DE2235573A1 - Elektronische treiberschaltung fuer halbleiterschalter - Google Patents

Elektronische treiberschaltung fuer halbleiterschalter

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DE2235573A1 DE2235573A DE2235573A DE2235573A1 DE 2235573 A1 DE2235573 A1 DE 2235573A1 DE 2235573 A DE2235573 A DE 2235573A DE 2235573 A DE2235573 A DE 2235573A DE 2235573 A1 DE2235573 A1 DE 2235573A1
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Description

DlPL-ING. KLAUS NEUBECKER
Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9
.Düsseldorf, den 17.07.72
Westinghouse Electric Corp.
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.
.Elektronische Treiberschaltung für Halbleiterschalter
•Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung und insbesondere eine verbesserte Treiberschaltung für Halbleiterschalter.
Um die Leistung in einem Wechselspannungs- Lastkreis zu steuern, werden Halbleiterschalter verwendet, da diesen gegenüber mechanischen und elektromechanischen Schaltelementen Vorteile eigen sind. Eine übliche Form eines Wechselspannungsschalters weist ein Paar Thyristoren auf, die antiparallel verbunden sind, und dies erfordert eine Treiberschaltung für die Zündelektrode jedes Thyristors. Es gibt verschiedene bekannte Verfahren, um den Zündelektroden der antiparallel geschalteten Thyristoren Treiberstrom zuzuführen. Diese Verfahren schliessen Impulstreiber, kontinuierliche Treiber und Laststromtreiber ein.
Die Verwendung von Laststromtreibern ist ein wirksames Verfahren, bei dem der Laststrom der Zündelektrode des Thyristors zugeführt wird, bis der Strom ausreicht, um den Thyristor einzuschalten. Diese Technik hat den Nachteil, daß die Wechselspannung des Systems über dem Nulldurchgangspunkt liegen muß, um den Thyristor einzuschalten. Folglich tritt eine Spannungsspitze an dem Schalter
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Telefon (O211) 32 08 58 Telegramme Custopat
bei jedem Nulldurchgang des Stromes bei allen Lastbedingungen auf, Eine derartige Spannungsspitze kann zu beträchtlichen hochfrequenten Störungen führen. Bei geringen Lasten nimmt der Prozentsatz des für das Gitter des Thyristors erforderlichen Laststromes zu und führt zu einer noch größeren Spannungsspitze bei jedem Nulldurchgang der Spannung.
Die Impulstreibertechnik erfordert einen Synchronisationsschaltkreis , um sicherzustellen, daß die Zündimpulse bei den Nulldurchgängen des Stromes ausgelöst werden. Wenn der Laststrom zu klein ist, erhalten die Thyristoren die leitfähigkeit nicht über die Impulsdauer hinaus, da der Laststrom dann unter dem Haltestrom der Schaltung liegt. Dieser Zustand ist bei vielen Anwendungen unbefriedigend.
Das kontinuierliche Treiberverfahren wird vorgezogen, um das Problem der Spannungsspitzen und auch die Probleme zu vermeiden, die bei geringen Lastströmen auftreten. Kontinuierliche Zündelektroden-Treiberströme ergeben Verlustleistungsprobleme, so daß der Zündelektrodenstrom wesentlich größer als der Strom werden kann, der zum Einschalten des Thyristors erforderlich ist. Thyristoren sind dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zündstrom erfordern, der umgekehrt proportional der Temperatur der Vorrichtung ist Während also ein erster Zündstrom erfoederlich wäre, um eine kalte Vorrichtung einzuschalten, wäre ein wesentlich geringerer Zündstrom erforderlich, um die Vorrichtung bei einer erhöhten Betriebstemperatur einzuschalten. Bei komplexen elektrischen Systemen mit einem hohen Dichteanbauteil, beispielsweise in Flugzeugen, ist es aus Gründen der Zuverlässigkeit sehr wünschenswert, die Verlustleistung minimal zu machen.
Die herkömmlichen Techniken für kontinuierliche Zündelektroden-Tteiberströme antiparallel geschalteter Thyristoren sehen auch den Fall vor, daß ein freilaufender zeitlich durch einen Magnetkern bestimmter Oszillator, der beispielsweise als Royer-Rechteckwellenoszillator bezeichnet wird, ein Gleichstromsignal an jede Zündelektrode abgibt, um die Gleitfähigkeit der Elemente zu bewirken. In der bisher üblichen Form gestattet diese Technik
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nicht die Verminderung des Treiberstromes für die Zündelektrode, wenn die Vorrichtung eine erhöhte Temperatur erreicht» Auch müssen bei angemessener Isolierung der Steuerspanmang der Oszillatorübertrager sowie der Leistirngsübertragesr groß sein.
Schließlich wird zum Stande der Technik verwiesen awf den Artikel "Semiconductor Controlled !Rectifiers", Gentry et al. Prentice™ Hall, Inc. 1964, Kapitel 7„3O
Der Erfindung liegt die Aufgabe sugrrasäep ©ine Sehaltimg ssum Herabsetzen des Zündelektrodenstzomes für eimern Halbleiter mit drei Anschlüssen anzugeben, obwohl dieser kontinuierlich betrieben wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine elektronisch© Schaltungsanordnung vorgesehen mit einer Weehs-elspanauagsquelle, die mit einer Last verbunden ist* und einer Schalteinrichtung sum Steuern der Wechselspannung für die Last? wobei di© Schalteinrichtung wenigstens eine 'Halhleiterelnrichtung mit drei Anschüssen auf weist, welche, ein Paar in dem Strompfad wischen der Wechselspannungsquelle und der Last verbundene Anschlüsse nsnä einen dritten mit einer Treiberschaltung verbundenes ÄnschlmB aufweist, wobei die elektronische Schaltungsanordnung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Treiberschaltung einen mit dem dritten Anschluß verbundenen Wirkwiderstand aufweist? eine Einrichtung einen Spannungsabfall erzeugt, der umgekehrt proportional der Temperatur und temperaturempfindlicher als der Wirkvriderstand ist, und die zuletzt genannte Einrichtrag mit dem Wirkwiöerstand parallel geschaltet ist. Die Einrichtung, welche eisen Spaarosngsabfall bewirkt, der umgekehrt proportional der Temperatur istff befindet sich thermisch nahe der Schalteinrichtung «ad gestattet die Herabsetzung des Stromes äurch dem Wirkwiderstandj, wenn die Temperatur des Schalters zunimmt, so daß dem dritten ein Strom minimaler Amplitude srägeführt wird«
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in Verbindung mit der zugehörigen "Zeichnung' erläutert«. In der
Zeichnung zeigt: ·
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Fig. 1 schematisch ein Blockdiagramm einer Schaltung in einem System, in welchem die Erfindung besonders vorteilhaft angewendet werden kann;
Fig. 2 schematisch eine Schaltung einer Ausführungsform nach der Erfindung; und
Fig. 3 schematisch eine Schaltung einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt im wesentlichen ein System, bei dem Wechselspannung von einer Quelle 10 für eine Last 12 durch einen Leistungsschalter 14 gesteuert wird, der ein Paar antiparalleler Thyristoren und 16 aufweist.
Die Wechselspannung von der Quelle 10 wird auch dazu verwendet, um die inneren Schaltkreise zu speisen. Aus diesem Grunde wird ein Block 18 als Gleichstromumsetzer und Regler für die inneren Schaltkreise bezeichnet und ist mit der Wechselspannungsquelle verbunden, die nicht dargestellte Ausgänge für verschiedene andere innere Schaltkreise hat. Der Leistungsschalter 14 wird direkt durch einen Schaltungsteil 20 gesteuert, der als "Treiberschaltung11 bezeichnet wird, und mit der Steuerelektrode jedes der Thyristoren 15 und 16 verbunden ist. Die Treiberschaltung 20 hat einen mit einem Block 22 verbundenen Eingang, wobei dieser Block als Detektor für den Spannungsnulldurchgang bezeichnet wird. Dies ist eine bekannte Einrichtung, durch welche ein Einschalten der Treiberschaltung 20 nur beim Auftreten eines Nulldurchgangs der Wechselspannung ausgelöst wird. Ein derartiges Signal wird erzeugt durch einen Block, der als Signalverarbeitungs- und Anzeigeblock bezeichnet wird. Andere Elemente weisen einen Block 26 zur Stromerfassung und zum überlastungsschutz auf, der einen Meßstrom von einem parallel geschalteten Meßwiderstand 28 in dem Laststromkreis ableitet und einen der Eingänge für den Block 24 bildet. Eine weitere Beschreibung eines Systemes gemäß Fig. 1 und dessen Betrieb kann dem Aufsatz "Power Controllers for Automatically Controlled Electrical Systems", D.E. Baker, in NAECON Proceedings, Mai 1971 entnommen werden.
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Flg. 2 stellt eine Ausführungsform einer Treiberschaltung nach der Erfindung dar. Eine Wechselspannungsguelle 10 ist mit einer Last über ein Paar antiparallel geschalteter Thyristoren 15 und 16 verbunden. Ein übertrager 30 hat eine einzige Primärwicklung 31, die an die Wechselspannungsguelle angeschlossen ist, und der übertrager hat drei isolierte Sekundärwicklungen 32, 33 und 34, Jede dieser Sekundärwicklungen hat ein Paar gleichgepolter Dioden 35, die mit den Außenzapfungen zur Doppelweggleichrichtung verbunden sind. Eine Mittelanzapfung an jeder Sekundärwicklung ist mit einer Seite eines Filterkondensators 36 verbunden, dessen andere Seite mit der Kathode von einer der Dioden verbunden ist. Der übertrager 30, der Gleichrichter 35 und der Filterkondensator 36 werden manchmal als Gleichrichter 38 bezeichnet.
Einer der drei Ausgäne des Gleichrichters 38 ist mit jedem Paar Thyristor-Zündschaltkreisen 40 verbunden, die identisch sind. Der dritte Ausgang des Gleichrichters 38 wird einem Gleichspannungsumsetzer 42 zugeführt.
Der Gleichspannungsumsetzer formt Gleichspannung in Gleichspannung anderer Amplitude um und weist einen Transistor 44, in diesem Fall einen NPN Transistor auf, dessen Kollektor mit der Hochspannungsseite des Filterkondensators 36 verbunden ist, dessen Emitter mit dem Emitter eines entgegengesetzt gepolten Transistors 46 und dessen Basis mit einem Paar in Reihe geschalteter Zenerdioden 48 und 49 verbunden ist, deren anderes Ende mit Masse und der anderen Seite des Filterkondensators 36 verbunden ist. Ein Widerstand 50 ist mit der Basis und mit dem Kollektor des ersten Transistors 44 des Gleichstromumsetzers verbunden. Zusätzlich ist ein Kondensator 52 mit dem Emitter des ersten Transistors 44 und Masse verbunden.
Der zweite Transistor 46 hat einen mit der Mittelpunktanzapfung der Primärwicklung 55 eines zusätzlichen Übertragers 54 verbundenen Kollektor. Die Basis des zweiten Transistors 46 ist über •inen Widerstand 58 mit dem Kollektor eines dritten NPN-Transi-■tors 60 verbunden. Der dritte Transistor 60 hat einen mit Masse verbundenen Emitter, der auf dem Spannungspeg«l der Mittelpunkt-
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anzapfung der Sekundärwicklung 34 des ersten Übertragers 30 liegt· Eine Eingangssteuerklemme 61 1st mit der Basis des dritten Transistors 60 verbunden.
Auf der Primärwicklung 55 des zweiten Übertragers 54 ist ein Paar aufeinander abgestimmter Transistoren 62 und 63 und ein Paar abgestimmter Widerstände 64 und 65 kreuzweise in bekannter Weise verbunden, um einen leerlaufenden Oszillator zu bilden. Der Oszillatorübertrager 54 hat ein Paar isolierter Sekundärwicklungen 56 und 57, die je eine Diode 66 an jeder AuBenanzapfung für Doppelweggleichrichtung aufweisen. Die Biodenkathoden sind über Widerstände 68 und 69 mit jedem der Zündstrom-Treiberschaltkreise 4o verbunden die identisch sind und von denen nur einer beschrieben wird.
In diesem Beispiel weist jeder Zündelektrodentreiber 40 einen Transistorverstärker mit einem Paar NPN-Transistören 70 und 71 in Darlington-Schaltung auf, deren Kollektoren gemeinsam mit einer Seite der isolierten Sekundärwicklung des Gleichrichters verbunden sind. Das Signal vom Gleichspannungsumsetzer 42 wird der Basis des ersten Transistors 7O des Verstärkers zugeführt. Eine in Reihe geschaltete Stromquelle ist in der Zündelektroden-Treiberschaltung 40 für die Zündelektrode des Thyristors 15 vorgesehen und weist einen NPN-Transistor 72 auf, dessen Basis mit dem Emitterausgang des Transistors 71 der Darlington-Schaltung verbunden ist und dessen Emitter direkt mit der Zündelektrode des Thyristors verbunden ist, dessen Hauptelektroden 81 und 82 mit dem Ladeschaltkreis verbunden sind. Ein Widerstand 74 ist parallel zur Emitter/Basisstrecke des Transistors 72 und in Reihe mit der Zündelektrode 80 geschaltet. Zusätzlich ist ein Widerstand zwischen der Zündelektrode 80 und der Leitung verbunden, die an die Mittelpunktanzapfung der isolierten Sekundärwicklung des Gleichrichters 38 angeschlossen ist.
Wenn im Betrieb die Primärwicklung 31 des ersten Übertragers mit Wechselspannung gespeist wird, werden herabgesetzte Gleichspannungen an jedem der Filterkondensatoren 36 in dem Gleichrichter 38 erzeugt. In dem Gleichspannungsumsetzer wird die
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Ausgangsgleichspannung durch eine Serienregelung durch den ersten Transistor 44 und seine angeschlossenen Elemente 48, 49, 50 und 52 geregelt. Die geregelte Gleichspannung wird in jeder der Sekundärwicklungen 56 und 57 des Gleichspannungsumsetzers erzeugt und jedem der Zündelektroden-Treiberschaltkreise zugeführt, während sie von der Steuerklemme 61 isoliert ist. Wenn der Treiberschaltung der Basistreiberstrom zugeführt wird, wird der Eingangstransistor 70 des Darlington-Verstärkers eingeschaltet. Der Zündelektrodenstrom nimmt zu, bis die Spannung an dem Wirkwiderstand 74 den Spannungsabfall dear Basis/Emitterstrecke des Transistors erreicht, welche parallel zu dem Wirkwiderstand liegt, und dies dient als Regelpunkt der Schaltung. Der zuletzt genannte Transistor 72 entnimmt der Darlington-Schaltung Basistreiberstrom und bringt die Transistoren der Darlington-Schaltung aus der Sättigung, so daß der Zündelektrodenstrom auf einem bestimmten Wert gehalten wird.
Da die Basis/Eniüterspannung normaler Transistoren ^ beispielsweise Silikon-Transistoren, eine Funktion der Temperatur 1st, ergibt sich, daß der Zündelektrodenstrom bezüglich der Temperatur kompensiert werden kann, um die Verlustleistung herabzusetzen. Dies erfolgt, da der Spannungsabfall am Halbleiterübergang zunimmt, wenn die Temperatur abgesenkt wird, bzw, abnimmt, wenn die Temperatur erhöht wird, so daß der Zündelektrodenstrom geregelt wird. Der Spannungsabfall an der Basis/Emitterstrecke 1st mehr temperaturempfindlich als der Spannungsabfall an dem Widerstand 74. Der Transistor 72 kann thermisch nahe dem Thyristor 15 angeordnet werden, um einen geregelten Zündelektrodenstrom su er« halten, der minimal und doch geeignet ist für die Bedingungen, unter denen der Thyristor arbeitet.
In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, die ähnlich derjenigen der Fig. 2 ist, und die gleichen Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ein unterschied besteht darin, daß der Gleichspannungsumsetzer zur Signalisolation eine optoelektronische Einrichtung 84 anstelle eines Übertragers hatο Die optoelektronische Einrichtung weist.ein-Paar in Reihe geschalteter lichtemittierender Dioden 86. und 87 aufV Die Kathode der Diode 87 ist mit dem Sollektor, eines. Steuertransistors 60
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Verbunden. Ein Widerstand 89 1st parallel zu der Basis/Emitterstrecke des Transistors 60 geschaltet. Die Anode der Diode 86 1st über einen Widerstand 88 mit dem Emitter des Transistors 44 verbunden. Die lichtemittierenden Dioden 86 und 87 sind optisch mit Phototransistoren 90 und 91 gekoppelt. In diesem Fall sind NPN-Phototransistoren 90 und 91 vorgesehen, die mit einem der Treiberschaltkreise 40 verbunden sind.
Die Treiberschaltkreise enthalten je die Stromquelle mit einem Widerstand 74 parallel zu einem Halbleiterübergang des Transistors 72 in Reihe mit der Zündelektrode 80. Um die Auegangsspannungen der Phototransistoren 90 und 91 leichter verwenden zu können, wird ein "White" Verstärker mit komplementären Transistoren 92 (PNP ) und 93 (NPN) anstelle einer Darlington-Schaltung verwendet.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird derjenigen der Flg. 2 vorgezogen, da die optoelektronischen Elemente weniger sperrig und teuer als der anderenfalls erforderliche: übertrager sind.
Beispielsweise werden die folgenden Daten für eine Schaltung gemäß Fig. 3 angegeben:
Wechselspannungsquelle 10
115 V, 400 Hz-nominell mit Übergangsschwankungen in einem Spannungsbereich von 60 V bis 180 Vf
Thyristoren 15 und 16 Westinghouse, Type 250}
Last 12
übertrager 30
Schaltung wird betrieben mit allen Leistungsfaktoren von Leerlauf bis Kurzschlußι
RZ-213F
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Transistor 92 Transistor 93 Transistor 72 Widerstand 74 Widerstand 76 Optoelektronische Schaltung
Transistor 60 Widerstand 89 Widerstand 88 Transistor 44 Widerstand 50 Dioden 48 und
Hypersil-Legierung-Kern,
übersetzungsverhältnis
1100:100;
2N29O4A PNP, 2N21O2
2N2484
NPN
NPN
5,6X2., 1/2W 300 Λ , 1/4W
MCT2, optischer Isolator
2N2219A
, 1/4W Ik Π , 1/4W 2N2219A
5k Xl , 1/4W
6,8V Zenerspannung, 400 mW.
Im Betrieb erfordern die oben in der Tabelle angegebenen
Thyristoren 15 und 16 Zündelektrodenströme, die typischerweise von 150 mA bei ungefähr -50° C bis etwa 50 mA bei etwa 100°C
schwanken. Die Möglichkeit, den Zündstrom bei höheren Temperaturen herabzusetzen, ergibt eine Verlustleistung von 2,4W bei
ungefähr 25° C (Raumtemperatur) gegenüber 6,9W bei den herkömmlichen Schaltungen.
Patentansprüche:
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Claims (7)

  1. Patentan s ρ r fl c h β t
    Elektronische Schaltungsanordnung mit einer Wechselspannungsquelle, die mit einer Last verbunden ist, und einer Schalteinrichtung zum Steuern der Wechselspannung für die Last, wobei die Schalteinrichtung wenigstens eine Halbleitereinrichtung mit drei Anschlüssen aufweist« welche ein Paar in dem Strompfad zwischen der Wechselspannungsquelle und der Last verbundene Anschlüsse und einen dritten mit einer Treiberschaltung verbundenen Anschluß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung einen mit dem dritten Anschluß verbundenen Wirkwiderstand (14) aufweist, eine Einrichtung (72) einen Spannungsabfall abgibt, der umgekehrt proportional /Temperatur und temperaturempfindlicher als der Wirkwiderstand (74) ist, und die zuletzt genannte Einrichtung (72) mit dem Wirkwiderstand parallel geschaltet ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein Paar antiparallel geschalteter Thyristoren (15, 16) aufweist und eine Treiberschaltung (20) mit den Zündelektroden der Thyristoren verbunden ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselrichter (38) mit einer Wechselspannungsquelle (1O) verbunden ist und eine potentialfreie Gleichspannung an jede der Treiberschaltungen (20) sowie eine dritte potentialfreie Ausgangsgleichspannung abgibt, ein Gleichspannungsumsetzer (42) durch die dritte potentialfreie Ausgangsspannung gespeist wird und zur Abgabe einer potentialfreien Ausgangsgleichspannung mit jedem der Treiberschaltkreise (2O) verbunden ist und der Gleichspannungsumsetzer (42) einen Steuersignaleingang aufweist, um die Thyristoren (15, 16) ·; leitfähig zu machen.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (38) eisen übertrager (30) mit einer mit der Wechselspannungsquelle (1O) verbundenen
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    Primärwicklung und drei isolierte bzw· potentialfreie Sekundärwicklungen (32, 33, 34) aufweist, und für jede potentialfreie Ausgangsgleichspannung ein Doppelweggleichrichter (35) vorgesehen ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsumsetzer (42) einen zusätzlichen übertrager aufweist, der als freilaufender Oszillator (62, 63, 54, 55, 64, 65) mit zwei isolierten Sekundärwicklungen (56, 57) für die beiden Treiberschaltungen vorgesehen ist.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, das der Gleichspannungsumsetzer (42) ein Paar lichtemittierender Dioden (86, 87) aufweist, die jeweils optisch mit einem photoempfindlichen Halbleiterelement (90, 91) verbunden sind und mit einer der Treiberschaltungen zusammengeschlossen sind.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Spannungsabfalls, der umgekehrt proportional der Temperatur ist, einen Transistor (72) aufweist, der thermisch nahe der Halbleitereinrichtung (15) angeordnet ist, so daß er im Betrieb im wesentlichen die gleiche Temperatur hat.
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