DE20204558U1 - Driver circuit for controlling power semiconductor switches - Google Patents
Driver circuit for controlling power semiconductor switchesInfo
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Description
Treiberschaltung zur Ansteuerung von Leistungs-Halbleiter-SchalternDriver circuit for controlling power semiconductor switches
Die Erfindung geht aus von einer Treiberschaltung zur Ansteuerung von Leistungs-Halbleiter-Schaltern nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention is based on a driver circuit for controlling power semiconductor switches according to the preamble of claim 1.
Solche Treiberschaltungen werden insbesondere für die Ansteuerung von MOSFET oder IGBT Halbleiter-Schaltern in hochfrequenten Schaltungen in der Leistungselektronik z.B. in Schaltnetzteilen oder Frequenzumrichtern für motorische Antriebe benötigt. Für die galvanische Trennung zwischen Ansteuerschaltung und Halbleiter-Schalter wird üblicherweise ein Impulssteuertransformator verwendet.Such driver circuits are particularly required for controlling MOSFET or IGBT semiconductor switches in high-frequency circuits in power electronics, e.g. in switching power supplies or frequency converters for motor drives. A pulse control transformer is usually used for the galvanic isolation between the control circuit and the semiconductor switch.
Eine entsprechende Treiberschaltung nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1 dargestellt. Der Halbleiter-Schalter wird hier direkt über einen Impulssteuertransformator angesteuert.A corresponding driver circuit according to the state of the art is shown in Fig. 1. The semiconductor switch is controlled directly via a pulse control transformer.
Mit dieser Treiberschaltungen können aber nur Tastverhältnisse von max. 50% wegen der Magnetisierung des Transformatormaterials erreicht werden.However, with these driver circuits, only duty cycles of max. 50% can be achieved due to the magnetization of the transformer material.
Eine weitere bekannte Variante, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, lädt über einen Impulssteuertransformator TR1 und die Diode D1 das Gate des Leistungs-Halbleiter-Schalters LH. Dadurch wird der Transistor T3 eingeschaltet. Über einen zweiten Impulssteuertransformator TR2 wird mittels des Transistors T3 das Gate entladen und der Leistungs-Halbleiter-Schalter abgeschaltet. Diese Treiberschaltung ermöglicht einen weiten Tastverhältnisbereich von 0 bis nahezu 100%. Die Treibertransistoren T1 und T2 werden nurAnother known variant, as shown in Fig. 2, charges the gate of the power semiconductor switch LH via a pulse control transformer TR1 and the diode D1. This switches on the transistor T3. Via a second pulse control transformer TR2, the gate is discharged by means of the transistor T3 and the power semiconductor switch is switched off. This driver circuit enables a wide duty cycle range from 0 to almost 100%. The driver transistors T1 and T2 are only
jeweils mit kurzen Impulsen für Ein- (T1) und Ausschalten (T2) angesteuert. Die Treiberschaltung verursacht jedoch hohe Herstellungskosten, da zwei Impulssteuertransformatoren verbaut werden müssen.each controlled with short pulses for switching on (T1) and off (T2). However, the driver circuit causes high manufacturing costs because two pulse control transformers have to be installed.
Es war deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine Treiberschaltung zur Ansteuerung von Leistungs-Halbleiter-Schaltern, insbesondere von MOSFET und IGBT Halbleiter-Schaltern, so auszubilden, dass auch bei der Verwendung von nur einem Impulssteuertransformator Tastverhältnisse von O bis nahezu 100% verwirklicht werden können.It was therefore the object of the invention to design a driver circuit for controlling power semiconductor switches, in particular MOSFET and IGBT semiconductor switches, in such a way that duty cycles from 0 to almost 100% can be realized even when using only one pulse control transformer.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Treiberschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1. Durch die Verwendung von Bauteilen, die die Gate-Spannung von der Sekundärwicklung des Impulssteuertransformators abtrennen, lässt sich eine galvanische Trennung durch einen zweiten Impulssteuertransformator vermeiden. Bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung ist die Funktionsweise ähnlich der Variante nach Fig. 2.The object is achieved by a driver circuit with the characterizing features of claim 1. By using components that separate the gate voltage from the secondary winding of the pulse control transformer, galvanic isolation by a second pulse control transformer can be avoided. In the driver circuit according to the invention, the mode of operation is similar to the variant according to Fig. 2.
In vorteilhafter Weise wird ein Impulssteuertransformator verwendet, der so viele Sekundärwicklungen aufweist wie galvanisch voneinander getrennt zu schaltende Leistungs-Halbleiter-Schalter angesteuert werden sollen. Advantageously, a pulse control transformer is used which has as many secondary windings as the number of power semiconductor switches which are to be galvanically isolated from one another.
In Serie zum Gate des Leistungs-Halbleiter-Schalters liegen zwei gegeneinander geschaltete Zener-Dioden, die auch durch eine bidirektionale Zener-Diode ersetzt werden können. Ebenso können Suppressordioden mit der gleichen Wirkung verwendet werden.In series with the gate of the power semiconductor switch are two Zener diodes connected in opposite directions, which can also be replaced by a bidirectional Zener diode. Suppressor diodes can also be used with the same effect.
Um die Leistungs-Halbleiter-Schalter auch entsprechend ausschalten zu können müssen die negativen und positiven Ansteuerimpulse jeweils die gleiche Spannungszeitfläche aufweisen.In order to be able to switch off the power semiconductor switches accordingly, the negative and positive control pulses must each have the same voltage-time area.
Um eine optimale Kopplung bei höchstmöglicher Spannungsfestigkeit zu erreichen wird bevorzugt ein Planartransformator verwendet.In order to achieve optimum coupling with the highest possible dielectric strength, a planar transformer is preferably used.
-3--3-
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
- Fig. 1 und Fig. 2 Ausführungsformen nach dem Stand der Technik- Fig. 1 and Fig. 2 Embodiments according to the prior art
undand
- Fig. 3 und Fig. 4 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen- Fig. 3 and Fig. 4 embodiments of the inventive
TreiberschaltungDriver circuit
Zum Einschalten wird auf die Primärseite des Impulssteuertransformators ein positiver Spannungsimpuls geschaltet. Dieser Puls wird durch das Übersetzungsverhältnis des Impulssteuertransformators auf eine Spannungshöhe gebracht, die der Durchbruchsspannung der Zener-Dioden plus der erforderlichen Gatesteuerspannung entspricht. Der Steuerimpuls muss nur so lang sein, dass das Gate des Leistungs-Halbleiter-Schalters aufgeladen werden kann. Die Durchbruchspannung der Zener-Diode liegt etwas höher als die Gatespannung des Leistungs-Halbleiter-Schalters. Somit kann sich das Gate nicht über den Impulssteuertransformator entladen.To switch on, a positive voltage pulse is switched to the primary side of the pulse control transformer. This pulse is brought to a voltage level by the transformation ratio of the pulse control transformer that corresponds to the breakdown voltage of the Zener diodes plus the required gate control voltage. The control pulse only has to be long enough for the gate of the power semiconductor switch to be charged. The breakdown voltage of the Zener diode is slightly higher than the gate voltage of the power semiconductor switch. This means that the gate cannot discharge via the pulse control transformer.
Zum Abschalten, d.h. zum Entladen des Gates des Leistungs-Halbleiter-Schalters wird auf der Primärseite des Impulssteuertransformators ein negativer Spannungsimpuls angelegt. Dieser Puls wird über das Übersetzungsverhältnis des Impulssteuertransformators auf eine Spannungshöhe gebracht, die der Summe der Durchbruchspannung der sperrenden Zener-Diode und der erforderlichen negativen Gatespannung entspricht. Der Ausschaltimpuls muss nur so lang sein, dass das Gate des Leistungs-Halbleiter-Schalters auf die erforderliche negative Spannung umgeladen wird.To switch off, i.e. to discharge the gate of the power semiconductor switch, a negative voltage pulse is applied to the primary side of the pulse control transformer. This pulse is brought to a voltage level via the transformation ratio of the pulse control transformer that corresponds to the sum of the breakdown voltage of the blocking Zener diode and the required negative gate voltage. The switch-off pulse only has to be long enough for the gate of the power semiconductor switch to be charged to the required negative voltage.
Figur 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele die sich sowohl auf der Primär-, als auch auf der Sekundärseite unterscheiden. Beide Schaltungen sind für zwei, von einander galvanisch getrennte aber synchron schaltendeFigures 3 and 4 show two embodiments that differ on both the primary and secondary sides. Both circuits are designed for two galvanically isolated but synchronously switching
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Leistungs-Halbleiter-Schalter ausgelegt. Dies ist eine typische Anordnung für eine Halbbrückenschaltung, bzw. in doppelter Ausführung für eine Vollbrückenschaltung. Im Sekundärkreis des Impulssteuertransformators sind in Fig. 3 und 4 zwei mögliche Schaltungsanordnungen der Zener-Dioden zur Ansteuerung des Leistungs-Halbleiter-Schalters aufgezeigt.Power semiconductor switch. This is a typical arrangement for a half-bridge circuit, or in a double version for a full-bridge circuit. In the secondary circuit of the pulse control transformer, two possible circuit arrangements of the Zener diodes for controlling the power semiconductor switch are shown in Fig. 3 and 4.
Die Spannungszeitfläche des positiven und negativen Steuerimpulses ist gleich, um eine Gleichstromvormagnetisierung des Impulssteuertransformators zu verhindern.The voltage time area of the positive and negative control pulses is equal to prevent DC bias of the pulse control transformer.
Die Treiberschaltung für alle elektronischen Bauelemente geeignet, deren Steueranschluß ein Ladungsspeicherverhalten hat und deren Entladungszeitkonstante größer als die Periodendauer der Schaltfrequenz ist. Es ist auch möglich das Speicherverhalten durch einen zusätzlichen Kondensator noch zu verbessern.The driver circuit is suitable for all electronic components whose control connection has a charge storage behavior and whose discharge time constant is greater than the period of the switching frequency. It is also possible to improve the storage behavior by using an additional capacitor.
In idealer Weise ist der Impulssteuertransformator als Planartransformater ausgeführt. Dadurch ergibt sich eine optimale Kopplung bei höchstmöglicher Spannungsfestigkeit.Ideally, the pulse control transformer is designed as a planar transformer. This results in optimal coupling with the highest possible dielectric strength.
Die Leistungs-Halbleiter-Schalter werden in der Regel pulsweitenmoduliert. Der Vorteil liegt in der weiten Steuerbarkeit des Tastverhältnisses von 0 bis nahezu 100 % bei einer einfachen Schaltungsrealisierung mit galvanischer Trennung zwischen Halbleiter-Schalter und Ansteuerschaltung.The power semiconductor switches are usually pulse width modulated. The advantage is that the duty cycle can be controlled from 0 to almost 100% with a simple circuit implementation with galvanic isolation between the semiconductor switch and the control circuit.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (5)
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| R071 | Expiry of right | ||
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