198806. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés nagy felfutási meredekségű áramimpulzusok kis feszültségű tápfeszültségforrásból való előállítására
1 HU 198806 B 2 A találmány tárgya kapcsolási elrendezés nagy felfutási meredekségül áramimpulzusok kisfeszültségű áramforrásból való előállítására, vezérelhető teljesítmény félvezetők oltásához, illetve lezárásához, amely kapcsolási elrendezésben a vezérelhető teljesítmény félvezetők vezérlő elektródája és katódja között kapcsoló van. Teljesitraényelektronikai rendszerek fejlesztése, tervezése során gyakran előforduló feladat, hogy kisfeszültségű tápfeszültségforrás felhasználásával nagy felfutási meredekségű áramimpulzusokat kell előállítani. Ilyen feladattal találkozunk pl. a teljesítmény tranzisztorok vagy az oltható tirisztorok (GTO) vezérlő körének kialakításakor. A teljesítmény félvezető bekapcsolásához a vezérlő elektródra (bázis, illetve rács) pozitív áramot kell juttatni, majd a kikapcsoláskor a félvezetőben tárolt töltést ki kell üríteni, amihez negatív áramímpulzust kell a vezérlő elektródéra adni. Ezt a problémát az 1. ábrán sematikusan vázolt elrendezéssel lehet megoldani. Az ir áramot vezető F félvezetőben található Df dióda jelképezi a teljesítmény tranzisztor bázis-emitter vagy GTO tirisztor vezérlő elektród-katód körét. Ha pozitív oldali Kp kapcsolót zárjuk, állandósult állapotban pozitív irányú ip áram folyik a Df diódán keresztül. Az ip áram nagyságát Upí pozitív feszültségforrás Up pozitív feszültsége, Re ekvivalens ellenállás és Rp munkaellenállés határozza meg az íp=Up[(Rp+ +Re) képlet szerint. Az áram időfüggvényét a 2. ábra mutatja. Ha a teljesítmény félvezetőt le akarjuk zárni, nyitjuk a Kp kapcsolót és egy negatív oldali Km kapcsolót zárunk, és ezáltal egy negatív oldali Unf feszültségforrásból záróirányú U« negatív feszültséget kényszerítünk a Df diódára. A zérófeszültség azonban nem jelenik meg azonnal a Df diódán a benne felhalmozódott Qs tárolt töltés miatt, hanem először negatív irányú ín lezáró áram kezd folyni a Df diódén, amelynek időfüggvényét az áramkör paramétereivel felírt differenciál egyenletből lehet meghatározni. Elsősorban a kikapcsolósi folyamat ideje és a kikapcsolás során fellépő veszteségek csökkenése szempontjából nagy jelentősége van annak, hogy az ín lezáró áram dÍN/dt felfutási meredeksége nagy legyen. Ha az áramkör ohmos ellenállását elhanyagoljuk, az ín lezáró áram dÍN/dt felfutási meredeksége: diN Un-Uk dt Le kifejezéssel számítható, ahol Uk feszültség a Kn kapcsolóra eső feszültség és Le ekvivalens induktivitás. A dÍN/dt felfutási meredekség értékének növeléséhez tehát csökkenteni kell az Le ekvivalens induktivitást (ami gondos mechanikai konstrukcióval sem vihető bizonyos érték alá), illetve növelni kell az Un negatív feszültség és az Uk feszültség különbségét. Az Un negatív feszültség növelésének határt szab az F félvezető vezérlőkörének megengedhető záróirányú igénybevétele, tehát a Kn kapcsolón fellépő Uk feszültség csökkentése (a szórt induktivitás csökkentésén kívül) az egyetlen módszer, amely lehetőséget nyújt dÍN/dt felfutási meredekség értékének növelésére. A 2. ábrán látható szaggatott áram-idő függvény azt szemlélteti, hogy ha kisebb az í’n lezáró áram diWdt felfutási meredeksége, akkor a töltés rekombináció miatt csökkenő Qs’ tárolt töltés hatásét is figyelembe véve, jelentősen kisebb i’N»a* maximális lezáró áram alakul ki. A Kn kapcsolóként a nagy kapcsolási sebességek miatt csak jó dinamikus tulajdonságokkal rendelkező félvezető használható, amelynek a vezetőirányú feszültségesése kis értékű. A nagyáramú teljesítmény félvezetőknél a szükséges ínux maximális lezáró áram értéke több száz amper nagyságrendet is elérhet, ezért szükséges, hogy a Kn kapcsoló olyan teljesítmény félvezető legyen, amely képes vezetni ezt az áramot. Kézenfekvőnek látszik erre a feladatra tirisztor alkalmazása, amely kis teljesítménnyel vezérelhető és nagy tranziens túlterhelhetóséggel rendelkezik. A tirisztor alkalmazásakor azonban felmerülnek olyan problémák, amelyek eddig nem tették lehetővé ennek alkalmazásét. Az egyik probléma az, hogy ha a tirisztort olyan körben kapcsoljuk be, ahol a bekapcsolás után nagy meredekséggel indul meg az áram, a tirisztor a konstrukciójától függő hosszúságú ideig (néhány ps-ig) az állandósult állapotbeli vezetőirényú feszültségének 5-10-szeresét is magára veheti, ami erősen lecsökkenti az elérhető áram felfutási meredekséget. Ha a tirisztorral sorbakapcsolva telítődő fojtót alkalmazunk, amely az áram felfutását addig megakadályozza, amig a tirisztor teljes keresztmetszetében nem vezet, a tirisztor bekapcsolási viszonyai lényegesen kedvezőbbé válnak, de jelen alkalmazás szempontjából még mindig nem lesz megfelelő, mert amikor a telítődő fojtó fluxusa eléri a telítési értéket és az áram meredeken felfut, a tirisztoron átmenetileg megnő a vezetóirányú feszültség, ami korlátozza az áram felfutási meredekségét. Ennek a jelenségnek az a magyarázata, hogy a tirisztor p-n átmenete a kezdeti, kis áramnál nincs telítve töltéshordozókkal, így amikor az áram hirtelen növekedni kezd, meghatározott időre van szükség ahhoz, hogy a p-n átmenet telítődjön éB így az átmeneti idő alatt, néhány ps ideig, a tirisztor nagyobb ellenállást képvisel, azaz megnő a vezetőirányú feszültségesése. A tirisztor alkalmazásának másik nehézsége abból ered, hogy az F félvezető p-n átmenetének kiürülése után fennmaradó, záróirányú is szivárgó áram (2. ábra) nagyobb liíhet a tirisztor tartóáramánál, ami azt eredményezi, hogy az F félvezető kikapcsolása 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
