DE3321107C2

DE3321107C2 - Hochspannungsfester Leistungsschalter

Info

Publication number: DE3321107C2
Application number: DE19833321107
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing.(grad.) 8031 Gilching Hoepfner; Bernd Dipl.-Ing. 8000 München Klauck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-06-10
Filing date: 1983-06-10
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE3321107A1

Abstract

Bei bekannten Leistungsschaltern für hohe Schaltspannungen, die aus der Serienschaltung eines durch das Schaltsignal gesteuerten Feldeffekttransistors geringer Spannungsfestigkeit mit der Emitter-Kollektorstrecke eines Bipolartransistors hoher Spannungsfestigkeit bestehen, bereitet die Lieferung des erforderlichen Basisstroms für den Bipolartransistor häufig Schwierigkeiten. Mit Hilfe eines zweiten Bipolartransistors, der mit dem ersten Bipolartransistor nach Art einer Darlingtonschaltung verbunden ist, wird der Basisstrom erheblich verringert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hochspannungsfesten Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der Zeitschrift »Elektronik« 23/1981, Seite 94 bis 96, ist unter der Bezeichnung Kaskadenschalter ein Leistungsschalter bekannt, mit dem sich durch die Kombination eines Feldeffekttransistors mit niedriger Sperrspannung und eines Bipolartransistors mit hoher Sperrspannung mit derzeit verfügbaren Leistungstransistoren entsprechend großer Strombelastbarkeit Schaltspannungen bis zu etwa 1000 V und Schaltströme von 10 A und mehr bewältigen lassen.

Während die Bereitstellung der Steuersignale zum Schalten wenig Schwierigkeiten verursacht, weil nur für das genügend schnelle Umladen der Kapazität der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors, z. B. eines MOS-FET, gesorgt werden muß, bereitet die Lieferung des notwendigen Basisstroms für den Bipolartransistor aufgrund des hohen Leistungsbedarfs und der daraus entstehenden Kosten häufig mehr Schwierigkeiten.

Durch die US-PS 39 34 209 ist ein linearer Verstärker für hohe Ausgangsspannungen bekannt, der aus einer Serienschaltung eines durch ein Eingangssignal gesteuerten Einzeltransistors und mehrerer Darlingtonstufen besteht. Die Basisanschlüsse der jeweils ersten Transistoren der Darlingtonstufen liegen an den Verbindungspunkten einer Kette von entsprechend vielen Teilwiderständen eines Spannungsteilers, um eine gleichmäßige Aufteilung der Gesamtspannung auf die einzelnen Darlingtonstufen zu erreichen. Als Schalter, insbesondere Leistungsschalter, ist die bekannte Verstärkerschaltung nicht verwendbar, da nur geringe Schallgeschwindigkeiten erreichbar sind und hohe Verluste entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hochspannungsfesten Leistungsschalter der eingangs genannten Art so auszubilden, daß möglichst kurze Schaltzeiten erreichbar sind. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Es ist bekannt, Transistoren in Darlington-Schaltung vor allem in Endstufen von Verstärkern einzusetzen, die in der Lage sein sollen, eine große Ausgangsleistung zu geben. Der Zweck einer solchen Maßnahme ist die Einsparung an Steuerleistung, die für die in Darlingtonschaltung verbundenen Transistoren aufgebracht werden muß. Der Stromverstärkungsfaktor der Gesamtanordnung ist bekanntlich ungefähr dem Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der Einzeltransistoren ίο gleich. Dabei ist davon auszugehen, daß das Eingangssignal an der Basis des in der Darlington-Schaltung ersten Transistors anliegt

Im Gegensatz hierzu erfolgt die Steuerung des in Serie zu den Feldeffekttransistor angeordneten Bipolartransistors bei Leistungsschalter gemäß der Erfindung nicht über dessen Basis und somit auch nicht über den weiteren, im Sinn einer Darlington-Schaltung vorgeschalteten Transistor, sondern über den mit dem Feldeffekttransistor verbundenen Emitter des Bipolartransistors.

Ein Ausführungsbeispiel des hochspannungsfesten Leistungsschalter gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt Ein Feldeffekttransistor Ti, dessen Quellenelektrode mit einem Bezugspotential Vr verbunden ist, wird durch ein Schaltsignal 5 gesteuert. In Serie ?u der geschalteten Strecke des Feldeffekttransistors Ti liegt die Emitter-Kollektor-Strecke eines Bipolartransistors 7"2 und ein Lastwiderstand Rl. Der Lastwiderstand Rl, der sowohl ein ohmscher Widerstand als auch ein induktiver Widerstand sein kann, ist einseitig an die Betriebsspannung W angeschlossen. Die Betriebsspannung Vy kann beispielsweise 800 V gegen das Bezugspotential V_R betragen, sofern der Bipolartransistor T2 für so hohe Sperrspannungen geeignet ist.

Die Basis und der Kollektor des Bipolartransistors Γ2, der im folgenden zur besseren Unterscheidung willkürlich als Haupttransistor bezeichnet wird, sind durch die Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren Bipolartransistors T3 überbrückt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, entspricht die Kombination der beiden Bipolartransistoren T2 und T3 an sich der bekannten Darlington-Schaltung.

Der Transistor Γ3, im folgenden als Hilfstransistor bezeichnet, erhält seinen Basisstrom über einen Basisvorwiderstand Rv, der an ein festes Potential mit der Spannung Uh gegen das Bezugspotential Vr angeschlossen ist. Parallel zum Basisvorwiderstand R_v liegt eine Kapazität.
Wie schon erwähnt wurde, wird der Leistungsschalter durch ein an der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors Ti anliegendes Steuersignal S gesteuert. Für die Betrachtung der daraus resultierenden Vorgänge wird zunächst der Einfluß der Kapazität C ignoriert. Wenn die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors Ti gesperrt ist, wird der Emitter des Haupttransistors Γ2 vom Bezugspotential Vr abgetrennt, so daß durch die Darlington-Schaltung und den Lastwiderstand Ri. (praktisch) kein Strom fließt. Damit verschwindet auch der Strom Ibs durch den Basisvorwiderstand Rv und die Basis des Transistors Γ3 führt die Spannung Un- Ist die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors Tl leitend, dann liegt der Emitter des Haupttransistors T2 niederohmig am Bezugspotential Vr und es fließt ein Strom Ic über den Schalter und durch den Lastwiderstand Rl- Voraussetzung dafür ist allerdings, daß der Basisstrom l_Bz für den Hilfstransistor T3 ausreicht, um letztlich den Haupttransistor Γ2 nahezu in den Sättigungsbereich zu steuern, damit die Verlustleistung genügend klein bleibt.

33 2ί 107

Es gilt

(B3 + 1)- B2+B3

mit B 2 Stromverstärkungsfaktor von T2 B 3 Stromverstärkungsfaktor von T3.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Stromverstärkungsfaktoren wegen der nahezu erreichten Sättigung, besonders beim Haupttransistor T2 wesentlich kleiner anzusetzen sind als die im linearen Verstärkungsbereich gültigen Werte.

Für den Basisvorwiderstand ergibt sich:

_ U„-U_r-2U_BE

^Rv —hi—

20

mit Uf Spannungsabfall am leitenden Feldeffekttransistor Ti und

Übe Spannungsabfall an der leitenden Basis-Emitter-Diode eines Bipolartransistors.

25

Mit den folgenden Größen Ic = 5000 rnA, B 2 = 8, S3 = 20, Uh = 20 V, U_F = 3,5 Vund Übe = 0,8 Verhält man beispielsweise I_B3 « 27 mA und Rv » 550 Ω.

Die Kapazität C verkürzt die Schaltzeiten beim Ein- und Ausschalten des Schalters. Geht man davon aus, daß die Zeitkonstante Rv · C etwas kleiner als die Dauer der Sperrphasen ist, dann ist die Spannung an der Basis des Hilfstransistors Γ3 am Ende einer Sperrphase annähernd gleich der Spannung Uh- Im Augenblick des Einschaltens fließt daher kurzzeitig ein Strom über die Basis des Transistors TZ, der den vorher genannten Basisstrom Ib 3 weit übersteigt. Auch der Haupttransistor T3 wird daher zunächst weit übersteuert. Die Folge davon ist ein rascher Übergang in den leitenden Zustand.

Über den sehr niedrigen dynamischen Widerstand der Basis-Emitter-Strecken der Bipolartransistoren Tl und T3 und die leitende Schaltstrecke des Feldeffekttransistors Ti wird die Kapazität Cschnell entladen, so daß die Spannung an der Basis des Hilfstransistors T3 schon bald auf einen vergleichsweise niedrigen Wert absinkt. Damit wirii aber bei der Sperrung dej Feldeffekttransistors Ti auch der Schwellwert für die Sperrung der Darlington-Schaltung schnell erreicht.

Aus der beschriebenen Wirkung der Kapazität C ist übrigens leicht erkennbar, daß diese anstatt mit der Quelle für die Spannung Uh auch mit dem Bezugspotential Vr oder mit einem sonstigen festen Potentii-l verbunden sein kann.

55

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

60

Claims

Patentanspruch:

Hochspannungsfester Leistungsschalter mit einer einseitig mit einem Bezugspotential verbundenen Serienschaltung aus einem durch ein Schaltsignal gesteuerten Feldeffekttransistor mit geringer Spannungsfestigkeit und aus der Ernitter-Kollektor-Strecke eines Bipolartransistors hoher Spannungsfestigkeit, mit einem weiteren Bipolartransistor, der mit dem ersten Bipolartransistor nach \n einer Darlington-Schaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des weiteren Bipolartransistors (T3) über einen Basis-Vorwiderstand (Rv) mit einer Spannungsquelle, deren Spannung (Uh) gegenüber dem Bezugspotential (Vr) mindestens doppelt so groß ist als die Summe der Durchlaßspannungen des Feldeffekttransistors (Ti) und der Basis-Emitter-Dioden der Bipolartransistoren (T 2, 7*3), und über eine Kapazität mit einem beliebigen festen Potential verbunden ist und daß das Produkt (Zeitkonstante) aus dem Basisvorwiderstand (Rv) und der Kapazität (C) etwas kleiner als die Dauer der kürzesten Schaltpausen ist.