184476. lajstromszámú szabadalom • Teljesítménytranzisztorok túlárama és káros disszipációja ellen védelmet biztosító bázismeghajtó kapcsolási elrendezés
1 184 476 2 A találmány teljesitménytranzisztorok túlárama és káros disszipációja ellen védelmet biztosító bázismeghajtó kapcsolási elrendezés, amelynél a teljesítménytranzisztor bázisára csatlakozó teljesítményerősítő közvetlenül vagy jelkorlátozó közbeiktatásával egy jelerősítő kimenetére csatlakozik. Ismeretes, hogy a teljesítménytranzisztorok túláram, ill. káros disszipáció elleni védelme csak elektronikus eszközökkel biztosítható. Az elektronikus védelem azon alapszik, hogy a kapcsolóüzemben működő és éppen áramot vezető teljesítménytranzisztort mikroszekundum nagyságrendű időn belül kikapcsolják (lezárják), ha a teljesítménytranzisztor árama vagy disszipációja egy kritikus értéket elér. Egy komplett teljesítménytranzisztoros berendezésben általában több teljesítménytranzisztor üzemel, és azok legtöbbször egymáshoz képest eltérő időszakban vannak bekapcsolt állapotban (pl. hídkapcsolás). Ha egy ilyen felépítésű berendezésben az áramot egy kitüntetett helyen érzékelnénk, s ha az egy meghatározott értéket elér, központi vezérléssel kikapcsolnánk az összes teljesítménytranzisztort, akkor sem tudnánk biztonságosan megvédeni az egyes teljesítménytranzisztorokat a tönkremeneteltől, ugyanis rendellenes működés vagy zárlat esetében egyik-másik teljesítménytranzisztoron keresztül az áramérzékelőt elkerülő úton is folyhatna káros nagyságú áram. Ezért a teljesítménytranzisztorok védelmét célszerű tranzisztoronként vagy párhuzamosan kapcsolt tranzisztor-csoportonként, szelektíven megvalósítani. Az utóbbi időben ismertté vált megoldásoknál a teljesitménytranzisztorok be- és kikapcsolásához szükséges megfelelő nagyságú és változási sebességű bázisáramot előállító vezérlőáramköröket öszszevonják a védelmi feladatot ellátó áramkörökkel. Az így felépített bázismeghajtó áramköröket a szakirodalomban gyakran szabályozott bázisáramot biztosító, önvédő bázismeghajtó áramköröknek nevezik. Elvi működésükről és felépítésükről részletesebben pl. K. Rischmüiler: Selbstregelnde und selbststeuerende Treiberschaltung c. munkája számol be (Technical Paper, Powerconversion ’79, Munich, PC 79-3.2). E megoldások lényegét az 1-3. ábra alapján foglaljuk össze. Az 1. ábra a teljesííménytranzisztor UCF kollektor-emitter feszültségét ábrázolja az Ic kollektoráram függvényében két különböző nagyságú bázisáram (IBI és 1B2 > IB1) esetén. Ha a védelmi stratégia arra épül, hogy a bázismeghajtó áramkör a teljesítménytranzisztort pl. Ic > Ic2nagyságú áramérték felett kapcsolja ki (1. egyenes), akkor a teljesítménytranzisztoron I„ = IB2 bázisáram hatására P,2 = UCR, • IC2 nagyságú, míg a legkedvezőtlenebb esetben IB = I,„ bázisáram hatására pedig P22 = UCE2 ' veszteség léphet fel akár tartósan is. Egy másik lehetséges védelmi stratégia az, amikor a bázismeghajtó áramkör UCE > UCEI kollektor-emitter feszültség felett kapcsolja ki a teljesítménylranzisztort (2. egyenes). A teljesítménylranzisztoron létrejövő veszteség ekkor B ^B2 bázisáram hatására az előbbi P|2-vel azonos, míg lB = IB, esetében Pn = Ucin • lc, < P,2 veszteség keletkezik. Míg az előbbi — áramérzékelésen alapuló - védelmi stratégia a teljesítménytranzisztor kollektorkörében már kismértékű bázisáram-ingadozás hatására is egymástól jelentősen eltérő veszteségek kialakulását eredményezi, addig az utóbbi - feszültségérzékelésen alapuló - védelmi stratégia esetében a bázisáram-ingadozás a keletkező veszteséget lényegesen kisebb mértékben befolyásolja, különösen akkor, ha a bekapcsolt leljesítménylranzisztor megengedett U(T kollektor-emitter feszültségesése kicsi. 1 Az elmondottak alapján tehát a teljesítménytranzisztorok biztonságos védelme érdekében feszültségérzékelésen alapuló védelmi stratégiát célszerű megvalósítani, mert az nemcsak a teljesitménytranzisztorok túlárama, hanem a kollektorkörben fellépő káros disszipáció ellen is védelmet nyújt. Ez a módszer még azzal az előnnyel is együtt jár, hogy az UC|: kollektor-emitter feszültség érzékelése lényegesen egyszerűbb eszközökkel valósítható meg, mint az áramérzékelés. A kapcsolóüzemben működő teljesitménytranzisztorok koiiektorkörében az ntkapcsolási veszteségek csökkentése érdekében minden esetben beépítenek egy soros Lk induktivitást, amely a kollektoráram felfutási meredekségét hivatott korlátozni. Ennek az induktivitásnak a jelenléte döntő fontosságú a védelmi feladatok megvalósításában is. A 2. ábra időfüggvényei ezt a funkciót világítják meg feszültségérzékelésen alapuló védelmi stratégia esetében. A 2.a. ábra egy normális bekapcsolási állapotot szemléltet, melynél a t, időtartamú JB bekapcsolási parancs hatására a teljesítménytranzisztor Uo; kollektor-emitter feszültsége a bekapcsolási tranziens lezajlása után a t, időtartamon belül az Ucn = Rl l. referenciafeszültségné! kisebb értékű marad, miközben az Ic kollektoráram az Lk induktivitás által meghatározott meredekséggel nő, cs In < i( ,mix értéken állandósul. Ilyen esetben a (eljesílmcnytranzisztor védelmének nem kell megszólalnia, tehát a teljesítménytranzisztor a teljes t, időtartam alatt bekapcsolva maradhat. A 2.b. ábra azt az esetet szemlélteti, amelynél a teljesííménytranzisztor Ucr kollektor-emitter feszültsége a bekapcsolási tranziens után már csak t = t2<t, ideig kisebb URl.r-nél, mivel pl. túlterhelés következtében az I(. kollektoráram az előbbi esethez képest nagyobb meredekséggel növekszik, s éppen t2 idő múlva éri el azt az értéket (esetünkben lCm;ix-ot), melynél az adott bázisáram hatására az Ucl. kollektor-emitter feszültség éppen Ut u = UREE nagyságú lesz. Ilyen esetben a védelemnek működésbe kell lépnie és t = t2 időpillanatban ki kell kapcsolnia a teljesítmény tranzisztor t. Könnyű belátni, hogy a terhelés további növelése egyre meredekebben induló, lcm:,rra felfutó kollektoráramot eredmén3'ez, ezért a bekapcsolási tranziens lezajlása után a kolleklor-5 1C 15 20 25 3C 35 40 45 50 55 60 65 2
