CH660821A5 - Elektronische schaltvorrichtung mit einem leistungstransistor als schaltelement. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltvorrichtung mit einem durch eine Steuerstufe gesteuerten Leistungstransistor als Schaltelement, mit einer Ausschalt-Entla-stungsschaltung, die eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und mindestens einer gleichsinnig zum Leistungstransistor gepolten Diode und eine die Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors umgehende Entladestrecke mit einem Entladewiderstand für den Kondensator und einem gleichzeitig mit dem Leistungstransistor durchgesteuerten Entladetransistor aufweist, wobei die Reihenschaltung aus Kondensator und Diode parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors liegt, und gegebenenfalls mit einer gegenüber der Durchlassrichtung des Leistungstransistors umgekehrt gepolten Freilaufdiode.
Bei einer bekannten Schaltvorrichtung dieser Art ist der Entladewiderstand ein Transformator, der in Reihe mit dem Entladetransistor parallel zu dem Kondensator liegt. Damit der Kondensator beim Ausschalten des Leistungstransistors durch langsames Aufladen die gewünschte Ausschalt-Entlastung bewirken kann, muss er vor dem Ausschalten entladen sein.
Nach dem Ausschalten weist er jedoch eine Spannung auf. Er muss daher vor dem nächsten Ausschalten wieder entladen werden. Dies geschieht beim Einschalten des Leistungstransistors über den Transformator und die Kollektor-Emitter-
Strecke des Entladetransistors. Der Entladestrom fliesst daher nicht, wie in anderen bekannten Fällen, über die Schaltstrecke (die Kollektor-Emitter-Strecke) des Leistungstransistors, so dass die Schaltstrecke nicht zusätzlich durch den Entladestrom belastet und die Verlustleistung des Leistungstransistors gering gehalten wird. Die Sekundärspannung des Transformators wird wieder der Betriebsspannungsquelle zugeführt, um Energieverluste durch das Entladen des Kondensators weitgehend zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung der gattungsgemässen Art anzugeben, bei der die Verluste weiter verringert werden.
Erfindungsgemäss ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Entladestrom des Kondensators über die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors geleitet wird.
Bei dieser Lösung wird die Ladung des Kondensators zur Erzeugung eines kräftigen Basisstromstosses beim Einschalten des Leistungstransistors ausgenutzt, um den Leistungstransistor rasch durchzusteuern und dadurch die Verlustleistung seiner Schaltstrecke zu verringern. Nach diesem Stromstoss verläuft der Basisstrom in Übereinstimmung mit dem normalen Steuersignal.
Da der Einschaltstromstoss andernfalls aus einer weiteren Energiequelle entnommen werden müsste, wird durch die Ausnutzung der Kondensatorladung eine Energieeinsparung in der Steuerschaltung und damit ein höherer Gesamtwirkungsgrad bei einfacherer Schaltung erreicht.
Besonders günstig ist eine Ausbildung, bei der die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors in der Entladestrecke des Kondensators liegt. Insbesondere kann die Kollektor-Emit-ter-Strecke des Entladetransistors zwischen Basis und Kollektor des Leistungstransistors liegen und der Entladewiderstand ein ohmscher Widerstand sein. Hierbei kann die Kondensatorladung unmittelbar als Basisstrom ausgenutzt werden und ein aufwendiger Transformator entfallen.
Ferner kann der Leistungstransistor mit einem Steuertransistor, insbesondere für hohe Spannungen, in Darlington-Schal-tung und der Entladewiderstand direkt mit dem Kollektor des Steuertransistors und über eine in Durchlassrichtung des Steuertransistors gepolte Diode mit dem Kollektor des Leistungstransistors verbunden sein. Hierbei bildet der Steuertransistor gleichzeitig den Entladetransistor für den Kondensator, während die in Durchlassrichtung des Steuertransistors gepolte, zwischen den Kollektoren der beiden Transistoren liegende Diode einerseits eine Entladung des Kondensators über den Leistungstransistor verhindert und andererseits einen Stromfluss durch den Steuertransistor aufrechterhält, wenn die Kondensatorentladung vor dem Ende des Einschalt-Steuersignals abgeschlossen ist. Auch hierbei bildet der Entladestrom des Kondensators zumindest einen Teil des Basisstroms des Steuertransistors, der den Basisstrom zu Beginn überhöht, so dass der Leistungstransistor rasch durchgesteuert wird.
Sodann kann der Leistungstransistor derart in Abhängigkeit vom Ladezustand des Kondensators gesteuert werden, dass der Leistungstransistor nur bei entladendem Kondensator ausschaltbar ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Kondensator vor dem Ausschalten des Leistungstransistors mit Sicherheit hinreichend entladen ist.
Hierbei kann am einen Eingang eines Vergleichers die Spannung des Kondensators und am anderen Eingang eine Bezugsspannung liegen und das dem Steuereingang des Leistungstransistors zugeführte Signal aus einer ODER-Verknüpfung des Vergleichsausgangssignals und eines Steuersignals für den Leistungstransistor abgeleitet sein. Wenn dann zum Ausschalten des Leistungstransistors das Einschalt-Steuersignal verschwindet, bevor der Kondensator entladen ist, bleibt der Leistungstransistor weiterhin so lange leitend, bis der Kondensator hinreichend entladen ist. Das Einschalt-Steuersignal braucht daher
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nicht bis zur hinreichenden Entladung des Kondensators aufrechterhalten zu werden. Vielmehr genügt ein kurzer Einschalt-Steuerimpuls. Dennoch bleibt der leitende Zustand des Leistungstransistors bis zur hinreichenden Entladung aufrechterhalten. Auf diese Weise kommt man mit geringer Steuerleistung aus. Andererseits kann bei kürzerer Entladezeit des Kondensators, als es der Dauer eines Einschalt-Steuerimpulses entspricht, der leitende Zustand des Leistungstransistors auch bis zum Ende des Einschalt-Steuerimpulses aufrechterhalten werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäs-sen Schaltvorrichtung, angewandt auf einen einphasigen Verbraucher,
Fig. 2 zwei Ausführungsbeispiele nach Fig. 1, angewandt in einem zweiphasigen Wechselrichter,
Fig. 3 ein Diagramm, das den Verlauf des Basisstroms des Leistungstransistors in Abhängigkeit von dèr Zeit darstellt,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge-mässen Schaltvorrichtung,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge-mässen Schaltvorrichtung und
Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge-mässen Schaltvorrichtung.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 enthält die Schaltvorrichtung einen Leistungstransistor 1 als Schaltelement. Die Basis des Leistungstransistors 1 ist mit dem Emitter und der Kollektor des Leistungstransistors 1 mit dem Kollektor eines Steuertransistors 2 verbunden, dessen Basis mit einem Steueran-schluss 3 verbunden ist. In Reihe mit dem Leistungstransistor 1 liegt ein induktiver Verbraucher 4 mit parallel geschalteter Freilaufdiode 5. Die Reihenschaltung aus Verbraucher 4 und Lei-stungstransistor 1 liegt an einer Betriebsspannungsquelle 6, die eine Gleichspannung Ub erzeugt. Der Emitter des Leistungstransistors 1 ist mit einem zweiten Steueranschluss 7 verbunden, wobei die Steueranschlüsse 3 und 7 den Steuereingang der Transistoren 1 und 2 bilden. Den Steueranschlüssen werden Steuersignale in Form von Rechteck-Impulsen aus einer nicht dargestellten Steuerstufe zugeführt.
Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1 liegt eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Diode 10 und einem Kondensator M, wobei die Diode gleichsinnig mit dem Leistungstransistor 1 gepolt ist. Parallel zu der aus Kondensator 11 und Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1 gebildeten Reihenschaltung liegt eine Entladestrecke, die einen ohmschen Entladewiderstand 12 in Reihe mit der Kollek-tor-Emitter-Strecke eines Entladetransistors 13 aufweist. Die Basis des Entladetransistors 13 ist über einen ohmschen Vorwiderstand 14 mit dem Steueranschluss 3 verbunden.
Während die leitenden Transistoren 1, 2 und 13 durch Wegnahme eines Einschalt-Steuerimpulses vom Eingang 3, 7 «ausgeschaltet» (gesperrt) werden, lädt sich der Kondensator 11 über den Verbraucher 4 und die Diode 10, noch während der Kollektorstrom abkingt, langsam auf die Betriebsspannung Ub auf. Die Aufladung vollzieht sich so langsam, dass schon bei wesentlich kleinerer Ladespannung des Kondensators 11 als es der Betriebsspannung Ub entspricht, der Kollektorstrom des Leistungstransistors 1 bis auf Null abgeklungen und der Leistungstransistor 1 völlig gesperrt ist. Die während der Ablingdauer des Kollektorstroms im Leistungstransistor 1 umgesetzte Leistung ist daher wesentlich geringer als ohne den Kondensator 11. Ohne den Kondensator 11 würde bei Wegnahme des Einschalt-Steuerimpulses vom Steuereingang 3, 7 die Kollek-tor-Emitter-Spannung am Leistungstransistor 1 praktisch un-verzögert ansteigen, weil der Verbraucherstrom sehr rasch aufgrund der Induktivität des Verbrauchers 4 auf die Freilaufdiode 5 kommutieren würde. Ein plötzlicher Anstieg der Kollektor-
Emitter-Spannung des Leistungstransistors 1 bei noch nahezu unvermindertem Kollektorstrom würde zu einer entsprechend hohen Belastung des Leistungstransistors 1 führen. Der Kondensator 11 verhindert diesen plötzlichen Anstieg der Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors 1 und damit dessen Überlastung. Damit der Kondensator 11 den Spannungsanstieg jedoch durch seine Aufladung verzögern kann, muss er vorher entladen worden sein. Dies geschieht beim Einschalten des Leistungstransistors durch einen Einschalt-Steuerimpuls am Eingang 3,7. Dieser Impuls wird auch der Basis des Entladetransi-stors 13 zugeführt, so dass alle Transistoren 1, 2 und 13 sofort «eingeschaltet» (durchgesteuert) werden. Dabei entlädt sich der Kondensator 11 nicht, wie in bekannten Fällen, über die Schaltstrecke des Leistungstransistorss 1, sondern über den Entladewiderstand 12, den Entladetransistor 13 und die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1. Der Entladestrom fliesst daher nicht noch zusätzlich zum Verbraucherstrom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1, sondern über eine eigene Entladestrecke, also ohne die Schaltstrecke des Leistungstransistors 1 zusätzlich zu belasten. Der Entladestrom fliesst vielmehr zusätzlich über die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1. Dessen Basisstrom IB ist daher nach Fig.
3 zu Beginn des Einschalt-Steuerimpulses während der Entladung des Kondensators sehr viel höher. Dieser anfängliche Basisstrom stellt sicher, dass der Leistungstransistor 1 schnell durchgeschaltet wird und dadurch seine Verluste verringert werden. Ausserdem kann die Steuerleistung der Steuerstufe entsprechend veringert werden.
Fig. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Schaltvorrichtung nach Fig. 1 bei einem Zweiphasen-Wechselrichter. Hier werden die beiden Leistungstransistoren 1 abwechselnd über die Steueranschlüsse 3, 7 «eingeschaltet», so dass der Verbraucherstrom abwechselnd aus der oberen und der unteren Betriebsspannungsquelle 6 in wechselnder Richtung durch den Verbraucher
4 fliesst. Die Freilaufdioden 5 liegen parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke der Leistungstransistoren 1. Da nicht unmittelbar im Anschluss an das Ausschalten des einen Leistungstransistors der andere eingeschaltet werden darf, um einen Kurz-schluss zu vermeiden, treibt der induktive Verbraucher 4 nach dem Ausschalten des einen Leistungstransistors durch die zu den anderen parallel liegende Freilaufdiode 5 einen Freilaufoder Rückführstrom solange der andere Leistungstransistor ausgeschaltet (gesperrt) ist.
Bei diesem Beispiel ist es auch möglich, die Transistoren 1, 2 so zu steuern, dass während des gesperrten Zustands der einen Schaltstrecke die andere «gepulst», d.h. mit hoher Steuerpulsfrequenz abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird, und umgekehrt, um den Mittelwert des Verbraucherstroms zu regeln. Bei einer derartigen Ansteuerung ist die Entladung der Kondensatoren 11 über von den Schaltstrecken unabhängige Entladestrecken besonders günstig, weil sich der zu dem jeweils gesper-ten Leistungstransistor 1 parallel liegende Kondensator 11 nicht durch den Freilaufstrom umlädt, der über die zu diesem Kondensator 11 parallel liegende Freilaufdiode 5 fliesst. Ohne den Entladetransistor 13 und bei zu der Diode 10 parallel liegendem Entladewiderstand 12 würde der zu einer vom Freilaufstrom durchflossenen Freilaufdiode 5 parallel liegende Kondensator 11 auf den Durchlassspannungsabfall dieser Freilaufdiode 5 aufgeladen, also entgegengesetzt zu der gewünschten Polarität. Die Wiederumladung auf die gewünschte Polarität müsste dann durch einen Strom durch den anderen Leistungstransistor, der gerade «gepulst» wird, gedeckt werden, was dessen Wärme Verluste erheblich erhöhen würde.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen vorgesehene zusätzliche Entladetransistor 13 entfallen. Statt dessen ist der Entladewiderstand 12 mit dem Kollektor des Steuertransistors 2 verbunden und zwischen die Kollektoren der Transistoren 1 und 2 eine
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Entkopplungsdiode 15 geschaltet, so dass der Steuertransistor 2 den Entladetransistor für den Kondensator 11 bildet.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach Fig. 4 lediglich darin, dass die Anode der Diode 10 nicht mit dem Kollektor des Leistungstransistors 1, sondern mit dem Kollektor des Steuertransistors 2 verbunden ist. Das Entladen des Kondensators 11 über den Leistungstransistor 1 wird daher weiterhin durch die Diode 15 gesperrt, während umgekehrt das Aufladen ebenfalls über die Reihenschaltung beider Dioden 10 und 15 erfolgt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 zum einen dadurch, dass anstelle des Steuertransistors 2 ein Operations- oder Differenzverstärker 16 als Vergleicher vorgesehen ist, dessen Ausgang mit der Basis des Entladetransistors 13 und über einen Widerstand 17 mit seinem nicht umkehrenden Eingang (+) verbunden ist. Der Verstärker 16 ist daher positiv zurückgekoppelt, d.h. mitgekoppelt. Am umkehrenden Eingang (-) des Verstärkers 16 liegt eine Vorspannung von etwa U/2, wobei U die Betriebsspannung des Verstärkers 16 ist. Sobald die Spannung Ue am nichtumkehren-den Eingang ( + ) des Verstärkers 16 die Spannung U/2 am umkehrenden Eingang des Verstärkers 16 übersteigt, wechselt die Ausgangsspannung Ui6 des Verstärkers 16 sprungartig auf U. Wenn die Spannung Ue am nichtumkehrenden Eingang (+) dagegen die Spannung U/2 am umkehrenden Eingang unterschreitet, wechselt die Ausgangsspannung Ui6 des Verstärkers 16 sprungartig auf Null. Zum anderen wird die Spannung Un am Kondensator 11 dem nichtumkehrenden Eingang ( + ) eines weiteren Vergleichers in Form eines Operations- oder Differenzverstärkers 18 zugeführt, an dessen umkehrenden Eingang (-) eine Bezugsspannung Uref liegt. Die Bezugsspannung Uref ist gleich dem Wert gewählt, auf den sich der Kondensator 11 mindestens entladen soll. Auch die Ausgangsspannung des Verstärkers 18 nimmt entweder den Wert U oder den Wert Null an, je nachdem, ob die Kondensatorspannung Un grösser oder kleiner als Uref ist, wobei Uref nahe bei Null liegt, d.h. wesentlich kleiner als U ist.
Es sei angenommen, dass die Transistoren 1 und 13 gesperrt sind, die Spannung Un am Kondensator 11 grösser als Uref ist und eine Einschalt-Steuerspannung Ust gleich U auftritt. Dann ist die Ausgangsspannung Ui8 des Verstärkers 18 ebenfalls U und die Spannung Ue am nichtumkehrenden Eingang ( + ) des Verstärkers 16, solange dessen Ausgangsspannung Ui6 noch Null ist, gleich 2U/3. Da somit Ue grösser als U/2 ist, kippt der Verstärker 16, so dass Ui6 gleich U wird. Dadurch wird bewirkt, dass Ue ebenfalls bis auf U ansteigt und gleichzeitig die Transistoren 1 und 13 durchgesteuert werden. Der Kondensator 11 kann sich daher über den Widerstand 12, den Transistor 13 und die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1 entladen. Sobald die Kondensatorspannung Un die Bezugsspannung
Uref unterschreitet, wird Uis gleich Null. Wenn die Steuerspannung Ust am Steueranschluss 3 weiterhin gleich U ist, nimmt Ue zwar wieder bis auf 2U/3 ab, bleibt jedoch grösser als U/2, so dass Ui6 weiterhin den Wert U beibehält und beide Transistoren leitend bleiben. Erst wenn auch U5t verschwindet, d.h. Null wird, sinkt Ue auf U/3 ab, so dass Ue kleiner als U/2 wird und der Verstärker 16 zurückkippt, d.h. Ui6 gleich 0 und mithin auch Uc gleich 0 wird. Erst jetzt werden beide Transistoren 1 und 13 gesperrt, und der Kondensator 11 kann sich wieder über die Diode 10 und den (in Fig. 6 nicht dargestellten) Verbraucher auf die Betriebsspannung aufladen. Dabei überschreitet Un wieder Uref, und Uta nimmt wieder den Wert U an.
Solange bzw. da Ust und Ui6 noch Null sind, steigt Ue nur auf U/3 an, so dass die Vorspannung U/2 nicht überschritten wird und der Verstärker 16 nicht kippt. Erst wenn auch Ust wieder auftritt, d.h. den Wert U annimmt, nimmt auch Ui6 wieder den Wert U an, so dass die Transistoren 1 und 13 wieder durchgesteuert werden und sich der Kondensator 11 wieder entlädt. Wenn Ust verschwinden sollte, bevor der Kondensator 11 so weit entladen ist,.dass Un den Wert Uref unterschreitet, sinkt Ue zwar auf 2U/3 ab, bleibt jedoch grösser als U/2, so dass U^ weiterhin gleich U bleibt und sich der Kondensator 11 weiter bis unter Uref entladen kann. Erst jetzt verschwindet Ui6 und werden die Transistoren 1 und 13 wieder gesperrt.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Kondensator 11, unabhängig von der Dauer des jeweiligen Einschalt-Steuersi-gnals Ust gleich U, mindestens bis zur gewünschten Spannung Uref entladen wird, bevor der Entladetransistor 13 gesperrt wird. Andererseits bleibt auch der Leistungstransistor 1 so lange leitend, bis der Kondensator 11 auf mindestens Uref entladen ist. Wenn die Einschalt-Steuerspannung länger als der Entladevorgang andauert, kann sich der Kondensator 11 noch weiter als bis zu Uref entladen. Das Leitendhalten des Leistungstransistors 1 nach dem Verschwinden der Einschalt-Steuerspannung bis sich der Kondensator auf Uref entladen hat, stellt sicher,
dass die zulässige Einschaltbelastung des Leistungstransistors 1 nicht überschritten wird, auch wenn die Entladung länger dauern sollte, als die Einschalt-Steuerspannung andauert. Andererseits kann mit einem kurzen Einschalt-Steuerimpuls Ust gearbeitet werden, der kürzer als die Entladezeit des Kondensators 11 ist. Dennoch bleibt der Leistungstransistor so lange leitend, bis der Kondensator 11 hinreichend weit entladen ist. Dies bedeutet eine Einsparung an Steuerleistung.
Sowohl der Entladetransistor 13 als auch der Leistungstran-sistor 1 wird mithin so lange leitend gehalten, wie Un grösser als Uref oder Ust gleich U oder beide Bedingungen erfüllt sind. Eine den Ladezustand des Kondensators 11 überwachende Vergleicheranordnung gemäss Fig. 6 kann auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.
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2 Blätter Zeichnungen
Claims (5)
1. Elektronische Schaltvorrichtung mit einem durch eine Steuerstufe gesteuerten Leistungstransistor (1) als Schaltelement, mit einer Ausschalt-Entlastungsschaltung, die eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (11) und mindestens einer gleichsinnig zum Leistungstransistor gepolten Diode (10) und eine die Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors umgehende Entladestrecke mit einem Entladewiderstand (12) für den Kondensator und einem gleichzeit mit dem Leistungstransistor durchgesteuerten Entladetransistor (2, 13) aufweist, wobei die Reihenschaltung aus Kondensator (11) und Diode (10) parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom des Kondensators (11) über die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors (1) geleitet wird.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektor-Emitter-Strecke des Entladetransistors (2) zwischen Kollektor und Basis des Leistungstransistors (1) liegt und der Entladewiderstand (12) ein ohmscher Widerstand ist.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor mit einem Steuertransistor (2) in Darlington-Schaltung und der Entladewiderstand (12) direkt mit dem Kollektor des Steuertransistors (2) und über eine in Durchlassrichtung des Steuertransistors (2) gepolte Diode (15) mit dem Kollektor des Leistungstransistors (1) verbunden ist.
4. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (1) derart in Abhängigkeit vom Ladezustand des Kondensators (11) gesteuert wird, dass der Leistungstransistor (1) nur bei entladenem Kondensator ausschaltbar ist.
5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am einen Eingang (+) eines Vergleichers (18) die Spannung (Un) des Kondensators (11) und am anderen Eingang eine Bezugsspannung (Uref) liegt und das dem Steuereingang des Leistungstransistors (1) zugeführte Signal (Uiô) aus einer ODER-Verknüpfung des Vergleichsausgangssignals (Uig) und eines Steuersignals (Ust) für den Leistungstransistor (1) abgeleitet ist.
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