DE3040365A1 - Rapid semiconductor switching control - has base current matched to load for maintaining minimum current consumption - Google Patents

Abstract

The rapid semiconductor switching control has a signal input (1) coupled to a control signal path (1-4-2) with at least one diode (G1,G4,G5) bridged by a capacitor (C1) and a series capacitor (C). The switching node (2) is coupled to the control electrode of the switched semiconductor (T2) via a diode (G1) biased in the conductive direction and is coupled to its collector via a further conductive diode (G2), for base current limitation. The switched load circuit (Ro-3-T2) incorporates the primary of a current converter (W), its secondary coupled via a further current path (J2) to the control signal path (1-4-2). Pref. the secondary circuit of the current converter (W) includes a resistor (R1) coupled to a threshold switch (S) for short-circuiting the control signal when the load current is too great. The switching control exhibits low current consumption.

Description

Steuerschaltung zum schnellen Schalten eines steuerbarenControl circuit for quick switching of a controllable

Halbleiters Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung nach dem Obe begriff des Patentanspruches 1.Semiconductor The invention relates to a control circuit according to the above term of claim 1.

Zur Erzeugung stabilisierter Spannungen aus einer vorhan denen Gleichspannung (Batterie- oder gleichgerichtete Netzspannung) werden in zunehmendem Maße pulslängengeregelte Transistor-Eintakt- oder -Gegentaktwandler verwendet. Soll der Wandler in einem großen Lastbereich (Leerlauf, Voll-Last, Kurzschluß) arbeiten, so müssen die Schaltimpulse des Wandler-Leistungstransistors bei konstanter Schaltfrequenz in ihrer Länge stark variiert werden. Bei sehr kurzen Impulsen (Leerlauf oder Kurzschluß) ist dabei die Speicherzeit des Transistors sehr hinderlich. Das ist diejenige Zeit, welche der Transistor benötigt, um beim Eintreffen des Abschaltbefehles an sei ner Basis tatsächlich -u sperren, d. h. von der Stromflu! phase in die Sperrphase überzugehen.To generate stabilized voltages from an existing DC voltage (Battery or rectified mains voltage) are increasingly being pulse-length controlled Transistor single-ended or push-pull converters used. Should the converter be in one large load range (no load, full load, short circuit), the switching pulses must of the converter power transistor at a constant switching frequency in length can be varied. In the case of very short pulses (open circuit or short circuit), the Storage time of the transistor very cumbersome. That is the time that the The transistor actually needs to be activated when the switch-off command arrives at its base -u block, d. H. of the current flow! phase to go into the blocking phase.

Es ist bekannt (DE-AS 27 15 133 und DE-OS 29 38 122), die Speicherzeit dadurch zu verkürzen, daß der Schalttransistor mindestens am Ende jeder Stromflußphase nur mit einem soweit verminderten Basisstrom betrieben wird, daß nicht die volle Sättigung, sondern nur die sogenannte Quasisättigung erreicht wird. Zu diesem Zweck muß der Basisstrom zumindest gegen Ende der Stromflußphase auf einen Höchstwert begrenzt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß in dem zur Basis führenden Steuersignalweg zwischen einem Schaltungspunkt und der Basis ein Widerstand und/oder ein in Durchlaßrichtung gepolter Halbleiterübergang (beispielsweise Diode oder Basis-Emitter-Strecker eines Transistors) geschaltet wird und außerdem von dem Schaltungspunkt ausgehend zum Kollektor des Transistors ein in Durchlaßrichtung gepoltes Ventil geschaltet ist. Über dieses Ventil fließt dann nämlich überschüssiger Basisstrom zum Kollektor ab, wenn die Kollektorspannung zu weit absinkt, wenn also der Transistor zu weit in die Sättigung gerät.It is known (DE-AS 27 15 133 and DE-OS 29 38 122), the storage time to shorten the fact that the switching transistor at least at the end of each current flow phase is only operated with a base current that has been reduced to such an extent that not the full Saturation, but only the so-called quasi-saturation is achieved. To this end the base current must reach a maximum value at least towards the end of the current flow phase be limited. This can be achieved in that the leading to the base Control signal path between a node and the base a resistor and / or a semiconductor junction polarized in the forward direction (for example diode or base-emitter stretcher of a transistor) is switched and also starting from the switching point A valve polarized in the forward direction is connected to the collector of the transistor is. Excess base current then flows through this valve to the collector from when the collector voltage drops too far, i.e. when the transistor goes too far gets saturated.

Aus den beiden oben genannten Druckschriften ist es außerdem bekannt, einen der Basis vorgeschalteten Widerstand durch einen Kondensator zu überbrücken, um einerseits die Durchschaltung des Transistors zu beschleunigen (weil der Kondensator während der Einschaltflanke den Widerstand kurzschließt), aber andererseits auch eine beschleunigte Ausräumung von Ladungsträgern an der Basis des Transistors am Ende der Stromflußphase (also beim Übergang zum Sperrzustand) herbeizuführen, weil dann nämlich der Kondensator während der Stromflußphase auf den Spannungsabfall am Widerstand aufgeladen ist, seine Spannung aber beim Eintreffen des Abschaltsischnell gnales für den Transistor nicht ändern kann, wegen einer verhältnismäßig langen Entladezeitkonstante bei der En ladung über den Widerstand; das Potential an der Basis wird daher beim Eintreffen des Abschaltsignals schlagartig viel stärker verändert als ohne den Kondensator.It is also known from the two publications mentioned above that to bridge a resistor connected upstream of the base with a capacitor, on the one hand to accelerate the switching on of the transistor (because the capacitor while the switch-on edge short-circuits the resistor), but also on the other hand an accelerated evacuation of charge carriers at the base of the transistor on To bring about the end of the current flow phase (i.e. during the transition to the blocking state), because then namely the capacitor during the current flow phase to the voltage drop charged at the resistor is, but its tension when it arrives of the shutdown gnales for the transistor can not change, because of a relatively long discharge time constant when discharging through the resistor; the potential at the base is therefore suddenly much stronger when the switch-off signal arrives changed than without the capacitor.

Schließlich ist es aus der genannten DE-AS 27 15 133, Fig. 2, auch noch bekannt, zur beschleunigten Durchschaltung des Schalttransistors in seinem Laststromkreis die Primärwicklung eines Stromwandlers vorzusehen, dessen Sekundärstrom der Basis des Schalttransistors zugeführt wird.Finally, it is from the aforementioned DE-AS 27 15 133, Fig. 2, too still known to accelerate the switching on of the switching transistor in his Load circuit to provide the primary winding of a current transformer, its secondary current is fed to the base of the switching transistor.

Da die als Schalttransistor verwendbaren Leistungstransistoren eine verhältnismäßig kleine Stromverstärkung haben, wird zur Ansteuerung viel Strom benötigt. Bei den bekannten Schaltungen werden daher für die Ansteuerschaltung mehrere Transistoren oder zumindest ein leistungsstarker Transistor benötigt.Since the power transistors that can be used as switching transistors are a have a relatively small current gain, a lot of current is required to control them. In the known circuits, therefore, several transistors are used for the control circuit or at least a powerful transistor is needed.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Stromverbrauch der Ansteuerschaltung zu verringern.It is the object of the invention to reduce the power consumption of the control circuit to reduce.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Steuerschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch angegeben.This object is achieved by the control circuit with the features of claim 1. An advantageous development is specified in the dependent claim.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung beschrieben. Im Prinzip bekannt ist, daß einem Eingang 1 für die pulslängenmodulierten rechteckförmigen Steuersignale ein Transistor T1 als Stromquelie nachge schaltet ist, dem pin Schaltungspunkt 2 folgt. Von hieraus führt eine Diode 1 zur Basis eines Leistungs-Schalttransistors T2 und eine Diode G2 zum Kollektor 3. Durch die Einschaltflanke eines positiven Impulses am Eingang 1 wird die Einschaltphase des Transistors T2 dadurch eingeleitet, daß zunächst der Transistor T1 durchschaltet und damit einen Basis strom I5 für den Transistor T2 liefert.A preferred embodiment is described with reference to the drawing. In principle, it is known that an input 1 for the pulse-length modulated rectangular Control signals a transistor T1 is switched downstream as Stromquelie, the pin node 2 follows. From here a diode 1 leads to the base of a power switching transistor T2 and a diode G2 to the collector 3. Through the switch-on edge a positive pulse at input 1 becomes the switch-on phase of transistor T2 initiated in that first the transistor T1 turns on and thus a Base current I5 for the transistor T2 supplies.

nicht Damitder Transistor T2/zu stark in die Sättigung gerät, leitet die Diode G2 einen Teil des Basisstromes zum Kollektor 3 ab, so daß der Transistor T2 in der Quasisättigung bleibt. not So that the transistor T2 / saturates too much, conducts the diode G2 from a part of the base current to the collector 3, so that the transistor T2 remains in quasi-saturation.

Um die Stromflußphase des Transistors T2 schnell beenden zu können, ist an den Eingang 1 die Basis eines weiteren Transistors T3 angeschlossen, der zu leiten beginnt, wenn am Eingang 1 das Potential am Ende eines Einschaltimpulses absinkt. Ein Kondensator Cl, der während der Stromflunphase u. a. am Spannungsabfall an der Diode G1 aufgeladen worden ist, wird dann plötzlichmit seinem in der Zeichnung linken Belag an das Potential der Masse M gelegt, so daß das Potential an der Basis des Transistors T2 stark nach negativen Werten verschoben wird, was zu einer schnellen Ausräumung von Ladungsträgern an der Basis und damit zu einer schnellen Sperrung des Transistors T2 führt.In order to be able to end the current flow phase of transistor T2 quickly, is connected to the input 1, the base of a further transistor T3, the begins to conduct when input 1 has the potential at the end of a switch-on pulse sinks. A capacitor Cl, which inter alia during the current flow phase. at the voltage drop has been charged at the diode G1, then suddenly with its in the drawing left coating placed at the potential of the mass M, so that the potential at the base of the transistor T2 is strongly shifted towards negative values, resulting in a rapid Clearance of load carriers at the base and thus a quick blocking of the transistor T2 leads.

Im Prinzip ebenfalls bekannt ist ein Stromwandler W, dessen Primärwicklung im Laststrompfad des Transistors T2 liegt, welcher den Kollektorstrom Ic führt, der von einer positiven Spannungsquelle U2 durch einen Lastwiderstand Ro fließt. Der Sekundärstrom I2 des Stromwandlers wird der Basis des Transistors T2 zur Beschleunigung des Durchschaltens zugeführt.Also known in principle is a current transformer W, its primary winding lies in the load current path of the transistor T2, which carries the collector current Ic, which flows from a positive voltage source U2 through a load resistor Ro. The secondary current I2 of the current transformer becomes the base of the transistor T2 for acceleration of switching supplied.

Neu gegenüber dem Bekannten ist nun hauptsächlich, daß der Sekundärstrom I2 in den Steuersignalweg 1-4-2 bereits an einer Einmündung 4 fließt, die in Signalflußrichtung vor dcm Schaltllngspunkt 2 liegt, und daß dieser Strom I2 auch diejenigen widerstandsbehafteten Bauelemente G1, G4, G5 durchflient, an deren Spannungsabfall während der Stromfluß phase der Kondensator C1 aufgeladen wird. Auf diese Weise wird während der ganzen Stromflunphase der Kollektorstrom Ic mit Hilfe des Stromwandlers W in den Basiskreis des Transistors T2 transformiert. Somit ist der Basisstrom lastabhängig und proportional zum Kollektorstrom. Das Übersetzungsverhä.ltnis des Stromwanderlers W entspricht der minimalen Stromverstärkung des Transistor T2.What is new compared to the familiar is now mainly that the secondary current I2 already flows into the control signal path 1-4-2 at a junction 4, which is in the direction of the signal flow is before the switching point 2, and that this current I2 also those resistive components G1, G4, G5 flow through, at their voltage drop during the current flow phase, the capacitor C1 is charged. In this way the collector current Ic becomes during the entire current flow phase with the help of the current transformer W transformed into the base circuit of the transistor T2. The base current is therefore load-dependent and proportional to the collector current. The transmission ratio of the current converter W corresponds to the minimum current gain of transistor T2.

Neu gegenüber dem Bekannten ist auch ein zwischen die Stromquelle T1 und die Einmündung 4 in Reihe zu einem Widerstand R geschalteter Kondensator C. Durch ihn gelangt beim Einschalten des Transistors Tlnur ein Stromimpuls I1 zur Basis des Transistors T2 und der restliche Basisstrom wird für die Dauer der Einschaltzeit dann von der Sekundärwicklung des Stromwandlers W geliefert. Auf diese Weise, d. h. durch die gleichzeitige Anwendung des Stromwandlers W und des Kondensators C, braucht die Stromquelle T1 nur jeweils einen kurzzeitigen Einschaltstrom I zu liefern.Another new feature compared to the familiar is an between the power source T1 and the junction 4 in series with a resistor R connected capacitor C. Only a current pulse I1 passes through it when the transistor Tl is switched on Base of transistor T2 and the remaining base current is used for the duration of the switch-on time then supplied from the secondary winding of the current transformer W. In this way, i. H. by using the current transformer W and the capacitor C at the same time, the current source T1 only needs to supply a brief inrush current I in each case.

Unter dem Schaltbild sind die zeitlichen Verläufe der verschiedenen Spannungen und Ströme angegeben: Die Steuerspannung Ue am Eingang 1 hat eine Einschaltflanke zur Zeit tl und eine Ausschaltflanke zur Zeit t2. Daraus resultiert ein kurzzeitig von tl bis t3 auftretender Einschaltstrom I durch den Transistor T1 und den Kondensator C und ein last abhängiger Sekundärstrom I2 durch den Wandler W von t1 bis t4. Die Abhängigkeit dieses Stromes von der Grbe des Last widerstandes Ro ist urch eine zusätzlich ge-4:ri(-helte Li nie gekennzeichnet. nie Zeitdifferenz zwischen t4 nd t2 entspricht der Scenche-zeit des Transistors T 2. Aus der positiven Hilfsspannungsquelle U1 braucht also im wesentlichen nur die Einschaltstromspitze I1 geliefert zu werden. In vielen Anwendungsfällen kann man deshalb auf die Hilfsspannung U1 ganz verzichten, wenn die Ansteuerschaltung(T1) direkt von der Betriebsspannung U2 gespeist wird.Below the circuit diagram are the time courses of the various Voltages and currents specified: The control voltage Ue at input 1 has a switch-on edge at time tl and a switch-off edge at time t2. This results in a short term inrush current I occurring from t1 to t3 through the transistor T1 and the capacitor C and a load-dependent secondary current I2 through the converter W from t1 to t4. the The dependence of this current on the magnitude of the load resistance Ro is through a additionally ge-4: ri (-helte Li never marked. never time difference between t4 nd t2 corresponds to the scene time of transistor T 2. From the positive Auxiliary voltage source U1 essentially only needs the inrush current peak I1 to be delivered. In many applications, you can therefore use the auxiliary voltage U1 do without completely if the control circuit (T1) is directly connected to the operating voltage U2 is fed.

Zur Abschaltung von T2 wird T1 zum Zeitpunkt t2 gesperrt und T3 leitend geschaltet. Durch T3 fließt daher in der Zeit von t2 bis t4 ein Strom I3, der sich zusammensetzt aus dem Ausräumstrom an der Basis von T2, der über den Kondensator C1 abfließt, und dem noch bis zum Zeitpunkt t4 weiterfließendenStrom I2. Die Entladezeitkonstante des Kondensators C1 (dessen Aufladezeitkonstante durch die Stromeinspeisung über T1 kurz ist) ist so lang, daß die Basis von T2 auch während der Sperrphase negativ vorgespann 9 leibt. Bei einem Hochspannungstransistor kann der Basis eine Induktivität vorgeschaltet werden.To switch off T2, T1 is blocked at time t2 and T3 is conductive switched. A current I3 therefore flows through T3 in the time from t2 to t4, which is Composed of the clearing current at the base of T2, which is via the capacitor C1 flows off, and the current I2 which continues to flow until time t4. The discharge time constant of the capacitor C1 (its charging time constant due to the current feed via T1 is short) is so long that the base of T2 is negative even during the blocking phase leader 9 remains. In the case of a high-voltage transistor, the base can be an inductor upstream.

Von t3 bis t2 fließt überschüssiger Basisstrom I4 über die Diode G2 zum Kollektor 3 ab. Den resultierenden Basisstrom für den Transistor T2 zeigt dann der Verlauf des Stromes I5.From t3 to t2, excess base current I4 flows through the diode G2 to collector 3. The resulting base current for transistor T2 then shows the course of the current I5.

Wie weit der Transistor T2 in die Quasisättigung gesteuert wird während der Stromflußphasen, kann noch dadurch beeinflußt werden, daß der Anodenanschluß der Diode G2 vorverlegt wird zur Anode der Diode G5 bzw. G4, wodurch die Restspannung von T2 um eine bzw. zwei Diodenschwellspannungen erhöht werden kann.How far the transistor T2 is controlled into the quasi-saturation during the current flow phases can be influenced by the fact that the anode connection the diode G2 is brought forward to the anode of the diode G5 or G4, whereby the residual voltage of T2 can be increased by one or two diode threshold voltages.

Der Sekundärstromkreis des Stromwandlers W bietet noch die Möglichkeit eines Überstromschutzes für den Leistungstransistor T2. Hierzu wird an einem Widerstand R1 eine für einen Überstrom repräsentative Spannung abgegriffen und einem Schwellenschalter S zugeführt, welcher den Eingang 1 im Falle eines Überstromes kurzschlißt, und zwar für den Rest der Stromflußphase. In der darauf folgenden Impulspause (also nach der Zeit t2) wird der Schwellenschalter S wieder geöffnet, so daß beim nächsten Einschalt impuls T2 wieder durchgeschaltet werden kann. Der Schwellenschalter S kann durch eine Transistorkombination oder einen schnellen Tyristor verwirklicht werden. Ein solcher Überstromschutz ist deswegen besonders schnell und wirksam, weil er auf kurzem Weg direkt in die Ansteuerung am Eingang 1 eingreift.The secondary circuit of the current transformer W still offers the possibility an overcurrent protection for the power transistor T2. This is done at a resistor R1 a voltage representative of an overcurrent is tapped and a threshold switch S which is input 1 in the event of an overcurrent short-circuits, for the remainder of the current flow phase. In the pulse pause that follows (So after the time t2) the threshold switch S is opened again, so that when next switch-on pulse T2 can be switched through again. The threshold switch S can be realized by a transistor combination or a fast thyristor will. This type of overcurrent protection is therefore particularly quick and effective, because it intervenes directly in the control at input 1 over a short distance.

Die Vorteile der gezeigten Schaltungsanordnung bestehen insbesondere darin, daß der Basis strom I5 immer der Last Ro angepaßt ist und nicht der Ansteuerschaltung entnommen werden muß. Der Eigenstromverbrauch der Ansteuerschaltung T1 bleibt daher sehr klein und es steigt der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Gesamtschaltung bei kleinem Aufwand. Durch die Einführung des Sekundürstromes des Stromwandlers W in den Steuersignalweg 1-4-2 vor dem Schaltungspunkt 2 und auch vor dem Kondensator C1 ist es außerdem möglich, als Halbleiterübergang im Steuersignalweg lediglich eine Diode G1 anstelle eines stromverstärkenden Transistors zu verwenden. Es wird daher für einen solchen Transistor auch keine Hilfsspannung zur Stromversorgung benötigt.The advantages of the circuit arrangement shown exist in particular in that the base current I5 is always adapted to the load Ro and not the drive circuit must be removed. The internal power consumption of the control circuit T1 therefore remains very small and the efficiency and reliability of the overall circuit increases with little effort. By introducing the secondary current of the current transformer W in the control signal path 1-4-2 before node 2 and also before the capacitor C1 is also possible as a semiconductor junction in the control signal path only to use a diode G1 instead of a current boosting transistor. It will therefore no auxiliary voltage for power supply for such a transistor needed.

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Claims (2)

Patentansprüche f Steuerschaltung zum schnellen Schalten eines steuerbaren Halbleiters mit folgenden Merkmalen: a) Im Verlauf des Steuersignalweges (1-4-2) ist der Steuerelektrode des Halbleiters (T2) ein Schaltungspunkt (2) vorgeschaltet, von dem ein Halbleiterübergang (G1) in Durchlaßrichtung zur Steuerelektrode und ein in Durchlanrichtung geschaltetes Ventil (G2) zum Kollektor (3) führt, zur Basisstrombegrenzung (I5) in der Stromflußphase; b) im Laststromkreis (Ro-3-T2) ist die Primärwicklung eines Stromwandlers (t) angeordnet, von dessen Sekundärwicklung ein Strompfad (I2) zum Steuersignalweg (1-4-2) führt, zur Unterstützung des Basisstroms (I5) zu Beginn der stromfluqphase; c) wenigstens ein im Steuersignalweg (1-4-2) angeordnetes, wide tandsbehafteftes Bauelement (G) ist durch einen Kondensator (C1) überbrückt zur beschleunigten Beendigung der Stromflußphase; gekennzeichnet durch folgende Merkmale: d) der Halbleiterübergang und das Ventil sind nichtsteuerbare Gleichrichter (G1, G2), e) die Einmündung des Strompfades (I2) liegt am oder vor dem Schaltungspunkt (2) und vor dem Kondensator (C1) im Steuersignalweg (1-4-2); f) der Strompfad (I2) ist zur Lieferung des Basisstromes (15) während der Stromflußphase auch noch nach deren Beginn und zu deren Aufrechterhaltung vorgesehen; g) zur Zuführung des Signals, welches den Beginn der Stromflußphase einleitet (Zeitpunkt tl) ist ein Kondensator (C) im Steuersignalweg (1-4-2) zum Differenzieren der Einschaltflanke (Ue zum Zeitpunkt tl) vorgesehen.Claims f control circuit for fast switching of a controllable Semiconductor with the following features: a) In the course of the control signal path (1-4-2) a circuit point (2) is connected upstream of the control electrode of the semiconductor (T2), from which a semiconductor junction (G1) in the forward direction to the control electrode and a valve (G2) switched in the straight-through direction leads to the collector (3) to limit the base current (I5) in the current flow phase; b) in the load circuit (Ro-3-T2) is the primary winding of a current transformer (t), from whose secondary winding a current path (I2) leads to the control signal path (1-4-2), to support the base current (I5) at the beginning the current flow phase; c) at least one wide in the control signal path (1-4-2) structural element (G) is through a capacitor (C1) bridged for accelerated termination of the current flow phase; marked by the following features: d) the semiconductor junction and the valve are non-controllable Rectifier (G1, G2), e) the junction of the current path (I2) is on or before the node (2) and before the capacitor (C1) in the control signal path (1-4-2); f) the current path (I2) is for supplying the base current (15) during the current flow phase also provided after their start and for their maintenance; g) for feeding of the signal which initiates the start of the current flow phase (time tl) a capacitor (C) in the control signal path (1-4-2) to differentiate the switch-on edge (Ue at time tl) provided. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreis des Stromwandlers (W) einen Widerstand (R1) enthält, an den ein Schwellenschalter (S) angeschlossen ist, zum Kurzschließen der Steuersignale (Eingang 1) bei zu hohem Laststrom (Ic).2. Control circuit according to claim 1, characterized in that the The secondary circuit of the current transformer (W) contains a resistor (R1) to which a threshold switch (S) is connected to short-circuit the control signals (input 1) when the signal is too high Load current (Ic).