serbatoio di energia è un componente della struttura di cui tipicamente contiene un elettrolita e la durata del quale è drammaticamente accorciata se viene posizionato in prossimità di un componente attivo, e così in ambiente caldo. Un posizionamento a distanza, a sua volta, può comportare forti valori di induttanza parassita. Si può) inoltre citare come debolezza del circuito di controllo in questione il fatto che la sua tensione di disinnesco è uguale per intensità alla sua tensione di innesco, la quale cosa comporta un rallentamento delle operazioni di innesco successive, poiché è necessario caricare il potenziale di griglia del componente attivo a un valore negativo che corrisponde all'intensità dell'intera tensione di innesco, tra successive operazioni di innesco. Un'altra debolezza di detto circuito è un lento avviamento di un disinnesco, poiché una disinnesco di un componente attivo può essere fatto partire solamente quando la capacità di griglia di un·FET Utilizzato come componente di un commutatore a semiconduttore attivo viene caricata attraverso un resistere ad alta resistenza a un potenziale sufficientemente alto.
Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un circuito di controllo per un commutatore a semiconduttore che non presenti nessuna delle debolezze citate in precedenza delle soluzioni dei circuiti di controllo della tecnica precedente. Questo viene ottenuto con un circuito di controllo dell'invenzione, che è caratterizzato dal fatto che inoltre comprende un diodo zener connesso tra una seconda estremità del primo resistere e un'uscita in corrente continua generata dall'accoppiamento di rettificazione e destinata a innescare il commutatore a semiconduttore, e un diodo connesso nel verso di conduzione tra l'uscita in tensione di disinnesco e l'accoppiamento di rettificazione e l'elettrodo di emettitore o di sorgente del commutatore a semiconduttore.
Si deve dire che il diodo e il diodo zener non si riferiscono qui solamente a componenti discreti chiamati con i termini corrispondenti, ma a qualsiasi componente o insieme di componenti che realizzi una funzione corrispondente e sia composto di componenti discreti o faccia parte di un circuito integrato.
Grazie all'accoppiamento usato, si può alimentare in modo costante energia di disinnesco alla griglia del componente attivo attraverso l'accoppiamento al trasformatore in esterno, e non si richiede alcun serbatoio di energia, e non si generano così problemi dovuti all'invecchiamento termico di tali serbatoi di energia. Sebbene non vi sia un serbatoio di energia, un disinnesco avviene rapidamente grazie al fatto che la carica di griglia generata da una innesco nel componente attivo viene rapidamente scaricata alla velocità limitata dai soli valori di impedenza di questi componenti .
Un circuito di controllo preferibilmente comprende inoltre una connessione in serie di un diodo zener e di un diodo nel verso di conduzione tra l'elettrodo di attivazione del commutatore a semiconduttore e l'elettrodo di attivazione del commutatore a semiconduttore di spinta. Grazie a questo accoppiamento, si possono evitare una crescita eccessiva della tensione di innesco, e così la distruzione del commutatore a semiconduttore in una situazione di questo tipo.
L'accoppiamento preferibilmente inoltre comprende un terzo resistore connesso tra il commutatore a semiconduttore attivo e l'uscita in corrente continua destinata aldisinnesco del commutatore a semiconduttore. Per mezzo di un resistore preferibilmente a bassa resistenza di questo tipo, è possibile limitare il valore di picco della corrente generata scaricando la tensione di griglia del commutatore a semiconduttore a un certo valore desiderato.
Un principio di base del circuito di controllo dell'invenzione è che vi sono differenti livelli di tensione in corrente continua disponibili. Si ottiene questo preferibilmente in modo tale che l'accoppiamento al trasformatore utilizzato nel circuito di controllo comprende un primo trasformatore che genera la tensione da rettificare nella tensione di innesco e un secondo trasformatore che genera le tensioni da rettificare nella tensione di disinnesco e la tensione di controllo del commutatore a semiconduttore di spinta, e che si connettono il secondo polo dell'avvolgimento secondario del primo trasformatore e il punto intermedio dell'avvolgimento secondario del secondo trasformatore l'uno all'altro e all'elettrodo di emettitore o sorgente del commutatore a semiconduttore così da formare un potenziale di riferimento.
Nel seguito, si descrive il circuito di controllo dell'invenzione in maggiori dettagli con riferimento alle illustrazioni allegate, in cui la figura 1 mostra un grafico di circuito di un circuito di controllo dell'invenzione, e la figura 2 mostra un grafico di circuito di un circuito di controllo dell'invenzione avente due commutatori a semiconduttore da controllare, i commutatori essendo controllati alternativamente in uno stato di conduzione.
La figura 1 mostra un grafico di circuito di una forma di attuazione di un circuito di controllo dell'invenzione a titolo di esempio. Questo circuito .di controllo viene utilizzato per il controllo di un componente attivo SW1, che è tipicamente un componente IGBT o un FET, essendo un componente IGBT nel caso mostrato nella figura. L'accoppiamento è specificatamente adatto al caso in cui la corrente nominale del percorso della corrente dall'emettitore al collettore o il percorso della corrente dalla sorgente al collettore del componente attivo non supera il valore di 25 A..L'accoppiamento mostrato in figura 1 comprende un accoppiamento a un trasformatore che comprende trasformatori TI e T2, i livelli di segnale di tensione in corrente alternata generati dai quali vengono rettificati per mezzo dei due ponti rettificatori DB1 e DB2 in livelli in tensione in corrente alternata adatti al controllo del . componente attivo SW1. Per mezzo dei trasformatori !τΐ e T2, si alimentano sia l'informazione di controllo che l'energia di controllo al componente attivo SW1.
Il componente attivo SW1 viene innescato e disinnescato con due onde quadre a push-pull (innesco, disinnesco), che, essendo entrambe in accordo di fase e invertite, controllano l'avvolgimento primario del trasformatore TI e T2, rispettivamente. I punti intermedi degli avvolgimenti primari dei trasformatori vengono connessi a una tensione di 15 V, e le estremità libere degli avvolgimenti vengono alternativamente connesse al potenziale di terra per mezzo di FET F1....F4 controllati dal segnale di innesco e disinnesco rispettivamente. Gli avvolgimenti secondari dei trasformatori generano segnali corrispondenti al controllo applicato, e questi segnali vengono rettificarti su ponti rettificatori DB1 e DB2 in tensioni U1 e rispettivamente U2 e U3. Si ottiene la tensione U1 da un polo del trasformatore Tl, su altro polo essendo connesso al potenziale di riferimento, che viene contrassegnato con OV. Il punto intermedio dell'avvolgimento secondario del secondo trasformatore T2, così come l'elettrodo di emettitore del componente attivo SW1 vengono anch'ess,i connessi a questo potenziale di riferimento. La tensione U2 viene rettificata da un polo del secondo 'trasformatore T2, e la tensione U3 dall'altro. Queste tensioni U2 e U3 hanno direzione opposta rispetto al potenziale di riferimento OV in corrispondenza del punto intermedio dell'avvolgimento secondario.
All'avviamento di un innesco, la tensione U1 sale rapidamente al valore di approssimativamente 20 V, come conseguenza della quale cosa la capacità della griglia del componente attivo SW1 comincia a cambiare attivata dalla corrente che attraversa il diodo zener V2 e il resistore di griglia R2. Il valore del diodo zeher è segnato come 4,7V. Il componente attivo SW1 viene innescato 'dopo circa un microsecondo, e la corrente di griglia comincia a diminuire e si avvicina a zero. L'elettrodo di attivazione cioè la griglia del componente attivo SW1 viene connesso al livello di tensione U3 attraverso il FET VI utilizzato come componente a commutatore a semiconduttore di spinta e il resistore R3. Inoltre, si connette l'elettrodo di attivazione del componente attivo SW1 attraverso un diodo zener a 12-V V3 e un diodo V5 a livello di tensione U2 che, a sua volta, viene connesso all'elettrodo di attivazione del FET VI. A causa di questo accoppiamento si’raggiunge una situazione tale che se la tensione sulla griglia del componente attivo SW1 supera il livello di circa 15V, il FET VI passa a uno stato di donduzione con il risultato che la corrente lo attraversa e il diodo V4 connesso tra il livello di tensione U3 e il livello di tensione di riferimento OV limita la crescita ulteriore della tensione. Per questa ragione, la tensione di griglia del componente attivo non può superare detta tensione di circa 15 V. Per la stessa ragione, se si cortocircuitasse il componente attivo, si eviterebbe la crescita della tensione di griglia oltre la tensione in questione. Nel caso di un cortocircuito, è possibile eliminare il controllo in primo luogo del innesco e del disinnesco del componente attivo in modo "morbido" per mezzo di un resistore R1, e far partire il rigido disinnesco solamente nel seguito. Si connette un resistore R1 tra gli elettrodi di griglia ed emettitore del componente attivo.
Al momento dell'inizio di un disinnesco, il livello in tensione in corrente continua U2 sulla griglia del FET V1 cresce molto rapidamente al livello 5V, come conseguenza della quale cosa il FET VI passa in uno stato conduttivo. Di conseguenza, la tensione della sorgente U3 del FET VI tende simultaneamente verso il basso al livello -5V, ma la corrente generata inizialmente fa crescere la tensione della sorgente in questione a un livello positivo che corrisponde al valore della tensione nel verso di conduzione del diodo del diodo V4. La tensione di griglia del componente attivo SW1 viene inizialmente scaricata solo con la corrente limitata dalla resistenza interna del FET VI attraverso il diodo V4. L'intensità di questa corrente è inoltre limitata con un resistore dalla bassa resistenza R3 nell'accoppiamento mostrato in figura 1, il resistore essendo connesso tra l'elettrodo di sorgente del FET VI e un livello di tensione U3. Dopo circa 200 nanosecondi dall'inizio del disinnesco, la tensione di griglia del componente attivo si trova al potenziale di emettitore e si avvicina e finalmente raggiunge il livello di -5V, poiché il diodo zener V2 evita che la corrente attraversi il ponte rettificatore DB1 e l'avvolgimento 'secondario del trasformatore Tl. Senza l'effetto del diodo zener V2 la tensione di griglia non raggiungerebbe questo livello negativo. Inoltre, si evita la saturazione del nucleo del trasformatore Tl grazie all'effetto di una corrente continua.
Un resistere R1 connesso tra la griglia del componente attivo SW1 e l'emettitore mantiene la griglia del componente attivo al potenziale dell'emettitore e il componente in uno stato off quando non sono disponibili né la tensione di spinta né i segnali di controllo.
La figura 2 mostra una soluzione per mezzo della quale si può utilizzare il circuito di controllo descritto in figura 1 per il controllo di un intero ramo, cioè in una situazione in cui il numero dei componenti a semiconduttore attivo da controllare è pari a 2, cioè i componenti attivi SW1 e SW2 vengono controllati alternativamente in uno stato di conduzione. I circuiti di controllo di entrambi i compónenti attivi sono simili a quelli mostrati in figura 1, e funzionano nel modo descritto in precedenza, 1'accoppiamento del trasformatore e i suoi dispositivi di controllo non essendo tuttavia duplicati. Per mezzo dell'accoppiamento mostrato in figura 2, si risparmiano due.trasformatori e i loro dispositivi di controllo rispetto a una soluzione duplicata. Si ottiene ciò per il fatto che quando un segnale di controllo innesca il componente attivo del ramo superiore, genera simultaneamente una tensione che disinnesca il componente attivo del ramo inferiore. Similmente, l'altro trasformatore genera i livelli di tensione necessari a disinnescare un componente attivo, e di conseguenza i livelli di tensione necessari a innescare l'altro componente attivo. Quando un componente attivo viene disinnescato più rapidamente di quando viene innescato nel circuito di controllo dell'invenzione, si può disinnescare un componente attivo prima che l'altro componente attivo controllato con lo stesso segnale di controllo venga innescato, la quale cosa evita una rottura dei braccio. Se entrambi i componenti attivi sono momentaneamente controllati nello stesso istante, entrambi i componenti attivi vengono disinnescati. Questo in base al fatto che le griglie di entrambi i componenti a commutatore a semiconduttore di spinta passano a uno stato controllato, e così in uno stato di conduzione. In quel caso, la corrente che li attraversa cresce a un valore così alto che l'avvolgimento che alimenta l'energia di disinnesco del trasformatore non può mantenere la tensione di griglia del componente attivo, ma scende e il componente viene disinnescato. E' possibile rimuovere il controllo simultaneamente da entrambi i componenti attivi dopo poche dozzine di microsecondi. Di conseguenza, i componenti attivi rimangono disinnescati come spiegato in precedenza, grazie all'effetto del resistore connesso tra la griglia e l'emettitore dei componenti.
Come descritto in precedenza, nel circuito di controllo dell'invenzione si applica l'energia richiesta per l'innesco del componente attivo direttamente attraverso il trasformatore dal circuito primario, e non si richiede alcun serbatoio di energia nel potenziale di emettitore del componente attivo. Poiché non si richiedono né condensatori elettrolitici aventi una resistenza al calore relativamente bassa né altri componenti sensibili al calore nella soluzione dell'invenzione, si può anche posizionare il circuito di controllo in ambiente caldo senza ridurre la sua durata.
Si può riassumere il fatto che è tipico del circuito di controllo dell'invenzione che a causa dell'accoppiamento del trasformatore, si può ottenere un isolamento galvanico completo fino a un livello di tensione arbitrario per mezzo del circuito di controllo, non si richiede alimentazione separata al circuito di controllo della griglia, il componente attivo viene disinnescato con una tensione di griglia negativa, è possibile un disinnesco morbido nel caso di cortocircuito, regolazione della tensione di disinnesco e limitazione della tensione di griglia avvengono automaticamente nel caso di un cortocircuito, e un disinnesco avviene molto più rapidamente dell'innesco, e a causa del tempo morto che risulta da questo, non si può verificare una scarica in uno stadio attivo connesso in push-pull.
Il circuito di controllo di un commutatore a semiconduttore dell'invenzione è stato descritto in precedenza solamente a titolo di esempio per mezzo di una sola forma di attuazione, e si comprende che si possono realizzare alcune modifiche a questo senza allontanarsi dallo scopo della protezione descritta nelle rivendicazioni allegate. Cosi, il componente IGBT utilizzato come componente attivo nella descrizione potrebbe essere un componente FET. Similmente, altri componenti di commutazione elettronici diversi dai FET mostrati nelle figure sono adatti all'uso come commutatore a semiconduttore di spinta.
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1. Un circuito di controllo per un commutatore a semiconduttore, comprendente un accoppiamento a un trasformatore (T1, T2) per la generazione di segnali in tensione in corrente alternata che includono informazioni sia di controllo che energetiche, un accoppiamento di rettificazione (DB1, DB2) per la rettificazione dei segnali in tensione in corrente alternata generati dall'accoppiamento al trasformatore (T1, T2) per la generazione di livelli in tensione in corrente continua (U1, U2, U3) appropriati a innescare e disinnescare il commutatore a semiconduttore (SW1), un primo resistore (RI) connesso in corrispondenza della sua prima estremità a un elettrodo di attivazione del commutatore a semiconduttore (SW1), un secondo resistore (R2) connesso tra l'elettrodo di attivazione e l'elettrodo di emettitore o sorgente del commutatore a semiconduttore, e un commutatore a semiconduttore di spinta (V1) fornito tra l'elettrodo di attivazione del commutatore a semiconduttore (SW1) e un'uscita in tensione in corrente continua (U3) generata dall'accoppiamento di rettificazione e destinata a disinnescare il commutatore a semiconduttore, l'elettrodo di attivazione del semiconduttore di spinta (V1) essendo connesso a un'uscita (U2) in tensione in corrente continua generata dall'accoppiamento di rettificazione e destinata al controllo del commutatore a semiconduttore di spinta, caratterizzato dal fatto che inoltre comprende un diodo zener (V2) connesso tra una seconda estremità del primo resistore (RI) e un'uscita in Corrente continua (Ul) generata dall'accoppiamento di rettificazione e destinata a innescare il commutatore a semiconduttore (SW1), e un diodo (V4) connesso nel verso di conduzione tra l'uscita in tensione di disinnesco (U3) e l'accoppiamento di rettificazione e l'elettrodo di emettitore o di sorgente del commutatore a semiconduttore (SW1).
- 2. Un circuito di controllo come rivendicato in rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende una connessione in serie di un diodo zener (V3) e di un diodo (V5) nel verso di conduzione tra :l'elettrodo di attivazione del commutatore a semiconduttore (SW1) e l'elettrodo di attivazione del commutatore a semiconduttore di spinta (V1),
- 3. Un circuito di controllo come rivendicato in rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che inoltre comprende un terzo resistore (R3) connesso tra il commutatore a semiconduttore di spinta (VI) e l'uscita in corrente continua (U3) destinata al disinnesco del commutatore a semiconduttore.
- 4. Un circuito di controllo come rivendicato in; rivendicazione 1, 2 o 3 caratterizzato dal fatto che l'accoppiamento al trasformatore comprende un primo trasformatore (T1) che genera la ' tensione da rettificare nella tensione di innesco (U1), e un secondo trasformatore (T2) che genera le tensioni da ettificare nella tensione di disinnesco (U3) e la tensione di controllo (U2) del commutatore a semiconduttore di spinta (VI), e che si connettono il secondo polo!dell'avvolgimento secondario del primo trasformatore (T1) e il punto intermedio dell'avvolgimento secondario del secondo trasformatore (T2) l'uno all'altro e all'elettrodo di emettitore o sorgente del commutatore a semiconduttore così da formare un potenziale di riferimento ( OV) .
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