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Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Schutz eines mittels eines Steuersignals schaltbaren Halbleiterbauteils vor Überspannung. Hierdurch kann ein Schutz des Halbleiterbauteils zum Beispiel vor Überspannungsdurchbrüchen ermöglicht werden. Eine solche Überspannung kann in elektronischen Schaltungen aufgrund externer Einflüsse, zum Beispiel Blitzeinschlag, oder aufgrund interner Einflüsse, zum Beispiel in Form einer Schaltüberspannung, auftreten. Bekannt ist zum Beispiel, so genannte Suppressordioden als Überspannungsschutzbauteile in elektronischen Schaltungen einzusetzen. Ferner gibt es Vorschläge, Varistoren für den Überspannungsschutz einzusetzen. Diese haben jedoch eine relativ große Eigenkapazität, so dass sie nicht in allen Fällen geeignet sind, zum Beispiel nicht zum Schutz von IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor). IGBTs werden z. B. mit so genannten Clamping-Beschaltungen vor Abschaltüberspannungen geschützt.
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Aus der
DE 100 05 449 B4 geht eine Überspannungsschutzvorrichtung für einen Matrixumrichter hervor. Aus der
DE 196 40 433 A1 geht eine Leistungsendstufe zum Schalten induktiver Verbraucher hervor. Aus der
US 2013/0293287 A1 geht ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Leistungswandlers hervor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und zugleich wenig aufwendige Schutzschaltung zum Schutz eines mittels eines Steuersignals schaltbaren Halbleiterbauelements vor Überspannung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzschaltung gemäß Anspruch 1.
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Dementsprechend gibt die Ansteuerschaltung im Überspannungsfall ein entsprechendes Steuersignal an das Halbleiterbauteil ab und schaltet dieses damit ein. Die Erfindung hat den Vorteil, dass das schaltbare Halbleiterbauteil selbst in das Schutzkonzept aktiv einbezogen wird. Die Erfinder haben erkannt, dass ein effektiver Schutz eines solchen Halbleiterbauteils schon dadurch erzielt werden kann, dass der Halbleiterbaustein im Überspannungsfall eingeschaltet wird und damit zum Abbau der Überspannung aktiv beiträgt und zusätzlich sich selbst vor Überspannungsdurchbrüchen schützt.
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Die Erfindung eignet sich für alle Arten von schaltbaren Halbleiterbauteilen, die mittels eines Steuersignals schaltbar sind. Dies schließt auch solche Halbleiterbauteile ein, die einen linearen oder quasi linearen Ansteuerbereich aufweisen. Das Halbleiterbauteil kann insbesondere ein Transistor jeglicher Art sein, zum Beispiel ein Bipolartransistor, ein Feldeffekttransistor oder ein IGBT. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft zum Schutz von Transistoren mit einem isolierten Gate (insulated gate) einsetzbar, d. h. Transistoren, die mittels Feldeffekt gesteuert bzw. geschaltet werden. Bei solchen Transistoren ist für die Aufrechterhaltung des eingeschalteten Zustands kein permanenter Stromfluss notwendig, so dass die Schutzschaltung nur wenig belastet wird. Insbesondere eignet sich die Erfindung zum Schutz von IGBTs vor Überspannung. Allgemein kann das Halbleiterbauteil als ein Halbleiterbauteil mit wenigstens einem Steuereingang zur Zuführung des Steuersignals und wenigstens zwei weiteren Anschlüssen ausgebildet sein.
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Zur Unterscheidung zwischen Überspannungspulsen und normalen Spannungssignalen kann die Erkennungsschaltung zum Beispiel eine Suppressordiode aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Erkennungsschaltung zur Erzeugung des Überspannungserkennungssignals in Abhängigkeit vom absoluten Spannungspegel, der von der Erkennungsschaltung überwacht wird, und/oder von der zeitlichen Veränderung des überwachten Spannungspegels, insbesondere vom zeitlichen Anstieg des Spannungspegels, eingerichtet. Durch eine Überwachung des absoluten Spannungspegels kann sichergestellt werden, dass zu große Spannungspegel abgefangen werden, bevor das Halbleiterbauteil Schaden nimmt. Durch die zusätzliche oder alternative Überwachung der zeitlichen Veränderung des überwachten Spannungspegels kann zusätzlich eine dynamische Überwachung realisiert werden, die den Vorteil hat, dass eine drohende Überspannung bereits frühzeitig erkannt werden kann und dementsprechend ein früheres Einschalten des Halbleiterbauteils und damit ein Ableiten der Überspannung erfolgen kann. Vorteilhaft ist auch die Kombination beider Kriterien, das heißt die Überwachung des absoluten Spannungspegels und der Veränderung des Spannungspegels. Hierdurch kann zum Beispiel ein unnötiges Auslösen des Einschaltens des Halbleiterbauteils bei energiearmen Spannungsflanken mit kleinen Amplituden vermieden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schutzschaltung aus der elektrischen Energie der Überspannung elektrisch versorgt. Das hat den Vorteil, dass die Schutzschaltung einfach und kostengünstig realisiert werden kann und mit wenig Aufwand in vorhandene Schaltungskonzepte eingebunden werden kann.
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Die Schutzschaltung, d. h. die Schaltungsanordnung, kann insbesondere mit einfachen elektronischen Bauteilen, ohne Mikroprozessoren oder ähnlich, realisiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine kostengünstige Schutzschaltung zu realisieren, die der normalen Ansteuerung des schaltbaren Halbleiterbauteils überlagert werden kann, und die keine eigene Stromversorgung oder Rechenkapazität erfordert.
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Gemäß der Erfindung weist die Schutzschaltung ein der Erkennungsschaltung nachgeschaltetes Verzögerungsglied auf, durch das die Ausgabe des Überspannungserkennungssignals an die Ansteuerschaltung zeitlich verzögert ist. Das Verzögerungsglied kann insbesondere in der Signalkette zwischen der Erkennungsschaltung und der Ansteuerschaltung angeordnet sein, das heißt das Überspannungserkennungssignal wird dem Verzögerungsglied eingangsseitig zugeführt. Das Ausgangssignal des Verzögerungsglieds wird der Ansteuerschaltung zugeführt. Ein solches Verzögerungsglied hat den Vorteil, dass extrem kurze Spannungspulse mit hoher Amplitude, die nicht zu einer Schädigung des Halbleiterbauteils führen würden, nicht zu einem Ansprechen der Schutzschaltung und damit zu einem Einschalten des Halbleiterbauteils führen. Auf diese Weise kann eine zeitliche Triggerbedingung der Schutzschaltung realisiert werden, so dass diese nicht bei beliebig kurzen Spannungsimpulsen anspricht. Das Verzögerungslied kann im einfachsten Fall zum Beispiel als Kondensator, RC-Glied oder als vergleichbare Integrationsschaltung ausgebildet sein.
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Da an sich ein relativ schnelles Ansprechen der Schutzschaltung erwünscht ist, wird die durch das Verzögerungsglied vorgesehene zeitliche Verzögerung auf sehr kleine Werte eingestellt. Hierfür kann z. B. ein Thyristor in der Schutzschaltung eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Schutzschaltung eine Triggerschaltung auf, der das Überspannungserkennungssignal zugeführt ist, wobei die Triggerschaltung dazu eingerichtet ist, ein Triggersignal an die Ansteuerschaltung abzugeben, wenn das Überspannungserkennungssignal eine Triggerschwelle in Form einer Spannungsschwelle überschreitet. Durch eine solche Triggerschaltung wird ein sicheres Einschalten des Halbleiterbauteils gewährleistet. Die Triggerschaltung kann dabei im Signalpfad von der Erkennungsschaltung zur Ansteuerschaltung vor oder nach dem Verzögerungsglied angeordnet sein, sofern dieses ebenfalls vorgesehen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Schutzschaltung eine Abschalt-Schaltung auf, die dazu eingerichtet ist, ein Abschaltsignal an das Halbleiterbauteil abzugeben, wenn eine Abschaltbedingung erfüllt ist, wodurch das Halbleiterbauteil abgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass das Halbleiterbauteil bei Erfüllung einer oder mehreren definierten Abschaltbedingungen sicher wieder abgeschaltet wird, wenn es zuvor aufgrund der Schutzschaltung eingeschaltet wurde. Dies ist insbesondere bei undefiniert geformten Überspannungspulsen vorteilhaft. Die Abschalt-Schaltung kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, das Abschaltsignal gemäß einer zeitlichen Abschaltbedingung zu erzeugen, das heißt nach Ablauf einer Mindesteinschaltzeit des Halbleiterbauteils, oder anhand der Erkennung eines stationären Stroms durch das Halbleiterbauteil, was auf einen abgeklungenen Überspannungspuls hindeutet, oder durch Auswertung des Stromverlaufs des Stroms durch das Halbleiterbauteil, oder durch die Erkennung eines Stromnulldurchgangs, die Erkennung einer Entsättigung des Halbleiterbauteils oder durch Erkennung einer bestimmten aufgrund des Ableitens des Überspannungspulses erzeugten maximal zulässigen Wärmemenge des Halbleiterbauteils. Es können auch mehrere der genannten Abschaltbedingungen kombiniert werden. Insbesondere wenn eines oder mehrere komplexe Kriterien als Abschaltbedingung vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, die Abschalt-Schaltung unter Verwendung eines Mikroprozessors zu realisieren, der die entsprechenden Abschaltbedingungen prüft und gegebenenfalls das Abschaltsignal erzeugt. Bei Anlagen zur Energieversorgung, zum Beispiel bei Matrixumrichtern, kann dies der Steuerprozessor der Energieversorgungsanlage übernehmen. Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit wenigstens einem mittels eines Steuersignals schaltbaren Halbleiterbauteil und wenigstens einer Schutzschaltung der zuvor erläuterten Art. Weist die Schaltungsanordnung mehrere schaltbare Halbleiterbaueile auf, so kann jedem Halbleiterbauteil eine eigene Schutzschaltung der zuvor erläuterten Art zugeordnet werden, oder, je nach Ausbildung der Schaltungsanordnung, auch mehreren oder allen Halbleiterbauteilen jeweils eine gemeinsame Schutzschaltung zugeordnet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat das Halbleiterbauteil einen Feldeffektsteuereingang, über den das Halbleiterbauteil mittels des Steuersignals schaltbar ist, d. h. über einen Feldeffekt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Halbleiterbauteil als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass zum Beispiel Anlagen zur Energieversorgung auf einfache und kostengünstige Weise mit einem Überspannungsschutz versehen werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das eingeschaltete Halbleiterbauteil beim Ableiten einer Überspannung wieder abgeschaltet, bevor es infolge der Überspannungsableitung geschädigt wird. Dies kann zum Beispiel durch eine Überwachung der durch die Überspannungsableitung in das Halbleiterbauteil eingespeisten thermischen Energie überwacht werden. Dies kann zum Beispiel durch Messung des durch das Halbleiterbauteil fließenden Stroms erfolgen, indem unter Berücksichtigung des Einschaltwiderstands (RDSon) des Halbleiterbauteils die darin erzeugte Wärmeenergie berechnet wird. Alternativ oder zusätzlich können auch eine oder mehrere Abschaltbedingungen überwacht werden, wie zum Beispiel Einschaltzeit des Halbleiterbauteils, Erkennung eines stationären Stroms durch das Halbleiterbauteil, Auswertung des Stromverlaufs über die Zeit, Erkennung von Stromnulldurchgängen, Entsättigung des Halbleiterbauteils. Sind eine oder mehrere der genannten, überwachten Abschaltbedingungen erfüllt, wird das Halbleiterbauteil wieder abgeschaltet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Überspannung an dem Halbleiterbauteil erkannt, indem der absolute Spannungswert an zu schützenden Anschlüssen des Halbleiterbauteils gemessen wird und der absolute Spannungswert und/oder dessen zeitliche Veränderung ausgewertet wird. Durch eine Überwachung des absoluten Spannungspegels kann sichergestellt werden, dass zu große Spannungspegel abgefangen werden, bevor das Halbleiterbauteil Schaden nimmt. Durch die zusätzliche oder alternative Überwachung der zeitlichen Veränderung des überwachten Spannungspegels kann zusätzlich eine dynamische Überwachung realisiert werden, die den Vorteil hat, dass eine drohende Überspannung bereits frühzeitig erkannt werden kann und dementsprechend ein früheres Einschalten des Halbleiterbauteils und damit ein Ableiten der Überspannung erfolgen kann. Vorteilhaft ist auch die Kombination beider Kriterien, das heißt die Überwachung des absoluten Spannungspegels und der Veränderung des Spannungspegels. Hierdurch kann zum Beispiel ein unnötiges Auslösen des Einschaltens des Halbleiterbauteils bei energiearmen Spannungsflanken mit kleinen Amplituden vermieden werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Schaltungsanordnung mit einem durch ein Steuersignal schaltbarem Halbleiterbauteil und einer Schutzschaltung und
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2 eine Schutzschaltung in schematischer Darstellung und
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3 einen beispielhaften Schaltungsvorschlag für eine Schutzschaltung.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt ein durch ein Steuersignal schaltbares Halbleiterbauteil 2, zum Beispiel einen IGBT. Das Halbleiterbauteil 2 weist einen Steueranschluss 21 auf, im Fall eines IGBT das Gate. Ferner weist das Halbleiterbauteil 2 zwei Leistungsanschlüsse 20, 22 auf, zwischen denen ein Stromfluss abhängig vom am Steuereingang 21 anliegenden Steuersignal eingeschaltet oder ausgeschaltet werden kann. Im Fall eines IGBT ist der Leistungsanschluss 20 der Kollektor, der Leistungsanschluss 22 der Emitter. Das Halbleiterbauteil 2 ist über Verbindungsanschlüsse 3, 4, 5 mit einer umgebenden elektrischen und/oder elektronischen Schaltungsanordnung verbunden. So kann das Halbleiterbauteil 2 zum Beispiel in einer Energieversorgungsanlage eingesetzt sein, zum Beispiel in einem Direktumrichter, in dem eine direkte Umrichtung mittels Halbleiterbauteilen erfolgt.
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Das Halbleiterbauteil 2 ist mit einer Schutzschaltung 1 verbunden. Die Schutzschaltung 1 kann zum Beispiel, wie in 1 erkennbar, als Dreipol mit drei Anschlüssen 10, 11, 12 ausgebildet sein. Hierbei ist der Anschluss 10 der Schutzschaltung mit dem Leistungsanschluss 20 des Halbleiterbauteils 2 verbunden, der Anschluss 11 mit dem Steuereingang 21 und der Anschluss 12 mit dem zweiten Leistungsanschluss 22. Da in der Regel das Halbleiterbauteil 2 hinsichtlich einer Überspannung zwischen den Leistungsanschlüssen 20, 22 geschützt werden soll, kann die Schutzschaltung über die damit verbundenen Anschlüsse 10, 12 den am Halbleiterbauteil anliegenden Spannungspegel erfassen und kann auf diese Weise zu hohe Spannungspegel, das heißt eine Überspannung, erkennen. Der Anschluss 11 der Schutzschaltung ist dementsprechend ein Ausgangsanschluss, über den ein Steuersignal an den Steuereingang 21 des Halbleiterbauteils 2 abgegeben werden kann, um dieses im Überspannungsfall einzuschalten beziehungsweise nach Abklingen der Überspannung wieder abzuschalten.
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Die 2 zeigt stark schematisiert die einzelnen Funktionsblöcke 13 bis 17 der Schutzschaltung 1 in Form eines Signalablaufs zwischen den Funktionsblöcken. Hierbei sei der Funktionsblock 13 mit den Außenanschlüssen 10, 12 der Schutzschaltung 1 verbunden, der Funktionsblock 17 mit dem Außenanschluss 11. Die zwischen den Funktionsblöcken 13 bis 17 dargestellten Pfeile symbolisieren eine Signalweitergabe zwischen den Funktionsblöcken, die physikalisch je nach Ausgestaltung der Schutzschaltung unterschiedlich realisiert sein kann, zum Beispiel durch Spannungspegel, Strompegel oder zeitlich variierende Signalformen.
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Im Beispiel gemäß 2 weist die Schutzschaltung 1 zunächst eine Erkennungsschaltung 13 auf, die zum Erkennen einer Überspannung an dem Halbleiterbauteil 2 durch eine Erfassung des Spannungspotentials zwischen den Anschlüssen 10, 12 eingerichtet ist. Die Erkennungsschaltung 13 gibt ein Überspannungserkennungssignal an ein nachgeschaltetes Verzögerungsglied 14 ab, wenn eine Überspannung erkannt ist. Das Verzögerungsglied 14 gibt das Überspannungserkennungssignal mit einer geringen zeitlichen Verzögerung an eine Triggerschaltung 15 ab, sofern die Dauer des Überspannungserkennungssignals nicht unterhalb eines zeitlichen Mindestwerts liegt. Auf diese Weise werden extrem kurze Spannungspulse herausgefiltert, denn sie sollen nicht zu einem Ansprechen der Schutzschaltung 1 führen. In der Triggerschaltung 15 wird als Ausgangssignal ein getriggertes Signal erzeugt und an eine nachgeschaltete Ansteuerschaltung 16 abgegeben, wenn das Überspannungserkennungssignal, das selbst durch eine Spannung oder ein anderes Signal realisiert sein kann, eine Triggerspannung überschreitet. Die Ansteuerschaltung 16 dient als Entkopplungsschaltung, über die eine Entkopplung des von der Triggerschaltung 15 empfangenen Triggersignals und eine Weitergabe des entkoppelten Signals an eine nachgeschaltete Abschalt-Schaltung 17 erfolgt. Durch die Ansteuerschaltung 16 werden die vorgelagerten Schaltungsteile 13, 14, 15 vom Halbleiterbauteil 2 entkoppelt, so dass die Schutzschaltung 1 ohne störende Einflüsse auf die übrige an den Anschlüssen 3, 4, 5 angeschlossene Schaltungsanordnung überlagert eingesetzt werden kann.
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In der Abschalt-Schaltung 17 wird mindestens eine Abschaltbedingung geprüft, zum Beispiel die Dauer des Einschaltens des Halbleiterbauteils 2. So lange die Abschaltbedingung nicht erfüllt ist, wird aufgrund des von der Ansteuerschaltung 16 empfangenen entkoppelten Steuersignals das Halbleiterbauteil 2 eingeschaltet. Wenn die Abschaltbedingung erfüllt ist, wird das Halbleiterbauteil 2 durch die Abschalt-Schaltung 17 abgeschaltet.
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In der 3 ist ein konkreter Schaltungsvorschlag mit Dimensionierungsangaben zu den verwendeten Bauteilen für die Realisierung einer Schutzschaltung 1 dargestellt. Die Schutzschaltung 1 ist dabei mit dem Halbleiterbauteil 2, hier in Form eines IGBT T1, verbunden.
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Die Schutzschaltung 1 gemäß 3 weist als Erkennungsschaltung eine Reihenschaltung aus einer Suppressordiode D1 mit einer Ansprechspannung von 350 Volt und einem Widerstand R1 auf. Über dieser Reihenschaltung aus D1, R1 liegt die zu überwachende Spannung an, die auf Überspannungspulse überwacht werden soll. Hierdurch wird der absolute Spannungspegel überwacht. Wird die Ansprechspannung der Suppressordiode D1 durch den außen anliegenden Spannungspegel überschritten, wird die Suppressordiode D1 leitend, und es liegt auch eine entsprechende Spannung am Widerstand R1 an. Hierdurch wird ein parallel zum Widerstand R1 geschalteter Kondensator C2, der als Energiespeicher fungiert, aufgeladen. Durch den Kondensator C2 wird zugleich das erwähnte Verzögerungsglied realisiert. Die am Kondensator C2 anliegende Spannung wird über eine Reihenschaltung aus zwei Diacs D4, D5 einem Widerstand R2 zugeführt. Die Diacs D4, D5 sorgen für ein sicheres Einschalten des Halbleiterbauteils 2, das heißt sie fungieren als Triggerschaltung. Im dargestellten Beispiel wurden zwei Diacs in Reihe geschaltet, um mit handelsüblichen Diacs mit einer Durchbruchspannung von ca. 32 Volt die für den IGBT T1 erforderliche Mindest-Steuerspannung sicherzustellen. Hiermit wird insbesondere sichergestellt, dass ein Betrieb des IGBT T1 im linearen Bereich vermieden wird. Die Gate-Spannung am IGBT T1 wird durch eine Suppressordiode D3 begrenzt.
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In manchen Fällen, z. B. bei relativ großer Gate-Emitter-Kapazität des IGBT, kann eine Verstärkung z. B. durch einen parallelgeschalteten Thyristor (wie bei einer Phasenanschnittssteuerung) sinnvoll sein.
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Über den Widerstand R2 und die dazu in Reihe geschaltete Diode D2 wird das von den Diacs D4, D5 übertragene Spannungssignal entkoppelt. Die Bauteile R2, D2 dienen daher als Ansteuerschaltung. Durch den Widerstand R2 wird der Strom, der durch die Diacs D4, D5 fließen kann, auf zulässige Werte begrenzt. Hierdurch werden die Diacs D4, D5 geschützt. Statt des Widerstands R2 kann an dieser Stelle auch ein Thyristor eingesetzt werden, der durch die Diacs D4, D5 angesteuert wird. Hierdurch kann die Ansprechzeit der Schutzschaltung reduziert werden.
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Das über die Diode D2, die mit dem Steueranschluss 21 des IGBT T1 verbunden ist, zugeführte entkoppelte Steuersignal wird mittels der zwischen dem Steueranschluss 21 und dem Leistungsanschluss 22 des IGBT T1 einander parallel geschalteten Bauteilen R3, C1 auf eine Abschaltbedingung hin überwacht. Diese Bauteile, das heißt der Widerstand R3 und der Kondensator C1, bilden damit eine Abschalt-Schaltung, die sicherstellt, dass das Halbleiterbauteil 2 nach einer bestimmten Zeit nach Abklingen des Überspannungsimpulses wieder abgeschaltet wird.
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Die zusätzlich parallel zum Widerstand R3 geschaltete Suppressordiode D3 ist als zusätzliches Schutzbauteil zum Schutz des IGBT T1 vorgesehen.
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Tritt nun ein Überspannungsimpuls auf, zum Beispiel mit einem Höchstwert von 680 Volt, so schaltet die Suppressordiode D1 durch. Hierdurch wird der Energiespeicher-Kondensator C2 aufgeladen. Nach Überschreiten der Zündspannungen der Diacs D4, D5 wird das Potential am Steueranschluss 21, das heißt dem Gate des IGBT T1, dauerhaft auf über 50 Volt angehoben. Hierdurch wird der IGBT T1 leitfähig. Die Überspannung kann nun über die Kollektor-Emitter-Strecke des IGBT, das heißt über den Weg zwischen den Leistungsanschlüssen 20, 22, abgeleitet werden. Auf diese Weise kann der durch den Überspannungsimpuls auftretende Stoßstrom ungehindert abfließen, ohne den IGBT T1 zu schädigen.
