DE4013997A1

DE4013997A1 - Gleichstrom-steuerschaltung

Info

Publication number: DE4013997A1
Application number: DE19904013997
Authority: DE
Inventors: Walter Marks
Original assignee: MICHAEL RIEDEL TRANSFORMATOREN
Current assignee: MICHAEL RIEDEL TRANSFORMATORENBAU GMBH, 74532 , DE
Priority date: 1990-05-01
Filing date: 1990-05-01
Publication date: 1991-11-07
Anticipated expiration: 2010-05-02
Also published as: DE4013997C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses in einem induktivitäts behafteten Laststromkreis durch Ansteuern eines Halbleiter schalters. Der Begriff "induktivitätsbehafteter Laststrom kreis" ist hier weitreichend zu verstehen. Die Induktivität kann allein durch die Induktivität von Leitungen des Strom kreises verursacht sein, aber auch durch Lastwiderstände mit induktivem Anteil oder durch induktive Bauteile oder durch eine Kombination derartiger Induktivitäten.

Stand der Technik

Zum Ein- und Ausschalten von Gleichstrom muß eine Reihen schaltung von Spannungsversorgung, Halbleiterschalter und Last vorhanden sein. Ist die Last induktivitätsbehaftet, wird eine Freilaufdiode parallel zum induktivitätsbehafteten Teil des Stromkreises geschaltet, wenn zu befürchten ist, daß ohne eine solche Diode beim Schalten unerwünschte Effekte auftre ten.

Zum Veranschaulichen von Problemen, die beim Ein- und Aus schalten des Stromes auftreten, sei angenommen, daß der Halb leiterschalter durch einen N-Kanal-MOSFET gebildet ist. Ein solcher wird mit Hilfe der Gate-Source-Spannung gesteuert. Solange ein solcher Transistor leitet, liegt bei der o. g. Reihenschaltung der Verbindungspunkt zwischen dem Transistor und der Last, und demgemäß auch der Freilaufdiode, im wesent lichen auf Versorgungspotential, d. h. z. B. fast auf +24 V bei einer Versorgungsspannung von +24 V. Wird nun die Gate- Source-Spannung zum Sperren des Transistors erniedrigt, wird der Innenwiderstand des Transistors immer höher, was dazu führt, daß die in ihm in Wärme umgewandelte Leistung immer größer wird, da der Strom aufgrund der Wirkung der Induktivi tät im Laststromkreis nur wenig abnimmt. Es ist daher erfor derlich, daß die Freilaufdiode den Stromfluß übernimmt, bevor im Transistor so viel Wärme entwickelt wird, daß dieser zer stört wird. Da die Diode nicht schlagartig durchschaltet, muß die Gate-Source-Steuerspannung ausreichend langsam erniedrigt werden, damit dann, wenn die Spannung am Verbindungspunkt zwischen transistor und Freilaufdiode einen Wert erreicht, ab dem die Freilaufdiode durchschalten muß, genügend Zeit für ein solches Durchschalten besteht bevor der Widerstand des transistors aufgrund weiter verringerter Gate-Source-Spannung so hoch geworden ist, daß er bei nach wie vor im wesentlichen unverändertem Stromfluß durch ihn zerstört würde.

Beim Einschalten des Stromes besteht ein anderes Problem, nämlich dasjenige der Gefahr eines Kurzschlusses. Erfolgte erst kurz vor einem Wiedereinschalten ein Ausschalten, fließt noch Strom im Laststromkreis, der mit Hilfe der Freilaufdiode geschlossen wird. Sinkt der Widerstand des transistors mit zunehmender Gate-Source-Spannung zum Einschalten des Transis tors, wird das Potential am Verbindungspunkt zwischen Tran sistor und Freilaufdiode positiv, so daß die Diode sperrt. Jedoch erfolgt auch dieses Sperren nicht schlagartig, so daß die Gefahr besteht, daß bei schnellem Erhöhen der Gate-Sour ce-Spannung des Transistors dieser bereits voll leitet, wenn die Diode noch nicht gesperrt hat. Dies hätte offensichtlich einen Kurzschluß zur Folge, mit der Gefahr des Zerstörens des transistors und/oder der Diode. Es muß daher auch beim Ein schalten die Gate-Source-Spannung langsam geändert werden, um der Freilaufdiode genügend Zeit zum Sperren zu geben.

Die vorstehend genannten Probleme bestehen nicht nur im Fall von N-Kanal-MOSFETs, sondern auch bei P-Kanal-MOSFETs oder bei bipolaren Transistoren, seien es NPN- oder PNP-Transisto ren. Die bipolaren Transistoren werden allerdings nicht über eine Gate-Source-Spannung gesteuert, sondern über einen Ba sisstrom. Dieser darf im Fall des Abschaltens nicht schlagar tig unterbrochen und im Fall des Einschaltens nicht schlagar tig auf den gewünschten Endwert geschaltet werden.

Es sind besondere Steuerschaltungen erforderlich, die dafür sorgen, daß der Steuerstrom zum Laden oder Entladen der Gate- Source-Kapazität, im Falle eines MOSFETs, oder zum Einstellen des Basisstroms im Falle eines bipolaren Transistors, nur so groß ist, daß sich die Öffnungs- bzw. Sperreigenschaften des Transistors nur so langsam ändern, daß die Freilaufdiode aus reichend Zeit zum Sperren bzw. zum Öffnen hat. Das Begrenzen der Steuerströme, im Fall von MOSFETs, bzw. das begrenzen der Steuerstromänderungen, im Fall von bipolaren Transistoren, bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Gesamtschaltzei ten ansteigen. Die Steuerströme bzw. Steuerstromänderungen werden daher so gewählt, daß die Gesamtschaltzeiten zwar mög lichst kurz werden, aber andererseits unerwünschte Effekte beim Schalten so weit wie möglich verringert werden, also die Beschädigungsgefahr der Halbleiterbauteile so niedrig wie möglich ist und das Entstehen von Störspannungen so gut wie möglich unterdrückt wird.

Allgemein gesprochen besteht seit langem das Problem, eine Gleichstrom-Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses in einem induktivitätsbehafteten Laststromkreis durch Ansteuern eines Halbleiterschalters anzugeben, die ein möglichst schnelles Schalten gewährleistet, bei bestmöglichem Unterdrücken unerwünschter Schalteffekte.

Darstellung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Gleichstrom-Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses in einem induktivitätsbehafteten Laststromkreis durch Ansteuern eines Halbleiterschalters, mit dem ein Freilauf-Halbleiterbauteil in Reihe geschaltet ist, zu dem der Laststromkreis parallel liegt, weist folgende Funktionsmittelauf:

- ein Mittel zum Messen und Auswerten einer Größe, die an zeigt, ob das Freilauf-Halbleiterbauteil in Schaltpunktnähe ist, und zum Ausgeben eines entsprechenden Auswertesignales,
- und ein Mittel zum Steuern des Steuerstromes für den Halb leiterschalter so, daß
- beim Ausschalten des Halbleiterschalters der Steuerstrom, im Fall eines MOSFET, oder die Steuerstromänderung, im Fall eines bipolaren Transistors, in Ausschaltrichtung solange auf einem hohen Wert gehalten wird, bis das Auswertesignal einen ersten Schwellenwert erreicht, der anzeigt, daß das Freilauf- Halbleiterbauteil durchschalten muß, und dann der Steuerstrom bzw. die Steuerstromänderung in Ausschaltrichtung auf einen niedrigeren Wert geschaltet wird,
- und beim Einschalten des Halbleiterbauteils der Steuer strom bzw. die Steuerstromänderung in Einschaltrichtung so lange langsam geändert wird bis das Auswertesignal einen zweiten Schwellenwert erreicht, der anzeigt, daß das Frei lauf-Halbleiterbauteil gesperrt hat und dann der Steuerstrom bzw. die Steuerstromänderung auf einen höheren Wert geschal tet wird.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung sorgt dafür, daß sich in demjenigen Betriebsbereich, in dem das Freilauf-Halbleiter bauteil schalten muß, das Widerstandsverhalten des Halblei terschalters nur so langsam ändert, daß es nicht zu uner wünschten Effekten kommt, daß sich aber das Widerstandsver halten des Halbleiterschalters dann sehr schnell ändert, wenn er vom durchgeschalteten Zustand sich dem vorstehend genann ten kritischen bereich nähert, oder wenn er nach Durchlaufen des genannten kritischen Bereichs beim Einschalten noch voll ständig durchschalten soll. Hierzu benutzt die Schaltung zum Ansteuern des Halbleiterschalters in denjenigen Zeitspannen, in denen das Freilauf-Halbleiterbauteil schalten muß, die herkömmlichen niedrigen Steuerstromstärken bzw. Steuerstrom änderungen, dagegen in den anderen Zeitspannen höhere Werte.

Um den Aufbau der Steuerschaltung möglichst einfach zu halten, ist es von Vorteil, wenn der zweite Schwellenwert mit dem ersten Schwellenwert übereinstimmt. Die gewünschten un terschiedlichen Stromwerte bzw. Stromänderungswerte werden vorteilhafterweise über steuerbare Stromquellen eingestellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Bei Ausführungsbeispielen mit einem N-Kanal-MOSFET wurde als Auswertesignal eine am Verbindungspunkt zwischen Halbleiter schalter und Freilauf-Halbleiterbauteil abgegriffene Spannung verwendet. Die erste und die zweite Schwellenspannung wiesen jeweils einen Wert von einigen hundert Millivolt auf. Der ho he Wert des Steuerstroms wurde größtmöglich gewählt. Der nie drige Wert des Steuerstroms wurde in Anpassung an die Eigen schaften des jeweils zu schaltenden Stromkreises so einge stellt, daß die Schaltvorgänge mit gewünschtem geringen Aus maß von Störeffekten abliefen, insbesondere ohne jede Beschä digungsgefahr des N-Kanal-MOSFET.

Beim eben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Frei laufdiode verwendet, die zwischen Masse und den Transistor geschaltet war bei einem Ausführungsbeispiel mit einer Frei laufdiode zwischen dem Transistor und einer Versorgungsspan nung von +24 V wurde eine Steuerschaltung eingesetzt, die bei Schwellenwerten von +23 V ein Umschalten der Stromstärken be werkstelligte.

Entsprechende Schwellenwerte wurden für eine Schaltung mit einem NPN- bzw. einem PNP-Transistor verwendet. Bei diesen Schaltungen wurde der große Wert der Stromstärkeänderung so groß wie möglich gewählt, während der niedrige Wert wieder in Anpassung an das Verhalten des jeweils zu schaltenden induk tivitätsbehafteten Stromkreises so eingestellt wurde, daß störende Schalteffekte unter vorgegebenen Werten blieben.

Die niedrigen Werte von Steuerstrom bzw. Steuerstromänderung entsprechen somit den Werten, wie sie von herkömmlichen Steuerschaltungen über den gesamten Schaltbereich ausgegeben werden. Die bekannten Schaltungen schalten jedoch nicht auf hohe Werte um.

Es sei darauf hingewiesen, daß beim Ausschalten ein Umschal ten des Wertes von Steuerstrom bzw. Steuerstromänderung be reits erfolgt, wenn die Spannung am Verbindungspunkt anzeigt, daß das Freilauf-Halbleiterbauteil durchschalten muß, daß aber beim Einschalten das Umschalten der Werte erst erfolgt, wenn festgestellt wird, daß das Freilauf-Halbleiterbauteil bereits gesperrt hat. Dadurch ist gewährleistet, daß die Schaltvorgänge am Freilauf-Halbleiterbauteil immer während der Dauer der niedrigen Werte von Steuerstrom bzw. Steuer stromänderung ablaufen.

Bei den Ausführungsbeispielen wurde, wie erwähnt, eine Diode als Freilauf-Halbleiterbauteil verwendet. Es kann jedoch auch ein weiterer Transistor verwendet werden, der dann von der Steuerschaltung mit Steuerströmen versorgt wird, die zeitlich so mit den Strömen zum Steuern des Ein/Ausschalt-Transistors korreliert sind, daß durch ihn der Strom weiterfließen kann, der aufgrund der Wirkung der Induktivität im induktivitätsbe hafteten Stromkreis weiterfließen muß, wenn es nicht zu einem Beschädigen des Ein/Ausschalt-Transistors kommen soll oder unerwünscht starke Schalteffekte auftreten sollen.

Das Auswertesignal muß nicht notwendigerweise durch die Span nung am Verbindungspunkt zwischen Halbleiterschalter und Freilauf-Halbleiterbauteil gegeben sein. Auch eine andere Spannung, die sich entsprechend wie die genannte Spannung än dert, kann verwendet werden. Auch ist es möglich, Spannungs änderung, bei konstantem Ladestrom, zu messen. So ist es be kannt, daß bei allen MOSFETs der zeitliche Verlauf der Gate spannung, bei konstantem Strom zum Laden der Gate-Source-Ka pazität, sich dann stark ändert, wenn die Gatespannnung in die Nähe der Drainspannung gelangt. Das Änderungssignal be treffend die Gatespannung kann leicht z. B. durch einen Kon densator oder eine Induktivität als Auswertesignal ausgekop pelt werden.

Claims

1. Gleichstrom-Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses in einem induktivitätsbehafteten Laststrom kreis durch Ansteuern eines Halbleiterschalters, mit dem ein Freilauf-Halbleiterbauteil in Reihe geschaltet ist, zu dem der Laststromkreis parallel liegt, gekennzeichnet durch

- ein Mittel zum Messen und Auswerten einer Größe, die anzeigt, ob das Freilauf-Halbleiterbauteil in Schalt punktnähe ist, und zum Ausgeben eines entsprechenden Aus wertesignales, und
- ein Mittel zum Steuern des Steuerstromes für den Halb leiterschalter so, daß
- beim Ausschalten des Halbleiterschalters der Steuer strom, im Fall eines MOSFET, oder die Steuerstromände rung, im Fall eines bipolaren Transistors, in Ausschalt richtung solange auf einem hohen Wert gehalten wird, bis das Auswertesignal einen ersten Schwellenwert erreicht, der anzeigt, daß das Freilauf-Halbleiterbauteil durch schalten muß, und dann der Steuerstrom bzw. die Steuer stromänderung in Ausschaltrichtung auf einen niedrigeren Wert geschaltet wird,
- und beim Einschalten des Halbleiterbauteils der Steu erstrom bzw. die Steuerstromänderung in Einschaltrichtung so lange langsam geändert wird bis das Auswertesignal einen zweiten Schwellenwert erreicht, der anzeigt, daß das Freilauf-Halbleiterbauteil gesperrt hat und dann der Steuerstrom bzw die Steuerstromänderung auf einen höheren Wert geschaltet wird.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert übereinstimmen.

3. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch steuerbare Stromquellen zum Einstellen der unterschiedli chen Werte der Steuerströme bzw. der Steuerstromänderun gen.