SE516083C2 - Anordning för styrning av spännings-laddningsstyrda krafthalvledarelement - Google Patents

Description

.516 asså-f regioner hos halvledarelement, där dessa har annan benäm- ning, såsom Drain respektive Source.

Nämnda apparater för omformning av elektrisk effekt kan vara av allehanda slag, såsom nätströmriktare, motorväxelriktare, batteriladdare och dylikt, krafthalvledarelement normalt måste och de har det gemensamt att nämnda däri ingående kunna styras exakt med mycket hög frekvens, d v s styrningen måste uppvisa en stor snabbhet, företrädesvis med reaktions- tider inom nanosekundsområdet.

Speciellt viktigt är det att ha denna snabbhet vid uppträ- dande av olika fel i själva apparaten eller hos krafthalvle- darelementen och för att ta hand om vissa skyddsfunktioner, så att eventuella skador' på krafthalvledarelementen eller andra i apparaten ingående delar och därmed dyra driftsstopp kan undvikas, eller omfattningen av sådana skador kan kraf- tigt begränsas för att hålla kostnaderna för reparationer nere .

Exempel på syfte med sådan styrning är att uppnå överspän- ningsskydd, skydd av krafthalvledarelementet under kortslut- ning, styrning av så kallat återhämtningsförlopp hos en med krafthalvledarelementet samordnad frihjulsdiod, optimering av omkopplingsförluster samt styrning av utvecklingen av kollektor-emitter-spänningen samt kollektorströmmen över ti- den.

Tidigare kända anordningar av detta slag har grundat sig på analoga återkopplingar från kollektorn och emittern hos krafthalvledarelementet för att bilda en sluten, analog reg- lerkrets för att styra tillslags- och frånslagsprocessen samt skydda krafthalvledaren. Således sker en parameterrik interaktion mellan det styrda krafthalvledarelementet och de styranordningen. analoga funktionerna hos En dylik styr- anordning uppbygd på detta sätt är förknippad med problemet :svan 10 15 20 25 30 35 5-16 083 att det vid en sådan uppbyggnad av styranordningen inte går att göra den universell, d v s tillverka en styranordning som kan användas för styrning av olika krafthalvledarelement eller för olika applikationer. Olika krafthalvledarelement har ju unika egenskaper, och i kombination med olika huvud- kretsar hos apparaten i fråga skapas en stor mängd reglerob- jekt, så att det varje gång krävs en unik inställning av reglerhårdvaran hos anordningen och då en unik hårdvara funk- såsom spännings- och strömderivator, måste framställas. Dessutom skapar olika krav på tionskaraktäristika, vid olika användningar av nämnda apparater en otalig mängd av unika inställningar hos styranordningen, och varje gång dessa krav ändras måste en styranordning med en unik hård- vara framställas.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en anordning av inledningsvis definierat slag, vilken är så ut- formad att den kan betraktas som universell, d v s den kan användas för att styra krafthalvledarelement med olika egen- skaper och användas där olika krav ställs från applikations- sidan.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att hos en så- dan anordning nämnda organ är anordnade att känna av ut- valda, krafthalvledarelementets funktion. beskrivande para- metrar via anslutningar till krafthalvledarelementet, och att anordningen dessutom innefattar medel anordnade att jäm- föra värdet på de utvalda, avkända funktionsparametrarna med referensnivåer hos dem, en programmerbar krets anordnad att alstra nämnda referensnivåer för jämförelsen och behandla av jämförelsen resulterade data för att på grundval därav på sin utgång leverera en digital signal motsvarande en order om en förutbestämd strömnivå till eller från elementets styre, och en digitalstyrd, strömstyv förstärkare anordnad 10 15 20 25 30 35 .516 0 8 3 ål? i; if; - 2:1; f,- att mottaga den digitala signalen från den programmerbara kretsen och med utgångspunkt därifrån generera en ström till eller från kraftelementets styre med. nämnda förutbestämda strömnivå för styrande av krafthalvledarelementet.

Genom att på detta sätt styranordningen klarar sig utan ana- loga, slutna återkopplingar och den istället använder sig av ett beteendet hos krafthalvledarelementet, kan med indirekt bestämmande av det önskade styranordningen användas olika krafthalvledarelement i diverse olika huvudkretsar el- Detta krafthalvledarelementet via styrning' av strömmen till och ler apparater. åstadkommes genom en styrning av från elementets styre i beroende av värdet på utvalda, vik- tiga funktionsparametrar, varvid det är av yttersta vikt att denna ström kan styras snabbt för att detta alternativ skall kunna väljas istället för de tidigare kända slutna återkopp- lingarna, och detta möjliggörs genom utnyttjande av en digi- talstyrd, strömstyv förstärkare anordnad att mottaga den di- gitala signalen från den programmerbara kretsen och med ut- gångspunkten därifrån generera den ström som den programmer- bara kretsen kommit fram till på grundval av resultatet av jämförelsen av de avkända parametrarna med nämnda referens- nivåer.

Fördelarna hos en anordning av det uppfinningsenliga slaget i förhållande till de ovan beskrivna tidigare kända styr-an- ordningarna är många. Mångfalden av nödvändig hårdvara vid tillverkning av nämnda apparater samt vid tillverkning och vilket medför att testutrustning inte måste modifieras varje gång det uppkom- användning av styranordningen minskar, mer nya krav på styranordningens funktion. Vidare kan samma styranordning användas i olika apparater, så att mångfalden av olika styranordningar liksom lagerhållning vid tillverk- ning samt antal olika reservdelar minskar. Dessutom minskar till följd därav dokumenteringen av ändringar hos styranord- 10 15 20 25 30 35 i 516 osáïïíïïfigf išseíí=~áš=íï~ ningens uppbyggnad samt underhållskostnaden för styranord- ningen.

Dessutom uppnås genom programmerbarheten en flexibilitet vad gäller nßjligheterna att anpassa styranordningens funktion olika till olika användningar, såsom olika spänningssystem, krafthalvledarelement samt olika omformarapparater, så att exempelvis en ny hårdvara kan ersätta en trasig sådan eller en styranordning utgående ur produktion. Det enda kravet är att det mekaniska snittet hos styranordningen. mot omgiv- ningen bibehålls. Vidare kan köpare byta krafthalvledarele- ment efter en tid, när det föregående elementet har utgått från produktionen som resultat av förbättringar och modifie- ringar. Flera problem som uppstår vid användningen kan lösas med omprogrammering av själva hårdvaran istället för ersätt- ningar hårdvaran med en ny eller korrigerad sådan. Program- merbarheten medför även att en autonomisk provning av styr- kortet på vilket styranordningen är anordnad kan åstadkommas genom att utnyttja den programmerbara kretsen. Ytterligare fördelar finns även.

Enligt föredragna utföringsformer av uppfinning uppvisar nämnda organ anslutningar till krafthalvledarelementets kol- lektor, emitter och styre för avkännande av kollektor-emit- ter-spänningen respektive styre-emitter-spänningen hos krafthalvledarelementet som en nämnd utvald parameter. Det är även lämpligt att bestämma tidsderivatan av krafthalvle- darelementets kollektorström, varvid detta kan göras genom att enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen an- ordna en hjälpemitteranslutning' till krafthalvledarelemen- tets emitter närmare den senare än den så kallade huvudemit- teranslutningen för undvikande av en. parasitinduktans hos huvudemitteranslutningen vid mätorganets anslutning till krafthalvledarelementet och mäta spänningen som uppstår mel- lan hjälp- och huvudemitteranslutningen för att erhålla ett mått: på tidsderivatan av kollektorströmmen. Genonl att den s oc. snuva 10 15 20 25 30 35 516 . 083 šïï: íäšf; - äfiåf» programmerbara kretsen använder de på detta sätt avkända pa- rametrarna för utformande av en order om en förutbestämd strömnivå till eller från elementets styre kan kraftelemen- tets tillslags-, frånslags- och skyddsprocess effektivt sty- IâS.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen uppvisar den programmerbara kretsen ett don för anslutning av en in- rättning för rekonfiguration av den programmerbara kretsen, d v s omprogrammering av den programmerbara kretsen. Förde- larna med detta framgår av diskussionen ovan. Därvid är en- ligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen den programmerbara kretsen utformad att via nämnda programme- ringsanslutning därtill möjliggöra en förändring av skydds- styrfunktioner samt omställning av nämnda referensnivåer ef- ter idrifttagande av nämnda apparat. På detta sätt blir det möjligt att i efterhand hela tiden anpassa styranordningen till eventuella förändrade krav från användaren eller till nya krafthalvledarelement vid utbyte av gamla sådana.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- nefattar anordningen organ för tillhandahållande av mat- ningslikspänningar för anordningens funktion, och den uppvi- sar ett organ anordnat att övervaka matningslikspänningarna till olika delar av anordningen och meddela dessas status till den programmerbara kretsen. På detta sätt kan den pro- grammerbara kretsen ta hänsyn till dessa matningsspänningar vid framtagande av sina order.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- nefattar anordningen en skyddsinrättning anordnad att skydda krafthalvledarelementet mot okontrollerat tillslag vid bort- fall av matningslikspänningarna genom att hålla spänningen mellan krafthalvledarelementets styre och emitter under den nivå som krävs för krafthalvledarelementets aktivering under den tid 10 15 20 25 30 35 LH! ;¿ Om .zfi I» *l anordningen. Härigenom kan det undvikas att krafthalvledar- elementet förstörs vid uppstàende driftfel.

Enligt en annan föredragen utföringsform. av uppfinningen uppvisar förstärkaren en första uppsättning strömkällor an- ordnade att leverera en ström av inbördes olika styrka till krafthalvledarelementets styre och en andra uppsättning strömkällor anordnade att generera en ström av inbördes olika styrka från krafthalvledarelementets styre samt organ anordnade att med utgångspunkt från den digitala signalen från den programmerbara kretsen styra dessa strömkällor för styrande av krafthalvledarelementet. På detta sätt kan styr- ningen av krafthalvledarelementet ske med. erforderlig hög hastighet, snabbt förändra den ström som nämnda strömkällor genererar d v s inom. nanosekundsområdet, genom att så till eller från krafthalvledarelementets styre.

Enligt en annan föredragen utföringsfornx av uppfinningen, vilken utgör en ividareutveckling av' den sistnämnda utfö- ringsformen, är den programmerbara kretsen anordnad att le- verera nämnda digitala signal i form av ett flerbitars-ord, hos vilket varje bit motsvarar en separat av nämnda ström- källor i förstärkaren, och de olika strömkällornas strömvär- den är bit-viktade. Härigenom kan den digitala informationen från den programmerbara kretsen snabbt D/A-omvandlas till av ovannämnda jämförelse resulterade förutbestämda strömvärdena till eller från krafthalvledarelementets styre utan att nå- gon tid för D/A-omvandling krävs förutom tid för aktivering av strömkällor.

Enligt en annan föredragen utföringsfornu av uppfinningen, vilken ävenledes utgör en vidareutveckling av utföringsfor- strömkällor, innefattar men med två uppsättningar varje nämnd strömkälla ett par bipolära transistorer, av vilka en första är anordnad att ha en spänning applicerad mellan sin kollektor och emitter och sin bas ansluten till förstärka- 10 15 20 25 30 35 51-6 0.82» ;š rens ingång för mottagande av en digital signal med väldefi- nierad spänningsnivå och en andra är kopplad med sin bas till den förstas kollektor och med till krafthalvledarelementets styre för genererande av eni ström sin kollektor till eller från styret och båda transistorerna är kopplade att alltid befinna sig i. det linjära arbetsområdet eller vara frânkopplade beroende på om en digital ”l” eller ”O” mottages på den första transistorns bas, varvid den första transistorn är anordnad att driva den andra. Genom att på detta sätt koppla ihop de båda transistorerna hos respektive par* med. varandra kan den andra transistorn. och därigenom strömmen denna levererar till krafthalvledarelementets styre förändras, d v s styras, med erforderlig hög hastighet, genom att de bipolära transistorerna snabbt kan kopplas från och till när de befinner sig i det linjära arbetsområdet.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos upp- finningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Härnedan beskrivs föredragna utföringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig l är ett förenklat kopplingsschema illustrerande hur en styranordning av det uppfinningsenliga slaget kan anbringas i en apparat för omvandling av likspänning till växelspän- ning eller tvärtom, Fig 2 är ett blockschema som mycket förenklat illustrerar en styranordning enligt en föredragen utföringsform av uppfin- ningen, Fig 3 är en något mera detaljerad vy av den i Fig 2 illust- rerade styranordningen, 10 15 20 25 30 35 5-16 083 =ššëzííßäšæíít=~ Fig 4 är ett kopplingsschema illustrerande uppbyggnaden av den strömstyva, digitalstyrda förstärkaren hos styranord- ningen enligt Fig 2, Fig 5 är ett schema illustrerande ett resistivt slutsteg hos den strömstyva, digitalstyrda förstärkaren enligt Fig 4, och Fig 6 är ett diagram illustrerande utvecklingen av kollek- tor-emitter-spänningen och kollektorströmmen över tiden vid olika värden på strömmen till och från krafthalvledarelemen- tets styre hos en styranordning enligt uppfinningen i olika tillstånd. hos ett av styranordningen. styrt krafthalvleda- relement.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPP- FINNINGEN I Fig l illustreras schematiskt en möjlig applikation av en uppfinningsenlig anordning i form av anordning för styrning av spännings-laddningsstyrda krafthalvledarelement 1. i form av exempelvis IGBT-er av så kallad ”Punch Through” (PT)- el- ler ”Non Punch Through” (NPT)-typ i en station för omvand- ling av växelspänning till likspänning och vice versa, var- vid mellan två poler 2, 3 hos ett likspänningsnät ett fasben 4 bestående av två seriekopplade så kallade strömventilenhe- ter 5, består av varsitt krafthalvledarelement och en därmed anti- 6 är anordnat. Det är visat hur strömventilenheterna parallellt kopplad likriktande diod 7, men det som visas i figuren är symboler för en eller flera seriekopplade sådana krafthalvledarelement och dioder, då den spänning respektive ventilenhet har att hålla i krafthalvledarelementets block- erande tillstànd kan vara alltför hög för krafthalvledarele- mentet, 100kV, krafthalvledarelement endast kan hålla 1-lOkV. Genom att på exempelvis i storleksordningen medan ett detta sätt seriekoppla en mängd sådana element i respektive n uno v. .... u. 10 15 20 25 30 35 5116 oss =§§§:':š2-áfie::s- .lši 10 strömventilenhet kan spänningen fördelas på de olika elemen- ten. Därvid styrs då dessa simultant, så att de fungerar som ett enda omkopplingselement, vilket låter sig väl göras i det fall IGBT-er används, anordningen är i ett sådant fall anordnad att samtidigt och den uppfinningsenliga styr- styra de olika i strömventilenheten ingående halvledarele- menten på samma sätt. Till en mittpunkt 8 hos fasbenet 4 är ett fasuttag 9 för en fas hos ett växelspänningsnät anord- nat. Krafthalvledarelementen hos de olika strömventilenhe- terna tänds och släcks omväxlande för att omväxlande ansluta fasuttaget 9 till den potential som de båda polerna 2 re- spektive 3 har för att på konventionellt sätt alstra en väx- elspänning. Det hittills beskrivna utgör konventionell tek- nik.

Till respektive krafthalvledarelement 1 är en anordning 10 för styrning av respektive krafthalvledarelement ansluten, och dennas uppbyggnad är beskriven lite mera i detalj i Fig 2 och ännu mer detaljerat i Fig 3, och det hänvisas i den följande beskrivningen nu även till dessa båda figurer. An- ordningen erhåller en matningslikspänning för de däri ingå- ende komponenternas funktion på en ingång 11 och uppvisar en DC/DC-omvandlare 12 för omvandlande av matningslikspänningen till en sekundär matningslikspänning av en storlek lämpad för de olika komponenternas funktion. På en annan ingång 13 erhåller anordningen optiska signaler via en ljusledare från en överordnad styrelektronik för hela kraftomvandlaren för samordnande av styrningen av respektive ventilenhets krafthalvledarelement med styrningen av resten av stationens delar. Genom att använda en ljusledare för dessa order upp- nås en galvanisk separation mellan den överordnade styrelek- troniken belägen på låg potential och de vanligtvis på hög potential befintliga ventilenheterna hos strömventilen. Här kan lämpligtvis signaler skickas i båda riktningarna på ljusledarna 14. Genom ett organ 15 omvandlas dessa signaler till spänningssignaler som sänds vidare till en i. anord- aßxæu 10 15 20 25 30 35 516 .0 8 'nå 312? .=. .=.I; " 11 ningen ingående programmerbar krets 16, exempelvis en ispLSI LSI), PLD device) eller CPLD (complex programmable logic device). (in-system programmable (programmable logic Anordningen uppvisar även en ingång 17 till den programmer- bara kretsen för anslutning av en dator (PC) till den för omprogrammering av kretsen, i det fall detta skulle önskas.

Anordningen uppvisar följande anslutningar till krafthalvle- (eller hjälpkol- -anslutning' 18 till elementets kollektor närmare darelementet: en så kallad styrkollektor- lektor-) den senare än den så kallade huvudkollektoranslutningen 19, via vilken omvandlarens strömledningsbana, d \/ s likspän- ningsnätets ena polledare, är ansluten till kollektorn, så att en parasitinduktans hos huvudkollektoranslutningen und- viks vid anordningens anslutning vid 18. På motsvarande sätt kallad (eller hjälpemitter-) -anslutning 20 till krafthalvledarelementets uppvisar anordningen en så styremitter- emitter närmare den senare än den så kallade huvudemitteran- slutningen, via vilken apparatens strömledningsbana, d v s växelspänningsfasuttaget 9, är~ ansluten till emittern, så att en parasitinduktans hos huvudemitteranslutningen 21 und- viks vid anordningens anslutning 20. Härvid betraktar vi så- ledes den i Fig 1 överst visade strömventilenheten med styr- anordning. Styranordningen uppvisar även en förbindning 22 med. huvudemitteranslutningen 21. Slutligen är anordningen ansluten till krafthalvledarelementets styre via en styres- anslutning 23.

Styranordningen eller styrdonet som det normalt benämns är anordnat att styra krafthalvledarelementet på grundval av informationer som kan erhållas via de just beskrivna anslut- ningarna om utvalda, krafthalvledarelementets funktion be- skrivande parametrar. Dessa parametrar är företrädesvis kol- lektor-emitter-spänningen, vilken kan erhållas från anslut- ningarna 18 och 20 eller 21, styre-emitterspänningen, vilken 10 15 20 25 30 35 511 s .o s 3šïï= šïï: ëïïë šÉII- ZlÉï 12 kan erhållas från anslutningarna 23 och 20 eller 21 samt tidsderivatan av kollektorströmmen, vilken kan erhållas uti- från anslutningarna 20 och 21, då den parasitinduktans hu- vudemitteranslutningen 21 uppvisar kommer att medföra en be- tydande spänning mellan de båda anslutningarna 20 och 21, utan vidare i storleksordningen 50V, vid snabba förändringar av kollektorströmmen genom krafthalvledarelementet.

Såväl spänningssignalerna från anslutningen 18 som de från förbindningen 22 mottages av så kallade standardiserings- block 24 respektive 25, vilka är anordnade att dela upp re- spektive avkänningsspänningssignal i signaler med olika mätområde, såsom illustreras för 24 i Fig 3. På detta sätt erhålls signaler som är lämpliga att hanteras i ett medel 26 anordnat att jämföra värdet på dessa signaler med referens- nivåer motsvarande förutbestämda strömvärden på en via an- slutningen 23 till eller från krafthalvledarelementets styre sänd ström utnyttjad för styrande av krafthalvledarelementet på ett sätt som kommer att förklaras längre fram. De nämnda referensnivåerna genereras av den programmerbara kretsen 16 och sänds till jämförarmedlet 26 i form av digitala signa- ler, som omvandlas till analoga sådana i omvandlare 27 för jämförande i olika komparatorer 28 med de från blocken 24 och 25 kommande signalerna. Jämförarmedlet 26 är anordnat att sända resultatet av denna jämförelse till den program- merbara kretsen 16, som är utformad att behandla dessa data för att på grundval därav på sin utgång 29 leverera en digi- tal signal motsvarande en order om en förutbestämd strömnivå till eller från krafthalvledarelementets styre.

Anordningen innefattar vidare en digitalstyrd, strömstyv förstärkare 30 anordnad att nmttaga den digitala signalen från den programmerbara kretsen 16 och med utgångspunkt där- ifrån generera en ström till eller från krafthalvledarele- mentets styre 23 med nämnda förutbestämda strömnivå för sty- rande av krafthalvledarelementet. För denna skull uppvisar u asaæv n n 10 15 20 25 30 35 förstärkaren två uppsättningar strömkällor, vilka är samman- fattade vid 31 och 32, nämligen en första för genererande av en strön1 till krafthalvledarelementets styre och. en andra för genererande av en ström från styret. Uppbyggnaden hos denna förstärkare kommer att förklaras mera i detalj längre ned under hänvisning till framför allt Fig 4 och 5.

Anordningen uppvisar även en så kallad ”gate-vakt” 33, vil- anordnad att skydda krafthalvledarelementet mot okontrollerat tillslag vid bort- ken bildar en skyddsinrättning fall av matningslikspänningarna genom att hålla spänningen mellan krafthalvledarelementets styre och emitter under den nivå som krävs för krafthalvledarelementets aktivering under den tjrí då sådana nmtningslikspänningar ej levereras till anordningen. Dessutom är anordningen försedd med ett organ 34 anordnat att övervaka, matningslikspänningar till olika delar av anordningen och meddela dessas status till den pro- grammerbara kretsen.

I Fig 4 visas förstärkaren mera i detalj. Denna uppvisar en snabb strömstark digital buffert 38 anordnad hos förstärka- rens ingång att mottaga den av den programmerbara kretsen 16 utsända svaga digitala signalen ankommande vid ingången 37 och förstärka samt nivåstabilisera denna. Därvid matas buf- ferten 38 med 5 V, och en logisk ”1” på utgången represente- ras av en styv och väl definierad spänning, t ex 4,6 V. Ge- nom att basen hos en första bipolär transistor 35 är anslu- ten till buffertens utgång erhåller denna en styv digital- signal på 4,6 V, så att denna transistor 35 snabbt kommer att lyfta sin emitterpotential till ca 4 V. Transistorn 35 är via en resistor 41 ansluten till noll-potential. Genom att spänningsfallet bas-emitter hos transistorn 35 är 0,6 V blir spänningen över resistor 41 4 V. Härigenom går en ström genom resistorn 41 och kollektorströmmen blir konstant och väl definierad som strömmen genom resistorn 41 = spänning över resistorn 41/resistansen hos resistorn 41. rasar 10 15 20 25 30 35 s 1 s oss -Ešèïïë 122- " 14 Förstärkaren uppvisar även en andra bipolär transistorn 36, vars bas är ansluten till den första bipolära transistorns kollektor. Den första bipolära transistorns kollektor är via en resistor 39 ansluten. till +V) medan den andra transistorns 36 emitter är via en resistor 40 ansluten till samma potential. Vidare är den andra bipolära transistorns 36 kollektor ansluten till krafthalvledarelementets styre 23.

Resistorerna 41 och 39 är valda för att skapa en styv refe- rensspänning för' basent hos den andra transistorn 36 samt hålla transistorn 35 i det linjära arbetsområdet, d v s spänningen över kollektor-emitter hos transistorn 35 är all- tid större än ett par volt. Referensen för den andra tran- sistorns bas uppstår genom resistorn 39 och processen uppre- pas genom att transistorn 36 snabbt lyfter sin emitterpoten- tial till en nivå baspotentialen +0,6 V, varigenom ström går genom resistorn 40 och en väl definierad och konstant kol- lektorström hos transistorn 36 genereras till krafthalvleda- relementets styre 23.

Följaktligen kan det generellt sägas att en strömkälla byggd av den första transistorn. 35 och resistorn 41 driver en strömkälla byggd av den andra transistorn 36 och resistorn 40. Detta är nyckeln till snabbhetent hos den strömstyva digitalstyrda förstärkaren. Det är nämligen allmänt känt att en bipolär transistor kan snabbt frånkopplas när den befin- ner sig i det linjära arbetsområdet, vilket kan förklaras av att inga hål injekteras från basen i kollektorskiktet. I fö- religgande fall befinner sig både den först transistorn 35 och den andra transistorn 36 alltid antingen i det linjära arbetsområdet eller är frånslagna. För att ytterligare för- korta omkopplingstiderna dimensioneras resistorerna 39, 40 och 41 med mycket låga värden för att snabbt transportera laddningsbärare vid omkoppling. Något som ävenledes bidrar »anno ...ns 10 15 20 25 30 35 516 083 15 till förstärkarens snabbhet är att den digitala signalen vid den första transistorns 35 bas mottagen från bufferten 38 samtidigt blir referens för ett analogt strömvärde, samt ge- så att det inte åtgår någon tid till digital/analog-omvandling. nom att vikta strömkällor på nedan beskrivet sätt, Närmare bestämt uppvisar varje uppsättning n ingångar 37 och n par bipolära transistorer, d v s strömkällor, varvid dock egentligen 35, 41 plus 36, 40 är att beteckna som en ström- källa, och den i Fig 4 sett övre uppsättningen är anordnad att generera. en ström. till krafthalvledarelementets styre och den undre uppsättningen en ström från krafthalvledarele- mentets styre.

Det påpekas att två transistorer kopplade i konstantströmmod - 35, 41 samt 36, 40 - behövs för att åstadkomma nivåskift- ning p g a att den programmerbara kretsen 16 samt bufferten 38 matas med matning för digitala kretsar, vilken oftast är +5 V, mellan +V- och -V-potential, som oftast är högre än 5 V. medan den strömstyva digitala förstärkaren kopplas De strömkällor som genererar ström från krafthalvledarele- mentets styre 23, d v s tillhör den i Fig 4 visade nedre uppsättningen, är uppbyggda enligt samma teknik som den övre uppsättningen men kompletterade med en ytterligare transis- tor i konstantströmmod för att åstadkomma en nivåskiftning från +V till -V. Detta åstadkommes genom transistorn 51.

Det påpekas även att alla i Fig 4 visade transistorerna ar- betar inom det linjära arbetsområdet. Konstantströmmod- strömkällor används inte bara för att göra förstärkaren snabbare, utan även för att snabbt trycka ström (laddning) av ett väl definierat värde in i. krafthalvledarelementets styre trots anslutningarnas parasitinduktans och krafthalv- ledarelementets interna dämpningsmotstånd, vars värde ofta är starkt temperaturberoende. Vidare kommer vid en ändring av spänningen mellan styret 23 och emittern 20 från -V till »nano 10 15 20 25 30 35 5316 ,Û83¿::=¿::;ê._.š -ï_§§;'¿*;; :fjg- " 16 +V' vid tillslag av krafthalvledarelementet eller från +V till -V vid frånslag strömkällorna att kunna leverera kon- stant strömvärde, d v s väl definierad laddning, inom nästan hela spänningsområdet +/-V.

Den programmerbara kretsen är vidare anordnad att leverera nämnda digitala signal i form av ett flerbitarsord, hos vil- ket varje bit motsvarar en separat av nämnda strömkällor i förstärkaren, d v s en separat av de två n ingångarna, och de olika strömkällornas strömvärden är bit-viktade, nämligen enligt 2° . .. uppifrån och ökande av signifikantgraden nedåt med avseende 2”l med de minst signifikanta strömkällorna på ingångarna 37 och deras framställning i Fig 4. Den ome- delbara omvandlingen av de digitala ettorna på de olika in- gångarna 37 till en analog spänningssignal på respektive och det strömkällorna är uppbyggda gör det möjligt att förändra, första bipolära transistors bas sätt på vilket d v s styra, strömmen till eller från krafthalvledarelemen- tets styre så snabbt som krävs, väl inom 20ns.

En strömkälla som matas från +V kan dock inte leverera ström när krafthalvledarelementets styre 23 laddas upp till +V.

Den begärda konstanta strömmen kommer därvid endast att upp- nås tills potentialen hos styret 23 är lägre än den hos den första bipolära transistorns 35 bas, och för övrigt kommer strömkällan att driva mindre ström tills den slutligen bott- nar (ej linjärt arbetsområde) och blir långsam vid omkopp- ling. Motsvarande begränsning gäller för de strömkällor som genererar ström från krafthalvledarelementets styre. För att råda bot på dessa olägenheter kompletteras förstärkaren med ett i Fig 5 illustrerat icke strömstyvt resistivt slutsteg 42. För att ladda krafthalvledarelementets styre upp till +V-potential kopplas en p-kanal-MOSFET-transistorn 52 mellan +V och en resistor 43, som i sin tur är kopplad till halvle- darelementets styre 23. Styret hos transistorn 52 styrs en- ligt till/från-princip via ett nivåskiftssteg kopplat till 10 15 20 25 30 35 s .1 e hoss šïï* ~ï.šëëïïë-ëfilëëïïë- 17 den digitala styrsignalen 45. På. motsvarande sätt är för laddande av krafthalvledarelementets styre ned till -V-po- tential en n-kanal-MOSFET-transistor 53 kopplad. mellan. -V och en resistor 44, som i sin tur är kopplad till krafthalv- ledarelementets styre 23. Styret hos transistorn 53 styrs enligt till/från-principen via ett nivåskiftsteg kopplat till den digitala styrsignalen 46.

I Fig 6 illustreras hur krafthalvledarelementet kan styras genom varierande av styrströmmen 47. Vid tillslag eller tän- dande av krafthalvledarelementet mottages först en till-sig- nal på ingången 13, varpå den programmerbara kretsen kommer att tända krafthalvledarelementet enligt en förprogrammerade algoritm. När matningsspänningen är som den ska kommer posi- tiva strömkällor, till styret, emitter-spänningen uppmätt hos d Xr s strömkällor för ledning av ström att öka styrströmmen 47 till 10A. När styre- styranordningen när ca BV minskas styrströmmen till ca 6A. När sedan spänningen över huvudemittern och hjälpemittern indikerar en positiv kollek- torströmtidssderivata minskas styrströmmen till l A. När se- dan motsvarande spänningen indikerar en negativ kollektor- strömtidsderivata ökas strömmen för att snabbt ladda upp styremitterpotentialen till -+l5V. Därefter är' krafthalvle- darelementet tillslaget och kommer att så vara till tidpunk- ten 50, då frånslagsprocessen begynnes på följande sätt: en frânslagssignal erhålles på ingången 13, och då kommer den programmerbara kretsen att släcka krafthalvledarelementet enligt en förprogrammerad algoritm, och först kommer de ne- gativa strömkällorna att öka styrströmmen till -l2A. När den uppmätta kollektor-emitter-spänningen stiger över lOV redu- ceras styrströmmen till 4A. När kollektor-emitter-spänningen stiger över förprogrammerad överspänningsskyddsnivå reduce- ras styrströmmen till l,5A. Efter det att krafthalvledarele- mentet släckts hålls styrspänningen vid -l5V under resten av frånslagsperioden. 10 15 516 oss šäšaïïè-äfllëzïïë» :ä.1;:;' " 18 Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, mängd möjligheter till modifikationer därav torde vara penbara för en fackman på området, utan att denne för skull avviker från uppfinningens grundtanke.

Exempelvis är det inte alls nödvändigt att det finns ett parat komparatorblock 26, utan detta skulle kunna vara tegrerat i den programmerbara kretsen 16.

Det är inte heller nödvändigt att kommunikationen vid 13 styranordningen sker via ljus. utan en up- den Se* in- med I fallet av ett oisolerat system skulle i vissa fall omvand- laren 12 kunna utelämnas.

Claims (18)

10 15 20 25 30 35 516 0.85 19 Eatentkray

1. Anordning för styrning av spännings-laddningsstyrda krafthalvledarelement (1) i apparater för omformning av elektrisk effekt, vilken innefattar organ anordnade att känna av funktionsparametrar hos ett nämnt krafthalvledarelement samt en inrättning (30) anordnad att styra spänningen mellan styret och emittern hos krafthalvledarelementet i beroende av de avkända funktionsparametrarnas värde för att därigenom styra krafthalvledarelementet, därav, att nämnda organ (18-25) är anordnade att känna av utvalda, krafthalvledarelemen- tets funktion beskrivande parametrar via anslutningar (18-21) till krafthalvledarelementet, och att anordningen dessutom innefattar medel (26) anordnade att jämföra värdet på de utvalda, avkända funktionsparametrarna med referensnivàer hos dem, en program- merbar krets (16) anordnad att alstra nämnda referensnivàer för jämförelsen och behandla av jämförelsen resulterade data för att pà grundval därav pà sin utgång leverera en digital signal motsvarande en order om en förutbestämd strömnivà till eller fràn elementets styre (23), och en digitalstyrd, strömstyv, d v s med i konstantströmmod arbetande strömkällor (31, 32) försedd förstärkare (30) anordnad att mottaga den digitala signalen från den programmerbara kretsen och med utgångspunkt därifrån via nämnda strömkällor generera en ström till eller från kraftele- mentets styre med nämnda förutbestämda strömnivà för styrande av krafthalvledarelementet.

2. Anordning enligt krav 1, därav, att nämnda organ uppvisar anslutningar (19, 21) till krafthalvledarelementets kollektor och emitter för av- kännande av kollektor-emitter-spänningen hos krafthalvledar- elementet som en nämnd utvald parameter.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, därav, att nämnda organ uppvisar anslutningar (21, 23) till krafthalvledarelementets styre och emitter för avkän- 10 15 20 25 30 35 51.6 083 20 nande av styre-emitter-spänningen hos krafthalvledarelementet som en nämnd utvald parameter.

4. Anordning enligt något av kraven 1-3, därav, att nämnda organ har en hjälpkollektor- anslutning (18) till krafthalvledarelementets kollektor närmare den senare än den så kallade huvudkollektoranslutningen (19), via vilken apparatens strömledningsbana är ansluten till kollek- torn, så att en parasitinduktans hos huvudkollektoranslutningen undviks vid mätorganets anslutning.

5. Anordning enligt något av kraven 1-4, därav, att nämnda organ har en hjälpemitteran- slutning (20) till krafthalvledarelementets emitter närmare den senare än den så kallade huvudemitteranslutningen (21), via vil- ken apparatens strömledningsbana är ansluten till emittern, sà att en parasitinduktans hos huvudemitteranslutningen undviks vid mätorganets anslutning.

6. Anordning enligt krav 5, därav, att nämnda organ är anordnade att känna av den på grund av nämnda parasitinduktans vid förändringar av krafthalvledarelementets kollektorström mellan hjälp- och huvudemitteranslutningen genererade spänningen för att pä så vis indirekt känna av tidsderivatan av kollektorströmmen som en av nämnda utvalda, krafthalvledarelementets funktion be- skrivande parametrar.

7. Anordning enligt något av kraven 2-6, därav, att nämnda organ innefattar med respek- tive anslutning förbundna medel (24, 25) anordnade att dela upp den från anslutningen därtill inkommande avkänningssignalen i signaler med olika mätomràde för vidareförande av sistnämnda signaler till jämförarmedlet.

8. Anordning enligt något av kraven 1-7, 10 15 20 25 30 35 516 083 21 därav, att den programmerbara kretsen (16) upp- visar ett don (17) för anslutning av en inrättning för re- konfiguration av den programmerbara kretsen, d v s ompro- grammering av den programmerbara kretsen.

9. Anordning enligt krav 8, därav, att den programmerbara kretsen (16) är utformad att via nämnda programmeringsanslutning (17) därtill möjliggöra en förändring av skydds-styrfunktioner samt omställ- ning av nämnda referensnivåer efter idrifttagande av nämnda apparat.

10. Anordning enligt något av kraven 1-9, därav, att den programmerbara kretsen (16) upp- visar en anslutning (13) för kommunikation med överordnad styrelektronik hos nämnda apparat.

11. Anordning enligt något av kraven 1-10, därav, att den innefattar organ för tillhanda- hållande av matningslikspänningar (12) för anordningens funktion.

12. Anordning enligt krav 11, därav, att den uppvisar ett organ (34) anordnat att övervaka matningslikspänningarna till olika delar av anord- ningen och meddela dessas status till den programmerbara kretsen (16).

13. Anordning enligt krav 11, därav, att den innefattar en skyddsinrättning (33) anordnad att skydda krafthalvledarelementet mot okontrollerat tillslag vid bortfall av matningslikspänningarna genom att hålla spänningen mellan krafthalvledarelementets styre och emitter under den nivå som krävs för krafthalvledarelementets aktivering under den tid då sådana matningslikspänningar ej levereras till anordningen. 10 15 20 25 30 35 516 083 22

14. Anordning enligt något av kraven 1-13, därav, att förstärkaren (30) uppvisar en första uppsättning (31) strömkäilor anordnade att leverera en ström av inbördes olika styrka till krafthalvledarelementets styre och en andra uppsättning (32) strömkäilor anordnade att generera en ström av inbördes olika styrka från krafthalvledarelementets styre samt organ anordnade att med utgångspunkt från den digitala signalen från den programmerbara kretsen styra dessa strömkäilor för styrande av krafthalvledarelementet.

15. Anordning enligt krav 14, därav, att den programmerbara kretsen (16) är anordnad att leverera nämnda digitala signal i form av ett fler- bitarsord, hos vilket varje bit motsvarar en separat av nämnda strömkäilor (35, 36) i förstärkaren, och att de olika ström- källornas strömvärden är bit-viktade.

16. Anordning enligt krav 14 eller 15, därav, att varje nämnd strömkälla innefattar ett par bipolära transistorer (35, 36), av vilka en första (35) är anordnad att ha en spänning applicerad mellan sin kollektor och emitter och sin bas ansluten till förstärkarens ingång för mottagande av en digital signal med väldefinierad spänningsnivå och en andra (36) är kopplad med sin bas till den förstas kollektor och med sin kollektor till krafthalvledarelementets styre för genererande av en ström till eller fràn styret, och att bàda transistorerna (35, 36) är kopplade att alltid befinna sig i det linjära arbetsområdet eller vara frånkopplade beroende på om en digital ”1” eller ”O” mottages pà den första transistorns bas, varvid den första transistorn är anordnad att driva den andra.

17. Anordning enligt krav 16, därav, att den första bipolära transistorn har sin emitter via en resistor (41) ansluten till nollpotential och den andra bipolära transistorn har sin emitter via en resistor (40) ansluten till en positiv potential. 516 083 23

18. Anordning enligt något av kraven 1-17, därav, att den strömstyva, digitalstyrda för- stärkaren (30) innefattar ett icke strömstyvt slutsteg (42) anordnat att styra krafthalvledarelementet med hjälp av en däri ingående resistor (43) för tillslag och ledande tillstànd hos krafthalvledarelementet och en resistor (44) för frànslag och blockerande tillstànd hos krafthalvledarelementet.