DE10143487C2 - Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement mit einem ersten und zweiten Hauptanschluss sowie einem Steueranschluss.

Elektrische Betriebsmittel, wie beispielsweise ein Leistungs­ schaltkreis, ein elektrisches Gerät insbesondere in Form ei­ nes Motors oder einer Stromversorgung oder auch ein elektri­ scher Abzweig in einem Energieübertragungs- oder Verteilungs­ netz, müssen im Störfall zuverlässig und schnell abgeschaltet werden können. Als Störfall ist hier beispielsweise eine län­ ger andauernde Überlast oder ein Kurzschluss zu verstehen. Dann kann es zu einem unzulässig hohen Stromfluss kommen, der zur Zerstörung der genannten elektrischen Betriebsmittel füh­ ren könnte. Abschaltung bedeutet hierbei Trennung von der elektrischen Betriebsspannung, so dass es zu einer Unterbre­ chung des Stromkreislaufes kommt. Die Abschaltung kann mecha­ nisch, elektromechanisch oder auch elektronisch erfolgen.

Üblicherweise erfolgt derzeit im Geräteschutz die Abschaltung mechanisch oder elektromechanisch mittels einer Sicherung, eines Trennschalters, eines Leistungsschalters, eines Schutz­ schalters oder eines passiven Strombegrenzers. Die im Geräte­ schutz erreichte schnellste Ansprechzeit dieser genannten me­ chanischen oder elektromechanischen Abschalteinrichtungen liegt in der Größenordnung von etwa 1 ms.

Auch in der Umrichtertechnik, mittels der elektrische Energie entsprechend dem Bedarf eines Verbrauchers insbesondere in der Frequenz umgeformt werden kann, besteht die Notwendig­ keit, den Verbraucher von der Betriebsspannung abzuschalten. Im Normalbetrieb eines Umrichters erfolgt eine derartige Ab­ schaltung im Wechselspiel mit einer Zuschaltung des Verbrau­ chers in sehr schneller zeitlicher Abfolge. Deshalb ist in der Umrichtertechnik die Verwendung einer Schalteinrichtung mit einer Ansprechzeit, die unter der für die mechanischen oder elektromechanischen Schalteinrichtungen genannten schnellsten Ansprechzeit liegt, üblich. Die Zu- und Abschal­ tung erfolgt deshalb heute üblicherweise elektronisch, d. h. mittels eines Halbleiter-Leistungsschaltelements. Auch bei einem Umrichter muss im Störfall eine Abschaltung erfolgen. Dazu wird der Laststrom, d. h. der Strom, der im eingeschalte­ ten Zustand über das Halbleiter-Leistungsschaltelement fließt, mittels einer externen Überwachungseinheit erfasst. Im Falle eines durch eine Überlast oder einen Kurzschluss be­ dingten unzulässigen Stromanstiegs wird das Halbleiter- Leistungsschaltelement über einen Steueranschluss abgeschal­ tet. Dies wird beispielsweise in der WO 00/13280 A1 oder in der DE 199 13 455 A1 beschrieben.

Es gibt neuerdings auch Halbleiter-Leistungsschaltelemente, die eine Strommessfunktion integriert haben. Ein Beispiel hierfür ist ein sogenannter IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit integrierter Stromsensor-Funktion. Wie der US 5,200,878 zu entnehmen ist, wird auch beim Einsatz dieses speziellen Halbleiter-Leistungsbauelements im Falle eines de­ tektierten unzulässig hohen Stroms das Halbleiter-Leistungs­ bauelement abgeschaltet und damit der Stromkreislauf unter­ brochen.

Unter einem Leistungsschaltelement wird in diesem Zusammen­ hang ein Schaltelement verstanden, das für eine im ausge­ schalteten Zustand maximal zulässige Sperrspannung in der Größenordnung zwischen einigen 100 V und einigen kV (200 V bis 5 kV) sowie im eingeschalteten Zustand für einen Nenn­ strom in der Größenordnung zwischen einigen Ampere und eini­ gen kA (1 A bis 4 kA) ausgelegt ist.

Aus der DE 33 38 764 C2 und aus der US 4,721,869 sind jeweils Schalteinrichtungen mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement bekannt. In einem Parallelzweig zum Leistungsschaltelement ist jeweils ein Widerstand vorgesehen. Beim Überschreiten einer Grenzstromstärke in dem Parallel­ zweig wird das Leistungsschaltelement über eine Koppeleinheit in einen sicheren Zustand geschaltet.

Aus der DE 31 46 328 C2 ist es bekannt, Leuchtdioden in Reihe mit einer Stromquelle zu betreiben, deren Ausgangsstrom von einer an der Stromquelle anliegenden Stromquellenspannung ab­ hängt und die ab einer Grenzspannung der Stromquellenspannung einen konstanten Maximalstrom liefert.

Gemäß der DE 196 38 619 A1 wird der Spannungsabfall am einge­ schalteten Leistungsschaltelement ausgewertet, wobei die Kol­ lektor-Emitter-Spannung über eine Entkoppeldiode erfasst wird. Dadurch wird bei hohen Spannungen eine hohe Verlust­ leistung aufgrund parallel zum Leistungsschaltelement ge­ schalteter Widerstände vermieden.

Aus der DE 196 43 014 C1 ist der Einsatz einer Stromquelle parallel zum Leistungsschaltelement bekannt, um vor dem Ein­ schalten des Leistungsschaltelements einen eventuellen Last- Kurzschluss zu detektieren.

Sowohl die im Geräteschutz als auch die in der Umrichtertech­ nik eingesetzten Schalteinrichtungen bieten allerdings keine Möglichkeit zur zuverlässigen Unterscheidung zwischen einem Überlaststrom und einem Kurzschlussstrom. Diese Unterschei­ dung ist beispielsweise dann von Bedeutung, wenn für beide Störfälle unterschiedliche Reaktionen in der Betriebsführung vorgesehen sind. Außerdem besteht bei den vorstehend genann­ ten Schalteinrichtungen nach Abschalten des Stromes kein di­ rektes Signal für eine Zustandsüberwachung des elektrischen Betriebsmittels oder der Schalteinrichtung selbst zur Verfü­ gung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltein­ richtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungs­ schaltelement anzugeben, mittels der eine Unterscheidung zwi­ schen einem Überlast- und einem Kurzschluss-Fall möglich ist. Außerdem soll auch bei abgeschaltetem Leistungsschaltelement eine Zustandsüberwachung in einfacher Weise möglich sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schalteinrichtung ent­ sprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement, das einen ersten und einen zweiten Hauptanschluss sowie einen Steueranschluss aufweist, handelt es sich um eine Schalteinrichtung, welche weiterhin mindestens:

• - einen Parallelzweig zwischen dem ersten und zweiten Haupt­ anschluss,
• - eine in dem Parallelzweig angeordnete Stromquelle, deren Ausgangsstrom von einer an der Stromquelle anliegenden Stromquellenspannung abhängt und die ab einer Grenzspan­ nung der Stromquellenspannung einen konstanten Maximal­ strom liefert, und
• - eine im Parallelzweig seriell zur Stromquelle angeordnete Koppeleinheit umfasst, die mit dem Steueranschluss verbun­ den ist und bei Überschreiten einer Grenzstromstärke im Parallelzweig das Leistungsschaltelement über den Steuer­ anschluss in einen zumindest vorläufig sicheren Betriebs­ zustand schaltet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein sicheres Abschalten des Leistungsschaltelements im Störfall mittels einer sehr einfachen schaltungstechnischen Zusatzmaßnahme ebenso erreicht werden kann wie die Möglichkeit zur Störfall­ unterscheidung und zur fortwährenden einfachen Zustandsüber­ wachung auch im abgeschalteten Zustand des Leistungsschalt­ elements.

Das Leistungsschaltelement ist ausgelegt, im geschlossenen Zustand (= Durchlasszustand) einen hohen Nennstrom, der ins­ besondere in der Größenordnung von einigen 100 A liegen kann, zu führen. Im offenen Schaltzustand (= Sperrzustand) kann das Leistungsschaltelement dagegen eine hohe Sperrspannung, ins­ besondere in einer Größenordnung von mindestens einigen 100 V, aufnehmen. Für diese beiden Betriebszustände ist das Leistungsschaltelement ausgelegt.

Problematisch ist ein sich im Störfall einstellender Zustand, bei dem sowohl ein hoher Strom über das Leistungsschaltele­ ment fließt, als auch eine hohe Spannung am Leistungsschalt­ element ansteht. Die dadurch resultierende hohe Verlustleis­ tung kann dann zur Zerstörung des Leistungsschaltelements führen. Um dies und gleichzeitig auch eine vorsorgliche Über­ dimensionierung des Leistungsschaltelements zu verhindern, ist eine zusätzliche Sicherungsmaßnahme zur Vermeidung dieses Betriebszustandes vorgesehen.

Diese vorteilhafte und zugleich sehr einfache schaltungstech­ nische Maßnahme besteht im Wesentlichen darin, die spannungs­ gesteuerte Stromquelle und die auf den Steueranschluss wir­ kende Koppeleinheit parallel zum Leistungsschaltelement zu schalten. Günstig ist hierbei insbesondere, dass der Aus­ gangsstrom der Stromquelle bei dieser Beschaltung von der am Leistungsschaltelement anstehenden Spannung abhängt. Diese Abhängigkeit gilt jedoch nur bis zu einer bestimmten Grenz­ spannung, ab der die Stromquelle nur noch einen konstanten Maximalstrom liefert. Im Parallelzweig wird damit eine auch im Störfall wirksame Strombegrenzung erreicht.

Die spannungsgesteuerte Stromquelle kann aufgrund der be­ schriebenen strombegrenzenden Wirkung auch in einem Kurz­ schluss- oder Überlastfall nicht durch eine zu hohe Verlust­ leistung zerstört werden. Je niedriger der Maximalstrom der Stromquelle eingestellt wird, um so kleiner ist auch die im Störfall von der Stromquelle sicher zu beherrschende Verlust­ leistung.

In der Koppeleinheit wird an dem steigenden Ausgangsstrom der Stromquelle erkannt, dass sich ein für das geschlossene Leis­ tungsschaltelement gefährlicher Betriebszustand anbahnt. Er­ reicht der Ausgangsstrom der Stromquelle einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise den Maximalwert der Stromquelle, wird das Leistungsschaltelement mittels einer durch die Kop­ peleinheit veranlassten Ansteuerung des Steueranschlusses in einen betriebssicheren oder in einen zumindest vorläufig si­ cheren Zustand gebracht. Dies bedeutet, dass der Stromfluss über das Leistungsschaltelement zumindest auf einen Wert be­ grenzt wird, der zu einer im Leistungsschaltelement mindes­ tens für eine gewisse Übergangszeit sicher beherrschbaren Verlustleistung führt. Das Leistungsschaltelement kann aber auch komplett abgeschaltet werden (kein Stromfluss mehr).

Selbst im Fall der Komplettabschaltung des Leistungsschalt­ elements bleibt im Parallelzweig ein Stromfluss erhalten, der allerdings auf den Maximalstrom des Parallelzweigs begrenzt ist. Außerdem kann im Störfall eine am Parallelzweig und da­ mit auch am Leistungsschaltelement anstehende Spannung ermit­ telt und ausgewertet werden. Insbesondere kann anhand dieser gemessenen Spannung ein Kurzschlussfall von einem Überlast­ fall unterschieden werden. Während im Kurzschlussfall nämlich die komplette Betriebsspannung am Parallelzweig ansteht, teilt sich die Betriebsspannung im Überlastfall auf den Pa­ rallelzweig und die Überlast auf. Beide Störfälle sind somit auch bei in einen zumindest vorläufig sicheren Betriebszu­ stand verbrachten Leistungsschaltelement eindeutig voneinan­ der zu unterscheiden.

Die am Parallelzweig anstehende Spannung stellt eine einfach zu erfassende, direkte Beobachtungsgröße für eine Zustands­ überwachung dar, die beim Stand der Technik im Fall einer Komplettabschaltung des Leistungsschaltelements aufgrund des fehlenden Parallelzweigs nicht zur Verfügung steht. Alterna­ tiv zu der am kompletten Parallelzweig anstehenden Spannung kann auch nur die an der Stromquelle anstehende Spannung er­ fasst und ausgewertet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schalteinrichtung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Für die Koppeleinheit gibt es unterschiedliche Ausgestaltun­ gen, die sich hinsichtlich der Ansteuerung des Steueran­ schlusses und der als Folge bewirkten Strombegrenzung im Leistungsschaltelement unterscheiden. In einer ersten Ausges­ taltung ist die Koppeleinheit ausgelegt zur kompletten Ab­ schaltung des Leistungsschaltelements und damit zur Unterbre­ chung des Stromflusses über das Leistungsschaltelement. Bei einer zweiten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dagegen nur zu einer Strombegrenzung, nicht jedoch zu einer komplet­ ten Stromabschaltung, ausgelegt. Die Stromreduzierung ist da­ bei an die von dem Schaltelement beherrschbare maximale Ver­ lustleistung angepasst.

Bevorzugt ist eine Variante, bei der eine zusätzliche Span­ nungsmesseinheit zur Erfassung der am Leistungsschaltelement und am Parallelzweig anliegenden Spannung vorgesehen ist. Da­ durch wird eine für die Zustandsüberwachung wichtige direkte Beobachtungsgröße ermittelt. Insbesondere, wenn wie bei einer weiteren Ausführungsform der von der Spannungsmesseinheit er­ mittelte Spannungsmesswert einer zusätzlich vorgesehenen Kon­ trolleinheit zugeführt wird, kann diese direkte Beobachtungs­ größe in eine Zustandserkennung mit einbezogen werden. Dies ist auch bei in den zumindest vorläufig sicheren Betriebszu­ stand geschaltetem Leistungsschaltelement, insbesondere also auch bei komplett abgeschaltetem Leistungsschaltelement, mög­ lich. In der Kontrolleinheit wird der Spannungsmesswert aus­ gewertet. Das Ergebnis kann vorzugsweise in die weitere Be­ triebsführung einfließen.

Dies geschieht bei einer günstigen Ausführungsform mittels eines zusätzlichen Schaltelements, das in Serie zu dem Leis­ tungsschaltelement und dem Parallelzweig geschaltet ist. Die Kontrolleinheit kann bei dieser Ausführungsform in Abhängig­ keit von der Auswertung des Spannungsmesswertes einen Aus­ schaltbefehl an das zusätzliche Schaltelement erteilen. Da­ durch ist es möglich, das Leistungsschaltelement auf schnelle Schalthandlungen während des normalen Betriebszustandes und im Störfall auf ein schnelles Schalten in einen zumindest vorläufig betriebssicheren Zustand auszulegen.

Das Leistungsschaltelement ist in der Lage, den zumindest vorläufig betriebssicheren Zustand so lange zu halten, bis das zusätzliche Schaltelement den Stromkreis komplett und endgültig sicher unterbricht. Das zusätzliche Schaltelement kann folglich eine wesentlich langsamere Ansprechzeit als das Leistungsschaltelement aufweisen. Hierfür kommt beispielswei­ se ein mechanischer Leistungsschalter in Betracht.

Der von der Spannungsmesseinheit ermittelte Spannungsmesswert kann jedoch auch einem anderen elektrischen Betriebsmittel, wie beispielsweise einem Motorschalter oder einer Stromver­ sorgung, zur Verfügung gestellt werden. In diesen anderen Be­ triebsmitteln wird dann eine ähnliche Auswertung wie in der Kontrolleinheit vorgenommen. Insbesondere hängen die abgelei­ teten Maßnahmen von dem spezifischen Betriebsmittel ab.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Leistungs­ schaltelement als Halbleiter-Leistungsschaltelement ausgebil­ det ist. Ein solches Halbleiter-Leistungsschaltelement zeich­ net sich vor allem durch eine sehr schnelle Ansprechzeit aus und ist damit auf für einen Anwendungsfall mit einer gefor­ derten hohen Schaltfrequenz von beispielsweise einigen 10 kHz geeignet. Bevorzugt kommt als Halbleiter-Leistungsschaltele­ ment ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein Sperrschicht- Feldeffekttransistor, zum Einsatz.

Gerade bei einer Forderung nach hoher Sperrspannung und hohem Nennstrom ist es günstig, wenn das Leistungsschaltelement auf Basis des Halbleiter-Materials Siliciumcarbid (SiC) herge­ stellt ist. SiC hat ein sehr hohes intrinsisches Sperrvermö­ gen. Mit diesem Halbleitermaterial kann aber auch eine sehr schnelle Ansprechzeit erreicht werden.

Die Stromquelle ist bei einer bevorzugten Variante als über einen Quellenwiderstand rückgekoppelter selbstleitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor ausgebildet. Diese Variante lässt sich besonders einfach aufbauen, insbesondere weil auf einen einfachen Sperrschicht-Feldeffekttransistor mit gerin­ gen Leistungsansforderungen zurückgegriffen werden kann. Die Strombegrenzung kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Quellwiderstands erfolgen.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der innerhalb der Koppeleinheit die Verbindung zwischen dem Parallelzweig und dem Steueranschluss des Leistungsschaltelements potentialge­ trennt ausgeführt ist. Besonders einfach lässt sich eine der­ artige potentialgetrennte Verbindung mittels eines Optokopp­ lers herstellen. Alternativ kann jedoch beispielsweise auch ein Trenntransformator oder ein Piezowandler zum Einsatz kom­ men.

Günstigerweise werden das Leistungsschaltelement und die Stromquelle so ausgelegt, dass der von der Stromquelle lie­ ferbare Maximalstrom deutlich niedriger ist als der Nennstrom des Leistungsschaltelements. Insbesondere liegt der der Maxi­ malstrom nur in einer Größenordnung, die erforderlich ist, um eine in einem Optokoppler enthaltene Leuchtdiode zur Licht­ emission anzuregen, oder in der Größenordnung des Stroms, der am Steueranschluss des Leistungsschaltelements fließt. Die zu führende Stromstärke bestimmt unter anderem auch die geome­ trische Größe, insbesondere die erforderliche Fläche, der für die Stromquelle und das Leistungsschaltelement eingesetzten Bauelemente. Aufgrund der deutlich niedrigeren zu führenden Stromstärke kann für die Stromquelle ein kleines und preis­ wertes Standard-Bauelement eingesetzt werden. Andererseits braucht das Leistungsschaltelement aufgrund der Sicherungs- Beschaltung im Parallelzweig nicht für die im Störfall maxi­ mal zu erwartende Verlustleistung, die sich aus der Betriebs­ spannung und der Kurzschlussstromstärke errechnet, ausgelegt werden. Dadurch reduzieren sich sowohl der Flächenbedarf als auch die Kosten des Leistungsschaltelements.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeich­ nung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit einer an einer Betriebs­ spannung betriebenen Last sowie einer zwischenge­ schalteten Schalteinrichtung und

Fig. 2 eine Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Schalt­ einrichtung.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung 100 dargestellt, bei der eine Last 5 an einer Betriebsspannung UB betrieben wird.

Zwischen der nur schematisch angedeuteten Einspeisungsstelle der Betriebsspannung UB und die Last 5 ist eine Schaltungs­ einrichtung 200 geschaltet. Diese beinhaltet ein Leistungs­ schaltelement 10 sowie in einem parallel dazu angeordneten Parallelzweig 15 eine Reihenschaltung einer Stromquelle 20 und einer Koppeleinheit 30. Die Koppeleinheit 30 ist mit ei­ nem Steueranschluss 13 des Leistungsschaltelements 10 verbun­ den. Das Leistungsschaltelement 10 hat darüber hinaus einen ersten und zweiten Hauptanschluss 11 bzw. 12. Im eingeschal­ teten Zustand fließt über die Hauptanschlüsse 11 und 12 ein Strom I10 durch das Leistungsschaltelement 10. Das Leistungs­ schaltelement 10 ist ausgelegt für einen Nennstrom I10N, bei­ spielsweise in Höhe von 100 A. Zwischen den beiden Hauptan­ schlüssen 11 und 12 fällt am Leistungsschaltelement 10 eine Spannung U10 ab. Das Leistungsschaltelement 10 ist weiterhin so ausgelegt, dass im Sperrzustand, d. h. im ausgeschalteten Zustand, zwischen den beiden Hauptanschlüssen 11 und 12 eine maximale Sperrspannung aufgenommen werden kann, die insbeson­ dere höher ist als die Betriebsspannung UB.

Die Spannung U10 steht auch am Parallelzweig 15, der von ei­ nem Strom I15 durchflossen wird, an. Der Stromfluss im Paral­ lelzweig wird dabei insbesondere durch eine an der Stromquel­ le 20 anstehende Quellspannung UQ bestimmt. Diese ist abgese­ hen von einem kleinen Spannungsabfall an der Koppeleinheit 30 identisch mit der Spannung U10. Die am Leistungsschaltelement 10 anstehende Spannung U10 bestimmt also auch den Strom I15 im Parallelzweig 15. Mit steigender Spannung U10 nimmt auch der Strom I15 zu. Dies gilt jedoch nur bis zu einem Maximal­ strom I15M, auf den der Ausgangsstrom der Stromquelle 20 be­ grenzt ist.

Der Parallelzweig 15 stellt eine Sicherungsbeschaltung des Schaltelements 10 dar, die im Störfall, d. h. im Kurzschluss­ fall oder im Überlastfall, für eine Umschaltung des Leis­ tungsschaltelements 10 in einen sicheren Betriebszustand sorgt. Dadurch soll eine unzulässig hohe Verlustleistung und eine gegebenenfalls daraus resultierende Zerstörung des Leis­ tungsschaltelementes 10 verhindert werden.

Die Umschaltung des Schaltelements 10 erfolgt durch die Kop­ peleinheit 30, sobald der Strom I15 einen vorgegebenen Grenz­ wert überschreitet. Dieser Grenzwert kann beispielsweise auch erst der von der Stromquelle 20 maximal gelieferte Ausgangs­ strom I15M sein. Ein niedrigerer Grenzwert ist jedoch grund­ sätzlich ebenso gut möglich. Die Koppeleinheit 30 bewirkt je nach Auslegung entweder eine Strombegrenzung im Schaltelement 10 oder eine komplette Abschaltung des Schaltelements 10.

Auch im Falle einer kompletten Abschaltung des Schaltelements 10 ist über den Parallelzweig 15 weiterhin ein allerdings durch die Stromquelle 20 auf den Maximalstrom I15M begrenzter Stromfluss über die Schalteinrichtung 200 gewährleistet. Da­ mit stellt sich je nach Art und Weise des Störfalls (Kurz­ schluss oder Überlast) eine spezifische Spannung U10 am offe­ nen Leistungsschaltelement 10 und damit auch am Parallelzweig 15 ein. Nur im Kurzschlussfall ist die sich einstellende Spannung U10 gleich der Betriebsspannung UB. Im Überlastfall kommt es zu einer für den Grad der Überlastung charakteristi­ schen Aufteilung der Betriebsspannung UB auf die Last 5 und die Schalteinrichtung 200. Mit der Spannung U10 steht also im Störfall eine direkte Beobachtungsgröße für eine Zustandser­ kennung zur Verfügung. Diese Möglichkeit bieten andere be­ kannte Schalteinrichtungen nicht.

Zur Erfassung der direkten Beobachtungsgröße ist eine Span­ nungsmesseinheit 40 parallel zum Leistungsschaltelement 10 geschaltet. Anhand eines von der Spannungsmesseinheit 40 er­ mittelten Spannungsmesswerts M für die Spannung U10 wird in einer Kontrolleinheit 50 eine Auswertung, insbesondere eine Zustandsüberwachung der Schalteinrichtung 200 sowie der kom­ pletten Schaltanordnung 100, vorgenommen. Je nach Ergebnis dieser Zustandsüberwachung werden in der Kontrolleinheit 50 weitere Maßnahmen zur Betriebsführung angestoßen. Insbesonde­ re kann auch eine endgültig sichere Trennung der Last 5 von der Betriebsspannung UB mittels eines zusätzlichen Schaltele­ ments 60, das über die Kontrolleinheit 50 angesteuert wird, veranlasst werden. Das Schaltelement 60 ist beispielsweise als elektromechanischer Leistungsschalter ausgebildet. Andere Schaltelemente, wie z. B. ein mechanischer Trennschalter, sind ebenfalls möglich.

Da die Schaltungsanordnung 100 bereits über die Umschaltung des Leistungsschaltelements 10 in einen zumindest vorläufig betriebssicheren Zustand geschaltet worden ist, kann die An­ sprechzeit des zusätzlichen Schaltelements 60 einen verhält­ nismäßig hohen Wert annehmen, beispielsweise mehr als 1 ms. Das Schaltelement 10 wird dagegen über die Sicherungs-Be­ schaltung im Parallelzweig 15 binnen einer sehr kurzen Zeit­ spanne, beispielsweise innerhalb von 10 µs, in den vorläufig betriebssicheren Zustand geschaltet. Unter vorläufig be­ triebssicher ist hierbei ein Zustand zu verstehen, den das Schaltelement 10 eine gewisse Zeit lang, aber gegebenenfalls nicht beliebig lange einnehmen kann, ohne zerstört zu werden.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Schalteinrichtung 201 zum Einsatz in der Schaltungsanordnung 100 von Fig. 1 dargestellt. Das Schaltelement 10 beinhaltet als wesentliche Komponente einen selbstleitenden Sperrschicht-Feldeffekttran­ sistor T1. Besonders geeignet ist hierbei ein aus Silicium­ carbid (SiC) aufgebauter Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1. Der grundsätzliche interne Aufbau des Sperrschicht-Feld­ effekttransistors T1 aus SiC kann dabei einer der in der US 6,034,385 oder in der DE 198 33 214 C1 beschriebenen Struktu­ ren entsprechen. Ein anderer Aufbau ist jedoch ebenfalls grundsätzlich möglich.

Das Schaltelement 10 hat in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 eine parallel zu dem Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 geschaltete und in Rückwärtsrichtung gepolte Schutzdiode D1. Sie schützt den Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 beim Be­ trieb in Rückwärtsrichtung vor Zerstörung. Die Schutzdiode D1 kann entweder als gesonderte externe Diode oder auch als im Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 integriert vorhandene Body-Diode ausgebildet sein. Bei einem Anwendungsfall in der Umrichtertechnik kann die Schutzdiode D1 auch als Freilaufdi­ ode ausgeführt sein. Sowohl der Sperrschicht-Feldeffekttran­ sistor T1 als auch die Schutzdiode D1 sind für eine Sperr­ spannung ausgelegt, die größer als die Betriebsspannung UB ist.

Die Stromquelle 20 ist im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 als ein über einen Quellwiderstand R2 zurückgekoppelter selbst­ leitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor T2 ausgebildet. Durch den Quellwiderstand R2 wird der Arbeitspunkt des Sperr­ schicht-Feldeffekttransistors T2 über die Rückwirkung auf den Gate-Anschluss des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T2 festgelegt. Es ergibt sich aufgrund des Sättigungsverhaltens des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T2 eine Kennlinie mit Strombegrenzung. Der Maximalstrom I15M wird dann durch die Charakteristik des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T2 und den Wert des Quellwiderstands R2 bestimmt. Auch der Sperr­ schicht-Feldeffekttransistor T2 weist eine Sperrspannung auf, die größer als die Betriebsspannung UB ist.

Bei geschlossenem Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 (= Durchlasszustand) fällt im normalen Betriebszustand sowohl am Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 als auch am Sperr­ schicht-Feldeffekttransistor T2 nur eine geringe Durchlass­ spannung ab. Diese Spannung ist so niedrig, dass es in dem Parallelzweig 15 zu keinem nennenswerten Stromfluss kommt. Steigt jedoch die am Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 an­ stehende Spannung U10 und damit auch die Stromquellenspannung UQ infolge eines Störfalls an, fließt auch in dem Parallel­ zweig ein zunehmender Strom I15. Dessen Wert steigt so lange an, bis er schließlich den durch die Sättigung des Feldef­ fekt-Sperrschichttransistors T2 bedingten Maximalwert I15M erreicht hat. Ab einem bestimmten Grenzwert, im vorliegenden Fall bei Erreichen des Maximalstroms I15M, wird ein in der Koppeleinheit 30 vorgesehener Optokoppler 31 angeregt. Der über eine Leuchtdiode L3 fließende Maximalstrom I15M ruft ei­ ne Lichtemission hervor und führt zu einer Aufsteuerung eines mit dem Steueranschluss 13 verbundenen Standard-Niedervolt­ transistors T3. Der Niedervolttransistor T3 ist als Photo­ transistor ausgebildet. Bei aufgesteuertem Niedervolttransis­ tor T3 steht eine Hilfsspannung UH einer Hilfsspannungsquelle 32 an dem Steueranschluss 13 an, wodurch der Sperrschicht- Feldeffekttransistor T1 abgeschaltet wird. Ein zusätzlich zwischen dem Steueranschluss 13 und dem zweiten Hauptan­ schluss 12 vorgesehener Koppelwiderstand R3 bewirkt am Steu­ eranschluss 13 bei aufgesteuertem und bei sperrendem Nieder­ volttransistor T3 eine definierte Potentialeinstellung.

Die in Fig. 2 gezeigte Schalteinrichtung 201 hat den Vor­ teil, dass für ein Zurückschalten des Sperrschicht-Feld­ effekttransistors T1 in den eingeschalteten Zustand kein ex­ ternes Steuersignal, beispielsweise in Form eines Rücksetz- Signals, erforderlich ist. Geht nämlich aufgrund einer nach­ lassenden Überlastung auch die am Sperrschicht-Feldeffekt­ transistor T1 abfallende Spannung U10 und damit verbunden die Quellenspannung UQ zurück, so reduziert sich auch der im Pa­ rallelzweig 15 fließende Strom I15. Damit sinkt der Strom I15 unter den Grenzwert, ab dem die Leuchtdiode L3 Licht emit­ tiert und den Niedervolttransistor T3 aufsteuert. Als Folge fällt der Niedervolttransistor T3 in den Sperrzustand zurück und trennt die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Hilfsspannungsquelle 32 und dem Steueranschluss 13, so dass der Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 wieder in seinen leitenden Zustand geschaltet wird.

Die Beschaltung im Parallelzweig 15 stellt somit eine robuste und in weiten Grenzen einstellbare elektronische Sicherung für das Leistungsschaltelement 10 dar. Die Schalteinrichtung 201 ist darüber hinaus in sehr kompakter Weise zu realisie­ ren. Insbesondere können die beiden Sperrschicht-Feldeffekt­ transistoren T1 und T2 auch auf demselben Halbleitersubstrat, beispielsweise auf einem SiC-Substrat, realisiert werden. Die gegebenenfalls erforderliche Potentialtrennung kann in diesem Fall durch einen Isolationsgraben erreicht werden. Weitgehen­ de Einstellungsmöglichkeiten ergeben sich auch für die Art und Weise der Ansteuerung des Sperrschicht-Feldeffekttransis­ tors T1 mittels der Koppeleinheit 30. Durch geeignete Wahl der Hilfsspannung UH, des Niedervolttransistors T3 und des Koppelwiderstandes R3 kann der Sperrschicht-Feldeffekttran­ sistor T1 im Störfall komplett abgeschaltet oder je nach Be­ darf auch nur in seinem Stromfluss begrenzt werden. Der Wert, auf den der Strom I10 dann gegebenenfalls begrenzt wird, lässt sich ebenfalls durch die bereits genannten Parameter einstellen.

Claims (13)

1. Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement (10), das einen ersten und zweiten Hauptanschluss (11, 12) sowie einen Steueranschluss (13) auf­ weist, welche Schaltungseinrichtung weiterhin mindestens
einen Parallelzweig (15) zwischen dem ersten und zweiten Hauptanschluss (11, 12),
eine in dem Parallelzweig (15) angeordnete Stromquelle (20), deren Ausgangsstrom (I15) von einer an der Strom­ quelle (20) anliegenden Stromquellenspannung (UQ) abhängt und die ab einer Grenzspannung der Stromquellenspannung (UQ) einen konstanten Maximalstrom (I15M) liefert, und
eine im Parallelzweig (15) seriell zur Stromquelle (20) angeordnete Koppeleinheit (30), die mit dem Steueran­ schluss (13) verbunden ist und bei Überschreiten einer Grenzstromstärke im Parallelzweig (15) das Leistungs­ schaltelement (10) über den Steueranschluss (13) in einen zumindest vorläufig sicheren Betriebszustand schaltet,
umfasst.

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Koppelein­ heit (30) zur Abschaltung des Leistungsschaltelements (10) ausgebildet ist.

3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Koppelein­ heit (30) zur Begrenzung des durch das Leistungsschaltelement (10) fließenden Stroms (I10) ausgebildet ist.

4. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Spannungsmesseinheit (40) vorgesehen ist, die einen Spannungsmesswert (M) für die am Leistungsschaltelement (10) und am Parallelzweig (15) anliegende Spannung (U10) er­ fasst.

5. Schalteinrichtung nach Anspruch 4, bei der eine Kontroll­ einheit (50) vorgesehen ist, die mit der Spannungsmesseinheit (40) verbunden ist.

6. Schalteinrichtung nach Anspruch 5, bei der die Kontroll­ einheit (50) bei in zumindest vorläufig sicheren Betriebszu­ stand geschaltetem Leistungsschaltelement (10) anhand des Spannungsmesswertes (M) eine Zustandsüberwachung durchführt.

7. Schalteinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Kon­ trolleinheit (50) mit einem zusätzlichen Schaltelement (60), das dem Leistungsschaltelement (10) und dem Parallelzweig (15) vorgeschaltet ist, verbunden ist und zu einer von einer durchgeführten Zustandserkennung abhängigen Ansteuerung des zusätzlichen Schaltelements (60) ausgebildet ist.

8. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Leistungsschaltelement (10) ein Halbleiter-Leis­ tungsschaltelement (T1) ist.

9. Schalteinrichtung nach Anspruch 8, bei der das Halbleiter- Leistungsschaltelement (T1) ein Feldeffekttransistor, insbe­ sondere ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ist.

10. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der die Stromquelle (20) als über einen Quellenwi­ derstand (R2) rückgekoppelter selbstleitender Sperrschicht- Feldeffekttransistor (T2) ausgebildet ist.

11. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der die Koppeleinheit (30) eine potentialgetrennte Verbindung zwischen dem Anschluss an den Parallelzweig (15) und dem Anschluss zum Steueranschluss (13) beinhaltet.

12. Schalteinrichtung nach Anspruch 11, bei der die potenti­ algetrennte Verbindung als Optokoppler (31) ausgebildet ist.

13. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der die Stromquelle (20) für einen Maximalstrom (I15M). ausgelegt ist, der niedriger ist als ein Nennstrom (I10N) des Leistungsschaltelements (10).