DE3621692A1 - Basis-ansteuerschaltung fuer einen transistor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Ansteuerung von Transistoren im Schaltbetrieb und insbesondere auf das Schalten von Leistungstransistoren.

Beim Einsatz von Leistungstransistoren im Schaltbe­ trieb in elektronischen Schaltungen, z. B. in Reglern oder Wechselrichtern, ist es für eine zufriedenstel­ lende Arbeitsweise wesentlich, daß die Kollektorstrom- und -Spannungs-Ausschläge bzw. -Schwankungen des Tran­ sistors während des Schaltens innerhalb bestimmter Sicherheitssgrenzen des Transistors gehalten werden.

Diese Sicherheitsgrenzen bzw. Betriebsparameter des Transistors sind im allgemeinen genau bekannt; es sind zahlreiche Methoden vorgeschlagen worden, die sicher­ stellen sollen, daß sie beim Schalten des Transistors auch eingehalten werden. So gibt es z. B. verschiedene Dämpferschaltungen, mit welchen der Belastungszustand zwischen dem Ein- oder Durchschalten des Transistors und dem Abschalten oder Sperren desselben in der not­ wendigen Weise verändert wird.

Es ist auch bekannt, resonanz-kommutierte Schaltungen, z. B. in Mittelpunkt- oder Brücken-Wechselrichtern, zur Erzeugung von Kollektor-Spannungs-Schwankungen derart zu benutzen, daß ausgewählte Transistoren bei einer Kollektor-Emitter-Spannung von praktisch Null geschaltet werden können.

Bei einer wiederum anderen, schon vorgeschlagenen An­ ordnung handelt es sich um die sogenannte Kollektor- Fangschaltung, bei welcher die Basis-Treiberquelle über mehrere Dioden an die Basis und den Kollektor des Transistors angeschlossen ist.

Die erläuterten Maßnahmen und Anwandlungen derselben sind in vieler Hinsicht durchaus zufriedenstellend, jedoch erreichen sie ihr Ziel nur bei Inkaufnahme hoher Komplexität.

Es ist bekannt, daß ein Basis-Treiber für einen Tran­ sistor, der in einem resonanz-kommutierten System ar­ beitet, die folgenden Eigenschaften haben sollte:

• 1) Im Durchlaßzustand sollte der Basis-Strom die Kol­ lektor-Emitter-Spannung V _ce so klein wie möglich hal­ ten, ohne daß jedoch dabei der Transistor in die Sät­ tigung gebracht wird;
• 2) beim Abschalten bzw. Sperren sollte die Basis so schnell wie möglich in den negativen Bereich gesteu­ ert werden, um ein wirksames Abschalten sicherzustel­ len;
• 3) es sollte verhindert werden, daß der Transistor durchschaltet, solange nicht V _ce unter einem vorbe­ stimmten Wert liegt und
• 4) der Transistor sollte abgeschaltet werden, wenn V _ce über einen vorbestimmten Wert ansteigen sollte.

In der DE-AS 12 57 842 ist eine Schaltung offenbart, welche die erste der genannten Forderungen erfüllt. Auf die verbleibenden Forderungen wird jedoch nicht eingegangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im obi­ gen Sinne verbesserte Basis-Ansteuerschaltung für ei­ nen Transistor zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 und bezüglich vorteilhafter Ausgestaltungen in den Unteransprüchen gekennzeichneten Basis-Ansteuerschal­ tung gelöst.

Außer dem im Anspruch 2 genannten Windungsverhältnis von 1 : 2 können für andere Anwendungen auch andere Win­ dungsverhältnisse infrage kommen. Es sollte Vorkeh­ rung getroffen werden, daß überschüssige Magnetisie­ rungsenergie vom Transformator abgeleitet wird. Ein geeignetes Mittel hierzu ist der gemäß Anspruch 3 ge­ schaltete Widerstand. Die beiden Strom-Gleichrichter sind vorzugsweise Dioden.

Gegenstand der Erfindung sind auch Leistungsschaltun­ gen, wie z. B. Regler und Wechselrichter, welche Tran­ sistoren mit Basis-Ansteuerschaltungen der gekennzeich­ neten Art umfassen. Bei diesen Anwendungen kann der Transformator so ausgelegt sein, daß er in die Sät­ tigung bringbar ist, wodurch eine Abschaltung des Transistors nach einer bestimmten "An"-Zeit eingelei­ tet wird; außerdem umfaßt die Basis-Treiberquelle vor­ zugsweise ein vom Ausgangssignal des Transistors ab­ geleitetes Rückkopplungssignal.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteil­ haften Einzelheiten anhand eines schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt das Schaltbild einer Basis-Ansteu­ erschaltung für einen Leistungstransistor.

Die als Ausführungsbeispiel gezeigte Schaltungsanord­ nung umfaßt einen Leistungstransistor 10 und einen Transformator 12 mit einer Primärwicklung 14 und einer Sekundärwicklung 16. Die Sekundärwicklung 16 hat außer ihren beiden Endanschlüssen 18 und 22 eine Anzapfung 20. Mit dem ersten Anschluß 18 ist sie an den Emitter des Transistors 10 und mit der Anzapfung 20 an die Basis desselben angeschlossen. Eine erste Diode 24 verbindet einen Endanschluß der Primärwicklung mit dem Kollektor des Transistors, während eine zweite Diode 26 den zweiten Endanschluß 22 der Sekundärwick­ lung mit dem Kollektor des Transistors verbindet. An den ersten Anschluß 18 und die Anzapfung 20 der Sekun­ därwicklung ist ein Widerstand 28 angeschlossen. Eine Basis-Treiberquelle 30 ist über einen Widerstand 32 mit der Primärwicklung verbunden.

Die Polaritäten der Betriebsspannungen am Transforma­ tor 12 sind in der üblichen Weise durch Punkte bezeich­ net.

Bei der Sekundärwicklung beträgt das Verhältnis der Anzahl der Windungen zwischen dem ersten Anschluß 18 und der Anzapfung 20 zur Anzahl der Windungen zwischen der Anzapfung 20 und dem zweiten Anschluß 22 1 : 2.

Beim Betrieb der Schaltung stellt die Spannung am un­ teren Abschnitt der Sekundärwicklung, d. h. die Span­ nung zwischen der Anzapfung 20 und dem ersten Anschluß 18, die Emitter-Basis-Spannung V _eb des Transistors dar. Da das Verhältnis der Windungen zwischen dem un­ teren und dem oberen Abschnitt der Sekundärwicklung 1 : 2 beträgt, ist die Gesamtspannung an der Sekundär­ wicklung 3 V _eb . Es sei angenommen, daß der Transistor durchläßt und daß der Basis-Strom i _b groß ist, so daß die Kollektor-Emitter-Spannung V _ce die Tendenz hat zu fallen bis zu dem Punkt, an welchem der Transistor in die Sättigung gerät. Wenn die Spannung V _ce unter 2 V _eb fällt, wobei zu beachten ist, daß die Vorwärts- Spannung der Diode 26 in der Größenordnung von V _eb liegt, tritt ein Stromfluß i _e durch die Diode 26 ein und die Sekundär-Spannung wird herabgesetzt. Ebenfalls wird die Emitter-Basis-Spannung V _eb des Transistors herabgesetzt, was zu einem Absinken des Basis-Stromes i _b führt, und dies wiederum bremst den Abfall der Kollektor-Emitter-Spannung V _ce . Die insoweit beschrie­ bene Wirkung der Schaltung ist diejenige einer Gegen­ kopplungs-Schleife, welche die Kollektor-Emitter- Spannung V _ce auf einem Wert oberhalb des Sättigungs­ wertes stabilisiert.

Wenn der Transistor 10 durchläßt, baut sich in der Primärwicklung 14 des Transformators ein Magnetisie­ rungs-Strom auf. Beim Abschalten wird der gesamte Pri­ mär-Strom i _p , welcher den Last-Strom und den Magneti­ sierungs-Strom umfaßt, unterbrochen. Der sekundäre Last-Strom, welcher den Basis-Strom i _b und den über­ schießenden, zum Kollektor fließenden Strom i _e umfaßt, hört ebenfalls auf. Die im Transformator gespeicherte magnetische Energie sucht den Magnetisierungs-Strom aufrecht zu erhalten, welcher auf die Sekundärseite übertragen wird und dort als negativer Basis-Strom erscheint. Dieser negative Basis-Strom entlädt den Transistor und führt dazu, daß der Transistor sehr abrupt abschaltet, wodurch die Abschaltverluste auf einen sehr niedrigen Wert begrenzt werden.

Nachdem der Entladungsvorgang abgeschlossen ist, wird eine etwaige weitere, zuviel vorhandene magnetische Energie mittels des Widerstandes 28 abgeleitet und der Transformator in den energielosen Zustand zurück­ gebracht, bevor der nächste "An"-Zyklus beginnt. Der Basis-Emitter-Übergang wird ebenfalls für den Rest des Abschalt-Zyklus in einem in Sperrichtung vorge­ spannten Zustand gehalten, wodurch das Auftreten zu­ fälliger Einschaltimpulse aufgrund von Streueffekten verhindert wird.

Der Transistor kann nicht eher in den Durchlaßzustand gebracht werden, als bis die Kollektor-Emitter-Span­ nung V _ce unter einem vorbestimmten Wert liegt. Diese Wirkung wird dadurch erzielt, daß die Primärwicklung 14 mit dem Kollektor des Transistors über die Diode 24 verbunden ist. Diese Diode wird nur dann in Durch­ laß- bzw. Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn die Kol­ lektor-Emitter-Spannung V _ce unter die Spannung V _s der Basis-Treiberquelle 30 fällt. Auf diese Weise wird eine vorzeitige Durchschaltung des Transistors verhin­ dert. Der Widerstand 32 dient dazu, den Primär-Strom i _p auf den benötigten Wert einzustellen mit V _ce = 2 V _eb .

Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung V _ce ansteigt, weil der Kollektor-Strom i _c zu groß wird oder weil der Basis-Strom i _b zu stark abfällt, wird der Transistor aufgrund der Mitkopplungs-Wirkung abgeschaltet, wel­ che sich über die Diode 24, die Transformator-Primär­ wicklung 14, die Basis-Treiberwicklung und den Tran­ sistor einstellt. Die Mitkopplung bzw. positive Rück­ kopplung verursacht einen Anstieg der Kollektor-Emit­ ter-Spannung V _ce und damit eine verstärkte Vorspan­ nung der Diode 24 in Sperr- oder Rückwärtsrichtung. Der Primär-Strom i _p wird unterbrochen und der Magne­ tisierungs-Strom auf die Basis-Schaltung übertragen, wodurch der Abschalt-Zyklus in der zuvor erläuterten Weise abgeschlossen wird.

Aus allem folgt, daß die Basis-Ansteuerschaltung nach der Erfindung hinsichtlich ihrer Eigenschaften den in der Beschreibungseinleitung niedergelegten Anfor­ derungen genügt.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist insbesondere zur Verwendung mit Leistungstransistoren in Reglern und Wechselrichtern geeignet. In einer freilaufenden oder selbstschwingenden Wechselrichter-Schaltung kann der Basis-Treiber-Transformator auch die Zeitgeberfunk­ tion übernehmen, welche die Arbeitsfrequenz des Systems bestimmt. Dies wird erreicht, indem man den Basis- Treiber-Transformator so auslegt, daß sein Kern nach einer vorbestimmten "An"-Zeit in die Sättigung gerät, wodurch der Vorwärts-Basis-Strom an diesem Punkt scharf abfällt. Dies leitet den Abschalt-Zyklus in der oben erläuterten Weise ein. In diesem Falle kann die Basis- Treiberquelle die Rückkopplungs-Wicklung eines Trans­ formators sein, welcher zumindest einen Teil der Last des Transistors darstellt.

Wenn die Basis-Ansteuerschaltung nach der Erfindung in Verbindung mit einem Brücken-Wechselrichter verwen­ det wird, sollten anstelle des üblicherweise verwen­ deten, parallel zur Primärwicklung des Last-Transfor­ mators geschalteten Dämpfungskondensators zwei Konden­ satoren des doppelten Wertes benutzt werden, die je zwischen einer Seite der Last und der Masse liegen. Dies macht es überflüssig, diagonal komplementäre Basis-Ansteuerschaltungen zur Sicherstellung des gleichzeitigen Schaltens der beiden dann vorhandenen Transistoren über Kreuz zu koppeln. Die beiden Seiten des Brücken-Wechselrichters können als zwei unabhän­ gige Mittelpunkt-Schaltungen angesehen werden, die aufgrund der Resonanzschwingung der Lastspannung wäh­ rend der Kommutation und der Wirkung der Kollektor- Spannungs-Verriegelung zwangsläufig synchron arbeiten.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann in mancherlei Hin­ sicht abgewandelt werden. Zum Beispiel kann der Widerstand 32, der eine Strombegrenzungs-Funktion hat, durch ei­ nen Widerstand an der Sekundärwicklung z. B. zwischen der Anzapfung 20 und der Basis des Transistors ersetzt oder auch alternativ ergänzt werden. Die Beibehaltung des Widerstandes 32 auf der Primärseite hat allerdings den Vorteil, daß der Primär-Strom des Transformators begrenzt wird, wenn der Transistor in die Sättigung geht. Eine andere Möglichkeit wäre, den Widerstand 32 durch ein elektronisches strombegrenzendes Bauele­ ment zu ersetzen, welches den Primär-Strom begrenzt, wenn die Spannung an dem Bauelement einen vorbestimm­ ten Wert erreicht.

Es wurde bereits erwähnt, daß das Windungsverhältnis auf der Primärseite 1 : 2 beträgt. Es sind jedoch auch andere Windungsverhältnisse brauchbar, was im Einzel­ fall von der Anwendung und den Transistor-Parametern abhängt.

Claims (5)

1. Basis-Ansteuerschaltung für einen Transistor (10) mit einem eine Primärwicklung (14) und eine Sekundärwick­ lung (16) umfassenden Transformator (12 ), einer Basis- Treiberquelle (30) und einem ersten und einem zweiten Strom-Gleichrichter (24, 26), dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (14) an die Treiberquelle (30) und über den ersten Strom-Gleichrichter (24) an den Kollektor des Transistors (10) angeschlossen ist, und daß die Sekundärwicklung (16) mit ihrem ersten Anschluß (18) an den Emitter des Transistors (10), mit ihrem zweiten Anschluß (22) über den zweiten Strom-Gleich­ richter (26) an den Kollektor des Transistors (10) und mit einer Anzapfung (20) an die Basis des Transi­ stors (10) angeschlossen ist.

2. Basis-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Sekundärwicklung (16) das Verhältnis der Zahl der Windungen zwischen der Anzapfung (20) und dem ersten Anschluß (18) zur Zahl der Windungen zwi­ schen der Anzapfung (20) und dem zweiten Anschluß (22) 1 : 2 beträgt.

3. Basis-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (28) an den ersten Anschluß (18) und an die Anzapfung (20) der Sekundärwicklung (16) angeschlossen ist.

4. Basis-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (12) in die Sättigung bringbar ist, um so die Abschaltung des Transistors (10) nach einer vorbestimmten "An"-Zeit einzuleiten.

5. Basis-Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Treiberquelle (30) ein vom Ausgangssig­ nal des Transistors (10) abgeleitetes Rückkopplungs­ signal umfaßt.