DE10035388A1

DE10035388A1 - Stromschaltanordnung

Info

Publication number: DE10035388A1
Application number: DE2000135388
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: DE10035388C2

Abstract

Um bei einer Stromschaltanordnung (1) die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung (10) bei einem Kurzschluß besonders zuverlässig zu schützen, wird vorgeschlagen, eine Schutzeinrichtung (5) mit einem dynamischen (6) und einem statischen Begrenzer (7) auszubilden, welche zur gestaffelten temporären Begrenzung bzw. temporären Reduzierung elektrischer Ströme zwischen einem Stromeingangsbereich (2) und einem Stromausgangsbereich (3) der Stromschaltanordnung (1) ausgebildet sind.

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 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung mindestens einen dynamischen Begrenzer aufweist, welcher zur temporären Begrenzung, insbesondere kurzzeitiger, elektrischer Ströme zwischen dem Stromeingangs bereich und dem Stromausgangsbereich mittels temporärer Be grenzung des elektrischen Potentials am Steuereingang der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung ausgebildet ist. Des weiteren ist mindestens ein statischer Begrenzer vorgese hen, welcher zur temporären Reduzierung elektrischer Ströme zwischen dem Stromeingangsbereich und dem Stromausgangsbe reich mittels temporärer Reduzierung des elektrischen Poten tials am Steuereingang der feldgesteuerten Halbleiterschalt einrichtung ausgebildet ist. Darüber hinaus sind die Begren zer so, insbesondere steuerbar, ausgebildet, daß im Betrieb der Stromschaltanordnung immer höchstens ein Begrenzer akti viert oder aktivierbar ist.

Es ist somit eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfin dung, die bei der Stromschaltanordnung vorzusehende Schut zeinrichtung funktional gestaffelt aufzubauen, und zwar der art, daß, insbesondere im Kurzschlußfall, die Schutzfunktion auf einen dynamischen Begrenzer und einen statischen Be grenzer während der Kurzschlußphase zeitlich gestaffelt ver teilt wird.

Der dynamische Begrenzer vermeidet durch das erfindungsgemäße Vorgehen und Anordnen der Schutzeinrichtung kurzzeitige Kurz schlußüberströme zwischen dem Stromeingangsbereich und dem Stromausgangsbereich der Stromschaltanordnung und begrenzt somit kurzzeitig auftretende Stromspitzen. Der statische Be grenzer, der nachfolgend aktiv wird, dient dagegen der Redu zierung elektrischer Ströme, welche sich als statische Kurz schlußströme im Kurzschlußfall zwischen dem Stromeingangsbe reich und dem Stromausgangsbereich einstellen. Somit ist das zunächst funktional gestaffelte Schutzkonzept auch ein zeit lich gestaffeltes Schutzkonzept, indem die elektrische Poten tialdifferenz zwischen dem Steuereingang und dem Stromaus gangsanschluß der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung ebenfalls dynamisch und stationär zeitlich gestaffelt und zeitlich getrennt aufgebaut wird.

Dadurch wird der beim Stand der Technik notwendige Kompromiß zwischen Strombegrenzung und Überspannung vermieden. Beim Stand der Technik hat eine zu starke Strombegrenzung oder Re duzierung der Gate-Emitter-Spannung zwar eine stärkere Redu zierung des Kurzschlußüberstroms zur Folge. Dies führt aber infolge des schnelleren Rückgangs des Elektrostroms I_C auf grund der Gegeninduktion über die parasitären Induktivitäten im Kurzschlußkreis zu entsprechenden Spannungsspitzen, die sich negativ auf die Struktur und das Verhalten der feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtung auswirken können.

Durch die - insbesondere zeitlich getrennt durchgeführte - gestaffelte Steuerung der Gate-Emitter-Spannung der feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtung wird dieser Kompromiß vermieden bzw. es werden die Verhältnisse optimiert. Dabei werden die dynamische Strombegrenzung des Kurzschlußüberstroms und die Reduzierung des stationären Kurzschlußstroms zeitlich getrennt voneinander durchgeführt.

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 und 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 zumindest mit der Strom ausgangsleitungseinrichtung verbindbar ausgebildet ist. Dies gewährleistet auf besonders einfache und doch 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 Schutze die Steuerung des Steueranschlusses der feldge steuerten Halbleiterschalteinrichtung und damit eine entsprechende Begrenzung der zu übertragenden elektrischen Größen und damit der thermischen Belastung im Bereich der feldge steuerten 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 Bau teil 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 dann besonders vorteilhaft, wenn der Stromein gangsanschluß mit einem Kollektorbereich bzw. Drainbereich, der Stromausgangsanschluß mit einem Emitterbereich bzw. einem Sourcebereich und der Steueranschluß mit einem Gatebereich der Halbleiterschalteinrichtung verbunden ist.

Um ein definiertes Ansprechen der Schutzeinrichtung im Feh lerfall zu gewährleisten, ist es gemäß einer weiter bevorzug ten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanord nung vorgesehen, daß der dynamische Begrenzer aktiv oder ak tivierbar ist, wenn der zwischen dem Stromeingangsbereich und dem Stromausgangsbereich fließende elektrische Strom einen vordefinierten ersten Wert überschreitet. Entsprechend soll der dynamische Begrenzer aktivierbar sein, wenn eine elektri sche Potentialdifferenz zwischen dem Steueranschluß und dem Stromausgangsanschluß der Halbleiterschalteinrichtung einen vordefinierten Wert überschreitet, welcher insbesondere auf einen Fehlerfall zurückführbar ist. Dieser vordefinierte erste Wert oder erste Schwellenwert für den fließenden elektri schen Strom bzw. für die entsprechende elektrische Potential differenz wird durch eine entsprechende Beschaltung innerhalb des dynamischen Begrenzers, insbesondere über eine Spannungs teilereinrichtung oder dergleichen, realisiert.

Entsprechend ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus führungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung vor gesehen, daß der statische Begrenzer aktivierbar ist, wenn der zwischen dem Stromeingangsbereich und dem Stromausgangs bereich fließende elektrische Strom einen vordefinierten zweiten Wert, insbesondere um höchstens einen vordefinierten dritten Wert überschreitet. Dadurch wird erreicht, daß inner halb eines Stromintervalls zwischen dem vordefinierten zwei ten Wert und der Summe des vordefinierten zweiten Wertes und dem vordefinierten dritten Wert der statische Begrenzer aktiv oder aktivierbar ist und insbesondere der dynamische Begren zer nicht aktiviert ist.

Vorteilhafterweise ist es dabei vorgesehen, daß der vordefi nierte zweite Wert und/oder die Summe aus dem vordefinierten zweiten Wert und dem vordefinierten dritten Wert niedriger ausgelegt sind als der vordefinierte erste Wert für den zwi schen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich fließenden Strom. Dadurch wird erreicht, daß bei einer Kurzschlußsitua tion mit hohen Kurzschlußüberströmen zunächst der dynamische Begrenzer aktiviert wird, wenn der Kurzschlußspitzenstrom oberhalb des ersten vordefinierten Wertes liegt und der Akti vitätsbereich des statischen Begrenzers schon überschritten ist. Fällt dann der Kurzschlußspitzenstrom ab, und zwar der art, daß er den vordefinierten zweiten Wert überschreitet aber noch innerhalb des durch den vordefinierten dritten Wert gegebenen Intervalls liegt, so ist der dynamische Begrenzer bereits wieder inaktiv, der statische Begrenzer aber ist ent sprechend aktiviert.

Durch dieses Vorgehen wird somit die gestaffelte zeitliche Abfolge mit einem zunächst aktiven dynamischen Begrenzer und einem nachfolgend aktiven statischen Begrenzer realisiert.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Stromschaltanordnung ist es vorgesehen, daß der dynamischen und/oder der statische Begrenzer parallel zwi schen der Steuerleitungseinrichtung und der Stromausgangslei tungseinrichtung angeordnet sind. Dadurch wird gewährleistet, daß die die Steuerung der feldgesteuerten Halbleiterschalt einrichtung maßgeblichen elektrischen Größen, nämlich gerade die zwischen dem Steueranschluß und dem Stromausgangsanschluß anliegende elektrische Potentialdifferenz, z. B. die Gate- Emitter-Spannung eines IGBT oder dergleichen, durch den dyna mischen Begrenzer und den statischen Begrenzer beeinflußbar sind.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Stromschaltanordnung ist es vorgesehen, daß der dynamische Begrenzer eine erste Schalteinrichtung, insbeson dere Halbleiterschalteinrichtung, IGBT, FET oder dergleichen, aufweist, welche in Serie mit einer Spannungsbegrenzungsein richtung, insbesondere mit einer Diode, angeordnet ist und deren Eingangs-, Ausgangs- und Steueranschlüsse, insbesondere Source-, Drain- bzw. Gateanschlüsse, über eine erste Span nungsteilereinrichtung ansteuerbar sind. Dadurch wird auf be sonders einfache Weise gewährleistet, daß oberhalb einer durch die Parameter der Spannungsbegrenzungseinrichtung gege benen Grenzspannung eine dynamische Aktivierung der ersten Schalteinrichtung und somit des dynamischen Begrenzers er folgt. Die Parameter der den ersten Spannungsbegrenzer und/oder die erste Spannungsteilereinrichtung bildenden elek tronischen Bauteile definieren somit den ersten vordefinier ten Wert für den zwischen Stromeingangsbereich und Stromaus gangsbereich fließenden Strom, ab dem der dynamische Begren zer aktiviert wird oder aktivierbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es zur Realisierung der statischen Begrenzung im Rahmen des gestaf felten Schutzkonzepts vorgesehen, daß der statische Begrenzer eine zweite Schalteinrichtung, insbesondere Halbleiterschalt einrichtung, IGBT, FET oder dergleichen, aufweist, welche, insbesondere mit einem Eingangsanschluß und mit einem Aus gangsanschluß davon, in Serie mit einem zweiten Spannungsbe grenzer zwischen der Steuerleitungseinrichtung und, vorzugs weise über eine Abtastleitungseinrichtung, der Stromausgangs leitungseinrichtung angeordnet ist. Durch die Parameter der die zweite Spannungsbegrenzungseinrichtung und/oder die zwei te Spannungsteilungseinrichtung bildenden elektrischen Bau elemente wird im wesentlichen derjenige Bereich des zwischen dem Stromeingangsbereich 2 und dem Stromausgangsbereich 3 fließenden elektrischen Stroms definiert, in welchem der sta tische Begrenzer aktiv ist oder aktiviert werden kann. Es wird somit über diese entsprechenden Parameter der zweite vordefinierte Wert für den fließenden elektrischen Strom de finiert.

Um aber tatsächlich ein Stromfenster anzugeben, in welchem der statische Begrenzer aktiv ist, ist es gemäß einer weite ren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanord nung vorgesehen, daß die zweite Schalteinrichtung des stati schen Begrenzers einen Steueranschluß aufweist. Darüber hin aus ist es vorteilhaft, daß der Eingangsanschluß, der Aus gangsanschluß und der Steueranschluß der zweiten Schaltein richtung des statischen Begrenzers jeweils auf einem Kollek tor- oder Drainbereich, einem Emitter- oder Sourcebereich bzw. einem Gatebereich der zweiten Schalteinrichtung angeord net sind.

Es ist ferner vorgesehen, daß eine Abtasteinrichtung ausge bildet ist, welche zum Erfassen des geschalteten und im Stromausgangsbereich fließenden Stroms oder einer dafür re präsentativen, insbesondere elektrischen, Größe ausgebildet ist und durch welche ein Schaltsignal generierbar und dem Steuereingang der zweiten Schalteinrichtung des statischen Begrenzers zuführbar ist. Dadurch wird die zweite Schaltein richtung des statischen Begrenzers auf besonders einfache Art und Weise über die Abtasteinrichtung steuerbar schaltbar.

Es ist dabei von besonderem Vorteil, daß die Abtasteinrich tung eine dritte Schalteinrichtung, insbesondere eine feldge steuerte Halbleiterschalteinrichtung, ein IGBT, ein FET oder dergleichen aufweist, welche mit einem Eingangsanschluß davon mit der Stromausgangsleitungseinrichtung verbunden ist und welche mit einem Ausgangsanschluß davon mit dem Steueran schluß der zweiten Schalteinrichtung verbunden ist. Ferner ist es vorgesehen, daß die dritte Schalteinrichtung einen Steueranschluß aufweist, welcher über eine dritte Spannungs teilungseinrichtung zwischen der Steuerleitungseinrichtung und der Stromausgangsleitungseinrichtung ansteuerbar ist.

Durch die zuletzt erwähnten Maßnahmen ergibt sich, daß ein dynamisches Einschalten der zweiten Schalteinrichtung des statischen Begrenzers bei hohen Kurzschlußstromspitzen nicht erfolgt, weil aufgrund des Einschaltens der dritten Schalt einrichtung der Abtasteinrichtung der Steueranschluß der zweiten Schalteinrichtung mit ihrem Eingangsanschluß dyna misch kurzgeschlossen werden. Dabei wird der Aktivitätsbe reich der Abtasteinrichtung, d. h. also das Schaltverhalten über die entsprechenden vordefinierten Werte der Parameter der Spannungsteilereinrichtung gegeben. Diese werden entspre chend so gewählt, daß die dritte Schalteinrichtung zumindest dann schaltet und somit ein Schalten der zweiten Schaltein richtung verhindert, wenn nur der dynamische Begrenzer akti viert ist, d. h. die erste Schalteinrichtung ebenfalls schal tet.

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. 2A, B jeweils eine schematische Darstellung zweier Aus führungsformen 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 Schaltfunktion ist das Gate G des IGBTs 42 über eine Steuer leitungseinrichtung 4b mit der Steuer-/Treiberstufe 41 der bekannten 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 Zustuand 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, insbe sondere 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 ei nes 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 Halbleiterschalteinrichtung 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 dyna mischen 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 Gate-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 T2 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 Fallgeschwindigkeit 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.

Die Fig. 2A zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanord nung 1, wobei die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 4 be schriebenen Komponenten, soweit sie einen ähnlichen Aufbau und eine ähnliche Funktion besitzen, dieselben Bezugszeichen wie dort aufweisen.

Zur steuerbaren Schaltung eines elektrischen Stroms I_C zwi schen einem Stromeingangsbereich 2 und einem Stromausgangsbe reich 3 ist eine feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 in Form eines IGBTs mit einem Gate G, einem Kollektor C und einem Emitter E vorgesehen.

Das Gate G, der Kollektor C und der Emitter E des IGBTs 10 sind über einen Steueranschluß 4a, einen Stromeingangsanschluß 2a bzw. einen Stromausgangsanschluß 3a und eine sich daran anschließende Steuerleitungseinrichtung 4b, Stromein gangsleitungseinrichtung 2b bzw. Stromausgangsleitungsein richtung 3b mit einer Steuer-/Treiberstufe 4, dem Stromein gangsbereich 2 bzw. dem Stromausgangsbereich 3 verbunden.

Der Steueranschluß 4a oder das Gate G der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 weist eine inhärente oder na türliche Steuereingangsimpedanz R_GATE oder einen entsprechen den Gatewiderstand auf.

Über diesen Gatewiderstand R_GATE steuert die Steuer-/Treiber stufe 4 mittels der Ansteuerspannung U_Anst den über die feld gesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 realisierten Schaltvorgang.

Zwischen der Steuerleitungseinrichtung 4b und der die Steu er-/Treiberstufe 4 mit dem Stromausgangsanschluß 3a bzw. der Stromausgangsleitungseinrichtung 3b verbindenden Ab tastleitungseinrichtung 3c ist die Schutzeinrichtung 5 ausge bildet, welche im wesentlichen parallel zueinander einen dy namischen Begrenzer 6, einen statischen Begrenzer 7 sowie ei ne Abtasteinrichtung 20, welche auch als Gate-Emitter-Span nungsüberwachungseinrichtung bezeichnet werden kann, auf weist. Diese zuletzt genannten Einrichtungen sind über ent sprechende Leitungen 6a, 6b, 7a, 7b bzw. 20a, 20b mit den Leitungseinrichtungen 4b bzw. 3c verbunden. Des weiteren kann die Schutzeinrichtung 5 einen sogenannten Sense-Widerstand aufweisen, durch welchen der zwischen dem Stromeingangsbe reich 2 und dem Stromausgangsbereich 3 fließende elektrische Strom als Spannungsabfall mittels der Abtasteinrichtung 20 meßbar ist. Dieser Sense-Widerstand kann aber auch in der Ab tasteinrichtung 20 integriert ausgebildet sein, wie das im Zusammenhang mit Fig. 2B beschrieben ist.

über eine zusätzliche Leitung 20c wird der statische Begren zer 7 durch die Abtasteinrichtung 20 steuerbar.

In der Fig. 2B ist im Detail eine mögliche weitere Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung 1 gerade im Hinblick auf die schaltungstechnische Realisierung des dy namischen Begrenzers 6, des dynamischen Begrenzers 7 sowie der Abtasteinrichtung 20 dargestellt.

Der dynamische Begrenzer weist eine erste Schalteinrichtung M3 in Form eines Feldeffekttransistors FET mit einem Gate- G3, einem Source- S3 und einem Drainbereich D3 auf, welche mit einem Steueranschluß 13, einem Eingangsanschluß 11 bzw. einem Ausgangsanschluß 12 der Schalteinrichtung M3 verbunden sind. Über Widerstände R1 und R2 ist zwischen dem Ausgangsan schluß 12 und dem Steueranschluß 13 bzw. dem Steueranschluß 13 und dem Eingangsanschluß 11 der ersten Schalteinrichtung M3 zusammen mit einer in Serie geschalteten Spannungsbegren zereinrichtung Z3, insbesondere in Form einer Diode, eine Spannungsteilereinrichtung zwischen den Leitungseinrichtungen 6a und 6b realisiert, durch welche beim Überschreiten einer bestimmten durch die Parameter R1, R2 und Z3 gegebenen Span nungsdifferenz zwischen dem Sourcebereich S3 und dem Gatebe reich G3 der ersten Schalteinrichtung M3 ein Schaltvorgang realisiert wird, wenn durch Auftreten eines Kurzschlußspit zenstroms zwischen dem Stromeingangsbereich 2 und dem Strom ausgangsbereich 3 die gegebene Spannungsdifferenz im Span nungsteilerbereich überschritten wird. Durch die entsprechen den Parameter R1, R2 und Z3 wird somit das Stromlimit für die dynamische Begrenzung durch den dynamischen Begrenzer 6 defi niert.

In entsprechender Art und Weise ist beim statischen Begrenzer 7 der Fig. 2B eine zweite Schalteinrichtung M1 in Form eines Feldeffekttransistors mit einem Gatebereich G1, einem Source bereich S1 sowie einem Drainbereich D1 vorgesehen. Diese Be reiche G1, S1 und D1 sind über einen Steueranschluß 23, einen Eingangsanschluß 21 sowie einen Ausgangsanschluß 22 der zwei ten Schalteinrichtung M1 verbunden.

Der statische Begrenzer 7 ist über eine Leitungseinrichtung 7b mit der Abtastleitungseinrichtung 3c direkt verbunden. Zwischen dem Ausgangsanschluß 22 der zweiten Schalteinrich tung M1 des statischen Begrenzers 7 und der Leitungseinrich tung 7a zur Kontaktierung des statischen Begrenzers 7 mit der Steuerleitungseinrichtung 4b ist in Serie eine Spannungsbe grenzungseinrichtung vorgesehen, welche aus einer Anordnung einer Diodeneinrichtung Z2 und in Serie dazu einer Parallel schaltung eines Transistors Q1, eines Widerstands R4 sowie eines Zener-Elements Z1 ausgebildet ist. Diese Elemente Z2, Q1, R4 und Z1 definieren aufgrund ihrer Verschaltung und ih rer elektrischen Parameter im wesentlichen den zweiten vorde finierten Wert, bei welchem der statische Begrenzer 7 bei entsprechendem Stromfluß zwischen dem Stromeingangsbereich 2 und dem Stromausgangsbereich 3 aktivierbar ist.

Der Steueranschluß 23 der zweiten Schalteinrichtung M1 des statischen Begrenzers 7 ist über eine Leitungseinrichtung 20c mit der Abtasteinrichtung 20 verbunden, welche ebenfalls über Leitungseinrichtungen 20a und 20b mit der Steuerleitungsein richtung 4b bzw. Abtastleitungseinrichtung 3c verbunden ist.

Die Abtasteinrichtung 20 weist als wesentliches Element eine dritte Schalteinrichtung M2, hier in Form eines Feldeffekt transistors mit einem Gatebereich G2, einem Sourcebereich S2 und einem Drainbereich D2 auf. Diese Bereiche sind mit einem Steueranschluß 33, einem Eingangsanschluß 31 bzw. einem Aus gangsanschluß 32 der dritten Schalteinrichtung M2 verbunden.

Das Gate G2 und der Steueranschluß 33 der dritten Schaltein richtung M2 der Abtasteinrichtung 20 sind im Abgriff eines durch Widerstände R6 und R7 zwischen den Leitungseinrichtun gen 20a und 20b definierten Spannungsteilungseinrichtung an geordnet, so daß die dritte Schalteinrichtung M2 über diese Spannungsteilungseinrichtung dynamisch einschaltbar ist und im Falle des Einschaltens den Steueranschluß 23 mit dem Eingangsanschluß 21 der zweiten Schalteinrichtung M1 des stati schen Begrenzers kurzschließt und somit ein dynamisches Ein schalten des statischen Begrenzers 7 im Fall des dynamischen Kurzschlußüberstroms verhindert. Erst beim Abfallen des dyna mischen Kurzschlußüberstroms unter eine durch die Widerstände R6 und R7 entsprechend definierte Grenze schaltet die dritte Schalteinrichtung M2 der Abtasteinrichtung 20 aus und ermög licht somit ein Durchschalten oder Einschalten der zweiten Schalteinrichtung M2 des statischen Begrenzers 7 und folglich ein Reduzieren der Gate-Emitter-Spannung U_GE zwischen dem Ga te G und dem Emitter E der feldgesteuerten Halbleiterschalt einrichtung 10 der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung 1.

Zusammenfassend besteht die erfindungsgemäße Idee darin, daß im Fall eines Kurzschlusses, in einer ersten Phase des Kurz schlusses ausschließlich der dynamische Begrenzer 6 reagiert und den dynamischen Kurzschlußüberstrom begrenzt. Ein Ein schalten des statischen Begrenzers bzw. dessen zweiter Schalteinrichtung M1 wird dadurch verhindert, daß die dritte Schalteinrichtung M2 der Abtasteinrichtung 20 ebenfalls dyna misch eingeschaltet wird und somit den Steueranschluß 23 mit dem Eingangsanschluß 21 der zweiten Schalteinrichtung M1 kurzschließt und somit ein Einschalten dort verhindert. Beim Abfallen des dynamischen Kurzschlußüberstroms unter eine be stimmte Schranke schaltet die erste Schalteinrichtung M1 des dynamischen Begrenzers 6 aus, womit die dynamische Begrenzung des Kurzschlußüberstroms beendet wird. Gleichzeitig oder spä ter, je nach Parameterwahl, ist ebenfalls das dynamische Ein schalten der dritten Schalteinrichtung M2 der Abtasteinrich tung 20 beendet, und der statische Begrenzer 7 wird durch Einschalten der zweiten Schalteinrichtung M1 aktiv.

Somit wird erfindungsgemäß eine funktional und zeitlich ge staffelte Steuerung der Gate-Emitter-Spannung U_GE des feldge steuerten Halbleiterschaltelements 10 der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung 1 realisiert.

Die Wirkungsweise dieser gestaffelten Steuerung der Gate- Emitter-Spannung U_GE wird auch aus Fig. 3A, dort aus den Spu ren T0 und T1, deutlich.

Zunächst wird im Zeitintervall zwischen t₀ und t₁ die Span nungsspitze von U°_GE,SC,peak um ΔU_GE,peak auf U¹ _GE,SC,peak begrenzt. Entsprechend ergibt sich eine Begrenzung des Kurzschlußstroms I_C von I°_C,SC,peak um ΔI_C,SC,peak auf I¹ _C,SC,peak, wie das in Fig. 3B in den Spuren T2 und T3 gezeigt ist.

Dann fällt die Gate-Emitter-Spannung U_GE auf den nominellen Wert U_GE,N ab und wird nun durch den statischen Begrenzer 7 im Übergang vom Intervall t₀, t₁ zum Intervall t₁, t₂ um ΔU_GE,stat reduziert, was dann eine Reduktion des stationären Kurz schlußstroms von I°_C,SC,stat um ΔI_C,SC,stat auf I¹ _C,SC,stat zur Folge hat.

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

6

a,

6

b Leitungseinrichtung

7

a,

7

b Leitungseinrichtung

10

feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung, IGBT

11

Eingangsanschluß M

3

12

Ausgangsanschluß M

3

13

Steueranschluß M

3

20

Abtasteinrichtung

20

a-d Leitungseinrichtung

21

Eingangsanschluß M

1

22

Ausgangsanschluß M

1

23

Steueranschluß M

1

25

Spannungsteilereinrichtung, Sense-Einrichtung

31

Eingangsanschluß M

2

32

Ausgangsanschluß M

2

33

Steueranschluß M

2

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

D3 Drainbereich M

3

E Emitterbereich

10

,

42

G Gatebereich

10

,

42

G1 Gatebereich M

1

G2 Gatebereich M

2

G3 Gatebereich M

3

I_C

Kollektorstrom
M1-M3 Halbleiterschalteinrichtungen
R1-R7 Widerstände
R_GATE

inhärente Eingangsimpedanz
R_sense

Abtastwiderstand
S1 Sourcebereich M

1

S2 Sourcebereich M

2

S3 Sourcebereich M

3

30-35

Spuren
U_CE

Kollektor-Emitter-Spanunng
U_GE

Gate-Emitter-Spannung
U_Z

Zwischenkreisspannung
Z1-Z4 Dioden/Spannungsbegrenzer

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 die Schutzeinrichtung (5) mindestens einen dynamischen Begrenzer (6) aufweist, welcher zur temporären Begrenzung, insbesondere kurzzeitiger, elektrischer Ströme zwischen dem Stromeingangsbereich (2) und dem Stromausgangsbereich (3) mittels temporärer Begrenzung des elektrischen Potentials am Steuereingang (4a) der feldgesteuerten Halbleiterschalt einrichtung (10) ausgebildet ist,
daß die Schutzeinrichtung (5) mindestens einen statischen Begrenzer (7) aufweist, welcher zur temporären Reduzierung elektrischer Ströme zwischen dem Stromeingangsbereich (2) und dem Stromausgangsbereich (3) mittels temporärer Redu zierung des elektrischen Potentials am Steuereingang (4a) der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung (10) ausge bildet ist, und
daß die Begrenzer (6, 7) so, insbesondere steuerbar, ausge bildet sind, daß im Betrieb der Stromschaltanordnung (1) immer höchstens ein Begrenzer (6, 7) aktivierbar 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 zumindest mit der Strom ausgangsleitungseinrichtung (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 der dynamische Begrenzer (6) aktivierbar ist, wenn eine elektrische Potentialdiffernez (U_GE) zwischen dem Steueran schluß (4a) und dem Stromausgangsanschluß (3a) der Halblei terschalteinrichtung (10) einen vordefinierten Wert über schreitet, welcher insbesondere auf einen Fehlerfall zurück führbar ist.

9. Stromschaltanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der statische Begrenzer (7) aktivierbar ist, wenn der zwischen dem Stromeingangsbereich (2) und dem Stromausgangs bereich fließende elektrische Strom (I_C) einen vordefinierten zweiten Wert (I_stat) um höchstens einen vordefinierten dritten Wert (ΔI_stat) überschreitet und insbesondere der dynamische Begrenzer (6) nicht aktiviert ist.

10. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische und/oder der statische Begrenzer (6, 7) parallel zwischen der Steuerleitungseinrichtung (4b) und der Stromausgangsleitungseinrichtung (3b) angeordnet sind.

11. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Begrenzer (6) eine erste Halbleiterschalt einrichtung (M3), insbesondere einen Feldeffekttransistor oder dergleichen aufweist, welche in Serie mit einem Span nungsbegrenzer (Z3), insbesondere einer Diode, angeordnet ist und deren Eingangs- (11), Ausgangs- (12) und Steueranschlüsse (13), insbesondere deren Source- (S3), Drain- (D3) bzw. Gate anschlüsse (G3), über eine Spannungsteilereinrichtung (R1, R2) ansteuerbar sind.

12. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der statische Begrenzer (7) eine zweite Halbleiterschalt einrichtung (M1), insbesondere einen Feldeffekttransistor, aufweist, welche, insbesondere mit einem Eingangsanschluß (21) und einem Ausgangsanschluß (22), in Serie mit einem Spannungsbegrenzer (Q1, Z1, Z2), vorzugsweise über eine Ab tastleitungseinrichtung (3c), angeordnet ist.

13. Stromschaltanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschalteinrichtung (M1) des stati schen Begrenzers (7) einen Steueranschluß (13) aufweist.

14. Stromschaltanordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß (21), der Ausgangsanschluß (22) und der Steueranschluß (23) der zweiten Halbleiterschalteinrich tung (M1) des statischen Begrenzers (7) jeweils an einem Kol lektor- oder Drainbereich (D1), an einem Emitter- oder Sour cebereich (S1) bzw. an einem Gatebereich (G1) der zweiten Halbleiterschalteinrichtung (M1) ausgebildet sind.

15. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtasteinrichtung (20) vorgesehen ist, welche zum Erfassen des geschalteten und im Stromausgangsbereich (3) fließenden Stroms (I) oder einer dafür repräsentativen, ins besondere elektrischen, Größe ausgebildet ist und durch wel che ein Schaltsignal generierbar und dem Steuereingang (23) der zweiten Halbleiterschalteinrichtung (M2) des statischen Begrenzers (7) zuführbar ist.

16. Stromschaltanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (20) eine dritte Schalteinrichtung (M2), insbesondere feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtun gen, FET, IGBT oder dergleichen, aufweist, welche mit einem Eingangsanschluß (31) davon mit der Stromausgangsleitungsein richtung (3b) verbunden ist und welche mit einem Ausgangsan schluß (32) davon mit dem Steueranschluß (23) der zweiten Schalteinrichtung (M1) verbunden ist.

17. Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schalteinrichtung (M2) einen Steueranschluß (33) aufweist, welcher über eine zweite Spannungsteilerein richtung (R6, R7) zwischen der Steuerleitungseinrichtung (4b) und der Stromausgangsleitungseinrichtung (3b) ansteuerbar ist.