DE10027819A1 - Gatetreiber mit Stromquelle für schnelle Thyristoren - Google Patents

Abstract

Schaltungen und Verfahren zum Liefern einer Gateansteuerung an einen Gateanschluß einer ersten Schaltungsvorrichtung (THY1) werden beschrieben. Die Schaltung weist einen Transformator (T1) mit einem Kern, einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung auf. Die Primärwicklung des Transformators dient zur Kopplung mit einer Leistungsquelle (V1). Die mindestens eine Sekundärwicklung dient zur Kopplung mit dem Gateanschluß der ersten Schaltungsvorrichtung. Eine zweite Schaltvorrichtung (Q3-Q12) ist in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet. Die zweite Schaltvorrichtung steuert das Leiten des Stromes in die Primärwicklung, der verursacht, daß Energie in dem Kern des Transformators gespeichert wird. Die zweite Schaltvorrichtung ist betreibbar zum Stoppen des Stromflusses in die Primärwicklung, wodurch verursacht wird, daß ein Strompuls in der mindestens einen Sekundärwicklung aus der in dem Kern gespeicherten Energie erzeugt wird. Der Strompuls dient zum Ansteuern des Gateanschlusses der ersten Schaltvorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Liefern einer Gateansteuerung für Schaltvor­ richtungen. Genauer gesagt liefert die vorliegende Erfindung eine Rücklaufenergiespeicher­ technik zum Liefern eines Strompulses mit einer schnellen Anstiegszeit zum Treiben (An­ steuern) schneller Halbleiterschaltvorrichtungen.

Gewisse Typen von Hochleistungs-Halbleiterschaltungvorrichtungen benötigen Gatetreiber­ pulse (Gateansteuerpulse) mit sehr schnellen Anstiegszeiten für einen korrekten Betrieb. Zum Beispiel können ein Hochleistungspuls-Thyristor oder ein gesteuerter Siliziumgleich­ richter (SCR = Silicon Controlled Rectifier) bzw. Thyristor einen 30A-Puls mit einer 200 ns- Anstiegszeit erfordern. Eine Technik zum Treiben eines Stapels solcher Vorrichtungen ist in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 09/007,574 mit dem Titel COMPACT SOLID STATE KLYSTRON POWER SUPPLY, die am 15. Januar 1998 eingereicht wurde, beschrieben, deren Gesamtheit hiermit durch Bezugnahme für alle Zwecke aufgenommen wird. In dieser Anmeldung wird jedes der Gates eines SCR-Stapels durch eine entsprechende sekundäre Wicklung eines Mehrfach-Sekundär/Einfach-Primär-Pulstransformators angesteuert.

Die Lösung mit "einem harten Schalter", die durch viele in der Industrie bevorzugt wird, verwendet eine Hochspannungsquelle, die einen Speicherkondensator und eine Ladungsver­ sorgung verwendet, die speziell mit einer ultraniedrigen Induktivität gefertigt sind. Wenn ein Gatepuls erforderlich ist, wird die Hochspannungsversorgung auf die Primärseite des Gatetreiberpulstransformators geschaltet. Unglücklicherweise ist die Induktivität einer solchen Pulstransformatorschaltung, obwohl sie relativ klein ist, typischerweise groß genug, um eine Leistungsquelle mit einer sehr hohen Spannung auf der Primärwicklungsseite notwendig zu machen, die außerdem in der Lage sein muß, eine große Menge Strom zu liefern. Das bedeutet, die Volumeninduktivität (Bulkinduktivität) der Drähte, die von der Leistungsquelle zu der Primärwicklung führen, und die kombinierten Leckinduktivitäten der Mehrfach-Sekundärwicklungen, die durch die Primärseite zurückreflektiert werden, sind derart, daß eine Ansteuerung mit großer Amplitude und hohem Strom geliefert werden muß, eine Ansteuerung mit großer Amplitude und hohem Strom geliefert werden muß, um die effektive Primärinduktivität zu überwinden und die geforderte Amplitude und die geforderte Anstiegszeit, d. h., di/dt, bei jeder der Sekundärwicklungen zu erzeugen.

Ein Beispiel der Leistungsquelle, die zum Treiben eines Stapels von Pulsthyristoren notwen­ dig ist, die 30 A in 200 ns benötigen, sollte illustrativ sein. Eine typische Primärleitungsinduk­ tivität von 2 µH und ein 1 : 5 Primär-zu-Sekundär-Wicklungsverhältnis angenommen, muß eine 3000 V-Versorgung, die zum Liefern von 150 A in der Lage ist, verwendet werden. Dort wo die Anzahl der Vorrichtungsgates, die getrieben (angesteuert) werden müssen (und daher die Anzahl der Sekundärwicklungen) hoch ist, müssen die Leckinduktivitäten in Betracht gezogen werden, die die Spannungsanforderungen signifikant höher machen.

Die Nachteile einer solchen Implementierung sind den Fachleuten wohl bekannt. Hochspan­ nungs-Leistungsversorgungen und die ihnen zugehörige Schaltungsanordnung erfordern spezielle Designüberlegungen, präsentieren Sicherheitsprobleme und sind typischerweise weniger zuverlässig und teurer als ihre Gegenstücke mit niedriger Spannung. Zum Beispiel müssen Pulstransformatoren bei solchen Hochleistungsanwendungen robust, schnell und effizient sein, was sie sowohl voluminös als auch teuer macht. Zusätzlich tragen Streureak­ tanzen (Blindwiderstände) in solchen Designs zu der Erzeugung von beträchtlichen Ein­ schwingvorgängen bei, die unterdrückt werden müssen.

Es ist daher wünschenswert, eine verbesserte Gatetreiberschaltungsanordnung für schnelle Halbleitervorrichtungen anzugeben, die eine Leistungsverzorgung mit relativ niedriger Spannung verwendet, und die einfacher, zuverlässiger und billiger als momentane Lösungen ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltung nach Anspruch 1.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es wird eine Gatetreiberschaltung für schnelle Halbleitervorrichtungen angegeben, die eine Rücklaufenergiespeichertechnik zum Liefern eines großen Strompulses mit einer schnellen Anstiegszeit an die Gates eines Stapels solcher Vorrichtungen verwendet. Die Technik ver­ wendet einen Transformator, der mehrere Sekundärwicklungen aufweist, von denen jeweils eine mit jeweils einem Gate, das zu treiben bzw. anzusteuern ist, verbunden ist. Die Primär­ seite des Transformators ist in Reihe mit einem Schalter geschaltet, der den Fluß des Stro­ mes durch die Primärseite von einer Quelle mit einer relativ niedrigen Spannung steuert. Wenn der Primärschalter, d. h. der primärseitige Schalter, geschlossen wird, steigt der Strom in der Primärwicklung rampenartig, zum Beispiel linear, in einer Weise an, die repräsentativ für die Energie ist, die in dem Transformatorkern gespeichert wurde. Wenn ein Gatepuls benötigt wird, wird der Primärschalter geöffnet und die in dem Kern des Transformators gespeicherte Energie wird in die Sekundärwicklungen und derart an die Gates des Stapels von Vorrichtungen kommutiert (übertragen). Die einzige Sache, die di/dt der Sekundär­ strompulse begrenzt, ist die Leckinduktivität der Sekundärschaltungen, die derart gemacht werden kann, daß sie sehr niedrig ist. Entsprechend der spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können 30 A-Strompulse mit 200 ns-Anstiegszeiten mit einer 100 V- Primärversorgung erreicht werden.

Darüber hinaus kann das Abklingen des Strompulses, der an die Vorrichtungsgates geliefert wird, durch Manipulation von L/R der Sekundärwicklung derart eingestellt werden, daß eine Variation von Anforderungen an Wiederholungsraten und Pulsabfallzeiten aufgenommen werden kann. Es ist natürlich zu verstehen, dass es einen Zusammenhang und einen Kom­ promiß zwischen der Pulsanstiegszeit (di/dt) und der Abklingrate gibt.

Verschiedene der Vorteile der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten sofort offen­ sichtlich sein. Zum Beispiel muß eine Quelle mit wesentlich niedrigerer Spannung vergli­ chen mit den vorhergehenden Techniken mit all den daraus resultierenden Vorteilen benutzt werden. Das heißt, die Gatetreiberschaltung nach den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist kleiner, billiger, leichter zu entwerfen (hat ein weniger kritisches Layout), si­ cherer und einfacher (zuverlässiger). Zusätzlich kann der Pulstransformator, der verwendet wird, relativ ineffiziente und verlustreiche (und daher weniger teure) Kernmaterialien ver­ wenden.

Derart liefert die vorliegende Erfindung Schaltungen und Verfahren zum Liefern einer Ga­ teansteuerung an einen Gateanschluß einer ersten schaltenden Vorrichtung.

Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung und Ausfüh­ rungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Gatetreiberschaltung, die entsprechend einer spezifi­ schen Ausführungsform der Erfindung entworfen ist; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Gatetreiberschaltung, die entsprechend einer anderen spezifischen Ausführungsform der Erfindung entworfen worden ist.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Gatetreiberschaltung 100, die entsprechend einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung entworfen worden ist, zum Treiben (Ansteu­ ern) der Gates eines Stapels von Pulsthyristoren THY1 bis THYn. Die Gatetreiberschaltung 100 ist um eine Mehrzahl von Pulstransformatoren (dargestellt durch T1 bis Tn), die jeweils eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisen, und von denen jeder mit einem entsprechenden Gate der Thyristoren THY1 bis THYn durch eine der sich schnell erholen­ den Dioden D1 bis Dn verbunden ist, herumgebaut. Entsprechend einer spezifischen Ausführungsform weist jeder der Pulstransformatoren ein 1 : 1-Wicklungsverhältnis auf und ist um einen elektrisch leitenden Kern, der aus 50% Nickel und 50% Eisen gemacht ist, gewickelt. Da der Kern bei dieser Ausführungsform elektrisch leitend ist, sind die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen von dem Kern und voneinander isoliert. Entsprechend einer anderen spezifischen Ausführungsform weisen die Dioden D1 bis Dn jeweils eine MUR420 von Motorola auf.

Die Primärwicklungen des Pulstransformators sind mit einem Primärschalter (primärwick­ lungsseitigen Schalter) in Reihe geschaltet, der, entsprechend einer spezifischen Ausführungsform, eine Mehrzahl von MOSFETs Q3 bis Q12, die parallel angeordnet bzw. geschal­ tet sind, aufweist. Entsprechend einer spezifischeren Ausführungsform weisen die MOS- FETs Q3 bis Q12 jeweils einen IFXH12N100 von der IXYS Corporation in San Jose, Kali­ fornien, USA, auf. Der Primärschalter wird verwendet zum Steuern des Stromflusses durch die Primärwicklung bzw. die Primärwicklungen des Pulstransformators, wie es durch das Treibersignal von der Gatesignalquelle G1 über die Transistoren Q1 und Q2, die, wie es ge­ zeigt ist, in einer Gegentakt-Klasse-B-Komplementär-Verstärker-Konfiguration angeordnet sind, diktiert wird. Entsprechend einer spezifischen Ausführungsform weisen die Transisto­ ren Q1 und Q2 einen D44VH10 bzw. einen D45VH10 von Motorola auf.

Im Betrieb werden die MOSFETs Q3 bis Q12 durch die Gatesignalquelle G1 über die Tran­ sistoren Q1 und Q2 angeschaltet, wodurch ein Strom von der Spannungsquelle V1 durch die Primärwicklungen von T1 bis Tn gezogen wird. Energie wird in den Kerhen der Transformatoren T1 bis Tn gespeichert, wie sie durch den Strom, der in den Primärwicklungen (linear) ansteigt, repräsentiert wird. Wenn die MOSFETs Q3 bis Q12 durch die Gatesignalquelle G1 ausgeschaltet werden, wird die Energie, die in den Kernen von T1 bis Tn gespeichert ist, an die Gates der Thyristoren THY1 bis THYn über die entsprechenden Sekundärwicklungen von T1 bis Tn und die Dioden D1 bis Dn in der Form eines Strompulses kommutiert (übertragen).

Entsprechend verschiedener spezifischer Ausführungsformen wird die Gestalt des Strompul­ ses, der durch die Sekundärwicklungen von T1 geliefert wird, derart manipuliert, daß er den Anforderungen der Vorrichtungen, die geschaltet werden, und der spezifischen Anwendung entspricht. Das heißt, die L/R-Zeitkonstante der Sekundärwicklungen wird derart ausge­ wählt, daß die Abfallrate (Abklingrate) der Sekundärwicklungsstrompulse geeignet für so­ wohl die zu schaltende Vorrichtung als auch die Anwendung ist bzw. sind. Zum Beispiel benötigen entsprechend einer bestimmten Ausführungsform die zu schaltenden Vorrichtun­ gen auf der Sekundärseite des Transformators einen relativ flachen Strompuls für mehr als 2 µs mit einer Wiederholungsrate von 500 Hz. Daher wird die L/R-Zeitkonstante der Sekun­ därwicklungen derart ausgewählt, daß die Strompulse mit der langsamsten Rate, die möglich ist, abklingen, während sich die Strompulse immer noch Null annähern, bevor die nächsten Strompulse erforderlich sind, d. h., bevor 2 ms ablaufen. Dieses erzielt einen relativ flachen Puls über die ersten paar Mikrosekunden. Es ist zu verstehen, daß für Vorrichtungen, die keinen sehr flachen Strompuls erfordern, wesentlich höhere Wiederholungsraten erzielt wer­ den können. Es sollte ebenfalls herausgestellt werden, daß es einen Zusammenhang und Kompromiß zwischen der Anstiegszeit (di/dt) der Strompulse und der Abklingrate gibt.

Während die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf die spezifischen Ausführungs­ formen derselben gezeigt und beschrieben worden ist, ist es den Fachleuten klar, daß Ände­ rungen in der Form und den Details der offenbarten Ausführungsformen ohne Abweichen von dem Umfang der Erfindung gemacht werden können. Zum Beispiel zeigt die unter Be­ zugnahme auf Fig. 1 gezeigte und beschriebene Ausführungsform einen Stapel von Thyristo­ ren. Es ist natürlich zu verstehen, daß die Anzahl n der Vorrichtungen einen weiten Bereich von ganzen Zahlen, inklusive einer Vorrichtung, umfassen kann. Zusätzlich kann der Ga­ tetreiber in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wobei er insbesondere nützlich bei Anwendungen ist, die hohe Strompulse mit schnellen Anstiegszeiten benötigen. Eine solche Anwendung ist in der in der Beschreibungseinleitung durch Bezugnahme aufge­ nommenen Anmeldung beschrieben. Eine andere Anwendung, für die die vorliegende Erfin­ dung Vorteile bringt, ist ein hart geschalteter Modulator.

Es sollte ebenfalls bemerkt werden, daß andere Änderungen der Schaltungskonfiguration aus Fig. 1 ahne Abweichen von dem Umfang der Erfindung gemacht werden können. Zum Bei­ spiel ist es, obwohl Fig. 1 mehrere Transformatoren zeigt, die in Reihe geschaltet sind, um mehrere Schalter aufzunehmen, auch möglich, einen einzelnen Pulstransformator T1 mit mehreren Sekundärwicklungen zu verwenden, wie es in der Gatetreiberschaltung 200 aus Fig. 2 gezeigt ist. Eine solche Annäherung kann dort attraktiv sein, wo zum Beispiel eine kleine Anzahl von in Reihe geschalteten Schaltern verwendet wird.

Als ein anderes Beispiel einer alternativen Konfiguration ist, obwohl die Pulstransformato­ ren T1 bis Tn aus Fig. 1 als invertierende Transformatoren (in denen die Sekundärwicklun­ gen entgegengesetzt zu den Primärwicklungen gewickelt sind) gezeigt sind, eine Konfigura­ tion zu verstehen, bei der die Gatetreiberschaltung unter Verwendung von einem oder meh­ reren nicht-invertierenden Transformatoren, d. h., Transformatoren, bei denen die Primär­ wicklungen und die Sekundärwicklungen in derselben Richtung gewickelt sind, implemen­ tiert wird. Zusätzlich kann der Schalter, der die MOSFETs Q3 bis Q12 aufweist, irgendeine aus einer Vielzahl von Schaltertypen (inklusive sowohl der Halbleitertechnologie als auch der Vakuumröhrentechnologie) sein und er kann eine Vielzahl von Vorrichtungen (wie ge­ zeigt) oder eine einzelne Vorrichtung aufweisen. Darüber hinaus wird der Gegentakt- Gatetreiberverstärker aus Fig. 1 für die Implementierung nicht benötigt. Das heißt, eine Vielzahl von Techniken kann zum Verstärken und/oder zum Liefern der Ansteuerung zum Anschalten und Ausschalten des Primärstromschalters verwendet werden. Darum wird der Umfang der Erfindung durch die anhängenden Ansprüche bestimmt.

Claims (8)

1. Schaltung (100) zum Liefern einer Gateansteuerung an einen Gateanschluß einer ersten Schaltungsvorrichtung (THY1), mit
einem Transformator (T1-Tn), der einen Kern, eine Primärwicklung und mindestens eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Primärwicklung zur Kopplung mit einer Leistungs­ quelle (V1) und die mindestens eine Sekundärwicklung zur Kopplung mit dem Gateanschluß der ersten Schaltungsvorrichtung (THY1-THYn) vorgesehen sind, und
einer zweiten Schaltungsvorrichtung (Q3-Q12), die in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators (T1-Tn) geschaltet ist, zum Steuern der Stromleitung in die Primärwick­ lung, wobei der Strom verursacht, daß Energie in dem Kern des Transformators (T1-Tn) gespeichert wird, wobei die zweite Schaltungsvorrichtung zum Stoppen des Stromflusses in die Primärwicklung betreibbar ist, wodurch verursacht wird, daß ein Strompuls in der min­ destens einen Sekundärwicklung aus der Energie, die in dem Kern gespeichert ist, erzeugt wird, und wobei der Strompuls zum Ansteuern des Gateanschlusses der ersten Schaltungs­ vorrichtung (THY1-THYn) dient.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Transformator eine Mehrzahl von Sekundärwicklungen zum Koppeln mit den Ga­ teanschlüssen einer Mehrzahl von ersten Leistungsvorrichtungen aufweist, und eine Mehrzahl von Strompulsen zum Ansteuern der Gateanschlüsse erzeugt wird, wobei ei­ ner der Strompulse in jeweils einer aus der Mehrzahl der Sekundärwicklungen erzeugt wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Primärwicklung und die mindestens eine Sekundärwicklung des Transformators in ent­ gegengesetzten Richtungen gewickelt sind.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Primärwicklung und die mindestens eine Sekundärwicklung des Transformators in der­ selben Richtung gewickelt sind.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die zweite Schaltvorrichtung eine Mehrzahl von MOSFETs parallel aufweist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die weiter eine Diode (D1-Dn) aufweist, die zwischen ein Ende von jeder Sekundärwicklung und den Gateanschluß gesetzt ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die weiter einen Gatetreiberverstärker (Q1-Q2) zum Liefern eines Gatetreibersignals zum Steuern des Betriebs der zweiten Schaltvorrichtung aufweist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, bei der der Gatetreiberverstärker einen Klasse-B-Verstärker mit Gegentaktkonfiguration aufweist.