DE10014641A1 - Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor Mode - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter (2), der zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter (4, 6) in der Topologie "Common Kollektor Mode" aufweist. Erfindungsgemäß ist die aktive Überspannungsschutzvorrichtung ein Diodennetzwerk (14), das derart mit den zugänglichen Anschlüssen (G1, G2, E1, E2) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) in Common Kollektor Mode verknüpft ist, dass für jeden der beiden Halbleiterschalter (4, 6) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) in Common Kollektor Mode die Funktion einer Spannungsklemmschaltung erfüllt ist. Somit erhält man eine aufwandsarme und preiswerte aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter (2) in Common Kollektor Mode.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aktive Überspannungs­ schutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschal­ ter, der zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter in der Topologie "Common Kollektor Mode" aufweist.

Ein derartiger bidirektionaler Leistungsschalter ist aus der Veröffentlichung "Novel Solutions for Protection of Matrix Converter to Three Phase Induction Machine", abgedruckt im Tagungsband "IEEE Industry Applications Society Annual Mee­ ting", New Orleans, Louisiana, Oktober 5-9, 1997, Seiten 1447 bis 1454, bekannt. Das Schaltbild eines bidirektionalen Schalters 2 in der Topologie "Common Kollektor Mode" ist in der Fig. 1 näher dargestellt. Die Fig. 2 zeigt zum Vergleich einen bidirektionalen Leistungsschalter 2 in der Topologie "Common Emitter Mode", der ebenfalls aus der bereits erwähn­ ten Veröffentlichung bekannt ist. Diese beiden direktionalen Leistungsschalter 2 weisen jeweils zwei Halbleiterschalter 4 und 6 auf, die antiseriell geschaltet sind. In der Fig. 1 sind diese beiden Halbleiterschalter 4 und 6 derart antiseriell geschaltet, dass die beiden Kollektor-Anschlüsse miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Deshalb wird diese antise­ rielle Schaltung der beiden Halbleiterschalter 4 und 6 auch als Common Kollektor Mode bezeichnet. In der Fig. 2 sind die beiden Halbleiterschalter 4 und 6 derart antiseriell geschal­ ten, dass deren Emitter-Anschlüsse elektrisch leitend verbun­ den sind. Gemäß der Verknüpfung der Emitter-Anschlüsse wird diese Verschaltung als Common Emitter Mode bezeichnet. Als Halbleiterschalter 4 und 6 werden Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) verwendet, die jeweils eine Reverse-Diode aufweisen. An den zugänglichen Anschlüssen des bidirektiona­ len Leistungsschalters 2 kann man die interne Topologie er­ kennen. Beim bidirektionalen Leistungsschalter in der Topologie "Common Kollektor Mode" gemäß Fig. 1, sind am Leistungs­ schalter 2 die Anschlüsse E1, E2, G1 und G2 zugänglich. Im Gegensatz dazu sind beim direktionalen Leistungsschalter 2 in der Topologie "Common Emitter Mode" gemäß Fig. 2 die Anschlüs­ se C1, C2, G1 und G2 zugänglich.

Gemäß der zuvor genannten Veröffentlichung werden bidirektio­ nale Leistungsschalter 2 bei einem Matrixumrichter verwendet. Bei einem Matrixumrichter handelt es sich um einen selbstge­ führten Direktumrichter. Dieser selbstgeführte Direktumrich­ ter ist ein Spannungszwischenkreisumrichter ohne Zwischen­ kreis. Im Matrixumrichter sind die bidirektionalen Leistungs­ schalter in einer 3 × 3-Schaltermatrix angeordnet. Durch diese Anordnung der bidirektionalen Leistungsschalter werden drei Eingangsphasen mit drei Ausgangsphasen verbunden. Durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter bzw. des Halbleiterschal­ ters der Leistungsschalter 2 der 3 × 3-Schaltermatrix wird je­ weils ein Strompfad in bidirektionaler Weise, d. h., vom Ein­ gang zum Ausgang und umgekehrt, durchgeschaltet. Eine Phase des Matrixumrichters ist eine Anordnung von drei bidirektio­ nalen Leistungsschalter, die eine Verbindung von den drei Netzphasen zu einer Ausgangsphase herstellt. An den Eingangs- Anschlüssen des Matrixumrichters ist außerdem ein LC-Filter angeschlossen, das eingangsseitig mit einem Drehstromnetz verknüpft ist. Dieses LC-Filter, das auch als Eingangsfilter bezeichnet wird, hält pulsfrequente Oberschwingungen vom Netz fern. Die Größe dieses Filters hängt von der Pulsfrequenz des Matrixumrichters ab. Dieser selbstgeführte Direktumrichter bietet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rück­ speisefähig ist, und durch eine entsprechend ausgeprägte Steuerung sinusförmige Netzströme erreicht.

Neben den bereits erwähnten Ausführungsformen des bidirektio­ nalen Leistungsschalters gibt es auch noch eine dritte Aus­ führungsform, die ebenfalls der bereits zitierten Veröffent­ lichung entnehmbar ist. Bei dieser dritten Ausführungsform handelt es sich um einen Halbleiterschalter, der in einer Di­ odenbrücke integriert ist.

Da der Matrixumrichter keine passiven Freilaufkreise besitzt, wie ein Spannungszwischenkreisumrichter, treten insbesondere im Fall einer aufgrund eines NOT-AUS generierten Impulssperre (Abschalten der Ansteuerimpulse aller Halbleiterschalter) aufgrund der im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten hohe Sperrspannungen an den Halbleiterschaltern auf. Diese Über­ spannungen können auch in Folge einer falsch eingeleiteten Kommutierungssequenz oder durch Ausfall der Ansteuerung von bidirektionalen Leistungsschalter auftreten. In diesen ge­ nannten Fällen wird jedes Mal der Ausgangsstromkreis unter­ brochen. Die Unterbrechung des Ausgangsstromkreises in Ver­ bindung mit den im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten ver­ ursacht die Überspannungen, die die Zerstörung der Halblei­ terschalter zur Folge haben können.

Aus der bereits genannten Veröffentlichung "Novel Solutions for Protection of Matrix Converter to Three Phase Induction Machine" ist eine Überspannungsschutzvorrichtung bekannt. Diese Überspannungsschutzvorrichtung weist zwei 6-pulsige Di­ odenbrücken auf, die gleichspannungsseitig mittels eines Kon­ densators miteinander verknüpft sind. Wechselspannungsseitig ist die eine 6-pulsige Diodenbrücke mit den Eingangsanschlüs­ sen des Matrixumrichters verbunden. Die andere Diodenbrücke ist wechselspannungsseitig mit den Ausgangs-Anschlüssen des Matrixumrichters verbunden. Elektrisch parallel zum Kondensa­ tor ist ein Widerstand geschaltet, der den Kondensator ent­ lädt. An den Eingangs-Anschlüssen des Matrixumrichters ist außerdem ein LC-Filter angeschlossen, das eingangsseitig mit einem Drehstromnetz verknüpft ist. Dieses LC-Filter, das auch als Eingangsfilter bezeichnet wird, hält pulsfrequente Ober­ schwingungen vom Netz fern. Die Größe dieses Filters hängt von der Pulsfrequenz des Matrixumrichters ab.

Auftretende Überspannungen werden durch die Diodenbrücken gleichgerichtet und auf den Kondensator gegeben. Dieser Kon­ densator nimmt somit die Kommutierungsenergie auf. Für diese Überspannungsschutzvorrichtung, die auch Gegenstand des US- Patents 4,697,230 ist, wird eine Vorladeschaltung für den Kondensator benötigt. Diese Vorladeschaltung wird benötigt, damit beim Einschalten des Matrixumrichters keine Überspan­ nung von doppelter Netzspannung auftreten. Ohne Vorladung entstehen ebenso hohe Spitzenströme, die von den Dioden der Diodenbrücke geführt werden müssen. Der Widerstand ist so di­ mensioniert, dass der Kondensator um eine vorbestimmte Ener­ giemenge entladen wird. Diese Energiemenge ist abhängig von einer vorbestimmten Differenz der Netzspannung zur Kondensa­ torspannung.

Aus der Veröffentlichung "Performance of a two Steps Commutated Matrix Converter for AC-Variable-Speed Drives", abgedruckt in dem Tagungsband EPE '99, Lausanne, September 1999, Seiten 1 bis 9, ist ebenfalls eine Überspannungsschutz­ vorrichtung bekannt, die zwei 6-pulsige Diodenbrücken aufwei­ sen. Jeder dieser beiden Diodenbrücken weist Gleichspannungs­ seitig einen Kondensator auf. Diese beiden Kondensatoren sind elektrisch parallel geschaltet. Eine Zenerdiode und ein Puls­ widerstand sind elektrisch parallel zu diesen beiden Konden­ satoren geschaltet, mit denen die Spannung der Kondensatoren auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird. Außerdem weist jeder bidirektionaler Leistungsschalter einen Varistor und eine antiseriell geschaltete Zenerdiode auf, mit denen die Überspannungen am bidirektionalen Leistungsschalter begrenzt werden.

In der Veröffentlichung "A Matrix Converter without Reactive Clamp Elements for an Induction Motor Drive System", von Herrn Axel Schuster, abgedruckt in IEEE, 1998, Seiten 714 bis 720, ist als Überspannungsschutzvorrichtung mehrere Varisto­ ren vorgesehen. Jedem Halbleiterschalter jedes bidirektiona­ len Leistungsschalters der 3 × 3-Schaltermatrix ist ein Varistor elektrisch parallel geschaltet. Diese 18 Varistoren schützen die 18 Halbleiterschalter der neun bidirektionalen Leistungsschalter vor Überspannungen.

Bei der Verwendung dieser Überspannungsschutzeinrichtung muss beim bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor Mode der Verbindungspunkt der beiden Kollektor-Anschlüsse der beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter herausge­ führt sein. Es ist auch möglich, dass der bidirektionale Leistungsschalter aus einzelnen Halbleiterbauelementen aufge­ baut ist. Erst wenn die Kollektoranschlüsse bzw. deren Ver­ bindungspunkt zugänglich sind, können jedem Halbleiterschal­ ter eines bidirektionalen Leistungsschalters ein Varistor elektrisch parallel geschaltet werden.

In der Veröffentlichung "Theory and Design of a 30-hp Matrix Converter", abgedruckt in IEEE Transactions on Industry Applications", Band 28, Heft 3, Mai/Juni 1992, Seiten 546 bis 551, wird als Überspannungsschutzvorrichtung eines bidirekti­ onalen Leistungsschalters eine RCD-Beschaltung für den in ei­ ner Diodenbrücke integrierten Transistor verwendet. Die im Kondensator der RCD-Beschaltung gespeiste Energie wird norma­ lerweise im Widerstand der RCD-Beschaltung in Wärme umge­ setzt. Diese RCD-Beschaltung wird auch als snubber circuit bezeichnet. Die gespeicherte Energie kann auch zur Energie­ versorgung der Ansteuerung der Halbleiterschalter verwendet werden. Diese Überspannungsschutzvorrichtung ist weniger ge­ eignet für einen bidirektionalen Leistungsschalter gemäß der Fig. 1 oder 2. Außerdem benötigt diese Überspannungsschutzvor­ richtung Bauvolumen, wobei die Höhe dieses Bauvolumens von der Kommutierungsenergie abhängig ist.

Aus der Veröffentlichung "Beschaltung von SIPMOS-Transisto­ ren", abgedruckt in der "Siemens-Components", Band 22, Heft 4, 1984, Seiten 157 bis 159, ist eine Spannungsklemmschaltung bekannt. Diese Spannungsklemmschaltung ist in Fig. 3 bei einem Halbleiterschalter 4 näher dargestellt und ist mit 8 gekennzeichnet. Diese Spannungsklemmschaltung 8 besteht aus einer Zenerdiode 10, insbesondere eine Hochspannungs-Zenerdiode, die auch als Transildiode bezeichnet wird, und einer Entkopp­ lungsdiode 12. Diese Spannungsklemmschaltung 8 ist zwischen Kollektor-Anschluss C und Gate-Anschluss G des Halbleiter­ schalters 4 geschaltet. Als Halbleiterschalter 4 ist ein Insulated Gate Bipolare Transistor (IGBT) mit einer Reverse- Diode vorgesehen. Die Entkopplungsdiode 12 trennt die Span­ nungsklemmschaltung 8 vom Gate-Anschluss G des Halbleiter­ schalters 4 beim eingeschalteten Halbleiterschalter 4 ab. So­ bald im gesperrten Zustand des Halbleiterschalters 4 seine Kollektor-Emitter-Spannung die Summe aus Z-Spannung der Tran­ sildiode 10, der Schwellenspannung der Entkopplungsdiode 12 und der Gate-Emitter-Schwellenspannung überschreitet, wird der Halbleiterschalter 4 selbsttätig angesteuert. Somit wird eine auftretende Überspannung am Halbleiterschalter 4 aktiv von diesem begrenzt, wobei jedoch im Halbleiterschalter 4 und in der Transildiode 10 Verluste auftreten.

Diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung kann direkt bei einem bidirektionalen Leistungsschalter in der Topologie "Common Emitter Mode" (Fig. 2) verwendet werden. Das heißt, jedem der beiden Halbleiterschalter 4 und 6 des bidirektiona­ len Leistungsschalters 2 im Common Emitter Mode wird eine Spannungsklemmschaltung 8 elektrisch parallel zur Kollektor- Gate-Strecke geschaltet. Dies kann auch ohne großen Aufwand realisiert werden, da die benötigten Anschlüsse Kollektor- Anschluss C und Gate-Anschluss G zugänglich sind.

Eine Verwendung dieser bekannten Spannungsklemmschaltung 8 bei einem bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kol­ lektor Mode ist ohne weiteres nicht möglich. Damit dies mög­ lich wird, muss der Common-Kollektor-Anschluss aus dem bidi­ rektionalen Leistungsschalters 2 herausgeführt sein. Dies be­ dingt eine Sonderbauform des bidirektionalen Leistungsschal­ ters, der ggf. kundenspezifisch hergestellt werden muss. Eine Abweichung von Standardbauelementen verteuert ein Produkt am Markt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor Mode anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des un­ abhängigen Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.

Dadurch, dass dem bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor Mode ein Diodennetzwerk zugeordnet ist, dass derart mit den zugänglichen Gate- und Emitter-Anschlüssen des bidi­ rektionalen Leistungsschalters verknüpft ist, das für jeden seiner beiden Halbleiterschalter die Funktion einer Span­ nungsklemmschaltung erfüllt ist, wird eine entstehende Über­ spannung nicht mehr von der Überspannungsschutzvorrichtung aufgenommen, sondern aktiv von einem der beiden Halbleiter­ schalter des bidirektionalen Leistungsschalters begrenzt. Welche der beiden Halbleiterschalter des bidirektionalen Leistungsschalters selbsttätig angesteuert wird, hängt von der Polarität des am bidirektionalen Leistungsschalters an­ stehenden Sperrspannung ab. Durch das Diodennetzwerk als Be­ schaltung eines bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode, erhält man eine aktive Überspannungsschutz­ vorrichtung für einen derartigen Leistungsschalter.

Bei einer zweiten unabhängigen Lösung weist die Überspan­ nungsschutzvorrichtung eine Spannungsmessvorrichtung, zwei Spannungsvergleichs-Einrichtungen und zwei Entkopplungsdioden auf. Die Spannungsmessvorrichtung ist elektrisch mit den Emitter-Anschlüssen des bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode verbunden, deren beiden Ausgänge je­ weils mit einem Ist-Eingang der beiden Spannungsvergleichs- Einrichtungen verknüpft sind. Ausgangsseitig ist jede Span­ nungsvergleichs-Einrichtung mittels der Entkopplungsdiode mittels einer Treiberstufe mit einem Gate-Anschluss des bidirektionalen Leistungsschalters verknüpft. Am Sollwert-Eingang jedes Spannungsvergleichs-Einrichtung steht ein vorbestimmter Sollwert an. Ist der ermittelte Istwert größer oder gleich dem vorbestimmten Sollwert, wird der zugehörige Halbleiter­ schalter des bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode angesteuert, so dass dieser Halbleiterschalter die auftretende Überspannung aktiv begrenzen kann.

Bei einer ersten Ausführungsform des Diodennetzwerkes weist dieses Netzwerk zwei Zener- und zwei Entkopplungsdioden auf. Jeweils eine Zenerdiode und eine Entkopplungsdiode sind ano­ denseitig miteinander elektrisch leitend verbunden. Jede die­ ser Reihenschaltungen ist mit einem Gate-Anschluss und einem Emitter-Anschluss jeweils eines Halbleiterschalters des bidi­ rektionalen Leistungsschalters verknüpft. Somit bildet jede Reihenschaltung eine bekannte Spannungsklemmschaltung, die jedoch nicht elektrisch zur Kollektor-Gate-Strecke eines Halbleiterschalters geschaltet ist. Diese beiden Spannungs­ klemmschaltungen sind überkreuz mit den zugänglichen An­ schlüssen des bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode verbunden.

Bei einer zweiten Ausführungsform des Diodennetzwerkes weist dieses Netzwerk ebenfalls zwei Zener- und zwei Entkopplungs­ dioden auf, wobei jeweils eine Zener- und eine Entkopplungs­ diode kathodenseitig miteinander verknüpft sind. Diese Ver­ knüpfungspunkte sind jeweils mit einem Gate-Anschluss des bi­ direktionalen Leistungsschalters verbunden. Diese beiden Rei­ henschaltungen sind derart elektrisch miteinander verknüpft, dass die beiden Zenerdioden anodenseitig elektrisch leitend verbunden sind. Die zugehörigen Entkopplungsdioden sind ano­ denseitig jeweils mit einem Emitter-Anschluss des bidirektio­ nalen Leistungsschalters verbunden. Gegenüber der ersten Aus­ führungsform müssen die Entkopplungsdioden keine hochsperren­ den Dioden sein.

Bei einer vorteilhaften zweiten Ausführungsform sind jeweils zwischen den Verknüpfungspunkten der Reihenschaltungen und den Gate-Anschlüssen des bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode eine Treiberstufe geschaltet. Da­ durch wird die Strombelastung jeder Zenerdiode sehr verrin­ gert.

Bei einer dritten Ausführungsform des Diodennetzwerkes weist dieses Netzwerk zwei Entkopplungsdioden und eine in einer Di­ odenbrücke integrierte Zenerdiode auf. Diese Diodenbrücke ist mit seinen freien Anschlüssen mit den Gate-Anschlüssen des bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode elektrisch leitend verbunden. Die Entkopplungsdioden sind in Sperrrichtung jeweils elektrisch parallel zu einer Gate-Emit­ ter-Strecke eines Halbleiterschalters des bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode geschaltet. Durch diese Ausgestaltung des Diodennetzwerkes wird nur noch eine Zenerdiode, insbesondere eine hochsperrende Zenerdiode, benö­ tigt, wodurch sich der Aufwand und die Kosten der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung wesentlich reduziert.

Bei einer vierten Ausführungsform des Diodennetzwerkes weist dieses Netzwerk vier Dioden und eine Zenerdiode auf. Anoden­ seitig ist diese Zenerdiode mit den Anoden zweier Dioden ver­ knüpft, die ihrerseits mit den Gate-Anschlüssen des bidirek­ tionalen Leistungsschalters verbunden sind. Kathodenseitig ist die Zenerdiode mit den Kathoden zweier Dioden verbunden, die ihrerseits mit den Emitter-Anschlüssen des bidirektiona­ len Leistungsschalters verknüpft sind. Bei dieser Ausfüh­ rungsform des Diodennetzwerkes wird nicht nur eine hochsper­ rende Zenerdiode eingespart, sondern auch zwei Entkopplungs­ dioden. Somit hat sich der Aufwand für eine aktive Überspan­ nungsschutzvorrichtung eines bidirektionalen Leistungsschal­ ters in Common Kollektor Mode weiter vereinfacht.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung schema­ tisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungs­ schalters in Common Kollektor Mode, die

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungs­ schalters in Common Emitter Mode, in der

Fig. 3 ist eine Spannungsklemmschaltung für einen Halblei­ terschalter dargestellt, die

Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform des Diodennetzwerkes der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvor­ richtung, wobei in der

Fig. 5 eine vorteilhafte Variante dieses Diodennetzwerkes nach Fig. 4 dargestellt ist, die

Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Diodennetzwer­ kes der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungs­ schutzvorrichtung, wobei in den

Fig. 7-9 eine vorteilhafte Variante dieser zweiten Ausfüh­ rungsform dargestellt sind, die

Fig. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform, wobei die

Fig. 11 eine vierte Ausführungsform des Diodennetzwerkes der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrich­ tung darstellt, und die

Fig. 12 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Überspannungsschutzvorrichtung.

Die Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform des Diodennetzwer­ kes 14 der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvor­ richtung. Dieses Diodennetzwerk 14 weist zwei Zenerdioden 16 und 18 und zwei Entkopplungsdioden 20 und 22 auf. Die Zener­ diode 16 ist anodenseitig mit der Anode der Entkopplungsdiode 20 elektrisch leitend verbunden. Die Zenerdiode 18 und die Entkopplungsdiode 22 sind ebenfalls anodenseitig miteinander elektrisch leitend verbunden. Die beiden Reihenschaltungen 24 und 26 sind überkreuz mit den zugänglichen Anschlüssen E1, E2, G1, G2 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 elekt­ risch leitend verknüpft. Das heißt, die Reihenschaltung 24 verbindet den Anschluss E1 mit den Anschluss G2 des bidirek­ tionalen Leistungsschalters 2, wobei die Reihenschaltung 26 den Anschluss E2 mit den Anschluss G1 verbindet.

Wenn im ausgeschalteten Zustand dieses bidirektionalen Leis­ tungsschalters 2 in Common Kollektor Mode, das heißt, die beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter 4 und 6 sind gesperrt, eine Überspannung auftritt, wird entweder der Halbleiterschalter 4 oder 6 des bidirektionalen Leistungs­ schalters 2 angesteuert, sobald der Wert der Überspannung den Summenwert der Z-Spannung der Zenerdiode 16 oder 18, der Schwellenspannung der Entkopplungsdiode 20 oder 22 und der Gate-Emitter-Schwellenspannung des Halbleiterschalters 6 oder 4 überschreitet. Welcher Halbleiterschalter des bidirektiona­ len Leistungsschalters 2 angesteuert wird, hängt von der Po­ larität des am bidirektionalen Leistungsschalters 2 anstehen­ den Sperrspannung ab. Damit wird eine am bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common Kollektor Mode anstehende Sperrspannung aktiv auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Somit tritt am bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common Kollektor Mode keine Überspannung mehr auf. Das Diodennetz­ werk 14, das bei dieser Ausführungsform hochsperrende Dioden aufweist wird in den beiden Ansteuerschaltungen integriert. Somit wird kein zusätzliches Bauvolumen beansprucht.

In der Fig. 5 ist eine vorteilhafte Variante des Diodennetz­ werkes 14 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung darge­ stellt. Anstelle der Dioden 16, 20 und 18, 22 der Reihen­ schaltungen 24 und 26 ist jeweils eine bidirektionale hoch­ sperrende Zenerdiode 28 bzw. 30 vorgesehen. Diese bidirektio­ nale hochsperrende Zenerdiode 28 bzw. 30 wird auch als bidi­ rektionale Transildiode bezeichnet. Dadurch, dass anstelle von zwei Dioden 16, 20 bzw. 18, 22 jeweils eine bidirektiona­ le hochsperrende Zenerdiode 28 bzw. 30 verwendet wird, spart man am Einbauplatz.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Diodennetz­ werkes 14 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung. Dieses Diodennetzwerk 14 weist ebenfalls zwei hochsperrende Zenerdi­ oden 16 und 18, die auch als Transildioden bezeichnet werden, und zwei niedersperrende Entkopplungsdioden 32 und 34 auf. Die beiden Transildioden 16 und 18 sind zwischen den beiden zugänglichen Anschlüssen G1 und G2 des bidirektionalen Leis­ tungsschalters 2 in Common Kollektor Mode antiseriell ge­ schaltet. Die niedersperrende Entkopplungsdiode 32 ist in Sperrrichtung elektrisch parallel zu den Anschlüssen G1 und E1 geschaltet, wogegen die niedersperrende Entkopplungsdiode 34 in Sperrrichtung elektrisch parallel zu den Anschlüssen G2 und E2 geschaltet ist.

Diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung funktioniert fol­ gendermaßen:

Am bidirektionalen Leistungsschalter 2 in Common Kollektor Mode tritt an den Anschlüssen E1, E2 eine für den Halbleiter­ schalter 6 relevante Überspannung auf, d. h. der Kollektor des Halbleiterschalters 6 ist positiv gegen Emitter. Bei einer derartigen auftretenden Überspannung sind die Entkopplungsdi­ oden 32 und die Transildiode 18 in Durchlassrichtung und die Transildiode 16 und die Entkopplungsdiode 34 in Sperrrichtung gepolt. Diese Spannung erhöht sich im Störfall auf einen Wert, bei dem die Transildiode 16 in den Durchbruch geht (entsprechend seiner Zenerspannung), und einen Strom zur Auf­ ladung des Gates des Halbleiterschalters 6 durchlässt. Bei genügend hoher Steuerspannung geht der Halbleiter 6 in den aktiven Bereich und begrenzt dadurch einen weiteren Span­ nungsanstieg. Falls eine für den Halbleiterschalter 4 rele­ vante Überspannung ansteht (Kollektor positiv gegenüber Emit­ ter vom Halbleiterschalter 4) funktioniert die Schaltung ana­ log.

In der Fig. 7 ist eine erste Variante des Diodennetzwerks 14 gemäß Fig. 6 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter 2 in Common Kollektor Mode näher dargestellt. Diese Variante unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 6 dadurch, dass die kathodenmä­ ßigen Verbindungen 36 und 38 der Dioden 16, 32 und der Dioden 18, 34 nicht direkt mit den Gate-Anschlüssen G1 und G2 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 verbunden sind, sondern jeweils mit einem Eingang einer Treiberstufe 40 und 42 der Halbleiterschalter 4 und 6 des bidirektionalen Leistungs­ schalters 2. Jede Treiberstufe 40, 42 ist Bestandteil jeweils einer nicht näher dargestellten Ansteuereinrichtung des Halb­ leiterschalters 4 bzw. 6. An der Funktionsfähigkeit hat sich gar nichts geändert, sondern lediglich an der Strombelastung der Dioden 16, 18, 32 und 34 des Diodennetzwerkes 14. Da bei dieser Variante des Diodennetzwerkes 14 der Gatestrom nicht von den Dioden 32, 16 bzw. 34, 18 geführt werden muss, können leistungsmäßig geringer dimensionierte Bauelemente verwendet werden, die preiswerter ausfallen. Der benötigte Gatestrom wird von der Treiberstufe 40 bzw. 42 generiert.

In der Fig. 8 ist eine weitere Variante der zweiten Ausfüh­ rungsform des Diodennetzwerkes 14 der aktiven Überspannungs­ schutzvorrichtung des bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common Kollektor Mode dargestellt. Diese Variante unterschei­ det sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 6 dadurch, dass anstelle der niedersperrenden Entkopplungsdioden 32 und 34 jeweils Zenerdioden 44 und 46 mit niedriger Zenerspannung, beispielsweise 16 V, verwendet werden. Dadurch, dass als Ent­ kopplungsdiode 32 bzw. 34 jeweils eine Zenerdiode 44 bzw. 46 verwendet wird, erfüllt die Entkopplungsdiode gleichzeitig eine zweite Funktion. Diese zweite Funktion ist die Begren­ zung der Gate-Emitter-Spannung des Halbleiterschaltes 4 bzw. 6 auf einem vorbestimmten Wert.

Die Fig. 9 zeigt eine weitere Variante der zweiten Ausfüh­ rungsform des Diodennetzwerkes 14 der aktiven Überspannungs­ schutzvorrichtung, wobei gegenüber der Variante gemäß Fig. 8 anstelle der beiden antiseriell geschalteten Transildioden 16 und 18 zwischen den beiden Anschlüssen G1 und G2 des bidirek­ tionalen Leistungsschalters 2 eine bidirektionale Transildi­ ode 46 verwendet wird. Dieses Diodennetzwerk 14 ist wie in der Fig. 7 vor den Treiberstufen 40 und 42 der Halbleiter­ schalter 4 und 6 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 an­ geordnet. Diese Variante des Diodennetzwerkes 14 kann jedoch wie in den Fig. 6 bzw. 8 auch direkt mit den zugänglichen An­ schlüssen G1, G2, E1, E2 des bidirektionalen Leistungsschal­ ters 2 in Common Kollektor Mode verbunden werden.

Die Fig. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform des Diodennetz­ werkes 14 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung für ei­ nen bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common Kollektor Mode. Dieses Diodennetzwerk 14 weist zwei Entkopplungsdioden 32 und 34 und eine Transildiode 16 auf, die in einer Dioden­ brücke 48 eingebettet ist. Die freien Enden dieser Diodenbrü­ cke 48 sind mit den Anschlüssen G1 und G2 der bidirektionalen Leistungsschalter 2 elektrisch leitend verbunden. Die Ver­ schaltung der Entkopplungsdioden 32 und 34 ist gleich der Entkopplungsdioden 32 und 34 der zweiten Ausführungsform des Diodennetzwerkes 14 gemäß Fig. 6. Der Unterschied zur Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 6 besteht darin, dass anstelle zweier an­ tiseriell geschalteter Transildioden 16, 18 eine in einer Di­ odenbrücke 48 eingebettete Transildiode 16 verwendet wird. Dabei ist die Transildiode 16 anodenseitig mit den Anoden zweier Dioden 50, 52 der Diodenbrücke 48 verknüpft, die ih­ rerseits kathodenseitig mit den Anschlüssen G1 und G2 des bi­ direktionalen Leistungsschalters 2 verbunden sind. Kathoden­ seitig ist die Transildiode 16 mit den Kathoden zweier weite­ rer Dioden 54, 56 der Diodenbrücke 48 verbunden, die ihrer­ seits anodenseitig mit den Anschlüssen G1 und G2 des bidirek­ tionalen Leistungsschalters 2 verknüpft sind. Diese Ausfüh­ rungsform des Diodennetzwerkes 14 weist die minimalste Anzahl von Hochspannungs-Zenerdioden auf.

In der Fig. 11 ist eine vierte Ausführungsform des Diodennetz­ werkes 14 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter 2 in Common Kollektor Mode dargestellt. Diese Ausführungsform weist gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 10 keine Entkopplungsdioden 32 und 34 mehr auf. Dazu sind die weiteren Dioden 54 und 56 der Dio­ denbrücke 48 anodenseitig nicht mehr mit den Anschlüssen G1 und G2, sondern mit den Anschlüssen E1 und E2 des bidirektio­ nalen Leistungsschalters 2 elektrisch leitend verbunden. So­ mit hat sich die Anzahl der Dioden des Diodennetzwerkes 14 weiter verringert, wobei nur eine Transildiode 16 für einen bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common Kollektor Mode benötigt wird.

Anstelle des Diodennetzwerkes 14 kann die aktive Überspan­ nungsschutzvorrichtung des bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common Kollektor Mode auch eine Spannungsmesseinrichtung 58, zwei Spannungsvergleichs-Einrichtung 60 und 62 und zwei Entkopplungsdioden 64 und 66 aufweisen. Die Spannungsmessein­ richtung 58 besteht aus drei elektrisch in Reihe geschalteter Widerstände 68, 70, 72, von denen nur der Widerstand 70 als Hochspannungs-Widerstand ausgeführt ist. Diese Spannungsmess­ einrichtung 58 ist elektrisch parallel zu den Anschlüssen E1 und E2 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 geschaltet. Die Verbindungspunkte 74 und 76 der Widerstände 68, 70 und 70, 72 bilden jeweils einen Ausgang der Spannungsmesseinrich­ tung 58, an denen jeweils ein Spannungs-Istwert des Halblei­ terschalters 4 bzw. 6 abgegriffen werden kann. Diese Ausgänge 74 und 76 der Spannungsmesseinrichtung 58 sind jeweils mit einem Istwert-Eingang der Spannungsvergleichs-Einrichtung 60 und 62 verbunden. Am Sollwert-Eingang dieser Spannungsver­ gleichs-Einrichtungen 60 und 62 steht jeweils ein vorbestimm­ ter Spannungs-Sollwert U_ref4 bzw. U_ref6 an. Ausgangsseitig ist die Spannungsvergleichs-Einrichtung 60 bzw. 62 mittels der Entkopplungsdiode 64 bzw. 66 mit einem Eingang der Treiber­ stufe 40 bzw. 42 der nicht näher dargestellten Ansteuerschal­ tung des Halbleiterschalters 4 bzw. 6 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 elektrisch leitend verbunden. Sobald der ermittelte Spannungs-Istwert des Halbleiterschalters 4 oder 6 größer oder gleich dem vorbestimmten Spannungs-Sollwert U_ref4 oder U_ref6 ist, wird die korrespondierende Treiberstufe 40 oder 42 angesteuert, so dass ein Strom zur Aufladung des Ga­ tes des Halbleiterschalters 4 oder 6 generiert wird. Bei ge­ nügend hoher Steuerspannung geht der Halbleiterschalter 4 o­ der 6 in den aktiven Bereich und begrenzt dadurch einen wei­ teren Spannungsanstieg. Diese aktive Überspannungsschutzvor­ richtung wird vorteilhafterweise bei einem bidirektionalen Leistungsschalters 2 großer Leistung verwendet.

Claims (10)

1. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirekti­ onalen Leistungsschalter (2), der zwei antiseriell geschalte­ te Halbleiterschalter (4, 6) in der Topologie "Common Kollek­ tor Mode" aufweist, wobei diese Überspannungsschutzvorrich­ tung ein Diodennetzwerk (14) ist, das derart mit den beiden Gate- und Emitter-Anschlüssen (G1, G2, E1, E2) des bidirektiona­ len Leistungsschalters (2) verknüpft ist, dass für jeden der beiden Halbleiterschaltern (4, 6) des bidirektionalen Leis­ tungsschalters (2) die Funktion einer Spannungsklemmschaltung erfüllt ist.

2. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wo­ bei das Diodennetzwerk (14) zwei Zenerdioden (16, 18) und zwei Entkopplungsdioden (20, 22) aufweist, wobei die Zenerdioden (16, 18) kathodenseitig jeweils mit einem Emitter-Anschluss (E1, E2) und die Entkopplungsdioden (20, 22) kathodenseitig je­ weils mit einem Gate-Anschluss (G1, G2) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) verknüpft sind, und wobei eine Zener- und eine Entkopplungsdiode (16, 20) anodenseitig derart ver­ knüpft sind, dass jeweils ein Emitter-Anschluss (E1, E2) eines Halbleiterschalters (4, 6) mit einem Gate-Anschluss (G2, G1) des anderen Halbleiterschalters (6, 4) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) verbunden ist.

3. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wo­ bei das Diodennetzwerk (14) zwei Zenerdioden (16, 18) und zwei Entkopplungsdioden (32, 34) aufweist, wobei die Zenerdioden (16, 18) anodenseitig miteinander und kathodenseitig jeweils mit einem Gate-Anschluss (G1, G2) des bidirektionalen Leis­ tungsschalters (2) verbunden sind und wobei die Entkopplungs­ dioden (32, 34) kathodenseitig jeweils mit einem Gate-An­ schluss (G1, G2) und anodenseitig jeweils mit einem Emitter- Anschluss (E1, E2) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) verknüpft sind.

4. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 3, wo­ bei zwischen dem Diodennetzwerk (14) und den Gate-Anschlüssen (G1, G2) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) jeweils eine Treiberstufe (40, 42) derart angeschlossen ist, dass je­ weils ein kathodenseitiger Verknüpfungspunkt (36, 38) einer Zenerdiode (16, 18) und einer Entkopplungsdiode (32, 34) des Diodennetzwerkes (14) mit einem Eingang einer Treiberstufe (40, 42) verknüpft ist.

5. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wo­ bei das Diodennetzwerk (14) zwei Entkopplungsdioden (32, 34) und eine in einer Diodenbrücke (48) verschalteten Zenerdiode (16) aufweist, wobei jede Entkopplungsdiode (32, 34) anoden­ seitig mit einem Emitter- und kathodenseitig mit einem Gate- Anschluss (E1, E2, G1, G2) des bidirektionalen Leistungsschal­ ters (2) verknüpft sind, wobei die Zenerdiode (16) anodensei­ tig mit Anodenanschlüssen zweier Dioden (50, 52) der Dioden­ brücke (48) und kathodenseitig mit Kathodenanschlüssen zweier weiterer Dioden (54, 56) der Diodenbrücke (48) verbunden ist und wobei die Diodenbrücke (48) mit seinen freien Enden je­ weils mit einem Gate-Anschluss (G1, G2) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) verknüpft sind.

6. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Diodennetzwerk (14) eine Zenerdiode (16) und vier Dioden (50, 52, 54, 56) aufweist, wobei die Zenerdiode (16) ano­ denseitig mit den Anodenanschlüssen zweier Dioden (50, 52) verknüpft ist, die ihrerseits kathodenseitig jeweils mit ei­ nem Gate-Anschluss (G1, G2) des bidirektionalen Leistungs­ schalters (2) verbunden sind und wobei die Zenerdiode (16) kathodenseitig mit den Kathodenanschlüssen zweier Dioden (54, 56) verknüpft ist, die ihrerseits Anodenseitig jeweils mit einem Emitter-Anschluss (E1, E2) des bidirektionalen Leis­ tungsschalters (2) verbunden sind.

7. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirekti­ onalen Leistungsschalter (2), der zwei antiseriell geschalte­ te Halbleiterschalter (4, 6) in der Topologie "Common Kollek­ tor Mode" aufweist, wobei diese Überspannungsschutzvorrich­ tung eine Spannungsmesseinrichtung (58), zwei Spannungsver­ gleichseinrichtungen (60, 62) und zwei Entkopplungsdioden (64, 66) aufweist, wobei diese Spannungsmesseinrichtung (58) elektrisch parallel zum bidirektionalen Leistungsschalter (2) vorgeschaltet ist, wobei jeder Spannungsvergleichs-Einrich­ tung (60, 62) eingangsseitig ein gemessener Spannungs-Istwert und ein vorbestimmter Spannungs-Sollwert (U_ref4, U_ref6) zuge­ führt ist, wobei jede Entkopplungsdiode (64, 66) anodenseitig mit einem Ausgang einer Spannungsvergleichs-Einrichtung (60, 62) und kathodenseitig mit einem Eingang einer Treiber­ stufe (40, 42) der Halbleiterschalter (4, 6) verknüpft ist.

8. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 2, wo­ bei anstelle zweier Dioden (16, 18) und zweier Entkopplungsdi­ oden (20, 22) zwei bidirektionale Transildioden (28, 30) vorge­ sehen sind, wobei jede bidirektionale Transildiode (28, 30) mit einem Emitter-Anschluss (E1, E2) eines ersten Halbleiter­ schalters (4, 6) und mit einem Gate-Anschluss (G2, G1) eines zweiten Halbleiterschalters (6, 4) des bidirektionalen Leis­ tungsschalters (2) verknüpft ist.

9. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei anstelle der beiden Entkopplungsdioden (32, 34) zwei Zenerdioden (44, 46) mit niedriger Durchbruchspannung vorgese­ hen sind.

10. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der An­ sprüche 3, 4 oder 9, wobei anstelle zweier Zenerdioden (16, 18) eine bidirektionale Transildiode (28) vorgesehen ist.