DE3725369A1

DE3725369A1 - Avoidance of switching losses in fast electronic switches

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Publication number: DE3725369A1
Application number: DE19873725369
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl Ing Vogler
Original assignee: VOGLER JOHANNES DIPL ING DIPL
Current assignee: VOGLER JOHANNES DIPL ING DIPL
Priority date: 1987-07-31
Filing date: 1987-07-31
Publication date: 1989-02-23

Abstract

Fast electronic switches which switch an inductance are expediently provided with circuitry to reduce the switching losses in the semiconductor components. If a winding which is magnetically coupled to the load inductance is used for charge reversal of circuitry capacitors, cost-effective solutions with a high efficiency are possible in virtually all power electronics converters.

Description

Zur Energieeinsparung werden in Reglern und Stellern zunehmend Halbleiterbauelemente im Schaltbetrieb bei hohen Frequenzen einge setzt. Typisch für diese Anwendungen ist eine Induktivität im ge schalteten Stromkreis. Beim Abschaltvorgang erhöht die "Rückschlag spannung" dieser Induktivität die Verlustleistungsbelastung des Halb leiterbauelementes. Dieses wird, als nicht idealer Schalter, gleichzeitig mit Strom und Spannung beaufschlagt. Wegen der Betriebssicherheit und auch aus anderen Gründen, z.B. der Vermeidung von Funk störungen, ist es oft notwendig den Halbleiterschalter von seinen Schaltverlusten zu entlasten.Controllers and controllers are increasingly used to save energy Semiconductor components switched on at high frequencies puts. Typical of these applications is an inductance in ge switched circuit. When switching off, the "kickback increases voltage "this inductance is the power loss of the half conductor component. This will act as a non-ideal switch at the same time supplied with current and voltage. Because of operational security and also for other reasons, e.g. avoiding radio malfunctions, it is often necessary to switch off the semiconductor Relieve switching losses.

Fig. 1 zeigt eine übliche Anordnung. Die Erweiterung der Induktivität L zu einem Transformator mit einer zusätzlichen Wicklung an der die Last angeschlossen ist wurde weggelassen. (Dies gilt auch für alle folgenden Beispiele). Während der Einzeit des Transistors T wird der Entlastungskondensator C 2 über die Strecke Transistor T und Widerstand R entladen. Dies ist die notwendige Vorbereitungsphase für die nachfolgende Ausschaltentlastung. Beim Abschalten des Transistors T ist die Betriebsspannung UB und die Rückschlag spannung der Induktivität L spannungserhöhend in Reihe geschaltet. Der Strom IC wird aber nun von dem Entlastungskondensator C 2 übernommen. Dadurch kann sich die Kollektorspannung des Tran sistor T nur langsam aufbauen. Die gleichzeitige Belastung des Tran sistors durch Strom und Spannung verringert sich. Fig. 1 shows a common arrangement. The extension of the inductance L to a transformer with an additional winding to which the load is connected has been omitted. (This also applies to all of the following examples). During the on time of transistor T , the discharge capacitor C 2 is discharged via the transistor T and resistor R. This is the necessary preparation phase for the subsequent switch-off relief. When the transistor T is switched off, the operating voltage UB and the flashback voltage of the inductance L are connected in series to increase the voltage. The current IC is now taken over by the relief capacitor C 2 . As a result, the collector voltage of the transistor T can only build up slowly. The simultaneous loading of the transistor by current and voltage is reduced.

Fig. 2 zeigt die Strom- und Spannungsverläufe mit und ohne Ent lastung. Die aus dem Transistor herausgenommene Verlustleistung PV (das Produkt aus Spannung U und Strom I) wird in der Vorbe reitungsphase beim Entladen des Entlastungskondensators C 2 während der Einzeit des Transistors T vorwiegend in dem Widerstand R in Wärme umgesetzt. Aber auch der Transistor T wird beim Einschalten durch den Ladestromverlauf IL nach Fig. 3 belastet. Fig. 2 shows the current and voltage waveforms with and without unloading. The power loss PV removed from the transistor (the product of voltage U and current I ) is converted into heat in the preparatory phase when the discharge capacitor C 2 is discharged during the onset of the transistor T, predominantly in the resistor R. However, the transistor T is also loaded when switched on by the charging current curve IL according to FIG. 3.

Wünschenswert sind Entlastungsschaltungen bei denen keine prinzipielle Verlustleistung entsteht bzw. bei denen die Energie des Abschaltvor ganges in den Pufferkondensator C 1 der Rohgleichspannung zurück gespeist wird. Neben der Energieeinsparung spielt auch die Strombe lastung des Transistors T während des Einschaltens eine Rolle. Sie sollte möglichst gering sein. Weiterhin sollten in den stromführenden Leitungen geringe di/dt-Werte auftreten.Relief circuits are desirable in which there is no fundamental power loss or in which the energy of the switch-off process is fed back into the buffer capacitor C 1 of the raw DC voltage. In addition to saving energy, the current load on the transistor T also plays a role during switch-on. It should be as low as possible. Furthermore, low di / dt values should occur in the live cables.

Es werden bereits Entlastungsschaltungen ohne prinzipielle Verluste angegeben. (s. Literaturangabe). Diese Beispiele betreffen aber nur bestimmte Anwendungen vorwiegend in Motorsteuerungen. Auch ist ein großer Bauteileaufwand erforderlich.There are already relief circuits without principle losses specified. (see bibliography). However, these examples only concern certain applications mainly in motor controls. Is too a large amount of components required.

Im folgenden wird eine Methode gezeigt, bei der die Entlastung ohne prinzipielle Verluste, für alle üblichen Verbindungen von elektronischen Schaltern mit einer Induktivität, auch in DC-DC-Wandlern, vorgenommen werden kann. Der erforderliche Bauteileaufwand ist gering.The following shows a method in which the discharge without principal losses, for all common connections of electronic Switches with an inductance, also in DC-DC converters can be. The amount of components required is low.

Es wird auch hier die Ausschaltentlastung bzw. die du/dt- und die di/dt-Begrenzung beim Abschalten durch die Änderung des Ladezu standes eines Entlastungskondensators bewirkt. Neu gelöst ist das während der Einzeit des Schalters erfolgende Entladen bzw. Aufladen des Entlastungskondensators als Vorbereitung für den nächsten Aus schaltvorgang. Erfindungsgemäß wird hierzu eine Wicklung herange zogen, die mit der Hauptinduktivität des geschalteten Kreises magnetisch gekoppelt ist. Die Begrenzung des Umlade- bzw. des Schalterstromes beim Einschalten erfolgt durch eine zusätzliche Induktivität. Die ge speicherte Energie dieser Induktivität wird dem Entlastungskondensator bzw. dem Pufferkondensator der Betriebsspannung zugeführt. Die Ein führung obiger Wicklung löst Potentialprobleme und wirkt als zusätz licher "Schalter" bei der Realisierung verlustfreier Entlastungen. Es lassen sich so einfache und kostengünstige Entlastungen in viel fältiger Weise aufbauen. Hervorzuheben ist die Möglichkeit, die Ausschaltentlastung so vorzunehmen, daß eine di/dt-Begrenzung auch den Betriebsstrom erfaßt. Dies bedeutet eine wesentliche Er leichterung für die Funkentstörung. Auch der Aufbau von schnellen Leistungsschaltern wird dadurch erleichtert (Unvermeidliche Leitungs induktivitäten). Here, too, the switch-off relief or the du / dt and the di / dt limitation when switching off by changing the loading condition level of a relief capacitor. This is a new solution Discharging or recharging while the switch is on of the relief capacitor in preparation for the next off switching process. According to the invention, a winding is used for this attracted to the main inductance of the switched circuit magnetically is coupled. Limiting the charge or switch current when switched on by an additional inductance. The ge stored energy of this inductor is the relief capacitor or the buffer capacitor of the operating voltage. The one guidance of the above winding solves potential problems and acts as an additional Licher "switch" in the implementation of lossless relief. It can be so simple and inexpensive relief in a lot build up more powerfully. The possibility to emphasize the Switch off relief so that a di / dt limitation also recorded the operating current. This means an essential Er easier for radio interference suppression. Even building up fast ones This makes circuit breakers easier (unavoidable conduction inductors).

Mit dem neuen Prinzip sind bei allen Topologien von DC-DC-Wandlern Entlastungen möglich. Dabei können für eine Wandlerart oft mehrere, erfindungsgemäße Entlastungsschaltungen Anwendungen finden.The new principle applies to all topologies of DC-DC converters Relief possible. Often, several, Relief circuits according to the invention find applications.

In Fig. 4 ist ein potentialgetrennter Fluß- oder Sperrwandler mit einer erfindungsgemäßen Ausschaltentlastung angegeben. Entmagnetisierungs- und Sekundärwicklung sind nicht eingezeichnet. Die Lastwicklung w 1 des Transformators TR ist über den gemeinsamen Kern mit der Wick lung w 2 magnetisch gekoppelt. Bei einer Windungszahl w 1=w 2 wird während der Einschaltdauer von T in der Wicklung w 2 eine der Be triebsspannung gleiche Spannung induziert. Mit der angegebenen Wicklungspolarität bewirkt diese Spannung, daß der Kondensator C 2 auf 0-Ladung gebracht wird. (Am Ende der Ausschaltzeit hat der Kondensator C 2 eine positive Ladung bezogen auf 0-Potential.) Mit der 0-Ladung des Kondensators C 2 ist die Schaltung für den nächsten Ausschaltvorgang des Transistors T vorbereitet.In FIG. 4, a potential free flow or flyback converter is shown with an inventive switching-off. Demagnetization and secondary windings are not shown. The load winding w1 of the transformer TR is over the common core with the Wick lung w2 magnetically coupled. With a number of turns w 1 = w 2 , a voltage equal to that of the operating voltage is induced in the winding w 2 during the switch-on period of T. With the specified winding polarity, this voltage causes the capacitor C 2 to be brought to zero charge. (At the end of the switch-off time, the capacitor C 2 has a positive charge in relation to 0 potential.) With the capacitor C 2 being 0-charged, the circuit is prepared for the next switch-off operation of the transistor T.

In Fig. 5 ist der sich bei Fig. 4 ergebende Ladestromverlauf gezeigt. Die Drossel DR und der Kondensator C 2 bilden einen L-C-Serienkreis. Dementsprechend ist der Ladestrom IL sinusförmig. Dieser Ladestrom verlauf erbringt gegenüber Fig. 3 keine erhöhte Einschaltbelastung des Transistors T. Durch die Diode D 2 ist nur eine Halbperiode möglich. Die in der Drossel DR für das Umladen des Kondensators C 2 überflüssig gespeicherte Energie, wird über den Strompfad Diode D 2, Diode D 1, Transistor T und Trafowicklung w 2 in den Kondensator C 1 der Betriebsspannung zurückgespeist. Damit ist für den Entlastungs vorgang kein ohmscher Widerstand erforderlich. Es entsteht keine prinzipbedingte Verlustleistung. FIG. 5 shows the charging current curve resulting from FIG. 4. The choke DR and the capacitor C 2 form an LC series circuit. Accordingly, the charging current IL is sinusoidal. Compared to FIG. 3, this charging current curve does not result in an increased switch-on load on the transistor T. The diode D 2 only allows one half period. The energy stored in the inductor DR for reloading the capacitor C 2 is fed back into the capacitor C 1 of the operating voltage via the current path diode D 2 , diode D 1 , transistor T and transformer winding w 2 . This means that no ohmic resistance is required for the relief process. There is no inherent power loss.

Die Wirkung der Drossel DR von Fig. 4 kann auch durch eine Streu induktivität, dh. durch kleine Kopplung von w 1 mit w 2, ersetzt werden. Die Drossel kann aber auch im Hauptstromkreis in Serie mit der Wick lung w 1 liegen. Sie wirkt dann auch strombegrenzend beim Einschalten für den Laststrom. Werden unterschiedliche Stromanstiegszeiten für den Laststrom und den Umladestrom des Kondensators C 2 gewünscht, so können getrennte Drosseln im Lastkreis und im Umladekreis verwendet werden. (Im allgemeinen wird die Drossel im Lastkreis, bei höherer Strombelastbarkeit, eine kleinere Induktivität als die Drossel im Um ladekreis haben.) The effect of the inductor DR of FIG. 4 can also be caused by a stray inductance, ie. be replaced by a small coupling of w 1 with w 2 . The choke can also be in series with the winding w 1 in the main circuit. It then also has a current-limiting effect when the load current is switched on. If different current rise times are desired for the load current and the charge current of the capacitor C 2 , separate chokes can be used in the load circuit and in the charge circuit. (In general, the choke in the load circuit, with higher current carrying capacity, will have a smaller inductance than the choke in the charge circuit.)

Vereinfachend kann auch ein gemeinsamer Kern zwei Drosselwick lungen aufweisen. Im folgenden wird dafür ein Beispiel gebracht.To simplify, a common core can also have two choke coils have lungs. An example of this is given below.

In Fig. 6 ist wieder ein potentialgetrennter Flußwandler ohne Se kundärwicklung gezeigt. Hier kann die Vielseitigkeit der neuen Ent lastung demonstriert werden - die Wicklung w 2 dient der Entmagne tisierung des Transformators TR und gleichzeitig der Umladung des Entlastungskondensators C 2.!In Fig. 6 a floating flux converter without secondary winding is shown again. The versatility of the new discharge can be demonstrated here - the winding w 2 serves to demagnetize the transformer TR and at the same time to reload the discharge capacitor C 2. !

Vor dem Einschalten des Transistors T hat der Kondensator C 2 auf der Kollektorseite die positive Spannung vom Ende der Ausschalt phase. Diese entspricht, nach der Entmagnetisierung des Trans formators TR, der Betriebsspannung UB. Auf der Seite von Diode D 1 hat der Kondensator C 2 die Spannung 0 - dies bewirkt die Richtung des Entmagnetisierungsstromes, der über die Diode D 1 fließt. Während des Einschaltens von Transistor T erhält der Kondensator C 2 auf der Transistorseite die Spannung 0 und auf der Diodenseite die Span nung UB. Der Ladestromverlauf entspricht Fig. 3. Dabei wirkt die an die Wicklung n 1 gebundene Induktivität der Drossel DR im wesent lichen nur zur Einschaltstrombegrenzung des Laststromes, während die der Wicklung n 2 eigene Induktivität den Ladestrom begrenzt. (Im allgemeinen wird n 1 < n 2 für das Windungszahlverhältnis gelten). Beim Ausschaltvorgang muß der Kondensator C 2 umgeladen werden. Damit wird ein schnelles Ansteigen der Kollektorspannung verhindert, dh. der Transistor T wird von seinen Ausschaltverlusten entlastet! Die verkoppelten Wicklungen der Drossel DR bewirken die Entlastung von den Einschaltverlusten!Before switching on the transistor T , the capacitor C 2 on the collector side has the positive voltage from the end of the switch-off phase. This corresponds to the operating voltage UB after demagnetizing the transformer TR . On the side of diode D 1 , the capacitor C 2 has the voltage 0 - this causes the direction of the demagnetizing current that flows through the diode D 1 . When transistor T is switched on, capacitor C 2 receives voltage 0 on the transistor side and voltage UB on the diode side. The charging current curve corresponds to FIG. 3. The inductance of the inductor DR bound to the winding n 1 acts only to limit the inrush current of the load current, whereas the inductance of the winding n 2 limits the charging current. (In general, n 1 < n 2 will apply to the turns ratio). When switching off, the capacitor C 2 must be recharged. This prevents the collector voltage from rising quickly, ie. the transistor T is relieved of its turn-off losses! The coupled windings of the choke DR relieve the start-up losses!

Es sind vielseitige, erfindungsgemäße Entlastungen realisierbar für weitere DC-DC-Wandler wie "Tiefsetzsteller", "Hochsetzsteller", "Inverswandler", "Asymmetrische Halbbrücken", "Symmetrische Halb brücken", "Vollbrücken", "Gegentaktwandler mit Tastlücke", "Gegen taktwandler ohne Tastlücke", u.a. Auch Wechselrichter und Motor steuerungen benötigen schnelle Halbleiterschalter bei denen die Anwendung des neuen Entlastungsprinzipes vorteilhaft ist. Versatile reliefs according to the invention can be realized for other DC-DC converters such as "buck converter", "buck converter", "Inverse converter", "Asymmetric half bridges", "Symmetrical half bridge "," full bridges "," push-pull converter with gap "," counter clock converter without key gap ", including inverters and motor controls need fast semiconductor switches where the Application of the new principle of relief is advantageous.

References

Barret, J.: Verlustarme Entlastungsnetzwerke. ELEKTRONIK H. 3/1987.
Boehringer, A.; Knöll H.: Transistorschalter im Bereich hoher Leistungen und Frequenzen. ETZ B. 100 (1979).
Patentschrift DE 26 39 589 C2.
Offenlegungsschrift DE 26 44 715 A1.
Offenlegungsschrift DE 27 43 139 A1.
Offenlegungsschrift DE 26 41 183 A1.Barret, J .: Low Loss Relief Networks. ELECTRONICS H. 3/1987.
Boehringer, A .; Knöll H .: Transistor switches in the area of high powers and frequencies. ETZ B. 100 (1979).
Patent specification DE 26 39 589 C2.
Publication DE 26 44 715 A1.
Publication DE 27 43 139 A1.
Publication DE 26 41 183 A1.

Claims

1. Off-load relief of fast semiconductor switches by charging or discharging a capacitor or several capacitors in the switch-off phase, characterized in that a voltage is used before preparing for the necessary state of charge before the switch-off phase for reloading, which magnetically consists of a with the main inductance of the load circuit coupled winding comes.

2. Claim according to 1. characterized in that a strombe limiting choke can be designed as leakage inductance or that they are both in the charge reversal circuit of the capacitor or the capacitors as well as in the main circuit.

3. Claim according to 1 and 2, characterized in that a current limiting choke both for the preparation of the off switching relief as well as for the switch-on relief of the half conductor switch is used.

4. Claim according to 1, 2 and 3, characterized in that a current-limiting choke a winding in the main circuit and a winding in the charge-reversal circuit of the capacitor or the Has capacitors.