DE10035387A1

DE10035387A1 - Stromschaltanordnung

Info

Publication number: DE10035387A1
Application number: DE2000135387
Authority: DE
Inventors: Ilia Zverev
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: DE10035387B4

Abstract

Um die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung (10) einer Stromschaltanordnung (1) bei einem Kurzschluß im Stromausgangsbereich (3) besonders gut zu schützen, wird vorgeschlagen, daß durch eine Schutzeinrichtung (5) steuerbar eine zusätzliche Steuereingangsimpedanz (R1) in den Bereich des Steuereingangs (4a) der Halbleiterschalteinrichtung (10) zuschaltbar ist und daß durch die zusätzliche Steuereingangsimpedanz (R1) die Halbleiterschalteinrichtung (10) auf definierte Art und Weise abschaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromschaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei elektronischen Energiewandlern werden bestimmte Größen oder Parameter der elektrischen Energie von einer Eingangs seite durch entsprechende Schalt- und Umformvorgänge in aus gangsseitige Formen dieser elektrischen Größen oder Parameter umgewandelt. Bei den Wandlern kann es sich, insbesondere im Bereich der Leistungselektronik, um sogenannte Transformato ren im weitesten Sinne, um Stromrichter oder dergleichen han deln. All diesen elektronischen Energiewandlungseinrichtungen ist gemein, daß sie eine Stromschaltanordnung, insbesondere einen Stromrichter oder dergleichen, zum gesteuerten Schalten eines von einem Stromeingangsbereich bereitgestellten elek trischen Stroms zu einem Stromausgangsbereich hin aufweisen. Ferner ist mindestens eine feldgesteuerte Halbleiterschalt einrichtung vorgesehen, welche im wesentlichen durch ein an einen Steueranschluß der Halbleiterschalteinrichtung anlegba res elektrisches Potential steuerbar schaltbar ausgebildet ist.

Durch das Anlegen eines elektrischen Potentials an den Steu eranschluß der Halbleiterschalteinrichtung wird ein dem Stro meingangsbereich zuzuführender elektrischer Strom oder eine entsprechende andere elektrische Größe dem Stromaus gangsbereich oder dem Ausgangsbereich für die entsprechende elektrische Größe steuerbar schaltbar zugeführt.

In einem Fehlerfall, bei welchem im Stromausgangsbereich selbst oder zwischen dem Stromausgangsbereich und dem Strom eingangsbereich eine Kurzschlußsituation auftritt, sind es in der Regel gerade die Halbleiterschalteinrichtungen, welche erhöhten Belastungen ausgesetzt sind und welche demzufolge als erste Bauelemente einer Stromschaltanordnung beschädigt oder zerstört werden können.

Aus diesem Grund ist beim Stand der Technik in der Regel min destens eine Schutzeinrichtung zum Schutz der Halbleiter schalteinrichtung vorgesehen, welche zumindest zur Steuerung des elektrischen Potentials am Steueranschluß der Halbleiter schalteinrichtung ausgebildet ist. Durch die Beeinflussung des elektrischen Potentials am Steueranschluß der Halbleiter schalteinrichtung im Fehlerfall kann das Durchschalten eines überhöhten Kurzschlußstroms und/oder das Aufrechterhalten ei nes derartigen Kurzschlußstroms zumindest teilweise geregelt beendet und/oder verhindert werden, um eine thermische und/oder elektrische Überlastung der Halbleiterschalteinrich tung zu begrenzen oder zu vermeiden. Dies ist um so wichti ger, weil beim Kurzschluß in einer Stromschaltanordnung, ins besondere bei einer Anordnung mit einem Gleichspannungszwi schenkreis, die volle Zwischenkreisspannung im eingeschalte ten Zustand der Halbleiterschaltanordnung letztlich zwischen deren Eingang und Ausgang anliegt.

Zwar sind Schutzschaltungen für Stromschaltanordnungen im Stand der Technik bekannt, durch welche die thermische und/oder elektrische Überlastung der Halbleiterschalteinrich tungen in einer Stromschaltanordnung zumindest teilweise ver mieden werden können. Diese bekannten Schutzeinrichtungen sind jedoch nicht für sämtliche Kurzschlußfälle und die damit verbundenen Strom- und/oder Spannungsüberhöhungen im Schalt kreis und für deren zeitliches Verhalten ausgelegt. Zum ande ren bestehen diese bekannten Schutzeinrichtungen in der Regel aus einem separaten Schaltkreis, insbesondere einen zusätzli chen IC, welcher im Bereich der Steuerleitungseinrichtung und/oder im Bereich der Steuereinrichtung oder Treiberstufe für die Halbleiterschalteinrichtung ausgebildet ist. Ferner müssen bekannte Schutzeinrichtungen häufig hochspannungstaug liche Spannungsbegrenzungseinrichtungen aufweisen. Aufgrund der Auslegung dieser bekannten Schutzeinrichtungen nehmen diese bei der Anwendung einen erheblichen Platzbedarf in An spruch und bedeuten darüber hinaus einen produktionstechni schen Mehraufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromschalt anordnung zu schaffen, bei welcher die vorgesehene feldge steuerte Halbleiterschalteinrichtung für jeden Fall eines Kurzschlusses auf besonders zuverlässige und gleichwohl ein fache Art und Weise geschützt werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Stromschaltanordnung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß durch die Schut zeinrichtung, insbesondere im Fall eines Kurzschlusses im Stromausgangsbereich, steuerbar eine zusätzliche Steuer eingangsimpedanz in den Steuerkreis, insbesondere in den Be reich des Steuereingangs, der Halbleiterschalteinrichtung zu schaltbar ist und daß durch die zusätzliche Steuereingangsim pedanz der Halbleiterschalteinrichtung diese auf definierte Art und Weise, insbesondere im Kurzschlußfall, abschaltbar ist.

Es ist somit eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfin dung, durch die Schutzeinrichtung für die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere im Fehlerfall oder Kurzschlußfall, in den Bereich des Steuereingangs oder der Steuerleitung zusätzlich zu der ohnehin vorhandenen Steuer eingangsimpedanz steuerbar eine zusätzliche Steuereingangsim pedanz zu schalten, durch welche, gerade im Kurzschlußfall, die Halbleiterschalteinrichtung auf definierte Art und Weise abgeschaltet oder definiert von einem eingeschalteten in ei nen ausgeschalteten Zustand überführt werden kann. Durch das definierte Abschalten kann die Fallgeschwindigkeit oder Abfallrate des Stromes im Stromausgangsbereich oder Stromaus gangsanschluß der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung bzw. deren Verringerung in der Zeit auf definierte Art und Weise gesteuert werden, um zum Beispiel Spannungsüberhöhungen aufgrund parasitärer Induktivitäten zu reduzieren und somit eine Beschädigung der feldgesteuerten Halbleiterschaltein richtung zu vermeiden.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hierbei die Notwen digkeit eines zusätzlichen ICs zur steuerbaren Schaltung der zusätzlichen Steuereingangsimpedanz vermieden. Vielmehr wird erfindungsgemäß eine inhärente Steuerung direkt im Bereich der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung der Steuerein gangsimpedanz vorgesehen, welche ohne Hochspannungsbauele mente auskommt und somit für alle feldgesteuerten Halbleiter schalteinrichtungen der Stromschaltanordnung auf platzspa rende und somit einfache und gleichwohl zuverlässige Art und Weise realisiert werden kann.

Darüber hinaus wird durch das gesteuerte Schalten der Steuer eingangsimpedanz die im Bereich der Steuerleitungseinrichtung gegenüber dem Stromausgangsbereich zu realisierende Strom stärke derart klein gehalten, daß die Bauelemente der Schut zeinrichtung entsprechend klein ausgelegt werden können. Es findet somit eine Trennung oder Entkoppelung der Schutzein richtung von der den Steuereingang der feldgesteuerten Halb leiterschalteinrichtung steuernden Treiberstufe und/oder Steuereinrichtung statt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung weist die Halbleiterschalteinrichtung jeweils einen Stromeingangsanschluß und einen Stromausgangs anschluß zusätzlich zum Steueranschluß auf. Ferner sind die Anschlüsse über eine Stromeingangsleitungseinrichtung, eine Stromausgangsleitungseinrichtung bzw. eine Steuerleitungsein richtung mit dem Stromeingangsbereich, dem Stromausgangsbe reich bzw. einem Steuerbereich jeweils verbindbar. Dadurch wird die jeweilige Verbindung zum energieliefernden Bereich, zur Last bzw. zur steuernden Einheit hergestellt.

Besonders vorteilhaft gestaltet sich der Betrieb der erfin dungsgemäßen Stromschaltanordnung, wenn die Halbleiterschalt einrichtung im wesentlichen durch eine zwischen dem Steueran schluß und dem Stromausgangsanschluß anlegbare elektrische Potentialdifferenz steuerbar schaltbar ausgebildet ist. Dann nämlich kann auf besonders einfache Art und Weise durch ge eignete Variation des dem Steueranschluß zu beaufschlagenden elektrischen Potentials die Größe und Art und Weise des vom Stromeingangsbereich zum Stromausgangsbereich hin zu übertra genden elektrischen Stroms realisiert werden.

Zur Realisierung des Schutzkonzeptes ist es bei einer weite ren Fortbildung der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung vorgesehen, daß die Schutzeinrichtung jeweils im wesentlichen in der Steuerleitungseinrichtung und/oder zumindest mit der Stromausgangsleitungseinrichtung verbindbar ausgebildet ist. Dies gewährleistet auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise den Schutz der feldgesteuerten Halbleiter schalteinrichtung, weil durch Zwischenschaltung oder Vor schaltung der Schutzeinrichtung vor dem Steueranschluß bzw. in Verbindung mit der Kontaktierung zum Stromausgangsbereich zum Schutz die Steuerung des Steueranschlusses der feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtung und damit eine entspre chende Begrenzung der zu übertragenden elektrischen Größen und der thermischen Belastung im Bereich der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung erreicht werden kann.

Als besonders geeignet gestaltet sich die Schutzeinrichtung, wenn diese jeweils zumindest zur Steuerung der elektrischen Potentialdifferenz zwischen Steueranschluß und Stromausgangs anschluß der Halbleiterschalteinrichtung ausgebildet ist. Es ist nämlich in vielen Fällen die Potentialdifferenz zwischen Steueranschluß und Stromausgangsanschluß, welche den das Bauteil der Halbleiterschalteinrichtung belastenden elektrischen Strom regelt oder steuert.

Besonders einfach läßt sich die erfindungsgemäße Stromschalt anordnung realisieren, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Halbleiterschalteinrichtung jeweils einen IGBT und/oder einen Feldeffekttransistor (FET) oder derglei chen aufweist und/oder jeweils als solcher ausgebildet ist.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Stromeingangsan schluß mit einem Kollektorbereich bzw. Drainbereich, der Stromausgangsanschluß mit einem Emitterbereich bzw. einem Sourcebereich und der Steueranschluß mit einem Gatebereich der Halbleiterschalteinrichtung verbunden ist.

Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Stromschaltanordnung ist es vorgesehen, daß die Schutzeinrichtung eine steuerbar betätigbare Schutzschaltein richtung mit einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsan schluß in Serie in der Steuerleitungseinrichtung angeordnet aufweist. Ferner ist dabei vorgesehen, daß die zusätzliche Steuereingangsimpedanz parallel dazu mit dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluß der Schutzschalteinrichtung verbunden angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird bewirkt, daß durch die steuerbare Schutzschalteinrichtung in Parallelschaltung zur zusätzlichen Steuereingangsimpedanz im durchgeschalteten Zustand der Schutzschalteinrichtung die zusätzliche Steuer eingangsimpedanz umgangen wird und somit ausschließlich die natürliche inhärente Steuereingangsimpedanz - zum Beispiel der Gatewiderstand des Gateanschlusses - im Schaltkreis wirkt, während im ausgeschalteten Zustand der Schutzschalt einrichtung der Durchgang der Schutzschalteinrichtung relativ hochohmig wird und somit die zusätzliche Steuereingangsimpe danz in Parallelschaltung dazu ihre Wirkung entfaltet. Da durch kann mittels der Schutzschalteinrichtung zwischen der natürlichen inhärenten, relativ niederohmigen Steuerein gangsimpedanz (R_GATE) und der relativ hochohmigen, aber nicht strikt isolierenden zusätzlichen Steuereingangsimpedanz ge wählt werden, um die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrich tung der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung auf defi nierte und vorbestimmte Art und Weise über den hochohmigen Steueranschluß abzuschalten.

Vorteilhafterweise ist die zusätzliche Steuereingangsimpedanz im wesentlichen als, insbesondere relativ hochohmiger, Ohm scher Widerstand oder als Stromquelleneinrichtung oder der gleichen ausgebildet.

Besonders einfach läßt sich die Schutzschalteinrichtung rea lisieren, wenn diese als Halbleiterschalteinrichtung, insbe sondere als IGBT, Feldeffekttransistor oder dergleichen, aus gebildet ist und/oder ein solches Bauelement enthält. Diese Bauelemente lassen sich ohne große Leistungsaufnahme ansteu ern und in unmittelbarer Nähe als inhärenter oder integraler Bestandteil im Bereich der feldgesteuerten Halbleiterschalt einrichtung realisieren.

Zur Steuerung der Schutzschalteinrichtung weist diese vor teilhafterweise einen Steueranschluß auf. Gegebenenfalls sind der Eingangsanschluß, der Ausgangsanschluß und der Steueran schluß der Schutzschalteinrichtung jeweils an einem Kollek tor- oder Drainbereich, an einem Emitter- oder Sourcebereich bzw. an einem Gatebereich der Schutzschalteinrichtung ausge bildet oder mit diesem jeweils verbunden oder verbindbar. Auf diese Weise läßt sich besonders einfach der Schaltmechanismus unter Verwendung eines IGBTs oder FETs aufbauen.

Zur Steuerung der Schutzschalteinrichtung und damit zur Rea lisierung des erfindungsgemäßen Schutzkonzeptes ist es vorge sehen, daß der Eingangsanschluß, der Ausgangsanschluß und der Steueranschluß der Schutzschalteinrichtung jeweils an einem Kollektor- oder Drainbereich, an einem Emitter- oder Source bereich bzw. an einem Gatebereich der Schutzschalteinrichtung ausgebildet, verbunden oder verbindbar sind.

Zur Steuerung der Schutzschalteinrichtung ist eine Abtastein richtung vorgesehen, welche zum Erfassen des geschalteten und im Stromausgangsbereich fließenden Stroms oder einer dafür repräsentativen, insbesondere elektrischen, Größe ausgebildet ist und durch welche ein Schaltsignal generierbar und dem Steuereingang der Schutzschalteinrichtung zuführbar ist. Durch diese Maßnahme wird auf vorteilhafte Art und Weise eine Überwachung des zwischen dem Stromeingangsbereich und dem Stromausgangsbereich fließenden elektrischen Stroms reali siert, so daß im Falle eines Kurzschlusses hinreichend rasch auf eine Stromüberhöhung angesprochen werden kann, um auf de finierte Art und Weise über die zusätzliche Steuereingangsim pedanz, insbesondere über den zusätzlichen Gatewiderstand, die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung unter Vermei dung von Spannungsüberhöhungen aufgrund von parasitären In duktivitäten definiert abzuschalten.

Besonders zuverlässig läßt sich die Schutzeinrichtung dadurch realisieren, daß gemäß einer weiteren Ausführungsform der er findungsgemäßen Stromschaltanordnung die Schutzeinrichtung eine zweite und/oder eine dritte Steuereingangsimpedanz auf weist, welche mit dem Eingangsanschluß und dem Steueranschluß bzw. mit dem Steueranschluß und dem Ausgangsanschluß der Schutzschalteinrichtung verbunden sind. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß beim Ausschalten der Schutzschalteinrich tung im Fehlerfall die Kapazität zwischen Eingangsanschluß und Steueranschluß der Schutzschalteinrichtung - zum Beispiel die Kollektor-Gate-Kapazität eines IGBT- bzw. die Kapazität zwischen Steueranschluß und Ausgangsanschluß der Schutz schalteinrichtung - zum Beispiel die Kollektor-Gate-Kapazität eines IGBT - über die entsprechenden parallelgeschalteten zu sätzlichen Steuereingangsimpedanzen als Entladewiderstände derart zeitlich verzögert oder langsam genug entladen werden, daß diese Kapazitäten über die Entladewiderstände ihre Span nung noch eine Weile auf einem Niveau halten, so daß die Schutzschalteinrichtung für eine gewisse Zeitspanne noch eingeschaltet bleibt. Dadurch wird ein abruptes Abschalten im Fehlerfall mit den dann möglicherweise einhergehenden Span nungsüberhöhungen über parasitäre Induktivitäten vermieden.

Es ist dabei von weiterem Vorteil, wenn die drei zusätzlichen Steuereingangsimpedanzen als Ohmsche Widerstände ausgebildet sind und sich ihre Werte R1 : R2 : R3 etwa wie 1 : 24 : 4 verhalten.

Im Vergleich zur natürlichen oder inhärenten Eingangsimpedanz R_GATE der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung, insbe sondere im Hinblick auf einen natürlichen Gatewiderstand ei nes IGBT, ist es vorteilhaft, daß gemäß einer weiteren be vorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strom schaltanordnung die erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz einen Wert von etwa 1 kΩ aufweist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Aus führungsform der erfindungsgemäßen Stromschalt anordnung,

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strom schaltanordnung,

Fig. 3A-C drei Graphen bezüglich der zeitlichen Verläufe bestimmter elektrischer Größen, welche die Wir kungsweise der erfindungsgemäßen Stromschalt anordnung verdeutlichen, und

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer Strom schaltanordnung aus dem Stand der Technik.

Bevor auf verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsge mäßen Stromschaltanordnung im Detail eingegangen wird, sollen zunächst das Verhalten einer feldgesteuerten Halbleiter schalteinrichtung in einer Stromschaltanordnung aus dem Stand der Technik im Kurzschlußfall sowie einige Aspekte bekannter Schutzeinrichtungen erläutert werden.

In Fig. 4 ist in Form eines im wesentlichen schematischen Blockdiagramms eine Stromschaltanordnung 40 aus dem Stand der Technik dargestellt. In dieser bekannten Stromschaltanordnung 40 ist eine feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 in Form eines Insulated-Gate-Bipolar-Thyristors oder IGBTs 42 vorgesehen, durch welchen von einem Stromeingangsbereich 2 bereitgestellter elektrischer Strom I_C einem Stromausgangsbe reich 3 steuerbar schaltbar bereitgestellt werden kann. Dazu sind der Kollektor C und der Emitter E des IGBTs 42 über ei nen Stromeingangsanschluß 2a und einen Stromausgangsanschluß 3a mittels einer Stromeingangsleitung 2b bzw. einer Stromaus gangsleitung 3b mit dem Stromeingangsbereich 2 bzw. dem Stromausgangsbereich 3 verbunden. Zur Steuerung der Schalt funktion ist das Gate G des IGBTs 42 über eine Steuerlei tungseinrichtung 4b mit der Steuer-/Treiberstufe 41 der be kannten Stromschaltanordnung 40 verbunden. In der Steuerlei tung 4b ist noch in schematischer Art und Weise der inhärente oder natürliche Gatewiderstand R_GATE des Gates G des IGBTs 42 dargestellt.

Die Steuer-/Treiberstufe 41 der bekannten Stromschaltanord nung 40 weist in sich integriert die eigentliche Steuer- /Treibereinrichtung 44 und eine entsprechende Schutzeinrich tung 45 zum Schutz der feldgesteuerten Halbleiterschaltein richtung 10 bzw. des IGBTs 42 auf. Über Leitungen 2c und 3c ist die Steuer-/Treiberstufe 41 über die Stromeingangslei tungseinrichtung 2b bzw. die Stromausgangsleitungseinrichtung 3b mit dem Stromeingangsbereich 2 bzw. dem Stromausgangsbe reich 3 verbunden.

Im Betrieb der bekannten Stromschaltanordnung 40 wird über die Steuer-/Treiberstufe 41 die elektrische Potentialdiffe renz U_GE zwischen dem Gate G und dem Emitter E des IGBTs 42 derart eingestellt, daß die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E des IGBTs 42 und somit der vom Stromeingangsbereich 2 zum Stromausgangsbereich 3 fließende Kollektorstrom I_C auf gewünschte Art und Weise steuerbar sind.

Aufgabe der Steuer-/Treiberstufe 41 ist es, einen Steuerim puls zu generieren und dem Steueranschluß 4a der feldgesteu erten Halbleiterschalteinrichtung 10, also dem Gate G des IGBTs 42 zuzuführen, um dort ein Umschalten des leistungs elektronischen Schalters, also des IGBTs 42 in einen einge schalteten Zustand zu bewirken. Dabei muß die Steuer- /Treiberstufe 41 so ausgelegt sein, daß das Umsetzen des Steuerimpulses in ein entsprechendes Umschalten für jeden Be triebsfall der Stromschalteinrichtung 41 und insbesondere des Stromrichters gewährleistet ist.

Um die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 über haupt zu schalten, ist ein gewisses Maß an Energie für die Umladung der Eingangskapazität des Gates G des IGBTs 42 bzw. im allgemeinen der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrich tung 10 notwendig. Diese Energie kann in Abhängigkeit von der Größe der Eingangskapazität des Gates G relativ groß sein, besonders dann, wenn es sich um Schalteinrichtungen für grö ßere Ströme handelt. Vorteil der feldgesteuerten Halblei terschalteinrichtungen 10 ist aber ihre relativ niedrige mittlere Ansteuerleistung, welche hauptsächlich für die Ener gie während des kurzzeitigen Umschaltvorgangs, also mithin des Umladens der Eingangskapazität, verbraucht wird.

Grundsätzlich hat das Vorsehen einer Schutzeinheit - also der Schutzeinheit 45 im Ausführungsbeispiel aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 4 - das Ziel, einer Zerstörung der aktiven und passiven Komponenten einer Stromschaltanordnung, insbesondere eines Stromrichters, entgegenzuwirken. Die feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtungen, vor allem die IGBTs und die FETs, werden im Fehlerfall, insbesondere bei einem Kurzschluß, als erste beschädigt. Durch einen zuverlässigen Schutz dieser Leistungshalbleiter können auch die passiven Komponenten der Stromschaltanordnung oder des Stromrichters geschützt werden.

Ein Fehlerfall liegt immer dann vor, wenn der zulässige Be triebsbereich der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, welcher jeweils vom Hersteller definiert wird, überschrit ten wird. Dabei ist der maximal zulässige Kollektorstrom I_C in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE als Belastung mit Dauergleichstrom oder als Belastung mit Strom impulsen unterschiedlicher Breite bei spezifizierten Tastverhältnissen gegeben. Innerhalb bestimmter Bereiche sind sämtliche Wertekombinationen von Kollektorstrom I_C und Kol lektor-Emitter-Spannung U_CE erlaubt, solange z. B. eine vor gegebene maximal zulässige Sperrschichttemperatur der feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 nicht überschritten wird. Wird einer dieser Grenzwerte aber überschritten, so kann dies zu einer Beschädigung bis hin zur Zerstörung oder zu remanenten Veränderungen, zum Beispiel Ermüdungserschei nungen, der feldgesteuerten Halbleiterschaltungseinrichtung führen, insbesondere auch dann, wenn nicht sämtliche andere Grenzwerte für weitere elektrische Parameter ausgenutzt und überschritten werden.

Als Fehlerarten kommen Übertemperaturen, Überspannungen und Fehlerströme in Frage. Im Bereich der Behandlung von Fehler strömen kommt dem Auftreten eines Kurzschlußstroms besondere Bedeutung zu. Ein Kurzschlußstrom wird durch einen sehr stei len Kollektorstromanstieg charakterisiert. Dabei entsättigt sich der IGBT, und die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE steigt.

Man unterscheidet einen Zweigkurzschluß, welcher Folge einer defekten feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung oder eines Ansteuerfehlers ist, und einen Lastkurzschluß, welcher Folge des Versagens einer Isolation im Stromausgangsbereich ist oder auch durch menschliches Versagen verursacht sein kann. In beiden Fällen liegt, bei einem Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, welcher hier im folgenden be trachtet werden soll, die volle Zwischenkreisspannung U_Z zwi schen dem Eingangsanschluß 2a und dem Ausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 an, und folg lich fließt der Fehlerstrom durch den Zwischenkreis.

Bei einem derartigen Kurzschluß muß unterschieden werden zwi schen einem Kurzschluß, der bereits vor dem Einschalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 vorliegt (Kurzschluß I) und einem Kurzschluß der Last, welcher erst auftritt, nachdem die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrich tung 10 bereits im eingeschalteten oder durchgeschalteten Zu stand vorliegt (Kurzschluß II).

Beim Kurzschluß I liegt der den Kurzschluß verursachende Feh ler bereits vor dem Einschalten der feldgesteuerten Halblei terschalteinrichtung 10 vor, so daß die gesamte Zwischen kreisspannung U_Z zwischen dem Eingangsanschluß 2a, also dem Kollektor C des IGBTs 42, und dem Ausgangsanschluß 3a, also dem Emitter E des IGBTs 42, anliegt: U_CE = U_Z.

Mit dem Einschalten des IGBTs 42 über eine am Steueranschluß 4a des IGBTs 42 angelegte Gate-Emitter-Spannung U_GE steigt auch der Kollektorstrom I_C. Der differentielle Kollektor stromanstieg dI_C/dt wird aber während des Einschaltvorgangs durch die entsprechend angelegte Gate-Emitter-Spannung U_GE begrenzt. Demgemäß stellt sich dann auch der Kollektorstrom I_C als Kurzschlußstrom auf einen stationären Wert ein, wel cher sich aus der Ausgangskennlinie der feldgesteuerten Halb leiterschalteinrichtung 10, also etwa des IGBTs 42, für die jeweilige Gate-Emitter-Spannung U_GE, welche oft +15 V be trägt, ergibt. Dabei kommt es zu keinem nennenswerten dynamischen Überstrom oberhalb des einregelnden stationären Wer tes des Kollektorstroms oder Kurzschlußstroms I_C.

Beim externen Abschalten des Kurzschlußstroms kommt es dann aufgrund von Gegeninduktionen auf der Grundlage im Schalt kreis vorhandener parasitärer Induktivitäten zu einer dynami schen Überspannung, welche dem Absinken des Kollektorstroms I_C entgegenwirkt und welche aufgrund der Höhe des abzuschal tenden Kollektorstroms I_C ein Vielfaches der unter regulären Bedingungen auftreten Schaltüberspannung betragen kann.

Problematischer als diese Kurzschlüsse vom Typ I sind Kurz schlüsse vom Typ II, bei welchen die Last zu einem Zeitpunkt kurzgeschlossen wird, bei welchem sich die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10, also etwa der IGBT 42, im eingeschalteten und also gesättigten Zustand befindet.

Das Verhalten eines typischen IGBTs 42 im Zusammenhang mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Stromschalteinrich tung 40 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3A bis 3C im Detail erläutert. In den Fig. 3A bis 3C sind Graphen der zeitlichen Verläufe der Spannung zwischen Steueranschluß 4a und Stromausgangsanschluß 3a, also die Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42, des geschalteten Stroms, also des Kollek torstroms I_C des IGBTs 42, bzw. der diesen Strom treibenden Spannung zwischen dem Stromeingangsanschluß 2a und dem Strom ausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschaltungs einrichtung 10, also der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42, in den Spuren T0, T2 bzw. T3 für identische Zei tachsen dargestellt. Die Ordinaten sind jeweils in relativen Einheiten angegeben.

Bis zum Zeitpunkt t₀ ist die feldgesteuerte Halbleiterschalt einrichtung 10 eingeschaltet, und die Stromschaltanordnung 40 läuft im Nominalbetrieb, so daß der Kollektorstrom I_C einem Nominalstrom I_N entspricht.

Zum Zeitpunkt t₀ findet der Kurzschluß II statt, was im Zeit raum von t₀ bis t₁ mit einem entsprechenden rapiden Anstieg des Kollektorstroms I_C auf einen Spitzenwert I°_C,SC,peak einher geht. Dieser Kollektorstromanstieg ergibt sich aufgrund der Höhe der im Zwischenkreis vorliegenden Spannung U_Z, welche im wesentlichen mit der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBT 42 übereinstimmt, und der im Kurzschlußkreis vorhandenen pa rasitären Induktivitäten. Die in dieser Zeitspanne auftreten den hohen Stromdichten im IGBT 42 können zur Zerstörung oder zur Beschädigung der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrich tung 10, insbesondere des IGBTs 42, führen, insbesondere dann, wenn während dieser Phase der IGBT 42 ausgeschaltet würde. Ursache für die Zerstörung oder Beschädigung können die Prozesse des sogenannten Latch-Up oder des dynamischen Avalanche sein.

Obwohl für lange Zeiten t während des Kurzschlusses - also insbesondere für Zeiten t ≧ t₂ - ein konstanter Kurzschluß strom I°_C/SC/stat die Folge ist, führt die mit dem Ansteigen des Kollektorstroms I_C einhergehende Entsättigung der feldgesteu erten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere also des IGBTs, bei welcher die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE - siehe Fig. 3C - im Zeitintervall von t₀ bis t₁ ansteigt, einen Ver schiebestrom, welcher über die Kapazität zwischen Eingangsan schluß 2a und Steueranschluß 4a, nämlich der Kollektor-Gate- Kapazität oder Miller-Kapazität, in die Kapazität zwischen Steueranschluß 4a und Stromausgangsanschluß 3a der feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, nämlich der Gate- Emitter-Kapazität des IGBTs 42, eingekoppelt wird. Aufgrund dieses Effekts der Rückwirkung oder Einkopplung wird die Spannung zwischen Steueranschluß 4a und Stromausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, also die Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 auf einen Wert U°_GE,SC,peak angehoben, wie das in der Fig. 3A für die Zeit spanne zwischen t₀ bis t₁ gezeigt ist, wodurch sich in folge eben nicht sofort der konstante Kurzschluß-Kollektorstrom I°_C,SC,stat einstellt, sondern ein Kurzschlußüberstrom I°_C,SC,peak die Folge ist, wie das in Fig. 3B für den Zeitpunkt t₁ er sichtlich ist.

Für Zeiten nach t₁ fällt der Kollektorstrom I_C von seinem dy namischen Überstrom I°_C,SC,peak auf seinen stationären Wert I°_C,SC,stat. Aufgrund der parasitären Induktivitäten im Schalt kreis führt das zu entsprechenden dynamischen Spannungsabfäl len, die sich zum Beispiel in einen Überspannungswert U°_CE,SC,peak der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42 be merkbar machen. Diese Überspannung U°_CE,SC,peak kann die Durch bruchspannung des IGBTs überschreiten und dann zu dessen Zer störung oder Beschädigung führen. Die Anhebung der Gate-Emit ter-Spannung U_GE des IGBTs 42 und somit die Höhe des dynami schen Überstroms I°_C,SC,peak sind von der Entsättigungsgeschwin digkeit, d. h. vom Abfallen dU_CE/dt der Kollektor-Emitter- Spannung U_CE des IGBTs 42 abhängig. Bei niederinduktiven Schaltkreisen führt dieser Kurzschluß II aufgrund der schnel len Entsättigung bei verschwindender parasitärer Induktivität zu sehr hohen dynamischen Kurzschlußüberströmen I°_C,SC,peak. Zur Minimierung der Strom- und Spannungsspitzen muß daher die Ga te-Emitter-Spannung U_GE während des Zeitintervalls zwischen t₀ und t₁ begrenzt werden.

Im dritten Zeitintervall zwischen t₂ und t₃ hat der Kollek torstrom I_C des IGBTs 42 den Wert des stationären Kurzschluß stromes I°_C,SC,stat erreicht, wie das in Fig. 3B in der Spur 32 gezeigt ist. In dieser Phase des Kurzschlusses II ist die Ga te-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 ebenfalls auf ihrem sta tionären Wert, nämlich U°_GE,N, abgefallen. Dies entspricht der Steuerspannung zum Einschalten des IGBTs 42.

Die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE entspricht der im Zwi schenkreis anliegenden Zwischenkreisspannung U_Z, wie das in Fig. 3C in der Spur T4 gezeigt ist. Der stationäre Kurz schlußstrom I°_C,SC,stat wird dabei durch das Übertragungsverhal ten, nämlich die Steilheit, des IGBTs 42 sowie durch die Ga te-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 bestimmt. Ferner hat auch die Sperrschichttemperatur des IGBTs 42 Einfluß auf den Wert des Kurzschlußstromes I°_C,SC,stat. Dieser ist im allgemei nen sehr viel größer als der nominale Strom I_N unter regulä ren Betriebsbedingungen, und es gilt zum Beispiel I°_C,SC,stat = 8-10 × I_N.

Während dieser Phase zwischen den Zeitpunkten t₂ bis t₃ ist die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10, insbeson dere also der IGBT 42, hohen Verlustleistungen ausgesetzt, wodurch im Bauteil eine Übertemperatur erzeugt werden kann. Zur Vermeidung der thermischen Zerstörung der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 bzw. des IGBTs 42 muß die Dau er des Kurzschlusses entsprechend begrenzt werden, so daß die maximal zulässige Sperrschichttemperatur nicht überschritten wird. Typische Kurzschlußzeiten, d. h. Zeitintervalle von t₀ bis t₃, betragen etwa 10 µs.

Zum Zeitpunkt t₄ wird der Kurzschluß II zwischen dem Stro meingangsbereich 2 und dem Stromausgangsbereich 3 bzw. im Stromausgangsbereich 3 beendet.

Wie in Fig. 3B in Spur T2 gezeigt ist, fällt der Kollektor strom I_C von seinem stationären Wert I°_C,SC,stat innerhalb kur zer Zeit auf Null ab. Aufgrund der im Schaltkreis vorhandenen parasitären Induktivitäten entsteht eine diesem Stromabfall entgegenwirkende Gegeninduktionsspannung zwischen dem Stro meingangsanschluß 2a und Stromausgangsanschluß 3a der feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, also zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E des IGBTs 42, dies führt für Zeiten kurz nach dem Zeitpunkt t₄ zu einer Spannungsüber höhung U°_CE,SC,off der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE. Diese kann ein Vielfaches der beim regulären Ausschalten der feld gesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, auftretenden Überspannung betragen.

Bisherige bekannte Maßnahmen zum Schutz der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, verwenden häufig eine sogenannte aktive Überspannungsbegren zung, welche die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42 zu jedem Zeitpunkt begrenzt. Dabei wird die Energie der soge nannten Überspannungsspitze häufig mit Hilfe eines spannungs begrenzenden Elements - zum Beispiel eines Zener-Elements - zur Reduktion der Kollektorstromfallgeschwindigkeit durch ei ne Aufsteuerung des IGBTs 42 genutzt.

Dabei wird durch Absenken des Kollektorstroms I_C eine Span nungsüberhöhung im Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE erzeugt, welche dann gegebenenfalls eine Avalancheerzeugung im Zener-Element beim Überschreiten dessen Durchbruchspannung verursacht. Das dann leitende Zener-Element führt der Kapazi tät zwischen Steueranschluß 4a und Stromausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, also der Gate-Emitter-Kapazität des IGBTs 42, den durch das Zener-Ele ment fließenden Strom zu und lädt diese auf. Dadurch steigt die Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 an, wodurch die Leitfähigkeit des IGBTs 42 erhöht wird. Dies wirkt der Fall geschwindigkeit des Kollektorstroms I_C entgegen, was folglich zu einer Verminderung der Spannungsüberhöhung führt.

Der durch das Zener-Element fließende Strom, der die Gate- Emitter-Kapazität des IGBTs 42 auflädt, muß den durch die Steuer-/Treiberstufe 41 rückfließenden Strom, sowie gegebe nenfalls den beim Vorhandensein einer Strombegrenzung auftre tenden Begrenzungsstrom, kompensieren. Der zur Kompensation des Ansteuerstroms benötigte Strom ergibt sich dabei aus der inhärenten Eingangsimpedanz, nämlich aus dem Gatewiderstand R_GATE des IGBTs 42, und der Differenz aus den am leitfähigen Zener-Element anliegenden Spannung U_GE und der Ansteuerspan nung U_Anst. Dies maßgebliche Spannungsdifferenz ist aber wäh rend des zweiten Intervalls zwischen dem Zeitpunkt t₁ und t₂ relativ gering, da sie dort im wesentlichen durch das Aufla den der Miller-Kapazität des IGBTs 42 verursacht wird. Des halb kann der Strom durch das leitende Zener-Element den An steuerstrom I_Anst ohne Probleme ausgleichen oder kompensieren.

Problematisch wird es jedoch beim Ausschalten des IGBTs zum Zeitpunkt t₄ über den niederohmigen Gatewiderstand R_GATE und gegen eine negative Ansteuerspannung U_Anst. Dann nämlich kann die Gate-Emitter-Spannung U_GE schon negativ sein, wenn die Überspannungsspitze auftritt. Um die Spannungsüberhöhung dann beim Ausschalten zu vermindern oder zu reduzieren, muß die Gate-Emitter-Spannung U_GE auf einen Wert angehoben werden, der der Ausgangskennlinie zum Leiten des momentanen Kollek torstroms I_C entspricht. Auf der dann vorliegenden großen Spannungsdifferenz zwischen der Ansteuerspannung U_Anst und der Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 ist der Ansteuerstrom I_Anst, welcher zurück zur Steuer-/Treiberstufe 41 fließt, sehr groß. Demzufolge muß der vorhandene Strom durch das Zener- Element diesen hohen Strom kompensieren, was zu einer Überla stung des Zener-Elements führen kann. Dies ist ein maßgebli cher Nachteil der beim Stand der Technik vorgesehenen Schutz mechanismen.

Ferner ist die Spannung über das Zener-Element von der Größe des durch das Zener-Element fließenden Stroms abhängig. Die Spannung über das Zener-Element steigt mit dem durch das Ze ner-Element fließenden Strom an, wodurch sich ebenfalls die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42 erhöht. Der Strom des Zener-Elements kann zwar mit Hilfe eines zusätzlichen ak tiven Bauelements verstärkt werden. Bei dieser Anordnung fließt jedoch der durch das Zener-Element fließende Strom hauptsächlich durch einen im aktiven Bereich betriebenen Hilfstransistor, welcher beim Durchbruch des Zener-Elements eingeschaltet wird. Das Zener-Element führt dabei nur denje nigen Strom, welcher zum Einschalten des Hilfstransistors notwendig ist.

Zwar ist der Einsatz eines derartigen Zener-Elements für ei nen zeitlich uneingeschränkten Schutz der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere des IGBTs 42, gegen Überspannungen möglich, und es kann durch die entsprechende Wahl des Schalttransistors oder Hilfstransistors im Bereich des Zener-Elements auf eine der jeweiligen feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, oder des IGBTs 42, optimal angepaßte Wirkung erzeugt werden. Aber es ist eine Integra tion der so ausgebildeten Schutzeinheit zusammen mit der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, vorzugsweise in einem Gehäuse nur schwer reali sierbar, da die Zener-Elemente Hochspannungs-Bauelemente auf weisen, die ihrerseits einen hohen Platzbedarf einnehmen und sich deshalb einer Integration in einem Gehäuse widersetzen. Dies ist ein weiterer maßgeblicher Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Schutzkonzepte und Stromschaltanordnun gen.

Fig. 1 zeigt nun in Form eines schematischen Blockdiagramms eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strom schaltanordnung 1. Die mit der Ausführungsform aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 4 identischen Komponenten und Struktu ren sind mit denselben Bezugszeichen versehen und haben die gleiche Bedeutung und elementare Funktion. Die detaillierte Erörterung dieser Komponenten wird an dieser Stelle deshalb nicht wiederholt.

Der grundlegende Unterschied zwischen der Ausführungsform 40 aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 4 und der in Fig. 1 ge zeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strom schaltanordnung 1 besteht darin, daß die bei der Erfindung vorgesehene Schutzeinrichtung 5 zum Schutz der feldgesteuer ten Halbleiterschalteinrichtung 10, welche in der Ausfüh rungsform der Fig. 1 ebenfalls als IGBT mit Gate G, Kollektor C und Emitter E ausgebildet ist, von der Steuer-/Treiberstufe 4 getrennt ausgebildet ist. Sie kann erfindungsgemäß als in härenter oder integraler Bestandteil der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 aufgefaßt und in diese inte griert ausgebildet werden. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil die Verbindung zwischen Schutzeinrichtung 5 und Stromeingangsleitungseinrichtung 2b über die Leitung 2c hier nicht notwendig, mithin also optional ist und weil die Schut zeinrichtung 5 bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform kei ne platzraubenden Hochspannungsbauelemente aufweist.

Aufgrund der Ansteuerspannung U_Anst, welche an die Steu er-/Treiberstufe 4 zurückgeführt wird, wird ein entspre chendes Ansteuersignal über die Steuerleitungseinrichtung 4b mit der inhärenten Steuereingangsimpedanz R_GATE an den Steuer anschluß 4a, welcher mit dem Gate G der als IGBT ausgebilde ten feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 verbunden ist, zugeführt. Je nach Betriebsbedingung, welche über die Leitung 3c abgetastet und detektiert wird, wird durch die Schutzeinrichtung 5 im Fehlerfall ein definiertes Abschalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 über ein entsprechendes definiertes Zuschalten zusätzlicher Steuerein gangsimpedanzen R1, R2, R3 bewirkt, wodurch Strom- /Spannungsüberhöhungen im Bereich der feldgesteuerten Halb leiterschalteinrichtung 10, 42 verhindert werden.

Fig. 2 zeigt etwas detaillierter ebenfalls teilweise in Form eines schematischen Blockdiagramms eine zweite Ausführungs form der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung 1.

Bei dieser Anordnung 1 ist zwischen einem Stromeingangsbe reich 2 und einem Stromausgangsbereich 3 eine als IGBT 42 dargestellte und ausgebildete Halbleiterschalteinrichtung 10 mit einem Eingangsanschluß 2a, einem Ausgangsanschluß 3a so wie einem Steueranschluß 4a vorgesehen, welche mit einem Kol lektorbereich C, einem Emitterbereich E bzw. einem Gatebe reich G der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, verbunden sind. Entsprechend sind eine Eingangsleitungseinrichtung 2b, eine Ausgangsleitungs einrichtung 3b sowie eine Steuerleitungseinrichtung 4b zur Verbindung der Anschlüsse 2a, 3a und 4a mit dem Eingangsbe reich 2, dem Ausgangsbereich 3 bzw. dem Steuerbereich 4 aus gebildet.

Die Steuer-/Treiberstufe oder Steuerbereich 4 beaufschlagt die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 bzw. deren Steuereingang 4a über die Steuerleitungseinrichtung 4b und die darin vorgesehene inhärente oder natürliche Steuerein gangsimpedanz R_GATE sowie über die Leitungseinrichtung 3c und die Stromausgangsleitungseinrichtung 3b mit einer entspre chenden Ansteuerspannung U_Anst.

Im Bereich der Steuerleitungseinrichtung 4b ist in Kontakt mit der Stromausgangsleitung 3b die Schutzeinrichtung 5 aus gebildet, welche als wesentliches Element die Schutzschalt einrichtung M1 sowie parallel dazu die zusätzliche Steuerein gangsimpedanz R1, hier als Ohmscher Widerstand dargestellt, aufweist. Die Schutzschalteinrichtung weist einen Eingangsan schluß 11, einen Ausgangsanschluß 12 sowie einen Steueran schluß 13 auf, wobei letzterer mit einer Abtasteinrichtung 20 zum Abtasten des vom Stromeingangsbereich 2 zum Stromaus gangsbereich 3 hin fließenden Stroms, nämlich des Kollektor stroms I_C, oder einer dafür repräsentativen elektrischen Grö ße ausgebildet ist.

Die maßgebliche zusätzliche Steuereingangsimpedanz R1 ist parallel zur Schutzschalteinrichtung M1 geschaltet, indem diese erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz R1 mit ihrem einen Anschluß mit dem Eingangsanschluß 11 der Schutzschalt einrichtung M1 und mit ihrem anderen Anschluß mit dem Aus gangsanschluß 12 der Schutzschalteinrichtung M1 verbunden ist.

Im eingeschalteten Zustand wird somit als effektive Ein gangsimpedanz nur die inhärente oder natürliche Eingangsimpe danz R_GATE, nämlich der Gatewiderstand des IGBT 10, wirksam, weil die Schutzschalteinrichtung M1 im eingeschalteten Zu stand leitend ist. Im ausgeschalteten Zustand der Schutz schalteinrichtung M1 wird dagegen die Summe der Eingangsimpe danzen R_GATE und R1 wirksam, weil die Schutzschalteinrichtung M1 im ausgeschalteten Zustand isolierend wirkt.

Es sind ferner eine zweite und eine dritte zusätzliche Steu ereingangsimpedanz R1 und R2 vorgesehen, wobei die zweite zu sätzliche Steuereingangsimpedanz R2 mit ihrem einen Ende mit dem Eingangsanschluß 11 und mit ihrem anderen Ende mit dem Steueranschluß 13 der Schutzschalteinrichtung M1 verbunden ist und die dritte zusätzliche Steuereingangsimpedanz R3 mit ihrem einen Anschluß mit dem Steueranschluß 13 und mit ihrem anderen Anschluß mit dem Ausgangsanschluß 12 der Schutz schalteinrichtung M1 verbunden ist.

Der Eingangsanschluß 11, der Ausgangsanschluß 12, sowie der Steueranschluß 13 sind mit dem Drainbereich D1, dem Sourcebe reich S1, bzw. dem Gatebereich G1 der als MOSFET ausgebilde ten Schutzschalteinrichtung M1 verbunden.

Zur Steuerung der Schutzschalteinrichtung M1 ist zwischen de ren Steueranschluß 13 mit dem daran angekoppelten Gatebereich G1 und der Stromausgangsleitungseinrichtung 3b eine entspre chende Abtasteinrichtung 20 mit einem Spannungsteilerelement 25 vorgesehen. Die Abtasteinrichtung 20 besteht maßgeblich aus einer feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung M2, die in Fig. 2 als MOSFET dargestellt ist, und deren Steuereingang 23, welcher mit dem entsprechenden Gatebereich G2 verbunden ist, über den Spannungsteiler 25 angesteuert wird. Der Aus gangsanschluß 22, welcher mit dem Sourcebereich S2 der feld gesteuerten Halbleiterschalteinrichtung M2 verbunden ist, ist seinerseits mit dem Steuereingang 13 der Schutzschalteinrich tung M1 verbunden.

Die zusätzlichen Steuereingangsimpedanzen R1, R2 und R3 haben in etwa die Werte 1 kΩ, 24 kΩ bzw. 4,3 kΩ. Dagegen besitzt die inhärente oder natürliche Steuereingangsimpedanz oder der entsprechende Gatewiderstand R1 einen Wert von etwa 10 Ω.

Durch die Anordnung der Schutzschalteinrichtung M1 wird die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10, nämlich der IGBT 42, durch die relativ große Impedanz, nämlich die erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz R1, im Gatekreis auf defi nierte Art und Weise abgeschaltet oder ausgeschaltet. Dies führt zu einer Verringerung der Änderungsrate dI_C/dt des Kol lektorstroms I_C. Dadurch kann die Spannungsüberhöhung der Ga te-Emitter-Spannung U_GE um einen Betrag ΔU_GE,peak auf U¹ _GE,peak deutlich gesenkt werden, wie das für das erste Zeitintervall zwischen t₀ bis t₁ in Fig. 3A im Vergleich der Spuren 30 und 31 deutlich wird.

Unter regulären Bedingungen, d. h. im normalen Betrieb ohne Kurzschluß, wird das Verhalten der feldgesteuerten Halblei terschalteinrichtung 10 aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 durch die inhärente oder natürliche Gateimpedanz R_GATE und durch die Ansteuerspannung U_Anst der Steuer-/Treiberstufe 4 bestimmt. Ein positiver Gatestrom zum Einschalten der feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, nämlich des IGBTs 42, fließt über die parasitäre Diode Z1 der Schutzschaltein richtung M1, wobei die Entladung der Kapazität zwischen Gate und Emitter über die dynamisch eingeschaltete Schutzschaltein richtung M1 erfolgt.

Im Fall eines Kurzschlusses, welcher über die Abtasteinrich tung 20 detektiert wird, wird die feldgesteuerte Halbleiter schalteinrichtung M2 der Abtasteinrichtung 20 über die von den Widerständen R4 und R5 sowie der Diode Z3 gebildete Sen se-Widerstandseinrichtung 25 dynamisch eingeschaltet. Ein dy namisches Einschalten der Schutzschalteinrichtung M1 erfolgt dadurch nicht.

Die Kapazität zwischen Gate G und Emitter E der feldgesteuer ten Halbleiterschalteinrichtung 10, 42 wird über die Reihen schaltung der Widerstände R1 und R_GATE entladen. Das bedeutet, daß das Schaltverhalten der feldgesteuerten Halbleiterschalt einrichtung 10, 42 im wesentlichen nur durch den hochohmigen Widerstand R1 bestimmt wird, zumal dann, wenn, wie in dem vorliegenden Fall, R1 = 1 kΩ und R_GATE = 10 Ω gewählt sind.

Insbesondere für den Fall, daß R1 sehr groß gewählt wird - R1 → ∞ - ist die Schutzeinrichtung 5 von der Steuer- /Treiberstufe 4 im wesentlichen entkoppelt.

Beim Ausschalten im Fehlerfall wird die Kapazität zwischen Drain D1 und Gate G1 der Schutzschalteinrichtung M1 über den Entladewiderstand R2 derart langsam entladen, daß beim Ab schalten oder Ausschalten die Spannung solange oberhalb eines bestimmten Niveaus angehoben bleibt, so daß trotz des Ab schaltens M1 noch eingeschaltet bleibt und erst allmählich in den abgeschalteten Zustand übergeht. Durch dieses langsame Abschalten von M1 und folglich durch das langsamere Abschal ten des Kurzschlußstroms, also des Kollektorstroms I_C, kommt es - im Gegensatz zum Stand der Technik - nur zu einer rela tiv kleinen Überspannung U¹ _CE,SC,off zwischen Kollektor C und Emitter E der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, wie das aus einem Vergleich der Spuren 34 und 35 in der Fig. 3C hervorgeht. Diese Überspannung ist mit dem Fall des Aus schaltens beim regulären Betrieb vergleichbar.

Bezugszeichenliste

1

Stromschaltanordnung

2

Stromeingangsbereich

2

a Stromeingangsanschluß

2

b Stromeingangsleitungseinrichtung

2

c Leitungseinrichtung

3

Stromausgangsbereich

3

a Stromausgangsanschluß

3

b Stromausgangsleitungseinrichtung

3

c Leitungseinrichtung

4

Steuerbereich, Steuer-/Treiberstufe

4

a Steueranschluß

4

b Steuerleitungseinrichtung

5

Schutzeinrichtung

10

feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung, IGBT

11

Eingangsanschluß M

1

12

Ausgangsanschluß M

1

13

Steueranschluß M

1

20

Abtasteinrichtung

21

Eingangsanschluß M

2

22

Ausgangsanschluß M

2

23

Steueranschluß M

2

25

Spannungsteilereinrichtung, Sense-Einrichtung

40

Stromschaltanordnung Stand der Technik

41

Steuer-/Treiberstufe

42

IGBT

44

Steuer/Treibereinrichtung

45

Schutzeinrichtung Stand der Technik
C Kollektorbereich

10

,

42

D1 Drainbereich M

1

D2 Drainbereich M

2

E Emitterbereich

10

,

42

G Gatebereich

10

,

42

G1 Gatebereich M

1

G2 Gatebereich M

2

I_C

Kollektorstrom
M1 Schutzschalteinrichtung
M2 Halbleiterschalteinrichtung
R1 erste Steuerungsimpedanz M

1

R2 zweite Steuerungsimpedanz M

1

R3 dritte Steuerungsimpedanz M

1

R_GATE

inhärente Eingangsimpedanz
R4 Ohmscher Widerstand
R5 Ohmscher Widerstand
T0-T5 Spuren
U_CE

Kollektor-Emitter-Spannung
U_GE

Gate-Emitter-Spannung
U_Z

Zwischenkreisspannung

Claims

1. Stromschaltanordnung, insbesondere Stromrichter oder der gleichen, zum gesteuerten Schalten eines von einem Stromein gangsbereich (2) bereitgestellten elektrischen Strom (I) zu einem Stromausgangsbereich (3) hin, mit
mindestens einer feldgesteuerten Halbleiterschalteinrich tung (10), welche im wesentlichen durch ein an einen Steu eranschluß (4a) der Halbleiterschalteinrichtung (10) anleg bares elektrisches Potential steuerbar schaltbar ausgebil det ist, und mit
mindestens einer Schutzeinrichtung (5) zum Schutz der Halb leiterschalteinrichtung (10), welche zumindest zur Steue rung des elektrischen Potentials am Steueranschluß (4a) der Halbleiterschalteinrichtung (10) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Schutzeinrichtung (5), insbesondere im Fall eines Kurzschlusses im Stromausgangsbereich (3), steuerbar mindestens eine erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz (R1) in den Steuerkreis, insbesondere in den Bereich des Steuereingangs (4a), der Halbleiterschalteinrichtung (10) zuschaltbar ist und
daß durch die zusätzliche Steuereingangsimpedanz (R1) der Halbleiterschalteinrichtung (10) diese auf definierte Art und Weise, insbesondere im Kurzschlußfall, abschaltbar ist.

2. Stromschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterschalteinrichtung (10) jeweils einen Stromeingangsanschluß (2a) und einen Stromausgangsanschluß (3a) zusätzlich zum Steueranschluß (4a) aufweist und
daß die Anschlüsse (2a, 3a, 4a) über eine Stromeingangslei tungseinrichtung (2b), Stromausgangsleitungseinrichtung (3b) bzw. eine Steuerleitungseinrichtung (4b) mit dem Stro meingangsbereich (2), dem Stromausgangsbereich (3) bzw. ei nem Steuerbereich (4) jeweils verbindbar sind.

3. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalteinrichtung (10) im wesentlichen durch eine zwischen dem Steueranschluß (4a) und dem Stromaus gangsanschluß (3a) anlegbare elektrische Potentialdifferenz steuerbar schaltbar ausgebildet ist.

4. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (5) jeweils im wesentlichen in der Steuerleitungseinrichtung (4b) und/oder zumindest mit der Stromausgangsleitungseinrichtung (3b) verbindbar ausgebildet ist.

5. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (5) jeweils zumindest zur Steuerung der elektrischen Potentialdifferenz zwischen Steueranschluß (4a) und Stromausgangsanschluß (3a) der Halbleiterschaltein richtung (10) ausgebildet ist.

6. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalteinrichtung (10) jeweils einen IGBT, einen Feldeffekttransistor (FET) und/oder dergleichen auf weist oder jeweils als solcher ausgebildet ist.

7. Stromschaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromeingangsanschluß (2a) mit einem Kollektorbereich (C) bzw. Drainbereich (D), der Stromausgangsanschluß (3a) mit einem Emitterbereich (E) bzw. einem Sourcebereich (S) und der Steueranschluß (4a) mit einem Gatebereich (G) der Halbleiter schalteinrichtung (10) verbunden ist.

8. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzeinrichtung (5) eine steuerbar betätigbare Schutzschalteinrichtung (M1) mit einem Eingangsanschluß (11) und einem Ausgangsanschluß (12) in Serie in der Steu erleitungseinrichtung (4b) angeordnet aufweist und
daß die zusätzliche Steuereingangsimpedanz (R1) parallel dazu mit dem Eingangs- (11) und dem Ausgangsanschluß (12) der Schutzschalteinrichtung (M1) verbunden angeordnet ist.

9. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Steuereingangsimpedanz (R1) im wesentli chen als, insbesondere hochohmiger, Ohmscher Widerstand oder als Stromquelleneinrichtung oder dergleichen ausgebildet ist.

10. Stromschaltanordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschalteinrichtung (M1) jeweils als feldgesteu erte Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere als IGBT, Fel deffekttransistor oder dergleichen, ausgebildet ist.

11. Stromschaltanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschalteinrichtung (M1) einen Steueranschluß (13) aufweist.

12. Stromschaltanordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß (11), der Ausgangsanschluß (12) und der Steueranschluß (13) der Schutzschalteinrichtung (M1) je weils an einem Kollektor- oder Drainbereich (D1), an einem Emitter- oder Sourcebereich (S1) bzw. an einem Gatebereich (G1) der Schutzschalteinrichtung (M1) ausgebildet sind.

13. Stromschaltanordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtasteinrichtung (20) vorgesehen ist, welche zum Erfassen des geschalteten und im Stromausgangsbereich (3) fließenden Stroms (I_C) oder einer dafür repräsentativen, ins besondere elektrischen, Größe ausgebildet ist, und durch wel che ein Schaltsignal generierbar und dem Steuereingang (13) der Schutzschalteinrichtung (M1) zuführbar ist.

14. Stromschaltanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (5) eine zweite und/oder eine drit te Steuereingangsimpedanz (R2, R3) aufweist, welche mit dem Eingangsanschluß (11) und dem Steueranschluß (13) bzw. mit dem Steueranschluß (13) und dem Ausgangsanschluß (12) der Schutzschalteinrichtung (M1) verbunden sind.

15. Stromschaltanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Steuereingangsimpedanzen (R1, R2, R3) als Ohm sche Widerstände ausgebildet sind, deren Werte sich insbeson dere etwa wie R1 : R2 : R3 = 1 : 24 : 4 verhalten.

16. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz (R1) einen Wert von etwa 1 kΩ besitzt.