DE3300682C2

DE3300682C2 - Steuerschaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines bipolaren Transistors

Info

Publication number: DE3300682C2
Application number: DE19833300682
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl.-Ing. 8027 Neuried Müller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-01-11
Filing date: 1983-01-11
Publication date: 1986-01-02
Also published as: DE3300682A1

Abstract

Steuerschaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines bipolaren Schalttransistors, bei dem in einem Hauptstromkreis ein Stromwandler und in einem Steuerkreis eine Drossel angeordnet sind. Bei einer derartigen Steuerschaltungsanordnung sollen die Abschaltverluste im Schalttransistor noch weiter verringert werden. Die Erfindung sieht hierzu vor, daß in Serie zur Drossel eine durch eine Diode überbrückte Gegenkopplungswicklung des Stromwandlers angeordnet ist. Die Steuerschaltungsanordnung läßt sich insbesondere bei Spannungsumsetzern in Stromversorgungseinrichtungen vorteilhaft anwenden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebene Steuerschaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines bipolaren Transistors.

Eine derartige Steuerschaltungsanordnung ist bereits aus der DE-OS 28 38 010 bekannt. Bei der bekannten Steuerschaltung liegt in einem ersten Steuerkreis, der nur während der Einschaltphase des einzuschaltenden bipolaren Leistungsschalttransistors geschlossen ist, eine Sekundärwicklung eines Stromwandlers, dessen Primärwicklung in dem mit Hilfe des Schalttransistors ein- oder auszuschaltenden Hauptstromkreises angeordnet ist. In einem zweiten Steuerkreis, der nur während der Ausschaltphase des Schalttransistors geschlossen ist, und der eine weitere Sekundärwicklung des Stromwandlers enthält, sind eine Drossel und die Emitter-Kollektor Strecke eines Treibertransistors angeordnet. Über diese Drossel, die mit einem Widerstand beschaltet ist, baut sich während der Ausschaltphase der negative Basisstrom des Schalttransistors mit linearem Anstieg nach dem Induktionsgesetz auf. Der langsame Anstieg des sperrenden Basisstromes über den zweiten Steuertransistor erleichtert das Sperren des Schalttransistors. Wenn kein Emitterstrom mehr fließt, führt auch die zweite Sekundärwicklung keinen Strom.

Der Strom in der Drossel fließt dann über den Parallelwiderstand weiter und nimmt ab.

Ferner ist aus der US-PS 43 39 671 bereits eine Steuerschaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines bipolaren Transistors bekannt, die einen Ausschaltstrompfad zum Sperren des bipolaren Transistors aufweist. In einem während der Einschaltphase des bipolaren Transistors geschlossenen ersten Steuerkreis liegt die Sekundärwicklung eines ansteuernden Transformators in Serie mit einer Diode, einer Z-Diode und der Emitter-Basis-Strecke des ein- und auszuschaltenden bipolaren Transistors. In einem nur während der Ausschaltphase geschlossenen zweiten Steuerkreis liegt die

ίο Basis-Emitter-Spannung des ein- und auszuschaltenden bipolaren Transistors in Serie mit einem Widerstand, der Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistors und einem Kondensator. Der Kondensator ist über eine derart gepolte Diode an die im ersten Steuerkreis gele-

is g?ne Z-Diode angeschlossen, daß der Kondensator während der Einschaltphase des bipolaren Transistors aufgeladen wird und somit zu Beginn der Ausschaltphase eine Spannung aufweist, die bei leitendem Steuertransistor den bipolaren Transistor sperrt. Dabei wird

2C die Sekundärwicklung des ansteuernden Transformators in der Sperrphase des bipolaren Transistors durch einen Stromkreis überbrückt, der vom ersten Steuerkreis die Diode, vom zweiten Steuerkreis den Widerstand und die Kollektor-Emitter-Strecke des Steuer- transistors und zusätzlich die zum Aufladen des Kondensators dienende Diode enthält. In der Sperrphase des Schalltransistors «ließt über diesen Stromkreis ein Strom, der somit von der Basis des bipolaren Transistors forgeleitet wird. Der zweite Steuerkreis enthält weder eine Gegenkopplungswicklung des Stromwandlers noch eine Drossel, so daß die bei einer Serienschaltung solcher Schaltelemente möglichen Probleme nicht auftreten. Weiterhin ist bereits aus der DE-AS 20 40 793 eine Steuerschaltungsanordnung für einen Schalttransistor bekannt, bei der ein mit seiner Primärwicklung im Hauptstromkreis liegender Stromwandler mit einer Mitkopplungswicklung in einem ersten und mit einer Gegenkopplungswicklimg in einem zweiten Steuerkreis angeordnet ist Eine Diode zur Verlangsamung der Umsteuerung des Schalttransistors während der Abschaltphase ist dabei nicht vorgesehen.

Ferner sind bereits aus der DE-Z Valvo-Berichte, Sonderdruck aus Band 20, Heft 1, Seiten 1 bis 12 Steuer- Schaltungsanordnungen zum Ein- und Ausschalten von bipolaren Transistoren bekannt bei denen der Basis des Schalttransistors eine Drossel vorgeschaltet ist, die das Abnehmen des Basisstromes während der Abschaltphase verlangsamt Die Drossel liegt dabei jeweils in einem

so Stromzweig, der sowohl in der Einschaltphase als auch während der Abschaltphase des Schalttransistor? wirksam ist Eine Mitkopplung in der Einschaltphase und/ oder eine Gegenkopplung in der Ausschaltphase ist dabei nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerschaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines bipolaren Transistors derart auszubilden, daß die Verlustleistung, die in dem Transistor insbesondere während der Abschaltphase auftritt, gegenüber vergleichbaren bekann· ten Schaltungsanordnungen noch weiter verringert ist

Gemäß der Erfindung wird die Steuerschaltungsanordnung zur Lösung dieser Aufgabe in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgebildet.

Durch diese Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Steuerschaltungsanordnung, bei der zum Ende des Abschaltvorganges der über die Basis des Transistors fließende Ausräumstrom in der für das Ee-

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wünschte Ausräumen zweckmäßigen Größe bis zur Beendigung des Abschaltvorganges weiter aufrechterhalten bleibt, obwohl die Steuerwicklung der St rom wandler-Rückkopplung durch Verluste und Magnetisierungs-Strombedarf des Stromwandlers gegen Ende des Abschaltvorganges zunehmend nachläßt

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unieransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele sowie anhand des Diagramms nach F i g. 3 näher erläutert. Es zeigt

F i g. J einen Eintakt-Durchflußumrichter mit einer Drossel im Kollektorzweig eines Treibertransistors,

Fig.2 einen Eintakt-Dnrchflußumrichter mit einer Drossel im Emitterzweig eines Treibertransistors und

Fig.3 ein Diagramm, aus dem für den Umrichter nach F i g. 1 der zeitliche Verlauf von Kollektorstrom und Basissirom des Schalttransistors hervorgeht

Bei den in den F i g. 1 und 2 gezeigten Eintakt-Durchfluß-Umrichtern verläuft der Hauptstromkreis vom Pluspol der Spannungsquelle 1 über die Primärwicklung des Transformators 21 zum Kollektor des cpn-Lfcistungsschalttransistors 4. dessen Emitter über die Primärwicklung 51 des Stromwandlers 5 an den Minuspol der Spannungsquelle 1 geführt ist Die dem bipolaren Schalttransistor 4 vorgeschaltete Steuervorrichtung enthält einen ersten Steuerstromkreis mit einer als Mitkopplungswicklung geschalteten Sekundärwicklung 52 des Stromwandlers 5 und einen zweiten Steuerkreis mit einer als Gegenkopplungswicklung geschalteten Tertiärwicklung 53 des Stromwandlers 5. Die Mitkopplung und die Gegenkopplung ergeben sich dadurch, daß unmittelbar am Emitter des Transistors 4 die Wicklungen 51 und 53 des Stromwandlers 5 mit ihrem Anfang und die Wicklung 52 mit ihrem Ende angeschlossen ist Die beiden Steuerkreise werden mit Hilfe von zwei komplementären Treibertransistoren i« und 19 bzw. 31 und 35 abwechselnd ein- und ausgeschaltet bzw. geschlossen und geöffnet Der Transformator 21 ist mit seiner Sekundärwicklung über eine Diode 22 und weitere, nicht dargestellte Schaltmittel des Leistungsteils 2 an den Lastwiderstand 3 geführt

Die in den Steuerkreisen liegenden Dioden 6 und 8 sind so gepolt, daß die Diode 6 für positive, den Transistor 4 öffnende Basisströme und die Diode 8 für negative, den Transistor 4 sperrende Basissi'öme durchlässig ist

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Spannungsumsetzer ist die Basis des Transistors 4 an die unmittelbar miteinander verbundenen Emitter fier komplementären Treibertransistoren 18 und 19 angeschlossen. Der erste Steuerkreis, mit dessen Hilfe der bipolare Transistor 4 eingeschaltet wird, verläuft vom Emitter des Transistors 4 über die Sekundärwicklung 52 des Stromwandlers 5, die Diode 6 und die Kel'ektor-Emitter-Strecke des Transistors 18 zur Basis des Transistors 4. Der zweite Steuerkreis, mit dessen Hilfe der Transistor 4 abgeschaltet wird, verläuft von der Basis des Transistors 4 zum Emitter des Transistors 19 und vom Kollektor des Transistors 19 über die Drossel 21, die Diode 8 und die als Gegenkopplungswicklung geschaltete Tertiärwicklung 53 des Stromwandlers 5 zum Emitter des Transistors 4.

Parallel zur Sekundärwicklung 52 liegt die aus dem Kondensator 22 und dem Widerstand 23 bestehende R-C-Serienschaltung. Parallel zur Tertiärwicklung 53 ist der Widerstand 25 angeordnet. Zwischen Basis und Emitter des Transistors 4 liegt der Widerstand 24. Parallel zur Drossel 21 ist der Widerstand 20 angeordnet.

Die Spannungsquelle 1 und die Hilfsspannungsquelle 9 sind mit ihren Minuspolen zusammengeführt An der ersten Hilfsspannungsquelle 9. die die Hilfsspannung Um abgibt. Hegt die aus einer Steuerschaltung S; einem Regler R und einem Taktgeber 7*bestehende Steuereinrichtung 11. Der pnp-Transistor 10 ist mit seiner Basis an die Steuerschaltung Sund mit seinem Emitter an den Pluspol der Hilfspannungsquelle 9 angeschlossen und ist mit seinem Kollektor über die in Durchlaßrichtung gepolte Diode 14 an die Basisverbindung der Transistoren 18 und 19 geführt Die zweite Hilfsspannungsquelle 17, die die Hilfsspannung Um liefert, liegt mit ihrem Pluspol am Emitter des Transistors 4 und ist mit ihrem Minuspol sowohl über die Widerstände 13 und 12 an den Kollektor des Transistors 10 als auch über den Widerstand 16 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 15 an die Basisverbindung der Transistoren 18 und 19 geführt Die Basis des Transistors 15 liegt am Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 13.

Die Serienschaltung aus der Tertiärwicklung 53 des Stromwandlers 5 und der Diode 8 ist ikirch die Diode 7 überbrückt Die Dioden 7 und 8 sind dabei mit einander entgegengesetzter Polarität in Serie geschaltet

Die in F i g. 1 gezeigte Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt

Gefühl; von Taktgeber T und Regler R der Steuereinrichtung 11 gibt die Steuerschaltung S das Einschaltsignal für den Kollektorstrom des Transistors 4. Dieses bewirkt ein Leitendwerden der Transistoren 10,18 und

4. Die Transistoren 15 und 19 sind dabei gesperrt. Die Ansteuerung des Transistors 4 wird dabei durch den Stromwandler 5 über die Wicklungen 51 und 52 durch Mitkopplung über den ersten Steuerkreis unterstützt.

Bei der Beendigung des Arbeitstaktes durch den Regler R wird der Transistor 10 nichtleitend. Mit Hilfe der Hilfspannung Um, die für den Transistor 4 eine Sperrspannung darstellt, werden die Transistoren 15 und 19 leitend. Gleichzeitig wird der Transistor 18 gesperrt. Damit ist der Abschaltvorgang für den Transistor 4 durch Gegenkopplung mittels der Wicklungen 51 und 53 eingeleitet und wickelt sich entsprechend der Speicherzeit des Transistors 4, den Beschattungen 22,23; 21 und 20 im Stromwandlerkreis und dem Leistungsvermögen der Sperrspannungsquelle 17 ab.

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Spannungfjmsetzer sind die Hilfsspannungsquellen 26 und 27 zueinander in Serie geschaltet. An dieser Serienschaltung liegt die aus einer Steuerschaltung S, einem Regler R und einem Taktgeber T bestehende Steuereinrichtung 28. Außerdem ist

so der Basisanschluß des Treibertransistors 31 über den Widerstand 29 an das Ende der Hilfsspannungsquelle 26 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 35 ist über den Widerstand 34 an das freie Ende der Hilfsspannungsqueile 27 geführt.

Die komplementären Treibertransistoren 31 und 35 sind einerseits mit ihren Basisanschlüssen über den Widerstand 33 und andererseits mit ihren Emitteranschlüssen über den Widerstand 32 zusammengeführt. Die Basis des Transistors M liegt am Ausgang des Komparators 30, der an den Regler R angeschlossen ist.

Der Emitter des Transistors 35 ist über die Drossel 36 an die Basis des Transistors 4 geführt. Parallel zu der aus dem Widerstand 32 und der Drossel 36 bestehenden Serienschaltung liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 39, wobe^: die Emitter der Transistoren 31 und 39 unmittelbar miteinander verbunden sind. Zwischen dem Emitter des Transistors 4 und der Basis des Transistors 39 liegt der Widerstand 37.

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Der erste Steuerkreis, mit dessen Hilfe der bipolare Transistor 4 eingeschaltet wird, verläuft von der Basis des Transistors 4 über die Kollektor-Emitter-Strccke des pnp-Treibertransistor39 und die Emitter-Kollektor-Strecke des npn-Treibertransistors 31 und über die Di- ■> ode 6 und die Sekundärwicklung 52 des Stromwandlers 5 zum Emitter des Transistors 4. Der zweite Steuerkreis, mit dessen Hilfe der Transistor 4 abgeschaltet wird, verläuft von der Basis des Transistors 4 über die Drossel 36 *!}m Emitter des npn-Treibertransistors 35 und vom Kollektor des Transistors 35 über die Diode 8 und die als Gcgenkopplungswicklung geschaltete Tertiärwicklung 53 des Stromwandlers 5 zum Emitter des Transistors 4.

Zum Schutz des Stromwandler s liegt parallel zur Se- ΐί kundärwicklung 52 eine aus zwei mit entgegengesetzter Polung in Serie geschaltete Z-Dioden bestehende Sericnschaltung 40. Zwischen Basis und Emitter des Transistors 4 iiegt der widerstand 24.

Die in F i g. 2 gezeigte Steuerschaltungsanordnung arbeitet wie folgt.

Der Leistungstransistor 4 wird in ähnlicher Weise wie bei dem Durchflußumrichter nach Fig. I von der Steuereinrichtung 28 mit Hilfe des Stromwandlers 5 und der Transistoren 31,39 und 35 aus den Hilisspunnungsquellen 26 und 27 entsprechend der Taktfrequenz aes Taktgebers Γ und dem Einfluß des Reglers R ein- und ausgeschaltet.

Geführt von der Steuerschaltung 28 gibt der Regler R über den Komparator 30 das Einschaltsignal für den jo Kollektorstrom des Transistors 4. Dieses bewirkt, daß aus der Hilfsspannungsquelle 26 ein Steuerstrom durch die Basis-Emitterstrecke des Transistors 31, die Emiiter-Basis-Strecke des Transistors 39, den Widerstand 37 und die Primärwicklung 51 des Stromwandlers 5 fließt. Die Transistoren 31,39 und 4 werden leitend. Der Transistor 35 ist dabei "ss^srrt Dis Anstsuerur!^e des Trsnsistors 4 wird dabei durch den Stromwandler 5 über die Wicklungen 51 und 52 durch Mitkopplung über den ersten Steuerkreis unterstützt.

Bei der Beendigung des Arbeitstaktes durch den Regler /? wird der Transistor 31 gesperrt und der Transistor 35 leitend gesteuert. Aus der Hilfspannungsquelle 27 fließt ein Strom über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 35, die Drossel 36, die Basis-Erritterstrecke des Transistors 4 und die Primärwicklung 51 des Stromwandlers 5. Damit ist der Abschaltvorgang für den Transistor 4 durch Gegenkopplung mittels der Wicklungen 51 und 53 eingeleitet und wickelt sich entsprechend der Speicherzeit des Transistors 4, den Beschaltungen 40 im Stromwandler kreis und dem Leistungsvermögen der Sperrspannungsquelle 27 ab.

Mit sinkendem Kollektor- bzw. Emitterstrom des Transistors 4 nimmt die Wirkung der Gegenkopplung ab.

Bei den in den F i g. 1 und 2 gezeigten Steuerschaltungsanordnungen kann man parallel zur Drossel 21 bzw. 36 — bei Drossel 21 insbesondere zusätzlich zum Widerstand 20 — eine Serienschaltung von zwei mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschalteten Z-Diöden vornehmen. Hierdurch kann die von der Drossel abgegebene Spannung begrenzt werden.

F i g. 3 zeigt, wie der Ein- und Ausschaltvorgang für den Leistungstransistor 4 bei der in F i g. 1 gezeigten Schaltungsanordnung verläuft Dabei sind der Basisstrom Ib und der Kollektorstrom Ic über der Zeit dargestellt Für die einzelnen Zeitabschnitte ergeben sich die folgenden Bedeutungen:

/ο—Ί — Anstiegszeit
Ia-I₂ =

Dauer des »Ein«-Signals der Steuerung
to- U =

Stromführungszeit des Haupttransistors (4)
Io — Ib — Taktzeit
ti-h =

Umkehrung des Steuerstromes
h-li =

Speicherzeit des Haupttransistors
U-I; =

Fall/cit des Kollcktorstromes und Rückgang des Basis-Stcuerstromcs.

Von besonderer Bedeutung ist der Zeitabschnitt I₄-1„ Nach EinleitungdesAbschaltvorgangeszumZciipunki /> und Beendigung der Transistor-Speicherzeit zur Zeit I₄ beginnt mit einem steilen Abfall des Kollcktorstromes /< des Transistors 4 die eigentliche Abschaltung, die bis zum Zeitpunkt f-, dauert. Sie ist im ersten und größten Teil durch die mit Hilfe des Stromwandler 5 erzielte Rückkopplung steuerungsmäßig wirkungsvoll unterstützt. Zum Ende des Vorganges läßt jedoch die Steuerwirkung der Rückkopplung durch Verluste und einen Magnetisierungs-Strombedarf im StromwandlerS zunehmend nach. Ohne die Diode 7 ergäben sich daraus ein weniger steiles Abfallen des Kollektorstromes lc. eine Verlängerung der Abfallzeit und damit auch höhere Abschaltverluste am Transistor4.

Die Diode 7 bewirkt, daß die Drossel 21, die zunächst eine gewünschte Veriangsamung der Umsteuerung bewirkt, im weiteren Verlauf des Abschaltvorganges die im Zeitabschnitt I₂-0 aufgenommene Energie am Stromwandler 5 vorbei direkt an die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 4 abgibt. Somit kann der über die Basis des Leistungstransistors 4 fließende Ausräumst rom länger aufrecht erhalten werdsn, als dies ohne die Diode 7 der Fall wäre. Damit wirkt die Steuerschaltung verbessert bis zur Beendigung des Abschaltvorganges weiter und es werden auf diese Weise besonders wenig Abschaltverluste erzielt.

Auch bei der Steuerschaltungsanordnung nach F i g. 2 wird die in der Drossel 36 gespeicherte magnetische Energie, bei entsprechender Dimensionierung der Drossel 36, zur Unterstützung der Endphase des Abschaltens ausgenützt. Auch hierbei müßte ohne die Diode 7 die dann in Reihe zur Drossel 36 liegende Impedanz des Stromwandlers 5 bei höherem Spannungsbedarf aus der Drossel 36 überwunden werden, so daß eine entsprechend groß bemessene Induktivität erforderlich W\re. Mit Hilfe der Diode 7 läßt sich das gewünschte verlustarme Abschaltverhalten mit einer wesentlich kleineren Induktivität der Drossel erzielen.

Die in den F i g. 1 und 2 gezeigten Steuerschaltungsanordnungen dienen zur Verbesserung des Abschaltvorganges von bipolaren Leistungstransistoren in getakteten Spannungsumsetzern. Dabei wird der Leistungstransistor durch die Steuerschaltung bei konstanter Taktfrequenz mit veränderlichem Tastgrad ein- und ausgeschaltet

Die Steuerschaltungsanordnung kann ferner auch bei Spannungsumsetzern mit variabler Taktfrequenz oder in weiteren Schaltungsanordnungen, bei denen Laststromkreise ein- und ausgeschaltet werden, vorteilhaft Anwendung finden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

33 OO 682 Patentansprüche:

1. Steuerschaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines bipolaren Transistor:; (4), der mit seiner Emitter-ICoilektor-Strecke in einem Hauptstromkreis und mit setner Basis-Emitter-Strecke sowohl in einem nur während der Einschakphase geschlossenen ersten Steuerkreis als auch in einem nur während der Ausschaltphase geschlossenen zweiten Steuerkreis angeordnet ist, wobei im Hauptstromkreis in Serie zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors (4) eine Primärwicklung (51) eines Stromwandlers (5) angeordnet ist und im zweiten Steuerkreis in Serie zu einer Drossel (21,36) eine als Gegenkopplungswicklung angeordnete Sekundärwicklung (53) des Stromwandlers (S) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung durch eine derart gepolte Diode (7) überbrückt is», daß die Diode (7) für den Transistor

(4) sperrende Ströme leitend ist.

2. Steuerschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß in Serie zur Sekundärwicklung (53) des Stromwandlers

(5) eine weitere, für den Transistor (4) sperrende Ströme leitende Diode (8) angeordnet ist, die die Sekundärwicklung (53) des Stromwandlers überbrückende Diode (7) parallel zu der aus der Sekundärwicklung (53) und der weiteren Diode (8) bestehenden Serienschaltung liegt.

3. Steuerschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Drossel (21) eine Serie-Schaltung aus zwei mit entgegengesetzter Poiang in Reihe geschalteten Z-Dioden angeordnet ist