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Dokumentenidentifikation DE60112157T2 12.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001143619
Titel Halbleiter-Steuerschaltungsanordnung
Anmelder Nihon Kohden Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Akiyama, Naoto, Shinjuku-ku, Tokyo, JP;
Inomata, Masahiko, Shinjuku-ku, Tokyo, JP;
Tsumura, Ikuhiro, Shinjuku-ku, Tokyo, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60112157
Vertragsstaaten DE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.03.2001
EP-Aktenzeichen 011072055
EP-Offenlegungsdatum 10.10.2001
EP date of grant 27.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse H03K 17/691(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse H03K 17/60(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H03K 17/61(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H03K 17/62(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H03K 17/687(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H03K 17/725(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H03K 17/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H03K 17/10(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H03K 17/785(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung und besonders eine Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung, die zum Steuern eines Halbleiterschalters geeignet ist, der für eine Elektrotherapie-Vorrichtung, z.B. einen Defibrillator, verwendet wird.

Für eine Vorrichtung für einen Halbleiterschalter, der die Steuerung von Hochspannung ermöglicht, wird im Allgemeinen ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet.

Eine Schaltung zum Ansteuern eines mit diesem IGBT konfigurierten Halbleiterschalters ist über einen Fotokoppler oder einen Transformator verbunden, sodass die Schaltung elektrisch von einem Schaltungsteil isoliert ist, der direkt ein Steuersignal und das Gate des IGBT treibt.

Mit Verweis auf die Zeichnungen werden im Folgenden ein Beispiel, das einen Fotokoppler verwendet, und ein Beispiel, das einen Impulstransformator verwendet, einer herkömmlichen Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung beschrieben.

3 ist ein Schaltbild, das eine Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung mit einem Fotokoppler zeigt.

Wie in 3 gezeigt, besteht ein Teil, der eine Schaltvorrichtung (IGBT) 208a in einer ersten Stufe treibt, aus einem Fotokoppler 201a, einem Komparator 202a, einer positiven Spannungsquelle 203a, Transistoren 204a und 205a, einer negativen Spannungsquelle 206a und einem Wiederstand 207a, und ein Masseanschluss ist mit GND1 verbunden. Ferner besteht ein Teil, der eine Schaltvorrichtung (IGBT) 208b in einer zweiten Stufe treibt, aus einem Fotokoppler 201b, einem Komparator 202b, einer positiven Spannungsquelle 203b, Transistoren 204b und 205b, einer negativen Spannungsquelle 206b und einem Widerstand 207b, ein Masseanschluss ist mit GND2 verbunden, und eine Ansteuerschaltung in der nächsten Stufe oder in den nachfolgenden Stufen kann ähnlich zusammengesetzt sein.

4 ist ein Schaltbild, das eine Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung mit einem Impulstransformator zeigt.

Wie in 4 gezeigt, besteht ein Teil, der eine Schaltvorrichtung (IGBT) 257a in einer mit einer Sekundärseite eines Impulstransformators 251 verbundenen ersten Stufe treibt, aus einem Transistor 255a, Dioden 252a und 253a und Widerständen 254a und 256a, und ein Teil, der eine Schaltvorrichtung (IGBT) 257b in einer zweiten Stufe treibt, besteht aus einem Transistor 255b, Dioden 252b und 253b und Widerständen 254b und 256b, und eine Ansteuerschaltung in der nächsten Stufe oder in den nachfolgenden Stufen kann ähnlich zusammengesetzt sein.

Die herkömmliche Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung weist jedoch die folgenden Probleme auf.

Die in 3 gezeigte Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung ist mit dem Fotokoppler, der positiven Spannungsquelle, der negativen Spannungsquelle und der Masse GND in jeder Stufe einer angesteuerten Schaltvorrichtung (IGBT) versehen. Bei einem herkömmlichen System eines mehrstufigen Halbleiterschalters besteht ein Problem einer zeitlichen Verzögerung beim Schalten einer Schaltvorrichtung (IGBT). Wenn der Zeitpunkt des Schaltens verzögert wird, wird Überspannung an eine Schaltvorrichtung angelegt, wenn Schaltvorrichtungen in Reihe geschaltet sind, wie in 3 gezeigt, und auch, wenn Schaltvorrichtungen parallel geschaltet sind, wird Überspannung an eine Schaltvorrichtung angelegt, und in jedem Fall kann die Schaltvorrichtung zerstört werden. Da die gleiche Zahl von Fotokopplern, positiven und negativen Spannungsquellen und Massen wie die Zahl der Stufen der Schaltvorrichtungen (IGBT) benötigt wird, gibt es außerdem ein Problem, dass die Größe der Schaltung groß ist und die Kosten der ganzen Vorrichtung hoch sind.

Ferner kann die in 4 gezeigte Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nicht kontinuierlich positive Spannung oder negative Spannung an das Gate der anzusteuernden Schaltvorrichtung (IGBT) liefern. Auch hier gibt es ein Problem, dass das Schalten auf Rückwärts-Vorspannung (von positiver Spannung auf negative Spannung oder umgekehrt) langsam ist.

US-A-5 939 927 offenbart eine Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung, die in einem Defibrillator verwendet wird und einen Transformator, einen auf der Primärseite des Transformators bereitgestellten Primärseitenbereich zum Steuern des Stromes auf der Primärseite des Transformators entsprechend einem Steuersignal zum Steuern eines Halbleiters und einen auf der Sekundärseite des Transformators bereitgestellten Sekundärseitenbereich zum Ansteuern einer Schaltvorrichtung, z.B. ein IGBT, über einen Verarmungstransistor, dessen Gate mit dem Gate des Leistungstransistors IGBT verbunden ist, aufweist. Der Verarmungstransistor ist in seinem normalen Zustand leitend und wird über den Transformator durch das Steuersignal gesteuert, das dem Primärseitenbereich des Transformators zugeführt wird, um abgeschaltet zu werden, wodurch das Gate des Leistungstransistors auf eine positive Spannung aufgeladen wird, während in Abwesenheit des Steuersignals in dem Primärseitenbereich der Verarmungstransistor eingeschaltet wird, und die Gatespannung des Leistungstransistors wird null Volt.

US-A-5 781 040 offenbart einen Treiber für einen Leistungstransistor oder IGBT, der einen Transformator benutzt, um die Stromversorgung von dem Steuersignal zu isolieren. Das Steuersignal ist eine von zwei Frequenzen, und die isolierte Seite des Treibers enthält eine Schaltung zum Erfassen, welche der zwei Frequenzen vorhanden ist. Der Ausgang der Frequenzerfassungsschaltung schaltet abhängig von der vorhandenen Frequenz zwischen Tief und Hoch um, und der Ausgang dieser Schaltung ist mit dem Eingang der Transistortreiberschaltung verbunden, die das Gate des Leistungstransistors auflädt. Auch diese Schaltung des Standes der Technik vermag nur positive Spannung an das Gate des Leistungstransistors zu liefern, ist aber nicht in der Lage, negative Spannung zu liefern, weil das Potenzial einer in den isolierten Schaltkreisen bereitgestellten Stromversorgung in Bezug auf ein Source-Potenzial des Leistungstransistors positiv gehalten wird. Die Gate-Source-Spannung des Leistungstransistors muss daher entweder null oder positiv entsprechend dem Zustand eines Transistors sein, der bereitgestellt wird, um einen Steuerstrom oder -Spannung an das Gate des Leistungstransistors zu liefern.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zum Steuern eines Haltbleiterschalters geeignete Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung bereitzustellen, die kontinuierlich positive Spannung oder negative Spannung an das Gate einer anzusteuernden Schaltvorrichtung (IGBT) mit einer kleinen Zahl von Teilen liefern kann, Hochgeschwindigkeits-Umschaltung auf Rückwärts-Vorspannung ermöglicht und besonders für Elektrotherapie-Vorrichtungen verwendet wird, weil eine Verzögerung im Schaltzeitpunkt zwischen jeder Stufe verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale, wie in Anspruch 1 beansprucht, erfüllt.

Weitere Entwicklungen der Erfindung werden in Unteransprüchen 2 bis 20 beansprucht.

Eine erfindungsgemäße Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung ist in der Lage, die Spannung zwischen dem Gate und der Source der Schaltvorrichtung oder Leistungstransistors positiv, negativ oder abwechselnd zwischen positiv und negativ umgeschaltet bereitzustellen und aufrechtzuerhalten.

Wenn entsprechend einer weiteren Entwicklung der Erfindung der Primärseitenbereich ein Eingangssteuersignal empfängt, sendet er Leistung zum Steuern einer Vielzahl von Schaltvorrichtungen an einen Sekundärseitenbereich und aborbiert elektromotorische Gegenkraft, die verursacht wird, wenn ein in dem Transformator fließender Strom abgeschaltet wird, weil ein Steuersignal-Eingangsanschluss mit der Basis eines NPN-Bipolartransistors über einen Widerstand und einen Kondensator, die parallel geschaltet sind, verbunden ist, die Basis und der Emitter des NPN-Bipolartransistors über einen Widerstand verbunden sind, der Emitter mit einem Masseanschluss verbunden ist, der Kollektor des NPN-Bipolartransistors mit dem Gate eines P-Kanal-MOSFET über einen Widerstand verbunden ist, das Gate und die Source des P-Kanal-MOSFET über einen Widerstand verbunden sind, die Source mit einem Stromanschluss verbunden ist, der Drain des P-Kanal-MOSFET mit der Anode einer Diode verbunden ist, die Kathode der Diode mit dem Drain eines N-Kanal-MOSFET und einem Anschluss einer Primärwicklung eines Transformators verbunden ist, das Gate und die Source des N-Kanal-MOSFET über einen Widerstand verbunden sind, die Source mit einem Masseanschluss verbunden ist, ein Steuersignal-Eingangsanschluss mit dem Gate des N-Kanal-MOSFET über einen Widerstand verbunden ist, ein Steuersignal-Eingangsanschluss mit der Basis eines NPN-Bipolartransistors über einen Widerstand und einen Kondensator, die parallel geschaltet sind, verbunden ist, die Basis und der Emitter des NPN-Bipolartransistors über einen Widerstand verbunden sind, der Emitter mit einem Masseanschluss verbunden ist, der Kollektor des NPN-Bipolartransistors mit dem Gate eines P-Kanal-MOSFET über einen Widerstand verbunden ist, das Gate und die Source des P-Kanal-MOSFET über einen Widerstand verbunden sind, die Souce mit einem Stromanschluss verbunden ist, der Drain des P-Kanal-MOSFET mit der Anode einer Diode verbunden ist, die Kathode der Diode mit dem Drain eines N-Kanal-MOSFET und einem Anschluss der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, das Gate und die Source des N-Kanal-MOSFET über einen Widerstand verbunden sind, die Source mit einem Masseanschluss verbunden ist, ein Steuersignal-Eingangsanschluss mit dem Gate des N-Kanal-MOSFET über einen Widerstand verbunden ist, Anschlüsse der Primärwicklung des Transformators mit einer Mittelanzapfung verbunden sind, die Mittelanzapfung mit einem Stromanschluss verbunden ist, und die Mittelanzapfung über einen Widerstand mit einem Masseanschluss verbunden ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Schaltbild, das eine erfindungsgemäße Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung zeigt.

2(a) bis 2(c) sind Zeitdiagramme, die jede Operation der erfindungsgemäßen Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung zeigen.

3 ist ein Schaltbild, das eine herkömmliche Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung zeigt, die einen Fotokoppler verwendet.

4 ist ein Schaltbild, das eine herkömmliche Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung zeigt, die einen Impulstransformator verwendet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Mit Verweis auf die Zeichnungen wird im Folgenden eine Ausführung der erfindungsgemäßen Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung im Einzelnen beschrieben.

1 ist ein Schaltbild zur Erklärung einer Ausführung der erfindungsgemäßen Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung.

Wie in 1 gezeigt, besteht eine Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung 100 zum Ansteuern eines Halbleiterschalters, in dem mehrstufige Schaltvorrichtungen (IGBT) verbunden sind, aus einem Transformator 103, seinem Primärseitenbereich 101 und seinem Sekundärseitenbereich 102.

Der Primärseitenbereich ist wie folgt zusammengesetzt.

Ein Steuereingangsanschluss (für ein Signal PL) ist mit der Basis eines NPN-Bipolartransistors 108 über einen Widerstand 105 und einen Kondensator 104, die parallel geschaltet sind, verbunden, die Basis und der Emitter des NPN-Bipolartransistors 108 sind über einen Widerstand 106 verbunden und sind mit einem Masseanschluss GND verbunden.

Der Kollektor des NPN-Bipolartransistors 108 ist mit dem Gate eines P-Kanal-MOSFET 110 über einen Widerstand 107 verbunden, das Gate und die Source des P-Kanal-MOSFET 110 sind über einen Widerstand 109 verbunden und sind mit einem Stromanschluss VDD verbunden.

Der Drain des P-Kanal-Transistors 110 ist mit der Anode einer Diode 111 verbunden, und die Kathode der Diode 111 ist mit dem Drain eines N-Kanal-OSFET 114 und einem Anschluss 127a einer Primärwicklung des Transformators 103 verbunden.

Das Gate und die Souce des N-Kanal-MOSFET 114 sind über einen Widerstand 113 verbunden und sind mit einem Masseanschluss GND verbunden. Ein Steuereingangsanschluss (für ein Signal N) ist mit dem Gate des N-Kanal-MOSFET 114 über einen Wiederstand 112 verbunden.

Ein Steuereingangsanschluss (für ein Signal NL) ist mit der Basis eines NPN-Bipolartransistors 120 über einen Widerstand 117 und einen Kondensator 116, die parallel geschaltet sind, verbunden, und die Basis und der Emitter des NPN-Bipolartransistors 120 sind über einen Widerstand 118 verbunden und sind mit einem Masseanschluss GND verbunden.

Der Kollektor des NPN-Bipolartransistors 120 ist mit dem Gate eines P-Kanal-MOSFET 122 über einen Widerstand 119 verbunden, das Gate und die Source des P-Kanal-MOSFET 122 sind über einen Widerstand 121 verbunden und sind mit einem Stromanschluss VDD verbunden.

Der Drain des P-Kanal-MOSFET 122 ist mit der Anode einer Diode 123 verbunden, und die Kathode der Diode 123 ist mit dem Drain eines N-Kanal-MOSFET 126 und einem Anschluss 127d der Primärwicklung des Transformators 103 verbunden.

Das Gate und die Source des N-Kanal-MOSFET 126 sind über einen Widerstand 125 verbunden und sind mit einem Masseanschluss GND verbunden. Ein Steuereingangsanschluss (für ein Signal P) ist mit dem Gate des N-Kanal-MOSFET 126 über einen Widerstand 124 verbunden.

Anschlüsse 127b und 127c der Primärwicklung des Transformators 103 sind mit einer Mittelanzapfung 135 verbunden, und die Mittelanzapfung 135 ist mit einen Stromanschluss VDD verbunden und ist über einen Kondensator 115 mit einem Masseanschluss verbunden.

Der Sekundärseitenbereich 102 ist wie folgt zusammengesetzt.

Der Emitter einer Schaltvorrichtung (IGBT) 133a in einer ersten Stufe und der Kollektor einer Schaltvorrichtung (IGBT) 133b in einer zweiten Stufe sind verbunden, und in dem Fall, wo es Schaltvorrichtungen (IGBT) in Stufen gibt, die der zweiten Stufe folgen, obwohl nicht gezeigt, sind sie ähnlich verbunden, und mehrstufige Schaltvorrichtungen (IGBT) sind in Reihe geschaltet.

Gate-Ansteuerabschnitte 136a und 136b zum direkten Steuern der Spannung zwischen dem Gate und dem Emitter jeder Schaltvorrichtung (IGBT) sind jeweils wie folgt zusammengesetzt.

In dem Gate-Ansteuerabschnitt 136a ist die Anode einer (ersten) Zenerdiode 128a mit einem Anschluss 127a an einem Ende einer Sekundärwicklung des Transformators 103 verbunden, und die Kathode einer (zweiten) Zenerdiode 129a ist direkt mit der (ersten) Zenerdiode 128a in Reihe geschaltet, wobei sich die Kathoden gegenüberliegen, und die Anode der (zweiten) Zenerdiode 129a ist mit dem Gate der Schaltvorrichtung (IGBT) 113a über einen (ersten) Widerstand 132a verbunden, ein Anschluss 127f am anderen Ende der Sekundärwicklung ist mit dem Emitter der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a verbunden, und ein (zweiter) Widerstand 130a und ein Kondensator 131a sind zwischen die Anode der (zweiten) Zenerdiode 129a und den Emitter der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a geschaltet.

In dem Gate-Ansteuerabschnitt 136b ist die Anode einer (ersten) Zenerdiode 128b mit einem Anschluss 127g an einem Ende der Sekundärwicklung des Transformators 103 verbunden, und die Kathode einer (zweiten) Zenerdiode 129b ist direkt mit der Kathode der (ersten) Zenerdiode 128b in Reihe geschaltet, wobei sich die Kathoden gegenüberliegen, und die Anode der (zweiten) Zenerdiode 129b ist mit dem Gate der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b über einen (ersten) Widerstand 132b verbunden, ein Anschluss 127h am anderen Ende der Sekundärwicklung ist mit dem Emitter der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b verbunden, und ein (zweiter) Widerstand 130b und ein Kondensator 131b sind zwischen die Anode der (zweiten) Zenerdiode 129b und den Emitter der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b geschaltet.

Obwohl nicht gezeigt, sind in dem Fall, wo Gate-Ansteuerabschnitte in Stufen, die der zweiten Stufe folgen, vorhanden sind, diese ähnlich zusammengesetzt.

Als Nächstes wird die Funktion jeder Seite beschrieben.

In den Primärseitenbereich 101 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung wird ein Steuersignal eingegeben, um Leistung zum Steuern einer Vielzahl von Schaltvorrichtungen (IGBT) 133a und 133b an den Sekundärseitenbereich 102 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung zu senden. Ferner absorbiert die Primärseite die elektromagnetische Gegenkraft, die verursacht wird, wenn ein in der Primärwicklung des Transformators 103 fließender Strom abgeschaltet wird.

Der Sekundärseitenbereich 102 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung empfängt von dem Primärseitenbereich 101 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung gelieferte Leistung und sendet Leistung zum Steuern der Vielzahl von Schaltvorrichtungen (IGBT) 133a und 133b an dieselben.

Diese Schaltvorrichtungen (IGBT) 133a und 133b in jeder Stufe empfangen die dem Sekundärseitenbereich 102 zugeführte Leistung und bewirken oder verhindern, dass Strom zum Schalten 134 fließt.

Die Funktion jeder Schaltungskomponente wird im Folgenden beschrieben.

Der Kondensator 104 beschleunigt das Einschalten/Ausschalten des Bipolartransistors 108.

Der Widerstand 105 begrenzt den Basisstrom des Bipolartransistors 108.

Der Widerstand 106 gleicht das Basispotenzial des Bipolartransistors 108 an das Potenzial des Emitters an.

Der Widerstand 107 begrenzt den Kollektorstrom des Bipolartransistors 108.

Der Bipolartransistor 108 führt die Ein/Aus-Steuerung des P-Kanal-MOSFET 110 durch.

Der Widerstand 109 gleicht das Gatepotenzial des P-Kanal-MOSFET 110 an das Potenzial der Source an.

Der P-Kanal-MOSFET 110 unterdrückt Spannung, die am Anschluss 127a der Primärwicklung des Transformators 103 durch elektromotorische Gegenkraft verursacht wird, wenn der N-Kanal-MOSFET 126 ausgeschaltet wird.

Die Diode 111 unterdrückt Spannung, die am Anschluss 127a der Primärwicklung des Transformators 103 durch elektromotorische Gegenkraft verursacht wird, wenn der N-Kanal-MOSFET 126 ausgeschaltet wird, sodass die Spannung am Anschluss 127a auf einem optimalen Pegel liegt. Die Diode 111 verhindert auch, dass Strom in dem P-Kanal-MOSFET 110 in der Rückwärtsrichtung durch eine Spannung fließt, die durch eine höhere Spannung als die Sourcespannung am Anschluss 127a des Transformators 103 verursacht wird, wenn der N-Kanal-MOSFET 126 eingeschaltet wird.

Der Widerstand 112 begrenzt den Gatestrom des N-Kanal-MOSFET 114.

Der Widerstand 113 gleicht das Gatepotenzial des N-Kanal-MOSFET 114 an das Potenzial der Source an.

Der N-Kanal-MOSFET 114 steuert die Zufuhr von Strom zu der Primärwicklung des Transformators 103.

Der Kondensator 115 glättet die dem Transformator 103 zugeführte Sourcespannung.

Der Kondensator 116 trägt zur Beschleunigung bei, wenn der Bipolartransistor 120 ein- oder ausgeschaltet wird.

Der Widerstand 117 begrenzt den Basisstrom des Bipolartransistors 120.

Der Widerstand 118 gleicht das Basispotenzial des Bipolartransistors 120 an das Potenzial des Kollektors an.

Der Widerstand 119 begrenzt den Kollektorstrom des Bipolartransistors 120.

Der Bipolartransistor 120 steuert das Ein- und Ausschalten des P-Kanal-MOSFET 122.

Der Widerstand 121 gleicht das Gatepotenzial des P-Kanal-MOSFET 122 an das Potenzial der Source an.

Der P-Kanal-MOSFET 122 unterdrückt Spannung, die am Anschluss 127d der Primärwicklung des Transformators 103 durch elektromotorische Gegenkraft verursacht wird, wenn der N-Kanal-MOSFET 114 ausgeschaltet wird.

Die Diode 123 unterdrückt Spannung, die am Anschluss 127d der Primärwicklung des Transformators 103 durch elektromotorische Gegenkraft verursacht wird, wenn der N-Kanal-MOSFET 114 ausgeschaltet wird, sodass die Spannung auf einem optimalen Pegel liegt. Die Diode 123 verhindert auch, dass Strom in dem P-Kanal-MOSFET 122 in der Rückwärtsrichtung durch eine Spannung fließt, die durch eine höhere Spannung als die Sourcespannung am Anschluss 127d des Transformators 103 verursacht wird, wenn der N-Kanal-MOSFET 114 eingeschaltet wird.

Der Widerstand 124 begrenzt den Basisstrom des N-Kanal-MOSFET 126.

Der Widerstand 125 gleicht das Gatepotenzial des N-Kanal-MOSFET 126 an das Potenzial der Source an.

Der N-Kanal-MOSFET 126 steuert die Zufuhr von Strom zu der Primärwicklung des Transformators 103.

Der Transformator 103 isoliert zwischen der Primärseite und der Sekundärseite der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung, isoliert jede Stufe der Sekundärseite und sendet Leistung von der Primärseite zu der Sekundärseite.

Die Zenerdiode 128a verbindet einen positiven Spannungsversorgungsweg mit der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a und verhindert Spannung, die zwischen den Anschlüssen 127e und 127f der Sekundärwicklung des Transformators 103 durch elektromotorische Gegenkraft des Transformators 103 verursacht wird.

Die Zenerdiode 129a verbindet einen negativen Spannungsversorgungsweg mit der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a und verhindert Spannung, die zwischen den Anschlüssen 127e und 127f der Sekundärwicklung des Transformators 103 durch elektromotorische Gegenkraft des Transformators 103 verursacht wird.

Der Widerstand 130a gleicht das Gatepotenzial der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a an das Potenzial des Emitters an.

Der Kondensator 131a hält die Gatespannung der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a und korrigiert die Streuung in der Gate-Kapazität zwischen der Vielzahl von Schaltvorrichtungen (IGBT) 133a und 133b.

Der Widerstand 132a begrenzt den Gatestrom der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a.

Die Schaltvorrichtung (IGBT) 133a bewirkt oder verhindert, dass Strom zum Schalten 134 fließt.

Der Ansteuerabschnitt (einschließlich der Zenerdioden 128b und 129b, des Widerstands 130b und des Widerstands 132b) der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b in der zweiten Stufe weist ähnliche Funktionen auf.

Als Nächstes wird mit Verweis auf das in 1 gezeigte Schaltbild und die in 2(a) bis (c) gezeigten Zeitdiagramme die Arbeitsweise der dieser Ausführung entsprechenden Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung beschrieben.

2(a) zeigt den Vorgang, um den Halbleiterschalter leitend zu halten (dauernd positive Spannung liefern).

Der Vorgang in dem Primärseitenbereich 101 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung in dieser Operation ist wie in a-1 bis a-8 beschrieben.

  • a-1: Signale N und NL, die in den Primärseitenbereich 101 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung eingegeben werden, werden in der Schaltung auf 0 V gehalten.
  • a-2: Der Pegel eines Eingangssignals PL wird von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der Bipolartransistor 108 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).
  • a-3: Der Bipolartransistor 108 wird leitend.
  • a-4: Der P-Kanal-MOSFET 110 wird leitend.
  • a-5: Nachdem genug Zeit zum Ausschalten des Bipolartransistors 120 und des P-Kanal-MOSFET 122 vergangen ist (z.B. 1 &mgr;s), nachdem der Pegel des Eingangssignals NL in a-1 auf 0 V gesetzt wurde, wird der Pegel des Eingangssignals P von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der N-Kanal-MOSFET 126 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).
  • a-6: Der N-Kanal-MOSFET 126 wird leitend.
  • a-7: Strom fleißt von dem Anschluss 127c zu dem Anschluss 127d in der Primärwicklung des Transformators 103 von der Mittelanzapfung 135 hin zu dem N-Kanal-MOSFET 126.
  • a-8: Elektromotorische Kraft V2p, die auf der Seite des Anschlusses 127e positiv ist und auf der Seite des Anschlusses 127 negativ ist (ist ebenso positiv auf der Seite des Anschlusses 127g und negativ auf der Seite des Anschlusses 127h), wird an beiden Enden jeder Sekundärwicklung des Transformators 103 erzeugt (siehe die folgende Gleichung 1). V2p = V1 × N2/N1(1) In Gleichung 1 bezeichnet V1 eine zwischen die Anschlüsse 127c und 127d des Transformators 103 angelegte Spannung, N1 bezeichnet die Windungszahl zwischen den Anschlüssen 127c und 127d und zwischen den Anschlüssen 127a und 127b des Transformators 103, und N2 bezeichnet die Windungszahl zwischen den Anschlüssen 127e und 127f und zwischen den Anschlüssen 127g und 127f des Transformators 103.

    Die Arbeitsweise im Sekundärseitenbereich 102 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung in dieser Operation ist wie nachstehend in a-9 bis a-18 beschrieben.

    Der Ansteuerabschnitt von einer Schaltvorrichtung (IGBT) 133a des Halbleiterschalters mit einer Vielzahl von Stufen wird im Folgenden beschrieben. Die Arbeitsweise der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b in einer anderen Stufe und anderen ist jedoch ähnlich.
  • a-9: Die elektromotorische Kraft V2p an beiden Enden jeder Sekundärwicklung nimmt zu und übersteigt eine Spannung, die durch Addieren der Zenerspannung Vz29 der Zenerdiode 129a und der Abfallspannung Vf28 in einer Vorwärtsrichtung der Zenerdiode 128a erhalten wird (siehe Gleichung 2). V2p > Vz29 + Vf28(2)
  • a-10: Die Zenerdiode 129a wird leitend.
  • a-11: Der Kondensator 131a wird geladen (die Seite der Zenerdiode 129a ist positiv), und die Gate-Kapazität der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a wird über den Widerstand 132a geladen (die Seite des Gates ist positiv).
  • 1-12: Die Gatespannung VGE der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a übersteigt die Gate-Schwellenspannung VGE(TH) (eine Bedingung der Gleichung 3), und die Schaltvorrichtung (IGBT) 133a wird leitend. VGE33 > VGE(TH)(3)
  • a-13: Nachden die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a ein Pegel (z.B. +15 V) geworden ist, der ausreicht, um die Schaltvorrichtung leitend zu halten (z.B. in 2.5 &mgr;s), wird ein Eingangssignal P auf 0 V gesetzt.
  • a-14: Elektromotorische Gegenkraft, die auf der Seite des Anschlusses 127d positiv ist und auf der Seite des Anschlusses 127a negativ ist, wird auf der Primärwicklung des Transformators 103 verursacht. Da aber der Anschluss 127a auf einer Seite der Wicklung mit einer Stromquelle über den P-Kanal-MOSFET 110 und die Diode 111, die beide leitend sind, verbunden ist, wird die zwischen den Anschlüssen 127a und 127d verursachte elektromotorische Gegenkraft V1rev unterbunden, wie in Gleichung 4 gezeigt. V1rev = (Vd*10 + Vf11) × 2(4) Vd*10 bezeichnet die Abfallspannung des P-Kanal-MOSFET 110, und Vf11, bezeichnet die Abfallspannung in einer Durchlassrichtung der Diode 111.
  • a-16: Elektromotorische Kraft V2prev, die auf der Seite des Anschlusses 127f positiv ist und auf der Seite des Anschlusses 127e negativ ist, wird auch auf der Sekundärwicklung durch elektromotorische Gegenkraft V1rev verursacht, die auf der Primärwicklung des Transformators 103 verursacht wird. Der Pegel ist jedoch die Zenerspannung Vt28 der Zenerdiode 128a oder weniger, und die Schaltung auf der Sekundärseite wird durch die Zenerdiode 128a nicht leitend (siehe Gleichung 5). V2prev = (V1rev × N2/N1) < Vz28(5)
  • a-17: Die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a nimmt entsprechend einer Zeitkonstanten ab, die basierend auf dem Widerstand 130a, dem Kondensator 131a und dem Widerstand 132a und der Gate-Kapazität der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a bestimmt wird.

    Diese Zeitkonstante wird so bestimmt, dass die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a die Spannung aufrechterhalten kann, die ausreicht, um die Schaltvorrichtung ausreichend lang leitend zu halten, damit im Kern des Transformators 103 gespeicherte magnetische Energie verbraucht werden kann.
  • a-18: Bevor die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a die Gate-Schwellenspannung VGE<TH> oder weniger ist, und nachdem im Kern des Transformators 103 gespeicherte Energie verbraucht ist, wird der Pegel eines Eingangssignals P von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der N-Kanal-MOSFET 126 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).

Danach werden a-6 bis a-18 wiederholt.

Der gleiche Vorgang wird auch bei dem gleichen Timing in den Ansteuerabschnitten der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b in einer anderen Stufe und anderen durchgeführt.

2(b) zeigt den Vorgang, um den Halbleiterschalter nicht leitend zu hatten (dauernd negative Spannung liefern). Der Vorgang in dem Primärseitenbereich 101 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung ist in diesem Vorgang wie in b-1 bis b-8 beschrieben.

  • b-1: Signale P und PI, die in den Primärseitenbreich 101 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung eingegeben werden, werden in der Schaltung auf 0 V gehalten.
  • b-2: Der Pegel eines Eingangssignals NL wird von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der Bipolartransistor 120 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).
  • b-3: Der Bipolartransistor 120 wird leitend.
  • b-4: Der P-Kanal-MOSFET 122 wird leitend
  • b-5: Nachdem eine ausreichende Zeit zum Abschalten des Bipolartransistors 108 und des P-Kanal-MOSFET 110 vergangen ist (z.B 1 &mgr;s), nachdem das Eingangssignal PL auf 0 V gesetzt ist, wird der Pegel eines Eingangssignals N von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der N-Kanal-MOSFET 114 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).
  • b-6: Der N-Kanal-MOSFET 114 wird leitend.
  • b-7: Strom fließt (vom Anschluss 127b zum Anschluss 127a) in der Primärwicklung des Transformators 103 von der Mittelanzapfung hin zu dem N-Kanal-MOSFET 114.
  • b-8: Elektromotorische Kraft V2n, die auf der Seite des Anschlusses 127f positiv ist und auf der Seite des Anschlusses 127e negativ ist (ebenso positiv auf der Seite des Anschlusses 127h und negativ auf der Seite des Anschlusses 127g), wird an beiden Ender jeden Sekundärwicklung des Transformators 103 erzeugt (siehe Gleichung 6). V2n = V1 × N2/N1(6) V1 bezeichnet die zwischen die Anschlüsse 127b und 127a des Transformators 103 angelegte Spannung, N1 bezeichnet die Windungszahl zwischen den Anschlüssen 127a und 127b und zwischen den Anschlüssen 127c und 127d des Transformators, und N2 bezeichnet die Windungszahl zwischen den Anschlüssen 127e und 127f und zwischen den Anschlüssen 127g und 127h des Transformators 103.

    Als Nächstes ist der Vorgang im Sekundärseitenbereich 102 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung in diesem Vorgang wie in b-9 bis b-18 beschrieben.

    Der Ansteuerabschnitt von einer Schaltvorrichtung (IGBT) 133a des Halbleiterschalters in einer Vielzahl Stufen wird beschrieben, jedoch ist die Arbeitsweise der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b in einer anderen Stufe und anderen ebenfalls ähnlich.
  • b-9: Elektromotorische Kraft V2n an beiden Enden jeder Sekundärwicklung nimmt zu und übersteigt eine Spannung, die durch Addieren der Zenerspannung Vz28 der Zenerdiode 128a und der Abfallspannung Vf29 in einer Vorwärtsrichtung der Zenerdiode 129a erhalten wird. V2n > Vz28 + Vf29(7)
  • b-10: Die Zenerdiode 128a wird leitend.
  • b-11: Der Kondensator 131a wird geladen (die Seite der Zenerdiode 129a ist negativ), und die Gate-Kapazität der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a wird über den Widerstand 132a geladen (die Seite des Gates ist negativ).
  • b-12: Die Gatespannung VGE der Schaltvorrichtung 133a wird negativ, und die Schaltvorrichtung wird erzwungen nicht leitend.
  • b-13: Nachdem die Gatespannung VGE der Schaltvorrichtung 133a ein Pegel (z.B. –15 V) geworden ist, der ausreicht, um die Schaltvorrichtung nicht leitend zu halten (z.B. in 2.5 &mgr;s), wird ein Eingangssignal N auf 0 V gesetzt.
  • b-14: Der N-Kanal-MOSFET 114 wird nicht leitend.
  • b-15: Elektromotorische Gegenkraft, die auf der Seite des Anschlusses 127a positiv und auf der Seite des Anschlusses 127d negativ ist, wird wird auf der Primärwicklung des Transformators verursacht, da aber der Anschluss 127d am Ende der Wicklung mit einer Stromquelle über den P-Kanal-MOSFET 122 und die Diode 123, die beide leitend sind, verbunden ist, wird die elektromotorische Gegenkraft V1rev unterbunden, wie in der folgenden Gleichung 8 gezeigt. V1rev = Vds22 + Vf23) × 2(8) Vds22 bezeichnet die Abfallspannung des P-Kanal-MOSFET 122, und Vz23 bezeichnet die Abfallspannung in einer Durchlassrichtung der Diode 123.
  • b-16: Elektromotorische Kraft V2nrev, die auf der Seite des Anschlusses 127e positiv und auf der Seite des Anschlusses 127f negativ ist, wird auch auf der Sekundärwicklung durch elektromotorische Kraft V1rev erzeugt, die auf der Primärwicklung des Transformators 103 verursacht wird, aber der Pegel ist die Zenerspannung Vz29 der Zenerdiode 129a oder weniger, und die Schaltung auf der Sekundärseite wird durch die Zenerdiode 129a nicht leitend (siehe Gleichung 9). V2nrev = (V1rev × N2/N1) < Vz29(9)
  • b-17: Die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a nimmt entsprechend einer Zeitkonstanten zu, die basierend auf dem Widerstand 130a, dem Kondensator 131a, dem Widerstand 132a und der Gate-Kapazität der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a bestimmt wird.

    Die Zeitkonstante wird so bestimmt, dass die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a fortfahren kann, die Spannung ausreichend zu halten, um die Schaltvorrichtung lange genug nicht leitend zu halten, damit die im Kern des Transformators 103 gespeicherte magnetische Energie verbraucht wird.
  • b-18: Bevor die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a die Schwellenspannung 0 V oder mehr ist, und nachdem die im Kern des Transformators 103 gespeicherte magnetische Energie verbraucht ist, wird der Pegel eines Eingangssignals N von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der N-Kanal-MOSFET 114 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).

Danach werden b-6 bis b-18 wiederholt.

Der gleiche Vorgang wird auch mit dem gleichen Timing in den Ansteuerabschnitten der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b in einer anderen Stufe und anderen durchgeführt.

2(c) zeigt den Schaltvorgang des Halbleiterschalters (der Schaltvorgang der IGBT durch Schalten der positiven und negativen Spannung).

Die Operation in dem Primärseitenbereich der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung in diesem Vorgang ist wie in c1 bis c-8 beschrieben.

  • c-1: Signale N und NL, die in den Primärseitenbereich 101 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung eingegeben werden, werden in der Schaltung auf 0 V gesetzt.
  • c-2: Der Pegel eines Eingangssignals PL wird von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der Bipolartransistor 108 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).
  • c-3: Der Bipolartransistor 108 wird leitend.
  • c-4: Der P-Kanal-MOSFET 110 wird leitend.
  • c-5: Nachdem eine Zeit, die ausreicht, um den Bipolartransistor 120 und den P-Kanal MOSFET 122 auszuschalten, vergangen ist (z.B. 1 &mgr;s), nachdem das Eingangssignal NL auf 0 V gesetzt wurde, wird der Pegel eines Eingangssignals P von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der N-Kanal-MOSFET 126 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).
  • c-6: Der N-Kanal-MOSFET 126 wird leitend.
  • c-7: Strom fließt (vom Anschluss 127c zum Anschluss 127d) in der Primärwicklung des Transformators 104 von der Mittelanzapfung hin zu dem N-Kanal-MOSFET 126.
  • c-8: Elektromotorische Kraft V2p, die auf der Seite des Anschlusses 127e positiv und auf der Seite des Anschlusses 127f negativ ist (ebenso positive auf der Seite des Anschlusses 127g und negativ auf der Seite des Anschlusses 127h) wird an beiden Enden jeder Sekundärwicklung des Transformators erzeugt. V2p = V1 × N2/N1(10) V1 bezeichnet die zwischen die Anschlüsse 127c und 127d des Transformators 103 angelegt Spannung, N1 bezeichnet die Windungszahl zwischen den Anschlüssen 127c und 127d und zwischen den Anschlüssen 127a und 127b des Transformators 103, und N2 bezeichnet die Windungszahl zwischen den Anschlüssen 127e und 127f und zwischen den Anschlüssen 127g und 127h des Transformators 103.

    Der Vorgang im Sekundärseitenbereich 102 der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung in dieser Operation ist wie in c-9 bis c-34 beschrieben.

    Der Ansteuerabschnitt von einer Schaltvorrichtung (IGBT) 133a des Halbleiterschalters in einer Vielzahl Stufen wird beschrieben, aber die Arbeitsweise der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b in einer anderen Stufe und anderen ist ebenfalls ähnlich.
  • c-9: Elektromotorische Kraft V2p an beiden Enden jeder Sekundärwicklung nimmt zu und übersteigt eine Spannung, die durch Adiieren der Zenerspannung Vz29 der Zenerdiode 129a und der Abfallspannung Vf28 in einer Vorwärtsrichtung der Zenerdiode 128a erhalten wird. V2p > Vz29 + Vf28
  • c-10: Die Zenerdiode 129a wird leitend.
  • c-11: Der Kondensator 131a wird geladen (die Seite der Zenerdiode 129a ist positiv), und die Gate-Kapazität der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a wird über den Widerstand 132a geladen (die Seite des Gates ist positiv).
  • c-12: Die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a übersteigt die Gate-Schwellenspannung VGE(TH) (siehe Gleichung (12), und die Schaltvorrichtung (IBGT) 133a wird leitend. VGE33 > VGE<TH>(12)
  • c-13: Nachdem die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a ein Pegel geworden ist, der ausreicht, um die Schaltvorrichtung leitend zu halten (z.B. 2.5 &mgr;s), wird ein Eingangssignal P auf 0 V gesetzt.
  • c-14: Der N-Kanal-MOSFET 126 wird nicht leitend.
  • c-15: Elektromotorische Gegenkraft, die auf der Seite des Anschlusses 127d positiv und auf der Seite des Anschlusses 127a negativ ist, wird auf der Primärwicklung des Transformators 103 verursacht, aber da der Anschluss 127a an einem Ende der Wicklung mit einer Stromquelle über den P-Kanal-MOSFET 110 und die Diode 111, beide leitend sind, verbunden ist, wird die zwischen den Anschlüssen 127a und 127d verursachte elektromotorische Gegenkraft V1rev unterbunden, wie in Gleichung 13 gezeigt. V1rev = (Vds10 + Vf11) × 2(13) Vds10 bezeichnet die Abfallspannung des P-Kanal-MOSFET 110, und Vf11 bezeichnet die Abfallspannung in einer Durchlassrichtung der Diode 111.
  • c-16: Elektromotorische Kraft V2prev, die auf der Seite des Anschlusses 127f positiv und auf der Seite des Anschlusses 127e negativ ist, wird auch auf der Sekundärwicklung durch elektromotorische Gegenkraft V1rev erzeugt, die auf der Primärwicklung des Transformators 103 verursacht wird, aber der Pegel ist die Zenerspannung Vz28 der Zenerdiode 128a oder weniger, und die Schaltung auf der Sekundärseite wird durch die Zenerdiode 128a nicht leitend. V2prev = (V1rev × N2/N1) < Vz28(14)
  • c-17: Die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a nimmt entsprechend einer Zeitkonstanten ab, die basierend auf dem Widerstand 130a, dem Kondensator 131a, dem Widerstand 132a und der Gate-Kapazität der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a bestimmt wird.

    Diese Zeitkonstante wird so bestimmt, dass die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a fortfahren kann, die Spannung ausreichend zu halten, um die Schaltvorrichtung lange genug leitend zu halten, damit im Kern des Transformators 103 gespeicherte magnetische Energie verbraucht wird.
  • c-18: Bevor die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133 die Gate-Schwellenspannung VGE<TH> oder weniger ist, und nachdem im Kern des Transformators 103 gespeicherte magnetische Energie verbraucht ist, wird der Pegel des Eingangssignals PL auf 0 V gesetzt. Gleichzeitig wird der Pegel des Eingangssignals NL von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der Bipolartransistor 120 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).
  • c-19: Der Bipolartransistor 120 wird leitend.
  • c-20: Der P-Kanal-MOSFET 122 wird leitend.
  • c-21: Nachdem eine Zeit, die ausreicht, den Bipolartransistor 108 und den P-Kanal-MOSFET 110 auszuschalten, vergangen ist (z.B. in 1 &mgr;s), nachdem das Eingangssignal PL auf 0 V gesetzt ist, wird der Pegel eines Eingangssignals N von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der N-Kanal-MOSFET 114 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).
  • c-22: Der N-Kanal-MOSFET 114 wird leitend.
  • c-23: Strom fließt (vom Anschluss 127b zum Anschluss 127a) in der Primärwicklung des Transformators 103 von der Mittelanzapfung hin zu dem N-Kanal-MOSFET 114.
  • c-24: Elektromotorische Kraft V2n, die auf der Seite des Anschlusses 127 positiv und auf der Seite des Anschlusses 127e negativ ist (ebenso positiv auf der Seite des Anschlusses 127h und negativ auf der Seite des Anschlusses 127g) wird an beiden Enden jeder Sekundärwicklung des Transformators 103 erzeugt (siehe Gleichung 15). V2n = V1 × N2/N1(15) V1 bezeichnet die zwischen die Anschlüsse 127b und 127a des Transformators 103 angelegte Spannung, N1 bezeichnet die Windungszahl zwischen den Anschlüssen 127a und 127b (und zwischen den Anschlüssen 127c und 127d) des Transformators 103, und N2 bezeichnet die Windungszahl zwischen den Anschlüssen 127e und 127f (und zwischen den Anschlüssen 127g und 127h des Transformators 103.
  • c-25: Elektromotorische Kraft V2n an beiden Enden jeder Sekundärwicklung nimmt zu und übersteigt die Spannung, die durch Addieren der Zenerspannung Vz28 der Zenerdiode 128a und der Abfallspannung Vf29 in einer Vorwärtsrichtung der Zenerdiode 129a erhalten wird. V2n > Vz28 + Vf29(16)
  • c-26: Die Zenerdiode 128a wird leitend.
  • c-27: Der Kondensator 131a wird geladen (die Seite der Zenerdiode 129a ist negativ), und die Gate-Kapazität der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a wird über den Widerstand 132a geladen (die Seite des Gates ist negativ).
  • c-28: Die Gatespannung VGE der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a wird negativ, und die Schaltvorrichtung wird erzwungen nicht leitend.
  • c-29: Nachdem die Gatespannung VGE der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a ein Pegel geworden ist (z.B. –15 V), der ausreicht, die Schaltvorrichtung nicht leitend zu halten (z.B. 2.5 &mgr;s), wird das Eingangssignal N auf 0 V gesetzt.
  • c-30: Der N-Kanal-MOSFET 114 wird leitend.
  • c-31: Elektromotorische Gegenkraft, die auf der Seite des Anschlusses 127a positiv und auf der Seite des Anschlusses 127d negativ ist, wird auf der Primärwicklung des Transformators 103 verursacht, aber da der Anschluss 127d an einem Ende der Wicklung mit einer Stromquelle über den P-Kanal-MOSFET 122 und die Diode 123, die beide leitend sind) verbunden ist, wird die verursachte elektromotorische Gegenkraft V1rev unterbunden, wie in Gleichung 17 gezeigt. V1rev = (Vds22 + Vf23) × 2 Vds22 bezeichnet die Abfallspannung des P-Kanal-MOSFET 122, und Vf23 bezeichnet die Abfallspannung in einer Durchlassrichtung der Diode 123.
  • c-32: Elektromotorische Kraft V2nrev, die auf der Seite des Anschlusses 127e positiv und auf der Seite des Anschlüsses 127f negativ ist, wird auch auf der Sekundärwicklung durch elektromotorische Gegenkraft V1rev erzeugt, die auf der Primärwicklung des Transformators 103 verursacht wird, aber der Pegel ist die Zenerspannung Vz29 der Zenerdiode 129a oder weniger, und die Sekundärseite wird durch die Zenerdiode 129a nicht leitend. V2nrev = V1rev × N2/N1) < Vz29(18)
  • c-33: Die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a nimmt entsprechend einer Zeitkonstanten zu, die basierend auf dem Widerstand 130a, dem Kondensator 131a, dem Widerstand 132a und der Gate-Kapazität der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a bestimmt wird.

    Diese Zeitkonstante wird so bestimmt, dass die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a die Spannung ausreichend halten kann, um die Schaltvorrichtung lange genug nicht leitend zu halten, damit im Kern des Transformators 103 gespeicherte magnetische Energie verbraucht wird.
  • c-34: Bevor die Gatespannung VGE33 der Schaltvorrichtung (IGBT) 133a die Schwellenspannung 0 V oder mehr ist, und nachdem die im Kern des Transformators 103 gespeichert magnetische Energie verbraucht ist, wird der Pegel des Eingangssignals NL auf 0 V gesetzt. Gleichzeitig wird der Pegel des Eingangssignals PL von 0 V auf einen Pegel geändert, bei dem der Bipolartransistor 108 eingeschaltet werden kann (z.B. +5 V).

Danach werden c-3 bis c-34 wiederholt.

Der gleiche Vorgang wird auch mit dem gleichen Timing in den Ansteuerabschnitten der Schaltvorrichtung (IGBT) 133b in einer anderen Stufe und anderen durchgeführt.

Da die Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung entsprechend dieser Ausführung für einen Halbleiterschalter einer Schaltung zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses verwendet werde kann, kann ein elektrischer Hochspannungsimpuls von dem Ausgangsanschluss einer mit dem Halbleiterschalter versehenen Elektrotherapie-Vorrichtung stabil an einen äußeren lebenden Körper geliefert werden. Die Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dieser Ausführung kann außerdem Hochgeschwindigkeits-Schaltvorgänge bei etwa 35 Hz durchführen.

Da, wie oben im Einzelnen beschrieben, in der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dem ersten Aspekt die Spannung zwischen dem Gate und dem Emitter der Schaltvorrichtung dauernd positiv gehalten werden kann, die Spannung zwischen dem Gate und Emitter dauernd negativ gehalten werden kann, und die Spannung zwischen dem Gate und dem Emitter abwechselnd auf positive Spannung oder negative Spannung umgeschaltet werden kann, kann der stabile leitende Zustand des Halbleiterschalters bewahrt werden, und der stabile nicht leitende Zustand des Halbleiterschalters kann bewahrt werden.

Da die Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dem zweiten und dritten Aspekt bewirkt oder verhindert, dass Strom zum Schalten fließt, wenn ein Steuersignal eingegeben wird, kann der Halbleiterschalter, der synchron mit einem Eingangssteuersignal betrieben werden kann, verwirklich werden.

Da die Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dem vierten Aspekt so konfiguriert ist, dass die Source des P-Kanal-MOSFET mit dem Stromanschluss verbunden ist, der Drain des P-Kanal-MOSFET mit der Anode der Diode verbunden ist, die Kathode der Diode mit dem Anschluss an einem Ende der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, und elektromotorische Gegenkraft zwischen dem Anschluss an einem Ende der Primärwicklung des Transformators und dem Anschluss an dem anderen Ende der Primärwicklung des Transformators unterbunden werden kann, indem der P-Kanal-MOSFET in einen leitenden Zustand gebracht wird, kann der stabile Betrieb des Halbleiterschalters durch Unterbinden der elektromotorischen Gegenkraft verwirklich werden.

Die Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dem fünften Aspekt kann Leistung zum Steuern vieler Schaltvorrichtungen durch die Schaltungskonfiguration im Primärseitenbereich an den Sekundärseitenbereich senden, kann elektromotorische Gegenkraft absorbieren, die verursacht wird, wenn in dem Transformator fließender Strom abgeschaltet wird, und der stabile Betrieb des Halbleiterschalters kann durch die einfache Schaltung und die kleine Zahl von Teilen verwirklicht werden.

Da die Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dem sechsten Aspekt mit einer Vielzahl von Schaltvorrichtungen und einer Vielzahl von Gate-Ansteuerabschnitten versehen ist, die die Schaltvorrichtungen im Sekundärseitenbereich direkt ansteuern, und die Schaltvorrichtungen in Reihe geschaltet sind, hat die Spannungsfestigkeit des Halbleiterschalters gegen das Anlegen von hoher Spannung einen Wert, der durch Addieren der Spannungsfestigkeit der Schaltvorrichtung selbst in jeder Stufe erlangt wird, und der Halbleiterschalter mit hoher Spannungsfestigkeit kann verwirklicht werden.

Da die Schaltvorrichtung in der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dem siebten Aspekt ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist, kann der Halbleiterschalter, der die mit der niedrigen Sättigungsspannungs-Charakteristik des Bipolartransistors und der Schaltcharakteristik eines Leistungs-MOSFET versehene Vorrichtung (IGBT) verwenden kann, verwirklicht werden.

Da die Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dem achten Aspekt mit der Zenerdiode zum Verhindern von elektromotorischer Kraft versehen ist, die auf der Sekundärwicklung durch elektromotorische Gegenkraft verursacht wird, die auf der Primärwicklung des Transformators im Sekundärseitenbereich verursacht wird, kann der stabile Betrieb des Halbleiterschalters verwirklicht werden.

Da auf der Sekundärseite der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach dem neunten Aspekt der Anschluss an einem Ende der Sekundärwicklung der Transformators mit der Anode der ersten Zenerdiode verbunden ist, die Anode der zweiten Zenerdiode, deren Kathode direkt mit der Kathode der ersten Zenerdiode in Reihe geschaltet ist, wobei sich beide Kathoden gegenüberliegen, mit dem Gate der spezifischen Schaltvorrichtung über den ersten Wiederstand verbunden ist, der Anschluss an dem anderen Ende der Sekundärwicklung des Transformators mit dem Emitter der spezifischen Schaltvorrichtung verbunden ist, der zweite Widerstand und der Kondensator zwischen die Anode der zweiten Zenerdiode und den Emitter der spezifischen Schaltvorrichtung geschaltet sind, und die Vielzahl von spezifischen Schaltvorrichtungen bereitgestellt werden, kann der stabile Halbleiterschalter, der von dem Primärseitenbereich gelieferte Leistung empfängt, die Leistung zum Steuern der Vielzahl von Schaltvorrichtungen an die Vielzahl von Schaltvorrichtungen senden kann und eine Verzögerung des Schalt-Timings zwischen den Schaltvorrichtungen reduzieren kann, durch die einfache Schaltung und die kleine Zahl von Teilen realisiert werden.

Da die Elektrotherapie-Vorrichtung nach dem zehnten Aspekt den stabilen leitenden Zustand bewahren kann, den stabilen nicht leitenden Zustand bewahren kann, den Schaltvorgang des Halbleiterschalters ermöglicht, eine Verzögerung des Schalt-Timings jeder Schaltvorrichtung minimieren kann und den Halbleiterschalter durch die einfache Schaltung und die kleine Zahl von Teilen unter Verwendung der Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach einem der Aspekte eins bis neun für den Halbleiterschalter der Schaltung zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses verwirklichen kann, kann die Elektrotherapie-Vorrichtung, die hohe Betriebsstabilität sicherstellt, zu niedrigen Kosten bereitgestellt werden.


Anspruch[de]
  1. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung (100), die umfasst:

    einen Transformator (103);

    einen Primärseitenbereich (101), der an der Primärseite des Transformators (103) vorhanden ist, um Strom an der Primärseite des Transformators entsprechend einem Steuersignal zum Steuern eines Halbleiterschalters zu steuern; und

    einen Sekundärseitenbereich (102), der an der Sekundärseite des Transformators (103) vorhanden ist, um eine Schaltvorrichtung (133a, 133b) direkt anzusteuern, wobei der Sekundärseitenbereich so ausgeführt ist, dass die Sekundärseite die Spannung zwischen dem Gate und dem Emitter der Schaltvorrichtung (133a, 133b) aus einem Zustand, in dem sie kontinuierlich positiv gehalten wird, kontinuierlich negativ gehalten wird und abwechselnd zwischen positiv und negativ umgeschaltet wird, ausgewählt aufrechterhalten kann.
  2. Halbleiterschalter-Steuerschaltung nach Anspruch 1, wobei in dem Primärseitenbereich (101) das Steuersignal eingegeben wird, um Energie zu dem Sekundärseitenbereich zu übertragen und mehrere Schaltvorrichtungen (133a, 133b) des Sekundärseitenbereiches (102) zu steuern, und Gegen-EMK, die verursacht wird, wenn Strom, der in dem Transformator (103) fließt, abgeschaltet wird, absorbiert wird.
  3. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Sekundärseitenbereich (102) die von dem Primärseitenbereich (101) zugeführte Energie empfängt und die Energie zum Steuern mehrerer Schaltvorrichtungen (133a, 133b) zu Schaltvorrichtungen überträgt und die mehren Schaltvorrichtungen die dem Sekundärseitenbereich (102) zugeführte Energie empfangen und bewirken oder verhindern, dass Strom zum Schalten fließt.
  4. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Source des p-Kanal-MOSFET (110) mit einem Stromanschluss (VDD) verbunden ist, der Drain des p-Kanal-MOSFET (110) mit der Anode einer Diode (111) verbunden ist, die Kathode der Diode mit einem Anschluss (127a) an einem Ende einer Primärwicklung des Transformators (103) verbunden ist und Gegen-EMK zwischen dem Anschluss (127) an einem Ende der Primärwicklung des Transformators (103) und einem Anschluss (127b) am anderen Ende der Primärwicklung unterdrückt wird, wenn der p-Kanal-MOSFET (110) leitet.
  5. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, wobei in dem Primärseitenbereich (101) ein Steuersignal-Eingangsanschluss (PL) mit der Basis eines npn-Bipolartransistors (108) über einen Widerstand (105) bzw. einen Konvensator (104) verbunden ist, die parallel geschaltet sind, die Basis und der Emitter des npn-Bipolartransistors (108) über einen Widerstand (106) verbunden sind und der Emitter mit einem Erdanschluss (GND) verbunden ist, der Kollektor des npn-Bipolartransistors (108) mit dem Gate des p-Kanal-MOSFET (110) über einen Widerstand (107) verbunden ist, das Gate und die Source des p-Kanal-MOSFET (110) über einen Widerstand (109) mit dem Stromanschluss (VDD) verbunden sind, die Kathode der Diode (111) mit dem Drain eines n-Kanal-MOSFET (114) verbunden ist, das Gate und die Source des n-Kanal-MOSFET (114) über einen Widerstand (113) verbunden sind und die Source mit einem Erdanschluss (GND) verbunden ist, ein Steuersignal-Eingangsanschluss (N) mit dem Gate des n-Kanal-MOSFET (114) über einen Widerstand (112) verbunden ist, ein Steuersignal-Eingangsanschluss (NL) mit der Basis eines npn-Bipolartransistors (120) über einen Widerstand (117) und einen Kondensator (116) verbunden ist, die jeweils parallel geschaltet sind, die Basis und der Emitter des npn-Bipolartransistors (120) über einen Widerstand (118) verbunden sind und der Emitter mit einem Erdanschluss (GND) verbunden ist, der Kollektor des npn-Bipolartransistors (120) mit dem Gate eines p-Kanal-MOSFET (122) über einen Widerstand (119) verbunden ist, das Gate und die Source des p-Kanal-MOSFET (122) über einen Widerstand (121) verbunden sind und die Source mit dem Stromanschluss (VDD) verbunden ist, der Drain des p-Kanal-MOSFET (122) mit der Anode einer Diode (123) verbunden ist, die Kathode der Diode (123) mit dem Drain eines n-Kanal-MOSFET (126) und einem Anschluss (127d) der Primärwicklung des Transformators (103) verbunden ist, das Gate und die Source des n-Kanal-MOSFET (126) über einen Widerstand (125) verbunden sind und die Source mit dem Erdanschluss (GND) verbunden ist, ein Steuersignal-Eingangsanschluss (P) mit dem Gate des n-Kanal-MOSFET (126) über einen Widerstand (124) verbunden ist, die Anschlüsse (127b, 127c) der Primärwicklung des Transformators (103) mit einer Mittelanzapfung (135) verbunden sind, die Mittelanzapfung (135) mit dem Stromanschluss (VDD) verbunden ist und über einen Kondensator (115) mit dem Erdanschluss (GND) verbunden ist.
  6. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, wobei der Sekundärseitenbereich (102) mit den mehren Schaltvorrichtungen (133a, 133b) und mehreren Gate-Ansteuerabschnitten (136a, 136b) versehen ist, die jeweils die Schaltvorrichtungen (133a, 133b), die in Reihe geschaltet sind, direkt ansteuern.
  7. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach Anspruch 6, wobei die Schaltvorrichtung (133a, 133b) ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist.
  8. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 7, wobei der Sekundärseitenbereich (102) eine Zener-Diode (128a, 129a, 128b, 129b) aufweist, die durch Gegen-EMK, die an einer Primärwicklung des Transformators (103) verursacht wird, verhindert, dass EMK an einer Sekundärwicklung erzeugt wird.
  9. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach Anspruch 8, wobei in dem Sekundärseitenbereich (102) ein Anschluss (127e) an einem Ende einer Sekundärwicklung des Transformators (103) mit einer ersten Zener-Diode (128a) verbunden ist,

    eine zweite Zener-Diode (129a) mit einem Gate einer speziellen Schaltvorrichtung (133a) über einen ersten Widerstand (132a) verbunden ist, wobei gleiche Polaritäten der ersten und der zweiten Zener-Diode (128a, 129a) mit gegenüberliegenden Polaritäten direkt in Reihe verbunden sind.

    ein Anschluss (127a) am anderen Ende der Sekundärwicklung des Transformators (103) mit dem Emitter der speziellen Schaltvorrichtung (133a) verbunden ist,

    ein zweiter Widerstand (130) und ein Kondensator (131a) zwischen die zweite Zener-Diode (129a) und den Emitter der speziellen Schaltvorrichtung (133a) geschaltet sind; und

    wobei eine Struktur, die die Sekundärwicklung des Transformators (103) und die Schaltvorrichtung (133a) umfasst, die über einen Gate-Ansteuerabschnitt (136a) verbunden sind, mehrfach vorhanden ist.
  10. Halbleiterschalter-Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die in einer Elektrotherapievorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses eingesetzt wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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