CH656757A5

CH656757A5 - Ueberstromschutzanordnung fuer einen halbleiterschalter.

Info

Publication number: CH656757A5
Application number: CH6967/81A
Authority: CH
Inventors: Antonio Brajder
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1981-02-05
Filing date: 1981-11-02
Publication date: 1986-07-15
Also published as: DE3104015C2; US4423457A; DE3104015A1; AT383706B; ATA470281A

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzanordnung für einen Halbleiterschalter, dessen Ansteuerleitung über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit dem Bezugspotential der Schutzanordnung verbunden ist, wobei die Basis des Transistors mit dem Ausgang einer Überstromerfassungseinrichtung für den Halbleiterschalter verbunden ist.

Eine derartige Überstromschutzanordnung ist aus dem Buch «Elektronik-Selbstbaupraktikum» 4. Auflage, 1976, S. 292 von Wirsum bekann. Bei dieser bekannten Anordnung wird der Überstromfall durch den Spannungsabfall an einem im Schaltkreis des Halbleiterschalters angeordneten Widerstand erfasst. Wenn der Spannungsabfall an diesem Widerstand eine bestimmte Grösse überschreitet, so wird der Transistor leitend gesteuert und schliesst damit die Ansteuerleitung des Halbleiterschalters gegen das Bezugspotential kurz. Der Halbleiterschalter erhält damit kein Ansteuersignal mehr und geht in den Sperrzustand über. Der Widerstand im Lastkreis verursacht jedoch insbesondere bei Geräten für höhere Ströme eine erhebliche Verlustleistung, die sich negativ auf den Wirkungsgrad des Halbleiterschalters auswirkt und Probleme in bezug auf die Kühlung des Widerstands mit sich bringt.

Bei einer weiteren, aus der Zeitschrift ETZ-B, Band 30 (1978), Heft 26, S. 1065 bekannten Überstromschutzanordnung wird der Spannungsabfall am Halbleiterschalter, in diesem Fall an einem Transistor als Kriterium für den Überstrom ausgewertet. Dabei wird ein dem Halbleiterschalter vorgeschalteter Treibertransistor über einen Kondensator gesteuert. Sobald durch die Ansteuerung die Spannung am Halbleiterschalter absinkt, wird dem Treibertransistor über einen Differenzverstärker eine Spannung zugeführt, die diesen im leitenten Zustand hält. Die Schaltungsanordnung geht damit im «Ein-Zustand» in Selbsthaltung. Wenn die am Halbleiterschalter anstehende Spannung durch Überstrom ansteigt, so wird über den Differenzverstärker der Treibertransistor und damit auch der Halbleiterschalter wieder gesperrt. Zum Ausschalten des Halbleiterschalters ist die Ansteuerleitung über eine Diode mit dem Eingang des Differenzverstärkers verbunden, der damit ebenfalls den Treibertransistor sperrt, sobald das Ansteuersignal auf «High» umgeschaltet wird. Mit dieser Schaltungsanordnung ist jedoch nur eine dynamische Ansteuerung über einen Kondensator möglich, was jedoch dazu führt, dass bereits kurze Störimpulse zu Fehlschaltungen führen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Überstromschutzanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass kein Widerstand im Leistungskreis des Halbleiterschalters notwendig ist und dass die Ansteuerung statisch erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Überstromerfassungseinrichtung eine Vergleicherstufe enthält, dass der erste Eingang der Vergleicherstufe über einen Widerstand mit der Ansteuerleitung des Halbleiterschalters, über eine Diode mit dem dem Bezugspotential abgewandten Anschluss des Halbleiterschalters und über einen ersten Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden ist, dass der zweite Eingang der Vergleicherstufe mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist und dass der Ausgang der Vergleicherstufe mit der Basis des Transistors verbunden ist.

Mit dieser Schaltung wird erreicht, dass der Transistor nur dann die Ansteuersignale blockiert, wenn ein Ansteuersignal auf der Ansteuerleitung und eine hohe Spannung am Halbleiterschalter zusammentreffen. Nach dem Verschwinden des An-steuersignals geht der Transistor in den sperrenden Zustand, so dass ein wiederauftretendes Ansteuersignal nicht blockiert wird und den Halbleiterschalter in den leitenden Zustand schalten kann. Um in der Zeitspanne zwischen Auftreten des Ansteuersignais und völligem Durchschalten des Halbleiterschalters ein Ansprechen der Überstromschutzanordnung zu verhindern, ist der erste Eingang der Vergleicherstufe über einen Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden. Damit wird der das Durchschalten des Transistors verursachende Spannungsanstieg bedämpft. Diese Überstromschutzanordnung kommt also ohne Widerstand im Lastkreis des Halbleiterschalters aus und ermöglicht eine statische Ansteuerung des Halbleiterschalters.

Vorteilhafterweise ist dem Widerstand eine Diode parallel geschaltet, deren Kathode der Ansteuerleitung zugewandt ist. Damit wird der Kondensator schnell entladen, wenn das Ansteuersignal auf Null geht. Es wird damit verhindert, dass der Kondensator beim Einschalten des Halbleiterschalters kurz nach dem Ausschaltvorgang noch eine Restladung aufweist, die auch ohne Überstrom zu einem Ansprechen der Überstrom-schutzeinrichtung vor dem völligen Durchschalten des Halbleiterschalters führen könnte.

Parallel zur Diode kann ein Widerstand und in Reihe zur Parallelschaltung von Diode und Widerstand kann ein zweiter Kondensator angeordnet sein, dessen Kapazität grösser als die Kapazität des ersten Kondensators ist. Dies ist insbesondere dann zweckmässig, wenn beim Ausschalten des Halbleiterschalters die Spannung an der Ansteuerleitung zunächst nicht ganz auf Null geht oder der Ansteuerimpuls hochohmig wird. In diesem Fall ist eine schnelle Entladung des ersten Kondensators nicht ohne weiteres möglich, so dass die vorstehend beschriebenen Probleme auftreten können. Dies wird mit dem zweiten Kondensator verhindert. Bei vorhandenem positiven Ansteuerimpuls wird der zweite Kondensator aufgeladen. Wenn nun bei verschwindendem Ansteuerimpuls die Spannung an der Ansteuerleitung absinkt, so weist der dem ersten Kondensator zugewandte Belag des zweiten Kondensators ein negatives Potential auf, das zu einer schnellen Umladung des ersten Kondensators über die Diode auf den zweiten Kondensator führt.

Vorteilhafterweise kann der Kollektor des Transistors an ei5

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nem gegenüber dem Bezugspotential negativen Versorgungspotential liegen und die Basis des Transistors über eine Diode mit der Ansteuerleitung und über diese Diode und einen Widerstand mit dem negativen Versorgungspotential verbunden sein. Damit wird erreicht, dass bei verschwindendem Ansteuerimpuls über den Transistor ein Abschaltstrom des Halbleiterschalters fliesst, der dem Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist und den Abschaltvorgang beschleunigt.

Die erfindungsgemässe Überstromschutzeinrichtung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein schematisiertes Schaltbild einer Ansteuerein-richtung für einen als Schalttransistor ausgebildeten Halbleiterschalter 1 mit der erfindungsgemässen Überstromschutzanordnung. An der Eingangsklemme E steht ein Ansteuersignal an, das gegebenenfalls über mehrere, nicht dargestellte Vorverstärkerstufen die Basis des Schalttransistors 1 ansteuert. Dabei soll der Schalttransistor 1 durch ein positives Ansteuersignal leitend gesteuert werden. Die dargestellte Überstromschutzeinrichtung kann an beliebiger Stelle der Ansteuerleitung 5 in der durch gestrichelte Linien angedeuteten mehrstufigen Vorverstärkereinheit angeordnet werden. Die Überstromschutzeinrichtung enthält einen Transistor 3, der in Reihenschaltung mit einem Widerstand 12 die Ansteuerleitung 5 mit dem Bezugspotential verbindet. In die Ansteuerleitung 5 ist ein Widerstand 11 eingefügt. Die Basis des Transistors 3 wird von einem Differenzverstärker 2 als Vergleicherstufe angesteuert. Am nicht invertierenden Eingang 2b des Differenzverstärkers 2 steht eine konstante Referenzspannung Uref an. Dem invertierenden Eingang 2a ist ein Widerstand 15 vorgeschaltet, dessen zweiter Anschluss über eine Diode 6 mit dem Kollektor des Schalttransistors 1, über einen Widerstand 4 mit der Ansteuerleitung 5 und über einen Kondensator 7 mit dem Bezugspotential verbunden ist. Dabei ist die Kathode der Diode 6 dem Kollektor des Schalttransistors 1 zugewandt. Dem Widerstand 4 ist die Reihenschaltung eines zweiten Kondensators 10 und eines Widerstands 9 parallel geschaltet. Der Widerstand 9 ist mit einer Diode 8 überbrückt, deren Anode dem Eingang 2a des Differenzverstärkers zugewandt ist.

Zur Erläuterung der Schaltung wird zunächst davon ausgegangen, dass der Transistor 1 durch einen positiven Ansteuerimpuls am Eingang E angesteuert,d.h. leitend ist und keinen Überstrom aufweist. In diesem Fall weist die Spannung am Verbindungspunkt 16 zwischen Widerstand 4 und Diode 6 einen Wert auf, der durch die Restspannung des Transistors 1 sowie den Schwellwert der Diode 6 gegeben ist. Diese Spannung steht über den Widerstand 13 am invertierenden Eingang 2a des Differenzverstärkers 2 an. Die Referenzspannung Uref ist so gewählt, dass der Transistor 3 bei diesem Betriebszustand gesperrt bleibt. Wird nun aber der Transistor 1 durch einen Strom belastet, der über den Sättigungsstrom hinausgeht, so steigt die an ihm anstehende Spannung und damit auch die Spannung am Verbindungspunkt 16 zwischen Widerstand 4 und Diode 6 an. Dies führt zu einer negativen Ausgangsspannung am Differenzverstärker 2, die den Transistor 3 in den leitenden Zustand bringt. Der Ansteuerimpuls für den Transistor 1 wird damit kurzgeschlossen, so dass der Transistor 1 sperrt. Da damit die Spannung am Transistor 1 noch weiter ansteigt, bleibt der Ansteuerimpuls hinter dem Widerstand 11 kurzgeschlossen, solange am Eingang E ein positiver Ansteuerimpuls ansteht, der wegen des Widerstands 11 in der Ansteuerleitung 5 für die Abschaltung weiterhin wirksam bleibt. Verschwindet dagegen der Ansteuerimpuls am Eingang E, so sinkt auch die Spannung am Verbindungspunkt 16 ab, da die positive Spannung am Transistor 1 durch die Diode 6 blockiert ist. Über den Differenzverstärker 2 wird der Transistor 3 wieder in den sperrenden Zustand gebracht, d.h. der Kurzschluss der Ansteuerleitung wird aufgehoben. Dies ist deshalb von besonderer Bedeutung, da jetzt der Halbleiterschalter 1 — beispielsweise nach Beheben der Überstromursache — durch einen erneuten positiven Ansteuerimpuls wieder eingeschaltet werden kann. Beim erneuten Eintreffen eines positiven Ansteuerimpulses am Eingang E könnte s sich ohne den Kondensator 7 am Eingang 2a des Differenzverstärkers 2 eine hohe Spannung ausbilden, da am Schalttransistor 1 wegen des zunächst noch vorhandenen Sperrzustandes noch eine hohe Spannung ansteht. Um zu verhindern, dass der Ansteuerimpuls sogleich wieder kurzgeschlossen wird, ist der io Kondensator 7 zur Bedämpfung des Spannungssanstiegs am Eingang 2a des Differenzverstärkers 2 vorgesehen. Die Zeitkonstante des mit dem Widerstand 4 und dem Kondensator 7 gebildeten RC-Gliedes muss so gross sein, dass der Schalttransistor 1 sicher leitet, bevor die am Kondensator 7 anstehende Spannung 15 zum Einschalten des Transistors 3 führt.

Wenn Aus- und Einschaltvorgänge sehr kurz aufeinanderfolgen, so könnte dies dazu führen, dass der Kondensator 7 beim Einschalten von der vorhergehenden Einschaltperiode noch eine verhältnismässig hohe Ladung aufweist und damit 20 den Spannungsanstieg am Eingang 2a des Differenzverstärkers

2 nicht mehr ausreichend bedämpft. Wenn kurz aufeinanderfolgende Ein- und Ausschaltperioden auftreten können, so muss daher für eine schnelle Entladung des Kondensators 7 gesorgt werden. Dies könnte im einfachsten Fall durch eine in Fig. 1 ge-

25 strichelt angedeutete Schaltungsanordnung 8a zwischen Ansteuerleitung 5 und Kondensator 7 geschehen, die für die Entladung des Kondensators 7 in Leitrichtung liegt. Es ist jedoch nicht bei allen Schaltungen sichergestellt, dass die an der Ansteuerleitung 5 anstehende Spannung beim Ausschalten des Schalttransistors 30 1 genügend schnell absinkt und dass diese Leitung eine ausreichend niederohmige Entladung ermöglicht. Um auch in diesen Fällen eine schnelle Entladung des Kondensators 7 sicherzustellen, ist der Kondensator 10 mit der vorgeschlagenen Parallel- , Schaltung von Widerstand 9 und Diode 8 vorgesehen. Bei einem 35 positiven Ansteuerimpuls lädt sich der der Ansteuerleitung 5 zugewandte Belag des Kondensators 10 positiv und der dem Widerstand 9 zugewandte Belag des Kondensators 10 negativ auf, da das Potential am Punkt 16 unter dem Potential der Ansteuerleitung 5 liegt. Sinkt nun bei verschwindendem Ansteuerim-40 puls das Potential an der Ansteuerleitung 5, so erhält der Verbindungspunkt 16 durch den Kondensator 10 über die Diode 8 ein negatives Potential, das zu einer schnellen Entladung des Kondensators 7 über die Diode 8 auf den Kondensator 10 führt. Die Kapazität des Kondensators 10 muss wesentlich grös-45 ser als die des Kondensators 7 sein, z.B. lOmal so gross. Damit wird verhindert, dass die Spannung am Kondensator 10 bei der Entladung des Kondensators 7 wesentlich ansteigt. Der Kondensator 10 kann sich über die Widerstände 4 und 9 wieder entladen.

so Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der das Ausschalten des Schalttransistors 1 dadurch beschleunigt wird, dass der Transistor 3 bei verschwindendem Ansteuerimpuls einen Ausschaltstrom aufnimmt, der dem Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist und damit die Ladungsträger aus der Basis des 55 Schalttransistors 1 ausräumt. Das schnelle Abschalten eines Endstufen-Schalttransistors an sich ist beispielsweise aus der DE-OS 2 644 507, Seiten 2 und 3 bekannt. Der Transistor 3 ist über den Widerstand 12 mit einer negativen Versorgungsspannung -Uh verbunden. Die Basis des Transistors 3 ist ausser mit 60 dem Ausgang des Differenzverstärkers 2 über eine Parallelschaltung einer Diode 15 und eines Widerstands 17 auch mit der Ansteuerleitung 5 verbunden. Dabei ist die Anode der Diode 15 der Basis des Transistors 3 zugewandt. Zwischen dem Anschlusspunkt der Parallelschaltung von Diode 15 und Wider-65 stand 17 und dem Anschlusspunkt des Emitters des Transistors

3 an der Ansteuerleitung 5 ist in die Ansteüerleitung 5 eine Diode 18 eingefügt, die für positive Ansteuerimpulse in Leitrichtung liegt. Die Parallelschaltung von Diode 15 und Widerstand

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17 ist ausserdem über einen weiteren Widerstand 14 mit der negativen Versorgungsspannung -Uh verbunden.

In der Schaltung nach Fig: 2 ist dem Schalttransistor 1 eine Vorverstärkerstufe mit dem Transistor 19 vorgeschaltet, dessen Basis mit der Ansteuerleitung 5, dessen Kollektor mit dem Kollektor des Schalttransistors 1 und dessen Emitter über einen Widerstand 22 mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden ist. Ausserdem liegt zwischen Basis und Emitter des Transistors 19 die Parallelschaltung eines Widerstands 21 und einer Diode 20, deren Kathode der Basis des Transistors 19 zugewandt ist.

Bei dieser Schaltung wird der Transistor 3 bei positivem Ansteuerimpuls über den Widerstand 17 in Sperrichtung gehalten. Wechselt der Ansteuerimpuls dagegen auf Null oder auf negative Werte, so wird der Transistor 3 über die Diode 15 leitend gesteuert und kann damit einen Abschaltstrom aufnehmen, der dem Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn der Schalttransistor 1 der beschriebenen Schaltung un-5 mittelbar nachgeschaltet ist, so kann über den Transistor 3 die Basiszone des Schalttransistors 1 unmittelbar sehr wirkungsvoll ausgeräumt werden. Wenn dem Schalttransistor 1, wie in Fig. 2 dargestellt, eine oder mehrere Verstärkerstufen vorgeschaltet sind, so können diese durch Dioden 20 überbrückt io sein, die ein Ausräumen der Basiszone des Schalttransistors 1 über den Transistor 3 gestatten. Mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird also der Transistor 3 sowohl zum Abschalten bei Überstrom als auch zum Abschalten im Normalbetrieb benutzt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Überstromschutzanordnung für einen Halbleiterschalter, dessen Ansteuerleitung über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit dem Bezugspotential der Schutzanordnung verbunden ist, wobei die Basis des Transistors mit dem Ausgang einer Überstromerfassungseinrichtung für den Halbleiterschalter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromerfassungseinrichtung eine Vergleicherstufe (2) enthält, dass der erste Eingang (2a) der Vergleicherstufe (2) über einen Widerstand (4) mit der Ansteuerleitung (5) des Halbleiterschalters (1), über eine Diode (6) mit dem dem Bezugspotential abgewandten Anschluss des Halbleiterschalters (1) und über einen ersten Kondensator (7) mit dem Bezugspotential verbunden ist, dass der zweite Eingang (2b) der Vergleicherstufe (2) mit einer Referenzspannungsquelle (LW) verbunden ist und dass der Ausgang der Vergleicherstufe (2) mit der Basis des Transistors (3) verbunden ist.

2. Überstromschutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Widerstand (4) eine Diode (8) parallel geschaltet ist, deren Kathode der Ansteuerleitung (5) zugewandt ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Überstromschutzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Diode (8) ein Widerstand (9) und in Reihe zur Parallelschaltung von Diode (8) und Widerstand (9) ein zweiter Kondensator (10) angeordnet ist, dessen Kapazität grösser als die Kapazität des ersten Kondensators ist.

4. Überstromschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des Transistors (3) an einem gegenüber dem Bezugspotential negativen Versorgungspotential liegt und dass die Basis des Transistors (3) über eine Diode (15) mit der Ansteuerleitung (5) und über diese Diode (15) und einen Widerstand (14) mit dem negativen Versorgungspotential verbunden ist.