DE1048945B

DE1048945B - Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe geschalteter steuerbarer Halbleiter

Info

Publication number: DE1048945B
Application number: DES41577A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Georg Sichling
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1954-11-17
Filing date: 1954-11-17
Publication date: 1959-01-22
Also published as: CH340268A

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit steuerbaren Halbleitern, insbesondere Transistoren, Spannungen zu schalten, deren Höhe größer ist als die Sperrspannung des Halbleiters. Zu dem Zweck können mehrere steuerbare Halbleiter in Reihe geschattet werden, jedoch ist es erforderlich, daß die Aussteuerung dieser Halbleiter gleichzeitig erfolgt. Eine derartige gmeinsame Steuerung mehrerer in Reihe geschalteter steuerbarer Halbleiter bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten, insbesondere bei Transistören in der emittergeerdeten Schaltung. Erfind'ungsgemäß sind die die Halbleiter steuernden Elektroden derart an ein gemeinsames Steuerorgan angeschlossen, daß die Potentiale der steuernden Elektroden getrennt sind. Hierzu können vorteilhaft zwischen, die zu steuernden Elektroden elektrische Widerstände geschaltet sein, deren Ohmwert vorteilhaft annähernd gleich dem Sperrwiderstand der Halbleiter ist.

An Hand der Fig. 1 sei die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem als Halbleiter Transistoren verwendet werden. Die zwischen den steuernden Elektroden der in Reihe geschalteten Halbleiter angeordneten elektrischen Widerstände sind untereinander in Reihe geschaltet und veränderbar. Dabei sind diese Widerstände so angeordnet, daß ihre Abgriffe mit den steuernden Elektroden der Transistoren \rerbunden sind.

Mit Hilfe der dargestellten Einrichtung soll die Leistung des von der Spannungsquelle 1 gespeisten Verbrauchers 2 gesteuert werden. Zur Steuerung dienen die Transistoren 3, 4,. 5 und 6. Die Zahl der in. Reihe zu schaltenden Transistoren ergibt sich in bekannter Weise aus dem Verhältnis der Leerlaufspannung der Spannungsquelfe 1 zu den Sperrspannungen der einzelnen Transistoren. Parallel zu den Transistoren sind veränderbare Widerstände 7,, 8, 9, 10 geschaltet, deren Abgriffe mit den Elektroden 3 a, 4 a, 5 a und 6 a der Transistoren verbunden sind. Außerdem· sind in Reihe zu den Widerständen 7 bis 1.0 veränderbare Spanmingsquellen 11 und 12. eingeschaltet, deren Spannung derjenigen der SpannungsqueHe 1 entgegengeschaltet ist. Durch den Zusatz dieser Spannungen 11 und 12 wird das Potential der Punkte e bis h so verändert, daß die Potentiale zwischen den Punkten α und e, b und f, c und g sowie d und. h jeweife gleich sind. Damit sind die Transistoren geschlossen. Werden nun die Spannungen 11 und 12 herabgesetzt oder die Spannungsquellen· kurzgeschlossen, so steigt das Potential der gesamten Widerstandsreihe und somit auch das Potential an den Punkten e bis Ji. Dadurch werden die Transistoren 3"bis 6 gleichzeitig' geöffnet und damit der von den Transistoren gebildete Widerstand auf ein Minimum herabgesetzt. Der nunmehr durch die Transistoren und den Ver-Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe geschalteter

steuerbarer Halbleiter

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen»

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Dr. Georg Siebung, Erlangen, ist als Erfinder genannt worden

braucher 2 fließende Strom ruft lediglich einen geringfügigen Spannungsabfall an den Transistoren hervor. Die Widerstände 7 bis 10 und die Abgriffe e bis h sind deshalb derart abzustimmen^ daß trotz der geringen, an der gesamten Widerstandsreihe verbleibenden Spannung die Elektroden Za bis 6 a so· ausgesteuert werden, daß die Transistoren geöffnet bleiben. .

Um eindeutige Potentiälverhältnissse an den Transistoren zu erhalten, kann es· vorteilhaft sein, eine weitere Widerstandsreihe 17 bis 20 den Transistoren parallel zu schalten. Dadurch werden die Potentiale der Punkte b bis d vorzugsweise während der Sperrzeit der Transistoren festgehalten. Γη diesem Fall, kann die gleichzeitige Aussteuerung der Transistoren 3 bis 6 auch in der Weise erfolgen, daß die Potentiale der Widerstandsreihe 17 bis 20 durch zusätz.-liche, in Reihe geschaltete Spannungsquellen 21 und 22 angehoben und die Potentiale der Widerstandsreihe 7 bis 10 konstant gehalten werden. Weiterhin kann eine Aussteuerung, in der Weise erfolgen,, daß¹ die Punkte e bis h jeweils an einem Ende des entsprechenden Widerstandes liegen und zum öffnen der, Transistoren das Potential der Widerstandsreihe 7 bis 10 konstant gehalten werden. Weiterhin kann eine Aussteuerung in der Weise erfolgen,, daß die Funkte e bis h jeweils an einem Ende des entsprechenden. Widerstandes liegen und zum öffnen der Transistoren das Potential der Widerstandsreihe 7 Bis 10 durendie Spannungsquell'en 11 und 12 angehoben wird.

Die geschilderte Arbeitsweise setzt zunächst identische Transistoren voraus, d. h. Transistoren, deren

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Spannungen, Durchgangswiderstände, Stromverstärkungsfaktoren, Steuerspanhungsschwellwerte und Zeitkonstante bei Zünden und Löschen einander gleich sind. Bei abweichenden Kennwerten, insbesondere der Sperrspannungen, kann ein Ausgleich durch entsprechende Bemessung der Widerstände 7 bis 10 und 17 bis 20 erreicht werden. Ist bei gleichen Spannungen der Durchlaßwiderstand der Transistoren verschieden, so läßt sich ein Ausgleich durch Einfügen der Widerstände 23 bis 26 erzielen, während sich unterschiedliche Schwellwerte durch Einfügen zusätzlicher Spannungen mit Hilfe der Spannungsquellen 27 bis 30 ausgleichen lassen.

In Fig. 3 und 4 sind zwei typische Fälle für die Sperrklinkenlinien (^-^-ΚθηηΠηίεη) von Transistoren dargestellt. In Fig. 3 sei mit 51 die Sperrkennlinie des einen, mit 52 die des anderen Transistors bezeichnet. Sind diese beiden, Transistoren in Reihe geschaltet,' so wird sich an dem einen Transistor bei einem bestimmten. Sperrstrom I₀₁ eine Sperrspannung U₀₁ und an dem anderen eine Sperrspannung U₀₂ einstellen, wobei die Summe von U₀₁ und U₀₂ gleich, der Leerlauf spannung der Spannungsquelle ist. Im Hinblick auf die Stabilität des Transistors könnte die Spannung U₀₁ noch höher sein, jedoch würde dies einen Sperrstrom I₀₂ zur Folge haben, der an dem anderen Transistor mit der Kennlinie 52 einen unzulässig hohen Spannungsabfall hervorrufen würde. Schaltet man jedoch parallel zu dem Transistor mit der Kennlinie 52 einen Widerstand entsprechender Größe, so· können die Ströme durch die beiden Transistoren so bemessen werden, daß gerade die zulässige Höchstgrenze der Spannung an jedem Transistor erreicht wird.

In Fig. 4 ist die Kennlinie des einen Transistors mit 61 und die des anderen mit 62 bezeichnet. Man erkennt, daß in diesem Fall die Transiistorkennlinien mehr Sättigungscharakter haben. Dadurch wird die Spannungsaufteirung an den Transistoren noch unterschiedlicher als in Fig. 3. Bei der für den Transistor mit der Kennlinie 62 noch eben zulässigen höchsten Spannung U_oi fließt ein Strom I_ci, zu dem bei dem Transistor mit der Kennlinie 61 nur eine verschwindend kleine Spannung U₀₅ gehört. Dieser Transistor wird also fast keine Spannung aufnehmen. Auch hier kann ein Ausgleich dadurch erreicht werden, daß parallel zu dem Transistor mit der Kennlinie 62 ein Widerstand geschaltet wird, so daß durch den Transistor mit der Kennlinie 61 ein StTOmZ₁₇₃ fleßt, bei dem der Spannungsgrenzwert U'_c3 gehört. Man. erkennt also, daß bei den verschiedensten Spannungskennlinien der Transistoren durch Parallelschalten entsprechend bemessener Widerstände jeder Transistor auf die maximale Sperrspannung eingestellt werden kann. Für mehrere in Reihe geschaltete Transistoren gilt sinngemäß dasselbe. Zu dem Abgleich der Sperrspannungen der einzelnen Transistoren können gegebenenfalls auch die Widerstände 17 bis 20 verwendet werden. ■; Ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Hier ist der Ohmwert der zwischen die Steuerelektroden der Transistoren 3 bis 6 geschalteten Widerstände annähernd unendlich groß, d. h., die Steuerelektroden sind voneinander isoliert. Als gemeinsames Steuerorgan dient in diesem Fall ein Transformator 31,. dessen Primärseite an eine veränderbare Spannung angeschlossen ist und dessen Sekundäfseite mehrere, jeweils mit der steuernden Elektrode eines Halbleiters verbundene, galvanisch getrennte Wicklungen 32 bis 35 aufweist. Zur Steuerung der Primärspannung des Transformators dienen zwei parallel geschaltete Transistoren, beispielsweise ein n-p-n-Transistor 36 und ein p-n-p-Transistor 37 mit vorgeschalteten Gleichrichtern 38 und 39 entgegengesetzter Durchlaßrichtung. Zwischen denBasiselektroden der Transistoren 3 bis 6 und. den Sekundärwicklungen 32> bis 35 des Transformators liegen Gleichrichter 41 bis 44.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist aus der Figur ohne Schwierigkeiten erkennbar. Durch Veränderung des an den Basiselektroden der beiden Transistoren 36 und 37 liegenden Gleichstromes wird der Primärstrom ^! des Transformators 31 und damit auch der "die einzelnen Ströme der Transistoren 3 bis 6 steuernde Sekundärstrom beeinflußt. Diese Methode der Umwandlung der Gleichstromkommandos in Wechselströme und anschließende Gleichrichtung ermöglicht eine gleichzeitige Aussteuerung sämtlicher in Reihe geschalteter Transistoren trotz Potentialtrennung zwischen den einzelnen Steuerelektroden.

In der in Fig. 2 beschriebenen Anordnung kann die Steuerung der Transistoren 3 bis 6 kontinuierlich erfolgen, indem die Amplitude der dem Transformator 31 primärseitig zugeführte Wechselspannung in ihrer Höhe verändert wird. Eine derartige kontinuierliche Aussteuerung der Transistoren ist jedoch nur möglich, solange die Widerstandskennlinie des Verbrauchers sich mit der Leistungshyperbel der Transistoren nicht schneidet, d. h., solange an keiner Stelle des Steuerbereiches die zulässige Leistung der einzelnen Transistoren überschritten wird. In vielen Fällen ist es jedoch erforderlich, mit den Transistoren eine größere Leistung zu schalten, als es im Hinblick auf ihre Erwärmung zulässig ist. Für diesen Fall sind bereits Maßnahmen vorgeschlagen, worden, die auch die Steuerung von Leistungen ermöglichen, welche oberhalb der zulässigen Leistung der Transistoren liegen. Diese Maßnahmen beruhen auf der Erkenntnis, daß die Verlustleistung eines Halbleiters infolge der hyperbolischen Leistungskennlänie im ungesteuerten und im ganz ausgesteuerten Zustand wesentlich kleiner ist als bei Zwischensteuerwerten, insbesondere in der Mitte des Aussteuerbereiches. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, diesen Zwischenbereich möglichst schnell zu durchsteuern, so daß sich der Halbleiter überwiegend im gesperrten oder geöffneten Zustand befindet und die in der Umsteuerzeit auftretenden Verlustleistungen nur während verschwindend kurzer Zeit auftreten, so daß eine unzulässige Erwärmung und damit eine Zerstörung vermieden wird. Die Steuerung erfolgt dabei in Abhängigkeit von dem Verhältnis auf/zu.

In dieser Weise können auch die Transistoren 3 bis 6 in Fig. 2 gesteuert werden. Zu diesem Zweck wird beispielsweise dem Transformator 31 primärseitig eine rechteokförmige Spannung oder ein sägezahnförmiger Strom zugeführt, je nach der Art des verwendeten Wandlers. In Fig. 5 ist der dem Wandler eingeprägte, sägezahnförmige Primärstrom där-

gestellt. Solange in Fig. 5 der Differentialquotient -77

positiv ist, d. h. in dem Bereich AB, entsteht sekundärseitig eine negative Spannung DE von solcher Höhe, daß sämtliche Transistoren 3 bis 6 der Fig. 2

g geöffnet sind. Sobald der Differentiailquotient — negativ wird (Bereich BC), steigt die Sekundärspannung auf. einen entsprechend hohen positiven Wert FG, so daß die Transistoren gesperrt sind. Wird nun der dem Transformator primärseitig zugeführte Strom so verändert, daß er beispielsweise die in Fig. 5 ge-

strichelt eingezeichnete Form AB'C erhält, so wird die Einschaltdauer D'E' des Transistors verkürzt, während die Ausschaltdauer F'G' länger wird. Auf diese Weise läßt sich eine Aussteuerung in dem an sich unzulässigen Zwischenbereich ermöglichen, ohne daß die Transistoren überlastet werden. Eine derartige Anordnung hat zugleich den Vorteil, daß die in Fig. 2 sekundärseitig vorgesehenen Gleichrichter nicht erforderlich sind.

Die Anmeldung beschränkt sich nicht auf die be- ίο schriebenen Ausführungsbeispiele. So können mit ihrer Hilfe statt Transistoren auch andere steuerbare Halbleiter, beispielsweise magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände gesteuert werden.

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Claims

Patentansprüche.·

1. Einrichtung zur gemeinsamen Steuerung mehrerer in Reihe geschalteter steuerbarer Halbleiter, insbesondere Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß die die Halbleiter steuernden Elektroden derart an ein gemeinsames Steuerorgan angeschlossen sind, daß die Potentiale der steuernden Elektroden getrennt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die steuernden Elektroden elektrische Widerstände geschaltet sind, deren Ohmwert vorzugsweise annähernd gleich dem Sperrwiderstand der Halbleiter ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen die steuernden Elektroden geschalteten elektrischen Widerstände untereinander in Reihe geschaltet und veränderbar sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung der veränderbaren Widerstände, daß die Abgriffe dieser Widerstände mit den steuernden Elektroden, der Halbleiter verbunden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diie Steuerung der Halbleiter durch gleichzeitige Änderung aller Abgrifrpotentiale erfolgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Halbleitern eine weitere Widerstandsreihe geschaltet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Halbleiter durch Potentialänderung der Widerstandsreihen erfolgt.

8. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich unterschiedlicher Halbleiterkennwerte jedem Halbleiter entsprechend bemessene Widerstände zugeordnet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ohmwert der zwischen die Elektroden geschalteten. Widierstände annähernd unendlich ist und als gemeinsames Steuerorgan ein Transformator dient, dessen Primärseite an eine veränderbare Spannung angeschlossen ist und dessen Sekundärseite mehrere jeweils mit der steuernden Elektrode eines Halbleiters verbundene, galvanisch getrennte Wicklungen aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Primärspannung des Transformators zwei parallel geschaltete Transistoren mit vorgeschalteten Gleichrichtern entgegengesetzter Durchlaßrichtung vorgesehen sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die steuernden Elektroden der Transistoren und die Sekundärwicklungen des Transformators Gleichrichter geschaltet sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärspannung des Transformators eine Impulsspannung dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen