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Die
Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Leistungsstromversorgung
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11 und ein
Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13.
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Überspannungsschutzvorrichtungen
unterschiedlichster Ausgestaltungen sind bekannt. Eine typische
Anordnung, die einer vereinfachten Schaltung gemäß
US 5,555,148 entspricht,
ist in
7 gezeigt. Die Überspannungsschutzvorrichtung
1 ist
in diesem Beispiel parallel zu einem spannungsempfindlichen Leistungshalbleiterbauteil
2 angeschlossen.
Sie besteht unter anderem aus einer Diode
3 in Serie mit
einer Kapazität
4, so dass sich die Kapazität
4 auf
eine erste Spannung U
C aufladen kann. Die Spannung
U
C an der Kapazität wird von einer Überwachungsschaltung
5 überwacht
und beim Überschreiten einer Maximalspannung wird eine
Kapazitätsentladungsvorrichtung
6 aktiviert, die
in der Regel aus einem steuerbaren Bauteil
7, z. B. einem
Halbleiterschalter, in Serie mit einem Widerstand
8 besteht. Die
Aktivierung der Kapazitätsentladungsvorrichtung
6 erfolgt
durch Einschalten des steuerbaren Bauteils
7. Die Kapazitätsentladungsvorrichtung
6 entlädt
den Kondensator (die Kapazität) bis zu einer zweiten niedrigeren
Spannung. Dann wird das steuerbare Bauteil
7 wieder in
einen nichtleitenden Zustand gebracht. Auf diese Weise kann die
Spannung am Leistungshalbleiterbauteil
2 auf eine Maximalspannung U
Cmax begrenzt gehalten werden.
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Das
steuerbare Bauteil 7 und der Widerstand 8 wandeln
die Energie, die aus der Kapazität 4 abgeführt
wird, in Wärme um. Die Wärmeabfuhrmöglichkeiten
sind in der Regel beschränkt. Die Wirksamkeit der Überspannungsschutzvorrichtung
hängt davon ab, wie viele Ladungsträger pro Zeiteinheit
aus der Kapazität 4 abgeführt werden
können. Werden mehr Ladungsträger in die Kapazität
eingespeist als das steuerbare Bauteil 7 über
den Widerstand 8 abführen kann, so steigt die
Spannung an der Kapazität 4 weiter an. Dies kann
so lange erfolgen bis das spannungsempfindliche Leistungshalbleiterbauteil 2 bei einer
Durchbruchspannung durchbricht. Das sollte grundsätzlich
nicht vorkommen, kann aber unter extremen Belastungen nicht völlig
ausgeschlossen werden. Bei einem Durchbruch des Leistungshalbleiterbauteils 2 kommt
es in der Regel zu einem sehr hohen Strom durch das Leistungshalbleiterbauteil 2 in Folge
des Lawinendurchbruchs (Avalanche-Effekt).
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Die
erhöhte Spannung am Leistungshalbleiterbauteil bewirkt
eine ebenso hohe Spannung an der Überspannungsschutzvorrichtung.
Bei den bekannten Überspannungsschutzvorrichtungen kann
diese Überspannung zu einer Zerstörung der Überspannungsschutzvorrichtungen
selbst führen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Überspannungsschutzvorrichtung
bereitzustellen, die spannungsfest bis zur Durchbruchspannung des
Leistungshalbleiterbauteils ist.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch eine Überspannungsschutzvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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In
den Rahmen der Erfindung fallen außerdem eine Leistungsstromversorgung
mit dem Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Durch
die Überwachungsschaltung können, wenn die Spannung
an der Kapazität eine Maximalspannung überschreitet,
Ladungsträgern von der Kapazität abgezogen werden,
wobei ein Teil der Ladungsträger an den Steuereingang des
steuerbaren Bauteils geleitet werden können, um dieses
in einen leitenden Zustand zu versetzen. Die Ladungsträgerzufuhr
an den Steuereingang des steuerbaren Bauteils kann zum Sperren des
steuerbaren Bauteils bei Unterschreitung einer zweiten Spannung
an der Kapazität unterbunden werden. Durch die Begrenzungsvorrichtung
wird die Anzahl der abgezogenen Ladungsträger pro Zeiteinheit
auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt.
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In
Serie zu der Kapazität kann ein beliebiges nichtlineares
Bauteil eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine Diode eingesetzt.
Die Funktion des nichtlinearen Bauteils ist es, Ladungsträger
vom spannungsempfindlichen Leistungshalbleiterbauteil zur Kapazität
zu leiten, und die Spannung am spannungsempfindlichen Leistungshalbleiterbauteil
so auf die Spannung an der Kapazität zu begrenzen.
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Das
steuerbare Bauteil kann ein Transistor sein, zum Beispiel ein IGBT
oder MOSFET. Die Maximalspannung, bei deren Überschreitung
das steuerbare Bauteil in einen leitenden Zustand versetzt wird,
kann einstellbar sein, beispielsweise indem Bauelemente geeignet
dimensioniert werden, so dass die Überspannungsvorrichtung
auf unterschiedliche spannungsempfindliche Leistungshalbleiterbauteile
abgeglichen werden kann.
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Die
zweite Spannung kann einstellbar sein, beispielsweise indem Bauelemente
geeignet dimensioniert werden, und kann kleiner, insbesondere mindestens
5% kleiner sein als die Maximalspannung, so dass das steuerbare
Bauteil eine angemessene Minimalzeit eingeschaltet ist, ehe es wieder
ausgeschaltet wird.
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Die
Maximalspannung kann größer sein als 800 V und
die Durchbruchspannung größer als 1200 V. In diesem
Spannungsbereich kann ein Schutz durch herkömmliche Sicherungen
nur sehr schwer erreicht werden, da es beim Durchbrennen solcher Sicherungen
zu Überschlägen kommen kann. Dann ist die Begrenzung
der Anzahl der Ladungsträger pro Zeiteinheit von großem
Vorteil.
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Die Überwachungsschaltung
kann eine Sperrvorrichtung aufweisen, die das Unterbrechen der Ladungsträgerzufuhr
zum Steuereingang des steuerbaren Bauteils verhindert, so lange
sich das steuerbare Bauteil noch nicht im leitenden, insbesondere
im vollständig leitenden Zustand befindet.
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Zusätzlich
zur Überspannungsschutzvorrichtung kann in eine Leistungsstromversorgung
parallel zu dem spannungsempfindlichen Leistungshalbleiterbauteil
eine Serienschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität
angeschlossen sein, die Spannungstransienten bedämpft.
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Das
spannungsempfindliche Leistungshalbleiterbauteil kann eine Diode
sein oder eine Serienschaltung aus mehreren Dioden. Es kann auch
ein MOSFET oder IGBT oder anderer Halbleiterschalter sein.
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft auch, wie oben erwähnt, eine
Leistungsstromversorgung zum Betreiben einer stark wechselnden Last,
d. h. einer Last mit großen und häufigen Schwankungen
unterworfener Impedanz, wie dies zum Beispiel häufig auftritt
bei Plasmaanregungen, Induktionserwärmung oder Schweißprozessen.
Bei solchen Lasten kommt es häufig zu Lastwechseln um mehrere
Dekaden also um Faktoren größer 10, oder 100 oder
1000. Bei solchen Lastwechseln können zum Beispiel an Gleichrichterdioden
sehr hohe Spannungen auftreten. Bei extrem hohen Spannungen können
die Überspannungsschutzvorrichtungen die Spannung an den
Leistungshalbleiterbauteilen oftmals nicht mehr begrenzen. An den
Leistungshalbleiterbauteilen können dann Überspannungen
bis zu ihrer Durchbruchspannung auf Grund des Lawineneffektes (Avalanche-Effekts)
auftreten. Bei einem Durchbruch des Leistungshalbleiterbauteils
kommt es in der Regel zu einem sehr hohen Strom durch dieses Bauteil.
Durch eine Überstromerkennungsvorrichtung in der Leistungsstromversorgung
kann ein solcher Stromanstieg erkannt werden und die Leistungsstromversorgung
abgeschaltet werden.
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Die
Begrenzungsvorrichtung zur Begrenzung der durch die Überwachungsschaltung
abgezogenen Ladungsträger pro Zeiteinheit auf einen vorgebbaren
Maximalwert kann selbst wieder durch eine Überspannungsschutzvorrichtung
geschützt sein. Diese kann als eine Zener- oder Avalanche-Diode ausgebildet
sein.
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Die Überwachungsschaltung
kann selbst wieder durch eine Überspannungsschutzvorrichtung geschützt
sein. Diese kann als eine Zener- oder Avalanche-Diode ausgebildet
sein.
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Die Überwachungsschaltung
kann durch eine Serienschaltung von Zener- oder Avalanche-Dioden
mit einer nachgeschalteten Begrenzungsvorrichtung realisiert sein,
wobei die Serienschaltung von Dioden einen Spannungsdetektor darstellen kann.
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Eine
Detektierschaltung kann einstellbar sein auf einen Schwellenwert
der Anzahl von Ladungsträgern pro Zeiteinheit. Ist die
Anzahl von Ladungsträgern pro Zeiteinheit durch die Serienschaltung
von Zener- oder Avalanche-Dioden kleiner als der Schwellenwert werden
die Ladungsträger nach Masse abgeleitet (mit Masse ist
hier das Bezugspotential der Überspannungsschutzvorrichtung
gemeint, die nicht zwingend identisch sein muss mit der Masse eines
Geräts, in der die Überspannungsschutzvorrichtung
eingebaut ist). Übersteigt die Anzahl von Ladungsträgern
pro Zeiteinheit den Schwellenwert werden die Ladungsträger
umgeleitet zum Steuereingang des steuerbaren Bauteils.
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Ein
oder mehrere in Serie geschaltete Widerstände können
in Serie zum steuerbaren Bauteil geschaltet sein, dann kann das
steuerbare Bauteil als Schalter betrieben werden und die Energie
wird nicht in ihm in Wärme umgesetzt sondern in den Widerständen.
Die Wärmeabfuhr kann auf mehrere Widerstände verteilt
werden.
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Zu Überwachungszwecken
kann parallel zu einem Widerstand ein Optokoppler als Strommesseinrichtung
geschaltet werden. Dann kann potentialfrei der Stromfluss durch
den Widerstand überwacht werden. Bei ausreichender Stromfestigkeit
kann der Optokoppler auch in Serie zu den Widerständen
geschaltet werden.
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Alle
Verbindungsleitungen von dem spannungsempfindlichen Leistungshalbleiterbauteil
bis zur Überspannungsschutzvorrichtung sind besonders niederinduktiv
ausgelegt, das bedeutet breite flächige Anschlüsse im
Vergleich zum Querschnitt der Leitung, kurze Leiterbahnen und bifilare
Leiterbahnführung.
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Begrenzen einer
Spannung an einem spannungsempfindlichen Leistungshalbleiterbauteil. Eine
Kapazität kann mit Ladungsträgern, die vom Leistungshalbleiterbauteil
abgezogen werden, wenn die Spannung am Leistungshalbleiterbauteil
größer ist als die Spannung an der Kapazität,
aufgeladen werden. Die Spannung an der Kapazität kann mit
einer Überwachungsschaltung überwacht werden.
Die Kapazität kann mit einer Kapazitätsentladungsvorrichtung
und der Überwachungsschaltung entladen werden, wenn die
Spannung an der Kapazität eine Maximalspannung übersteigt.
Ein Teil der abgezogenen Ladungsträger kann zum Ansteuern
der Kapazitätsentladungsvorrichtung verwendet werden. Die Anzahl
der in die Überwachungsschaltung fließenden Ladungsträger
pro Zeiteinheit wird auf einen Maximalwert begrenzt.
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Die
Entladung der Kapazität kann gesperrt werden, wenn die
Spannung an der Kapazität eine zweite, insbesondere niedrigere
Spannung als die Maximalspannung unterschreitet. Die zweite Spannung
kann zum Beispiel 5% niedriger sein als die Maximalspannung.
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Das
Sperren der Entladung der Kapazität kann gesperrt werden
so lange das Ansteuern der Kapazitätsentladungsvorrichtung
nicht abgeschlossen ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der
Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen,
und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können
je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination
bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den
Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt;
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1 ein
spannungsempfindliches Leistungshalbleiterbauteil mit einer Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der Erfindung;
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2 ein
spannungsempfindliches Leistungshalbleiterbauteil mit einer weiteren
Ausgestaltung einer Überspannungsschutzvorrichtung;
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3 Spannungs-
und Stromverläufe an und in der Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der Erfindung;
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4 eine
Ausgestaltung einer Kapazitätsentladungsvorrichtung;
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5 ein
spannungsempfindliches Leistungshalbleiterbauteil mit einer detaillierter
dargestellten Überspannungsschutzeinrichtung;
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6 eine
Leistungsstromversorgung für einen Plasmaprozess, eine
Induktionsvorrichtung oder einen Schweißprozess mit einer Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der Erfindung;
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7 eine Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß dem Stand der Technik;
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8 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung der Verfahrensschritte zur
Spannungsbegrenzung; und
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9 eine
detaillierte Darstellung einer Ausführungsform einer Begrenzungsvorrichtung.
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In 1 ist
eine Überspannungsschutzvorrichtung 1 parallel
zu einem spannungsempfindlichen Leistungshalbleiterbauteil 2 angeschlossen.
Sie umfasst unter anderem als nichtlineares Bauteil eine Diode 3 in
Serie mit einer Kapazität 4, so dass sich die Kapazität 4 auf
eine erste Spannung UC aufladen kann. Die
Spannung UC an der Kapazität 4 wird
von einer Überwachungsschaltung 5 überwacht
und beim Überschreiten einer zulässigen Maximalspannung UCmax wird eine Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 aktiviert,
die im Ausführungsbeispiel ein steuerbares Bauteil 7 in
Serie mit einem Widerstand 8 umfasst. Das steuerbare Bauteil 7 ist
in diesem Beispiel ein Halbleiterschalter, genauer ein IGBT mit
einem Steuereingang 9.
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Die
Aktivierung der Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 erfolgt
durch Einschalten des steuerbaren Bauteils 7. Die Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 entlädt
die Kapazität 4 bis zu einer zweiten niedrigeren
Spannung U2. Dann wird das steuerbare Bauteil 7 wieder
in einen nichtleitenden Zustand gebracht. Auf diese Weise wird die
Spannung am Leistungshalbleiterbauteil 2 auf eine Maximalspannung UCmax begrenzt gehalten. Die Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 ist
für eine bestimmte maximale Leistungsabfuhr ausgelegt.
Diese kann zum Beispiel 25 W betragen. Dann kann diese Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 in
einer Sekunde maximal eine Energie von 25Ws in Wärme umwandeln.
Wird nun in dieser Sekunde auf Grund sehr hoher energiereicher Überspannungen
am Leistungshalbleiterbauteil 2 mehr als 25 W Leistung
in die Kapazität 4 geleitet, so wird die Spannung
der Kapazität 4 über die Spannung UCmax ansteigen. Damit dies in der Überwachungsschaltung 5 zu
keinen Schäden führt, ist in der Überwachungsschaltung 5 eine
Begrenzungsvorrichtung 10 vorgesehen, die die Anzahl der
Ladungsträger pro Zeiteinheit, die von der Überwachungsschaltung 5 aufgenommen
werden, auf einen Maximalwert begrenzt. Das steuerbare Bauteil 7 bleibt
eingeschaltet, während die Anzahl der Ladungsträger
pro Zeiteinheit, also die elektrische Ladung pro Zeit, begrenzt wird.
Der Widerstand 8 ist so ausgelegt, dass er die erhöhte Spannung
verträgt und auch den erhöhten Strom, der sich
auf Grund der erhöhten Spannung einstellt.
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In
der Anordnung der 2 ist gegenüber der
Anordnung der 1 zusätzlich parallel
zu dem spannungsempfindlichen Leistungshalbleiterbauteil 2 eine
Serienschaltung 11 umfassend einen Widerstand 11.1 und
eine Kapazität 11.2 angeschlossen, die Spannungstransienten
bedämpft. Die Serienschaltung 11 glättet
also hochfrequente Spannungsspitzen und schützt somit das
Leistungshalbleiterbauelement 2 und die Diode 3 vor
energiearmen Überspannungen. Energiereiche Überspannungen können
dadurch jedoch nicht bedämpft werden, weshalb die Überspannungsschutzvorrichtung 1 benötigt wird.
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3 zeigt
Spannungs- und Stromverläufe über der Zeit t in
und an der Überspannungsschutzvorrichtung 1. Im
Diagramm 31 ist ein Spannungsverlauf einer Spannung U gezeigt,
wie er zum Beispiel an dem Leistungshalbleiterbauteil 2 anliegen
würde, wenn keine Überspannungsschutzvorrichtung 1 angeschlossen
wäre. Zum Zeitpunkt t1 übersteigt die Spannung
U die Spannungsgrenze UCmax. Zum Zeitpunkt
t2 übersteigt die Spannung U eine weitere höhere
kritische Spannung U. Die Spannung fällt dann wieder und
zum Zeitpunkt t3 fällt sie wieder unter UK. Zum
Zeitpunkt t4 fällt sie unter eine zweite Spannungsgrenze
U2, die kleiner ist als UCmax.
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Im
Diagramm 32 ist die Spannung UC am Kondensator 4 gezeigt
bei einer Anordnung mit Überspannungsschutzvorrichtung 1 gemäß der 1 oder 2.
Die Kapazität ist vor dem Zeitpunkt t1 auf etwa UCmax aufgeladen. Ab dem Zeitpunkt t1 versucht die
Spannung an der Kapazität 4 über UCmax zu steigen. Die Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 verhindert
das, indem sie Ladungsträger aus der Kapazität abzieht.
Die Spannung variiert (pendelt) nun zwischen UCmax und
der zweiten Spannungsgrenze U2, bei der
der Abzug der Ladungsträger wieder gestoppt wird. Zwischen
den Zeitpunkten t2 und t3 steigt die Spannung an der Kapazität 4 über
UCmax weil die Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 die
Kapazität 4 nicht mehr ausreichend entladen kann,
obwohl sie jetzt ununterbrochen eingeschaltet ist. Zwischen t3 und
t4 ist das Verhalten gleich wie zwischen t1 und t2. Nach t4 ist
das Verhalten gleich wie vor t1.
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Diagramm 33 zeigt
den Verlauf der Spannung am Steuereingang 9 des steuerbaren
Bauteils 7, im vorliegenden Fall ein IGBT. Zwischen t1
und t2 wird das steuerbare Bauteil 7 abhängig
von der überwachten Spannung UC an
der Kapazität 4 immer wieder ein und ausgeschaltet, ähnlich
einer Pulsweitensteuerung. Zwischen t3 und t4 ist das steuerbare Bauteil
beständig eingeschaltet. Zwischen t2 und
t3 ist das Verhalten gleich wie zwischen
t1 und t2. nach t4 ist das Verhalten gleich wie vor t1.
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Im
Diagramm 34 ist der Verlauf von ΔQ/Δt durch
die Überwachungsschaltung 5 gezeigt. Vor t1 ist
der Wert von ΔQ/Δt sehr niedrig. Nach t1, wenn die
Ladungsträger von der Kapazität 4 zum
Steuereingang 9 des steuerbaren Bauteils 7 geführt
werden, variiert er mit einem relativ konstanten Mittelwert. ΔQ/Δt
steigt, wenn die Spannung UC an der Kapazität 4 UCmax übersteigt und fällt,
wenn die Kapazität 4 entladen wird. Zwischen t2
und t3, aber nicht zwingend direkt nach t2 wird der Maximalwert ΔQ/Δtmax erreicht, auf den die Begrenzungsvorrichtung 10 begrenzt.
Zwischen t3 und t4 fällt ΔQ/Δt wieder
ab. Nach t4 ist ΔQ/Δt wieder sehr gering.
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In 4 ist
eine weitere Ausgestaltung gezeigt. Die Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 weist neben
dem steuerbaren Bauteil 7 nun eine Vielzahl von Widerständen
(8a, b, c) in Serie auf. Parallel zu einem dieser Widerstände,
im vorliegenden Fall zu Widerstand 8b, ist ein Optokoppler 12 geschaltet.
Auf diese Weise kann der Stromfluss durch diesen Widerstand ermittelt
oder überwacht werden. Für die Überwachungsschaltung 5 hat
die Strommessung mittels des Optokopplers 12 keine weitere
Funktion.
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5 zeigt
eine weitere Ausgestaltung. Das spannungsempfindliche Leistungshalbleiterbauteil 2 besteht
hier aus mehreren in Serie geschalteten Dioden 19a...19n,
die über Zuleitungen 20 in eine Leistungsstromversorgung
eingebunden sind. Die Überwachungsschaltung 5 weist
eine Sperrvorrichtung 18 auf, die das Unterbrechen der
Ladungsträgerzufuhr zum Steuereingang 9 des steuerbaren
Bauteils 7 verhindert, so lange sich das steuerbare Bauteil 7 noch nicht
im leitenden Zustand oder im vollständig leitenden Zustand
befindet. Gezeigt ist auch ein Treiber 14 und eine Detektierschaltung 13.
Die Detektierschaltung 13 detektiert die Ladung pro Zeit,
die von der Überwachungsschaltung 5 aufgenommen
wird und vergleicht diese mit einem ersten Schwellenwert. Wenn die
Ladung pro Zeit den Schwellenwert übersteigt, werden die
Ladungsträger von der Kapazität 4 nicht
mehr nach Masse 50 (mit Masse ist hier das Bezugspotential
der Überspannungsschutzvorrichtung gemeint, die nicht zwingend
identisch sein muss mit der Masse eines Geräts, in der
die Überspannungsschutzvorrichtung eingebaut ist) abgeleitet
sondern zumindest teilweise über den Treiber 14 an
den Steuereingang 9 geleitet. Der Treiber 14 überwacht,
ob die Steuerspannung an dem steuerbaren Bauteil 7 groß genug
ist, um dieses in einen leitenden Zustand zu versetzen. Ist die
Spannung nicht groß genug, verhindert der Treiber 14 über
die Sperrvorrichtung 18, dass die Detektierschaltung 13 ausschaltet,
also keine Ladungsträger mehr an den Treiber 14 liefert,
indem die Sperrvorrichtung einen zweiten Schwellenwert der Detektierschaltung 13 herabsetzt.
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Erst
wenn die Ladung pro Zeit den zweiten Schwellenwert unterschreitet
nachdem das Bauteil 7 leitend war, unterbindet die Detektierschaltung 13 die weitere
Lieferung von Ladungsträgern an den Steuereingang 9.
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Die
Elemente 13, 14, 15 bewirken, dass die Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 bei
einer ersten Spannung aktiviert wird, so dass Ladungsträger
von der Kapazität 4 über die Kapazitätsentladungsvorrichtung 6 abgezogen
werden, und bei einer zweiten, niedrigeren Spannung, deaktiviert
wird. Mit steigender Spannung an der Kapazität 4 steigt
die Anzahl der Ladungsträger, die pro Zeiteinheit durch
die Dioden 15a...15n fließen, bis die
Dioden 15a...15n voll leitend sind. Dieser Ladungsträgeranstieg
wird durch die Detektierschaltung 13 wie oben beschrieben
detektiert, so dass bei Erreichen eines ersten Schwellenwerts das
Bauteil 7 über den Treiber 14 angesteuert
wird. Das Erreichen des ersten Schwellwerts fällt mit einer
ersten Spannung zusammen, die Überschritten wird.
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Fällt
die Spannung wieder, so reduziert sich mit fallender Spannung die
Anzahl von Ladungsträgern, die pro Zeiteinheit durch die
Dioden 15a...15n fließt. Bei der zweiten
Spannung ist die Anzahl der Ladungsträger pro Zeiteinheit
so gering, dass sie unter den zweiten Schwellenwert der Detektierschaltung 13 fällt
und somit das Bauteil 7 sperrend geschaltet wird. Die erste
und zweite Spannung (UCmax und U2) können durch Auswahl der Bauelemente, beispielsweise
der Dioden 15a...15n oder die die Schwellenwerte
der Detektierschaltung 13 einstellenden Bauelemente, eingestellt
werden.
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Die
Begrenzungsvorrichtung 10 zur Begrenzung der abgezogenen
Ladung pro Zeit aus der Kapazität 4 auf einen
vorgebbaren Maximalwert ist durch eine zweite Überspannungsschutzvorrichtung 17 geschützt.
Diese kann als Zener- oder Avalanche-Diode ausgebildet sein.
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Die Überwachungsschaltung 5 ist
durch eine dritte Überspannungsschutzvorrichtung 16 geschützt.
Diese kann ebenfalls als Zener- oder Avalanche-Diode ausgebildet
sein.
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Die Überwachungsschaltung 5 ist
durch eine Serienschaltung von Zener- oder Avalanche-Dioden 15a...15n mit
einer nachgeschalteten Begrenzungsvorrichtung 10 und einer
Detektierschaltung 13 realisiert.
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In 6 ist
eine Leistungsstromversorgung 60 zum Betreiben einer stark
wechselnden Last (61, 62, 63), wie dies
zum Beispiel häufig auftritt bei Plasmaanregungsvorrichtungen 61,
Induktionserwärmungsvorrichtungen 62 oder Schweißprozessen 63. Bei
solchen Lasten kommt es häufig zu Lastwechseln um mehrere
Dekaden also um Faktoren größer 10, oder 100 oder
1000. Bei solchen Lastwechseln können zum Beispiel an Gleichrichterdioden
sehr hohe Spannungen auftreten. Solche Gleichrichterdioden stellen
daher z. B. zu schützende spannungsempfindliche Leistungshalbleiterbauteile
dar oder sind Bestandteile eines solchen. Die Leistungsstromversorgung 60 weist
einen ein- oder mehrphasigen Netzanschluss 64 auf, einen
Eingangsgleichrichter 65, optional mit einem Power-Factor-Correction(PFC)-Glied.
Weiter weist sie eine Inverterschaltung 66 und eine nachgeschaltete
galvanische Trennung 67, z. B. einen Transformator, auf.
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Nachgeschaltet
ist eine Gleichrichterschaltung 68, die das spannungsempfindliche
Leistungshalbleiterbauteil 2 und die Überspannungsschutzvorrichtung 1 aufweist.
In einer zusätzlichen Vorrichtung 69 wird die
Leistung für den Prozess aufbereitet, dies kann je nach
Art der Leistungsstromversorgung ein Hochfrequenz- oder Mittelfrequenzerzeuger
sein oder ein Gleichspannungsglättungsvorrichtung und/oder
eine Schutzvorrichtung zum Erkennen und Behandeln von abnormalen
Zuständen, wie z. B. Bogenentladungen (Arcen), Kurz- oder
Masseschluss.
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Bei
einem Durchbruch des Leistungshalbleiterbauteils 2 kommt
es in der Regel zu einem sehr hohen Strom durch dieses Bauteil.
Durch eine Überstromerkennungsvorrichtung 70 in
der Leistungsstromversorgung 60 kann ein solcher Stromanstieg erkannt
werden und die Leistungsstromversorgung 60 über
eine Steuerung 71 abgeschaltet werden. Die Überstromerkennungsvorrichtung 70 kann
auch primärseitig, also auf der anderen Seite der galvanischen
Trennung 67, angeordnet sein.
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In 8 ist
ein Flussdiagramm 80 für das vorgeschlagene Verfahren
zur Spannungsbegrenzung dargestellt.
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Im
Verfahrensschritt 81 erfolgt der Start des Verfahrens.
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Verfahrensschritt 82 beinhaltet
das Überwachen der Spannung UC an
der Kapazität 4. Im Schritt 83 wird abgefragt,
ob UC > UCmax. Ist dies der Fall (Y), folgt Schritt 84,
wenn nein (N), folgt wieder Schritt 82.
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Verfahrensschritt 84 beinhaltet
das Entladen der Kapazität 4 mit einer Kapazitätsentladungsvorrichtung 6.
Im Schritt 85 wird abgefragt, ob das steuerbare Bauteil 7 eingeschaltet
(leitend) ist. Bejahendenfalls (Y) wird in den Schritt 86 übergegangen.
Verneinendenfalls (N) wird die Abfrage in Schritt 85 wiederholt.
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Im
Schritt 86 erfolgt die Abfrage, ob UC < U2. Wir
dies bejaht (Y), wird in den Schritt 87 übergegangen.
Bei Verneinung (N) wird in den Schritt 88 übergegangen.
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Im
Schritt 87 wird die Entladung der Kapazität gesperrt
und anschließend in den Schritt 82 übergegangen.
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Im
Schritt 88 wird abgefragt, ob die Anzahl der Ladungsträger
pro Zeiteinheit, die in die Überwachungsschaltung fließen,
größer oder gleich einem Maximalwert ist. Bejahendenfalls
(Y) folgt Schritt 89, bei Verneinung wird in Schritt 86 zurückgekehrt.
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Der
Schritt 89 beinhaltet die Begrenzung der Anzahl der Ladungsträger
pro Zeiteinheit auf den Maximalwert. Anschließend folgt
Schritt 86.
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9 zeigt
eine mögliche Ausgestaltung der Begrenzungsvorrichtung 10.
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Die
Bezugspunkte bzw. Anschlüsse 10a und 10b entsprechen
denen in 2 und 5
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Die
Ausführungsform weist einen npn-Bipolartransistor 93 mit
einem Basisanschluss B, einem Kollektoranschluss C und einem Emitteranschluss
E auf. Des weiteren weist sie einen hochohmigen Widerstand 92 im
Bereich von 50 kOhm, einen niederohmigen Widerstand 94 von
beispielsweise 680 Ohm, und eine Zener-Diode 91 auf, die
bei Spannungen UD > 6,8
V leitend wird, und über der dann eine Spannung von ungefähr
6,8 V abfällt.
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So
lange die Anzahl der Ladungsträger pro Zeiteinheit die,
von Anschluss 10a in Richtung Anschluss 10b fließt,
gering ist, fließt ein Teil der Ladungsträger über
den Widerstand 92 und die Basis B zum Emitter E und bringt
den Transistor 93 in einen leitenden Zustand. Die restlichen
Ladungsträger fließen über den Transistor 93 von
Kollektor C zu Emitter E. Nahezu alle Ladungsträger fließen über
den Widerstand 94 zum Anschluss 10b. Am Widerstand 94 bildet
sich eine Spannung aus, die abhängig ist von der Anzahl
Ladungsträger pro Zeiteinheit. Zwischen Basis und Emitter
bildet sich bei handelsüblichen Silizium npn-Transistoren
eine Spannung von etwa 0,6 V aus. Steigt die Spannung über
dem Widerstand 94 über 6,2 V, so übersteigt
die Spannung UD an der Zener-Diode 91 ihre Durchlassspannung
von 6,2 V + 0,6 V = 6,8 V und führt einen Teil der Ladungsträger, die über
den Widerstand 92 fließen, direkt an den Anschluss 10b.
Damit kommt der Transistor vom voll ausgesteuerten Zustand langsam
in einen teilweise leitenden Zustand, die Anzahl der Ladungsträger
pro Zeiteinheit, die über Kollektor und Emitter fließt,
wird dann geringer. Auf diese Weise stabilisiert sich die Spannung über
dem Widerstand 94 auf ca. 6,2 V und die Anzahl der Ladungsträger
pro Zeiteinheit wird begrenzt.
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Diese
Schaltung weist nur eine mögliche Ausführungsform
für eine Begrenzungsvorrichtung 10 auf. Insbesondere
kann anstelle eines Bipolartransistors 93 auch ein Feldeffekttransistor
eingesetzt werden und dann anstelle einer Zener-Diode 91 ein Widerstand.
Allgemein kann die Zener-Diode 91 natürlich auch
durch ein anderes elektronisches Bauteil mit ähnlichem
Verhalten ersetzt werden.
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Allgemeiner
gesagt weist die Begrenzungsvorrichtung 10 folgende Bauteile
auf:
- • Ein steuerbares Bauteil 93 mit
einem Steuereingang B, einem Leistungseingang C und einem Leistungsausgang
E mit der Eigenschaft, dass das steuerbare Bauteil 93 die
Anzahl der Ladungsträgeranzahl pro Zeiteinheit zwischen
den Leistungsanschlüssen E und C in Abhängigkeit der
Spannung zwischen seinen Anschlüssen B und E begrenzen
oder vermindern kann.
- • Ein Widerstandsbauteil 94 mit wenigstens
zwei Anschlüssen und mit der Eigenschaft, dass der Spannungsabfall über
den zwei Anschlüssen mit einer wachsenden Ladungsträgeranzahl
pro Zeiteinheit ansteigt.
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Das
Widerstandsbauteil 94 ist mit seinen zwei Anschlüssen
mit dem steuerbaren Bauteil 93 mit seinen Leistungsanschlüssen
C und E in Serie zwischen die Anschlüsse 10a und 10b der
Begrenzungsvorrichtung 10 geschaltet.
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Zwischen 10a und 10b sind
zwei weitere Bauteile 91 und 92 in Serie geschaltet,
an deren beider Mittelanschluss der Steuereingang B des steuerbaren
Bauteils 93 angeschlossen ist. Die Bauteilauswahl erfolgt
dergestalt, dass
- 1. die Ladungsträgeranzahl
pro Zeiteinheit durch die Bauteile 91 und 92 vernachlässigbar
klein ist gegenüber der zu begrenzenden Anzahl der Ladungsträgeranzahl
pro Zeiteinheit und
- 2. bei einer vorgebbaren Anzahl der Ladungsträger pro
Zeiteinheit der Spannungsabfall am Widerstandsbauteil 94 so
groß wird, dass die Spannung zwischen B und E des steuerbaren
Bauteils 93 so eingestellt wird, dass die Ladungsträgeranzahl
pro Zeiteinheit zwischen den Leistungsanschlüssen C und
E des steuerbaren Bauteils 93 verkleinert oder begrenzt
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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