<Desc/Clms Page number 1>
Gegenstand der Erfindung ist eine Ansteuerschaltung für einen Leistungs-Feldeffekttransistor zur Übertragung von zur Ladung und Entladung der Gate-Source-Kapazität dienenden Ein- und Ausschaltimpulsen.
Leistungs-Feldeffekttransistoren (fortan als Leistungs-FET bezeichnet) weisen, insbesondere im Vergleich zu Bipolar-Leistungs-Transistoren, auffallende Vorteile auf. Sie können als sehr schnelle Schalter in verschiedenen Anwendungen der Leistungselektronik zum leistungslosen Schalten hoher Ströme eingesetzt werden. Kennzeichnend ist ein hoher Eingangswiderstand und ein sehr geringer Bahnwiderstand im eingeschalteten Zustand von einigen Hundertstel Ohm bis zu einigen Ohm, sowie Schaltzeiten im Nano-Sekunden-Bereich. Zur Einschaltung eines FET genügt, da er spannungsgesteuert ist, die impulsförmige Zuführung eines kapazitiven Ladestromes zur Aufladung der im Nanofaradbereich liegenden Gate-Source-Kapazität. Die Ansteuerleistung ist dabei für jede Type unabhängig von der geschalteten Leistung.
Eine Parellelschaltung kann ohne Anordnung von Stromverteilungswiderständen vorgenommen werden.
Für die Auf- und Entladung der Gate-Source-Kapazität, die zum Ein- und Ausschalten erforderlich ist, sind viele einander ähnliche Schaltungsanordnungen bekanntgeworden, bei denen zum Einschalten des Leistungs-FET, dessen Gate-Source-Kapazität durch Zuschalten eines Kondensators über einen ersten Transistor aufgeladen und zur Ausschaltung des Leistungs-FET, dessen Gate-Source-Kapazität durch Einschaltung eines zweiten Transistors entladen wird. Dabei erfolgt sowohl die Aufladung als auch die Entladung niederohmig, d. h. in kurzer Zeit. Dadurch werden Ein- und Ausschaltzeiten und somit auch Ein- und Ausschaltverluste gering gehalten.
Bei der Anwendung von Leistungs-FET in der Leistungselektronik, etwa bei Transistorstellern, tritt jedoch das Problem auf, wegen der hohen zu schaltenden Gleichspannungen zwischen Steuerund Leistungskreis eines geschalteten Transistors eine Potentialtrennung vorzunehmen. Der dazu erforderliche Impulsübertrager muss dabei wegen der hohen Schaltfrequenzen einen kleinen Eisenkern aufweisen, um hohe Magnetisierungsströme zu vermeiden, die nicht nur eine hohe Verlustleistung, sondern auch Probleme bei dem notwendigen Abbau der gespeicherten magnetischen Energie während der Impulspausen, insbesondere bei einem extremen Impuls-Pausen-Verhältnis verursachen.
Der erforderliche Magnetisierungsstrom könnte durch Erhöhung der Windungszahl der Wicklungen verringert werden. Die Windungszahlen sollen aber im Hinblick auf die hohen Schaltfrequenzen gering gehalten werden. In gleicher Weise trifft dies im Hinblick auf die gegenseitigen Koppelkapazitäten zu, durch die kapazitive Übertragungen aus dem Leistungsteil in den störungsempfindlichen Steuerteil bzw. von einem Brückenzweig in den andern erfolgen könnten. Man hat daher auch hier angestrebt, das Steuersignal nur während der Flankenzeiten der Steuerspannungsimpulse zu übertragen, so dass die Zunahme des Magnetisierungsstromes während der Dachzeit des Steuerimpulses entfällt und optimale schnelle Übertrager mit kleinen Induktivitätswerten, die auch die zuvor genannten günstigen Eigenschaften bezüglich geringer Störungsübertragung aufweisen, verwendet werden können.
Dazu wurden Schaltungsanordnungen vorgesehen, die aus einer primärseitigen Treiberstufe, sowie aus einem sekundärseitigen Anpassungsnetzwerk zwischen Sekundärwicklung und FET-Eingang bestehen. Mit dem der Anstiegsflanke des Steuerimpulses entsprechenden Kurzimpuls wird dabei über eine Diode der Gate-Source-Kapazität eine Ladung zugeführt und mit dem der Abschaltflanke des Steuerimpulses entsprechenden Kurzimpuls wird über eine Zenerdiode ein Transistor durchgesteuert, über den sich die Kapazität entlädt. Die mit geringerer Amplitude auftretenden Entmagnetisierungsimpulse werden durch einen parallel zur Sekundärwicklung des Impulsübertragers geschalteten Widerstand so weit bedämpft, dass sie wirkungslos bleiben.
Die betriebliche Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass bei einem ungünstigen Impuls-Pausen-Verhältnis der Steuerimpulse die ausreichende Ladung der Gate-Source-Kapazität nicht sichergestellt werden kann und durch die komplexe Schaltung des Anpassungsnetzwerkes eine Entladung dieser Kapazität durch Leckströme und damit ein vorzeitiges Abschalten des FET nicht mit Sicherheit zu vermeiden ist.
Durch die Erfindung soll daher eine Ansteuerschaltung angegeben werden, mit der die Ansteuerung eines Leistungs-FET, d. h., die Aufladung seiner Gate-Source-Kapazität, sowie die Erhaltung dieser Ladung über die ganze Dauer des Einschaltzustandes sichergestellt werden kann.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erster, einen, an sich bekannten Impulsübertrager enthaltender Signalweg für betriebsmässige Ein- und Ausschaltimpulse über die Primärwicklung des
<Desc/Clms Page number 2>
Impulsübertragers und über ein Differenzierglied mit dem Ausgang eines Rechteckimpulsgenerators und die Sekundärwicklung des Impulsübertragers über eine Zenerdiode, deren Anode mit der Sekundärwicklung verbunden ist,
über eine Speicherstufe sowie eine Verstärkerstufe mit dem Gate- - Anschluss des Feldeffekt-Transistors verbunden ist und dass zur Schnellentladung der Gate-Source- - Kapazität im Störungsfall ein zweiter Signalweg über eine an den Eingang der Speicherstufe geschaltete Diode mit dem ersten Signalweg zur Durchsteuerung eines mit seiner Schaltstrecke zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors geschalteten Transistors verbunden ist.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Schaltung liegt darin, dass durch sie eine sichere Ansteuerung des Leistungs-FET bei optimaler Ausbildung des Impulsübertragers hinsichtlich der zu fordernden Eigenschaften gewährleistet ist. Eine beliebige Erhöhung der geschalteten Stromstärke durch Parallelschaltung mehrerer FET ist bis zur Leistungsgrenze des in der erfindungsgemässen Schaltung jeweils verwendeten Verstärkers möglich.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Speicherstufe entweder aus einem nichtinvertierenden Verstärker oder aus zwei in Reihe geschalteten invertierenden Verstärkern, mit jeweils einem Rückführungswiderstand. Dadurch ist es möglich, die in der Gesamtanlage verwendete Technologie auch bezüglich der Speicherstufe einzusetzen.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Ansteuerschaltung soll nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben werden.
Die von einem hier nicht dargestellten Steuersatz gelieferten rechteckförmigen Steuerimpulse werden über einen Verstärker-l-und ein aus einem Kondensator --2-- und einem Widerstand - gebildetes Differenzierglied geführt und gelangen als Nadelimpulse an die Primärwicklung - des Impulsübertragers-5--. Die durch die ansteigende Flanke des Steuerimpulses auf der Sekundärseite --6-- des Übertragers --5-- entstehenden, als positiv zu wertenden Nadelimpulse gelangen über eine Diode --15--, deren Anode mit der Sekundärwicklung --6-- des Impulsübertragers --5-- verbunden ist an den Eingang einer Speicherstufe --8--, die etwa aus zwei in Reihe geschalteten invertierenden Verstärkern-9,
10-gebildet sein kann und die mittels eines Rück- führungswiderstandes --11-- vom Ausgang der zweiten Stufe --10-- an den Eingang der ersten Stufe --9-- eine Speicherfunktion erhält. Wenn in der Gesamtschaltung etwa eine Vielzahl von nichtinvertierenden Verstärkerstufen verwendet wird, kann die Speicherstufe auch aus einer solchen nichtinvertierenden Verstärkerstufe gebildet werden, wodurch eine grössere Bestückungseinheitlichkeit erreicht werden kann. Der Ausgang des Speichers --8-- ist weiters mit dem Eingang eines Verstärkers --12-- verbunden, dessen Ausgang über einen Schutzwiderstand --13-- an den Gate- - Anschluss des FET --14-- geschaltet ist. Durch den Verstärker --12-- wird die Gate-Source-Kapazität geladen und in ihrem Ladungszustand erhalten.
Die Stromversorgung aller Verstärkerstufen erfolgt aus einem eigenen, hier nicht näher dargestellten Netzgerät, das durch seinen Transformator potentialmässig vom Speisenetz getrennt ist. Der durch die abfallende Flanke des Steuerimpulses auf der Sekundärseite --6-- des Übertragers --5-- entstehende, als negativ zu bezeichnende Nadelimpuls bewirkt einen Durchbruch der mit ihrer Kathode am"l"-Potential des Speichereinganges liegenden Zenerdiode --7-- und bewirkt somit die Rücksetzung des Speichers --8-- und über den Verstärker --12-- die Entladung der Gate-Source-Kapazität des FET --14-- und somit dessen Abschaltung.
Die Durchbruchsspannung der Zenerdiode --7-- muss dem doppelten Betrag des Eingangsschwellwertes des Speichers --8-- bzw. dem Wert der Speisespannung P'entsprechen. Die Einschaltung der Diode --7a-- in den Zweig der Zenerdiode --7-- bewirkt eine ständige Ladungserhaltung der Kapazität dieser Zenerdiode --7--, die aus technologischen Gründen einen bestimmten Wert nicht unterschreiten kann, so dass diese Kapazität für eine nicht zulässige Leitung eines mit seinem Wert unter der Durchbruchsspannung der Zenerdiode liegenden negativen Steuerimpulses nicht fungieren kann.
Ein aus einer hier nicht näher beschriebenen Kurzschlussüberwachungseinheit im Kurzschlussfall gelieferter Abschaltimpuls gelangt über einen Verstärker --16-- einerseits über die Diode --17-an den Eingang des Speichers --8-- und anderseits über den Widerstand --19-- an die Basis eines mit seiner Schaltstrecke die Gate-Source-Strecke des FET-14-überbrückenden Transistors-18-.
Durch diese Anordnung kann im Kurzschlussfall direkt, d. h. mit der geringstmöglichen Laufzeit abgeschaltet werden.