DE3124891C2

DE3124891C2 - Transistorschaltstufe

Info

Publication number: DE3124891C2
Application number: DE19813124891
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. 6148 Heppenheim Rimann
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1981-06-25
Filing date: 1981-06-25
Publication date: 1985-06-13
Also published as: DE3124891A1

Abstract

Zur Ansteuerung einer Transistorschaltstufe mit einem bipolaren Hochspannungstransistor (8) als Leistungsschalter und einem MOS-FET (6) als Treiberstufe ist ein potentialtrennender Übertrager (1) für die Ein- und Ausschaltimpulse vorgesehen. Die Sekundärwicklung des Übertragers (1) ist über zwei antiserielle Zenerdioden (3, 4) mit der Steuerelektrode des MOS-FET (6) verbunden. Ein Speicherkondensator (5) speichert zwischen zwei Steuerimpulsen den jeweiligen Schaltzustand. Ein Widerstand (7) zwischen Basis und Emitter des bipolaren Transistors (8) beschleunigt das Ausräumen des Basiszone des bipolaren Transistors.

Description

Die Erfindung betrifft eine Transistorschaltstufe mit wenigstens einem bipolaren Hochspannungstransistor als Leistungsschalter, wenigstens einem MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET) als Treiberstufe und einem Speicherkondensator an der Steuerelektrode des MOS-FET.

Eine derartige Transistorschaltstufe ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 23 64 154 oder der DE-OS 27 10 976. Die Kombination eines bipolaren Leistungstransistors mit einem MOS-FET als Treiberstufe hat bekanntlich die Vorteile, daß der bipolare Transistor an der Sättigungsgrenze bleibt und deshalb sehr schnell ausgeschaltet werden kann und daß für die Ansteuerung praktisch keine Steuerleistung benötigt wird. Außerdem zeigt ein MOS-FET keine Sättigungserscheinungen und keine Speicherverzögerung. Der Speicherkondensator an der Steuerelektrode des MOS-FET sorgt dafür, daß der Schaltzustand der Transistorstufe zwischen den aufeinanderfolgenden Steuerimpulsen gespeichert bleibt.

Bei den bekannten Schaltungen erfolgt die Auf- und Entladung des Speicherkondensators über einen als Schalter wirkenden Feldeffekttransistor. Diesem Schalter müssen Leistungsimpulse der zum Auf- bzw. Entladen des Speicherkondensators geeigneten Polarität sowie zusätzlich Steuerimpulse zum öffnen bzw. Schließen des Transistorschalters gleichzeitig zugeführt werden. Diese Synchronisation bedingt unter Umständen eine komplizierte Schaltung. Darüber hinaus ist bei den bekannten Schaltungen der Leistungsschalter galvanisch mit der Steuerelektronik verbunden, so daß beispielsweise bei Hochspannungsanwendungen Probleme auftreten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Transistorschaltstufe anzugeben, mit der Hochspannungstransistoren potentialfrei angesteuert werden können, die nur eine geringe Steuerleistung benötigt und einfach aufgebaut ist

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein potentialtrennender Übertrager für die Ein- und Ausschaltimpulse vorgesehen ist, daß die Sekundärwicklung des Übertragers über zwei antiserielle Zenerdioden mit der SteuereJektrode des MOS-FET verbunden ist und daß die Sekundärwicklung mit einem ohmschen Widerstand überbrückt ist.

Das Ein- und Ausschalten des bipolaren Leistungstransistors erfolgt mit positiven bzw. negativen Impul-

sen, die über den Übertrager in die Transistorstufe eingekoppelt werden. Di»; antiseriellen Zenerdioden sorgen dafür, daß sich der Speicherkondensator zwischen zwei Impulsen nicnt selbsttätig entladen kann. Der Widerstand, mit dem die Sekundärwicklung des Übertragers überbrückt ist, baut die im Übertrager gespeicherte magnetische Energie ab, die nicht zum Umladen des Speicherkondensators benötigt wurde. Vorzugsweise ist zwischen Basis und Emitter des bipolaren Transistors in an sich bekannter Weise ein Ausräumwiderstand geschaltet. Über diesen Widerstand fließt die in der Basiszone des bipolaren Transistors gespeicherte Ladung gegen Mass-i ab, sobald der MOS-FET durch einen Steuerimpuls geeigneter Polarität gesperrt wird.
Eine Verbesserung des Ausschaltverhaltens des bipolaren Transistors wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß als Treiberstufe zwei in Serie geschaltete MOS-FETs vom komplimentären Typ vorgesehen sind und daß im Quellenelektrodenkreis des einen MOS-FETs eine Hilfsspannungsquelle angeordnet ist. die die Energie zum Ausräumen der Basiszone des bipolaren Transistors zur Verfügung stellt. Da die in der Basiszone gespeicherte Ladung recht gering ist, ist auch die benötigte Energie der Hilfsspannungsqueüe sehr gering. Diese Hilfsspannung kann beispielsweise aus einer gesonder-

ten Wicklung auf dem potentialtrennenden Übertrager gewonnen werden. Eine andere Lösung wird in der älteren Patentanmeldung gemäß DE-OS 31 16 467 vorgeschlagen.
Vorzugsweise ist der bipolare Transistor in an sich bekannter Weise als Darlington-Stufe ausgebildet. Dadurch läßt sich die Schaltleistung weiter erhöhen; außerdem können mehrere Leistungstransistoren parallel geschaltet und von einem einzigen bipolaren Steuertransistor angesteuert werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt Fi g. 1 eine erste Ausführungsform mit einem bipolaren Transistor und einem MOS-FET.

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform mit einem bipolaren Transistor und zwei MOS-FET und

Fi g. 3 eine dritte Ausführungsform mit zwei bipolaren Transistoren und zwei MOS-FET.

Man erkennt in Fig. 1 einen potentialtrennenden Übertrager 1 für die Ein- und Ausschaltimpulse. Die Sekundärwicklung des Übertragers 1 ist mit einem Widerstand 2 überbrückt, der die im Übertrager gespeicherte Restenergie abbaut. Die Sekundärwicklung des Übertragers ist über zwei antiserielle Zenerdioden 3, 4 mit der Steuerelektrode eines N-Kanal-MOS-FETs 6 verbunden. Zwischen der Steuerelektrode des MOS-FETs 6 und der Bezugselektrode der Transistorschaltstufe ist ein Speicherkondensator 5 geschaltet, der die über den Übertrager 1 und die Zenerdioden 3,4 überge-

koppelten Schaltimpulse speichert Bei dem MOS-FET 6 handelt es sich um einen N-Kanal-MOS-FET, der zwischen Kollektor und Basis eines bipolaren NPN-Transistors 8 angeordnet ist Der Widerstand 7 zwischen Basis und Emitter des Transistors 8 sorgt dafür, daß die in der Basiszone des Transistors 8 gespeicherte Ladung ausgeräumt wird, sobald der MOS-FET 6 durch einen negativen Steuerimpuls gesperrt wird.

Die beiden antiseriellen Zenerdioden 3, 4 sorgen dafür, daß zwar Steuerimpulse, deren Amplitude höher ist als die Zenerspannung, den Kondensator 5 umladen können, daß aber der Kondensator 5 sich zwischen zwei Steuerimpulsen nicht selbsttätig entladen kann. Sollte die Eingangskapazität des MOS-FETs selbst ausreichend hoch sein, so kann gegebenenfalls auf einen gesonderten Speicherkondensator 5 verzichtet werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist der Ausräumwiderstand 7 durch einen P-Kanal-MOS-FET 10 ersetzt, in dessen Quellenelektrodenkreis eine Hilfsspannungsquelie 11 angeordnet ist. Diese Hilfsspan· nungsquelle ist so gepolt, daß sie die Ausräumung der Ladung auf der Basiszone des Transistors 8 unterstützt, sobald der P-Kanal-MOS-FET 10 durch einen negativen Steuerimpuls leitend geschaltet wird. Die negative Hilfsspannung kann beispielsweise mit Hilfe einer gesonderten Wicklung auf dem Übertrager 1 mit anschließender Gleichrichtung und Glättung aus der Ansteuerenergie gewonnen werden, da die benötigte Energie gering ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist anstelle eines einzigen bipolaren Leistungsschalters eine Dar'imgton-Stufe mit dem eigentlichen Leistungstransistor 8 und einem Steuertransistor 9 vorgesehen. Zwischen Basis und Emitter des Steuertransistors 9 befindet sich eine Diode 12, die beispielsweise auf dem Darlington-Halbleiterchip schon mitintegriert ist und in bekannter Weise das Abschalten der Darlington-Stufe beschleunigt. Bei dieser Anordnung ist es in besonderer Weise möglich, den eigentlichen Leistungsschalter aus mehreren parallel geschalteten bipolaren Transistoren aufzubauen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Transistorschaltstufe mit wenigstens einem bipolaren Hochspannungstransistor (8, 9) als Leistungsschalter, wenigstens einem MOS-Feldeffekttransistor (6, 10) als Treiberstufe und einem Speicherkondensator (5) an der Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors (6, 10), dadurch gekennzeichnet, daß ein potentialtrennender Übertrager (1) für die Ein- und Ausschaltimpulse vorgesehen ist, daß die Sekundärwicklung des Übertragers über zwei antiserielle Zenerdioden (3,4) mit der Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors (6,10) verbunden ist und daß die Sekundärwicklung mit einem ohmschen Widerstand (2) überbrückt ist.

2. Transistorschaltstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis und Emitter des bipolaren Transistors (8) ein Ausräumwiderstand (7) geschaltet ist.

3. Transistorschaltstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treiberstufe zwei in Serie geschaltete MOS-Feldeffekttransistoren (6,10) vom komplementären Leitungstyp vorgesehen sind und daß im Quellenelektrodenkreis des einen MOS-Feldeffekttransistors (10) eine Hilfsspannungsquelle (11) angeordnet ist, die die Energie zum Ausräumen der Basiszone des bipolaren Transistors (8, 9) zur Verfügung stellt.

4. Transistorschaltstufe nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bipolare Transistor als Darlington-Stufe (8,9) ausgebildet ist.