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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsschaltung zum Schützen einer Diode, die einem in ein Leistungshalbleiterelement integriertem Schaltelement parallel geschaltet ist, wenn ein Überstrom durch das Leistungshalbleiterelement fließt, das mit einem Erfassungsschaltelement versehen ist.
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STAND DER TECHNIK
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Was den herkömmlichen Schutz einer Leistungsschaltung anbelangt, so ist ein Schutz gegen Überströmen bei einem Inverter beispielsweise in dem Patentdokument 1 offenbart. Bei diesem Patentdokument 1 arbeitet beim Fließen eines Überstroms eine Gatespannungs-Steuerschaltung derart, dass ein abgegebenes Unterbrechungssignal den Überstrom während des Betriebs nicht plötzlich unterbricht. Ferner werden alle Schaltelemente in dem Überstrom-Schutzbetrieb zum Ausschalten veranlasst.
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Weiterhin beschreibt z.B. das Patentdokument 2 ein synchrones Gleichrichtungssystem zum Ansteuern eines Schaltelements zum Einschalten, wenn eine induktive Last angesteuert wird, im Rücklaufmodus eines Stroms, der in der zu der Vorwärtsrichtung bzw. Durchlassrichtung des Schaltelements entgegengesetzten Richtung fließt, sowie zum Minimieren eines Spannungsabfalls über dem Schaltelement. Ferner ist auch beschrieben, dass eine Totzeit in diesem synchronen Gleichrichtungssystem auf ein minimales Maß verkürzt wird, so dass eine Freilaufdiode eliminiert werden kann
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Wenn ein Überstrom über einen bestimmten Strompegel hinaus durch ein Leistungshalbleiterelement fließt, besteht bei dem Element die Wahrscheinlichkeit eines Defekts, so dass eine Funktion zum Schützen des Elements vor Überströmen notwendig ist. Als Schutzfunktion gegen Überstrom ist ein System allgemein bekannt, bei dem das Leistungshalbleiterelement ein Hauptschaltelement aufweist, durch das ein Hauptstrom fließt, sowie ein Erfassungsschaltelement aufweist, durch das ein Teil des Hauptstroms fließt, wobei der durch das Erfassungsschaltelement fließende Strom detektiert wird, um dadurch den Hauptstrom zu unterbrechen.
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Beispielsweise ist in dem Patentdokument 3 ein System offenbart, bei dem das Gate eines Haupttransistors, der das Hauptschaltelement bildet, von dem Gate eines Erfassungstransistors, der das Erfassungsschaltelement bildet, getrennt ist; dabei ist bei dem herkömmlichen Beispiel von Patentdokument 3 auch ein Fall beschrieben, in dem ein gemeinsames Gate vorhanden ist.
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In dem Dokument
US 2006 / 0 164 057 A1 (Patentdokument 4) wird eine integrierte Halbleiterschaltung für die Ansteuerung und ein Modul für den Aufbau eines Schaltreglers vom Synchrongleichrichter-Typ beschrieben, der in der Lage ist, einen durch eine Spule fließenden Rückstrom während einer leichten Last unter Verwendung eines Komparators korrekt zu erkennen und zu verhindern.
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Das Dokument
JP 2002- 325 438 A (Patentdokument 5) betrifft einen Synchrongleichrichterwandler mit einer Überstromabfallfunktion und einer Rückflussverhinderungsfunktion. Dieser Synchrongleichrichterwandler ist in der Lage, einen Ausgangsstrom, z. B. einen Überstrom, zu erfassen und einen Rückfluss in einem Zustand hoher Leistungseffizienz zu verhindern.
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Das Dokument
US 2011 / 0 107 122 A1 (Patentdokument 6) bezieht sich auf eine Stromversorgung zum Empfangen einer Eingangsspannung und zum Erzeugen einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms, die einen Leistungswandler zum Empfangen der Eingangsspannung und zum Erzeugen einer Zwischenausgangsspannung aufweist. Ferner weist sie eine Ausgangsschutzschaltung auf, die elektrisch mit einem Ausgangsanschluss des Leistungswandlers verbunden ist sowie eine Vielzahl von elektrisch parallel geschalteten Schaltkreisen, um eine Flussrichtung des Ausgangsstroms durch Schaltvorgänge der Schaltkreise zu begrenzen. Eine Steuereinheit ist dabei mit der Ausgangsschutzschaltung verbunden, um eine Vielzahl von Steuersignalen zu erzeugen, um die jeweiligen Schaltkreise zu steuern.
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In dem Dokument
US 2008 / 0 204 958 A1 (Patentdokument 7) wird eine strombegrenzende Schaltung beschrieben, mit einem ersten Leistungshalbleiterschalter sowie mit mindestens einem Erfassungshalbleiterschalter, der so konfiguriert ist, dass er ein gemeinsames Gate und einen gemeinsamen Drain mit dem ersten Leistungshalbleiterschalter teilt, und einem zweiten Leistungshalbleiterschalter, der mit dem ersten Leistungshalbleiterschalter in Reihe geschaltet ist und einen gemeinsamen Knoten dazwischen teilt. Der erste Leistungshalbleiterschalter, der erste Erfassungshalbleiterschalter und der zweite Leistungshalbleiterschalter sind dabei so konfiguriert, dass sie mindestens einen Rückstrom begrenzen.
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DOKUMENTE ZUM STAND DER TECHNIK
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Patentdokumente
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- Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung JP H06- 054 552 A
- Patentdokument 2: offengelegte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung JP 2008- 211 703 A
- Patentdokument 3: offengelegte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung JP H06- 077 796 A
- Patentdokument 4: US 2006 / 0 164 057 A1
- Patentdokument 5: JP 2002- 325 438 A
- Patentdokument 6: US 2011 / 0 107 122 A1
- Patentdokument 7: US 2008 / 0 204 958 A1 .
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Mit der Erfindung zu lösendes Problem
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Wenn alle Schaltelemente beim Auftreten eines Überstroms ausgeschaltet werden, wie dies im Patentdokument 1 gezeigt ist, fließt der Überstrom nur durch Dioden, die den Schaltelementen parallel geschaltet sind, so dass die Dioden wahrscheinlich beschädigt werden. Bei Verwendung eines synchronen Gleichrichtungssystems, wie es im Patentdokument 2 gezeigt ist, wird insbesondere bei der Eliminierung einer Freilaufdiode, so dass der Überstrom durch einen Diodenkörper fließen kann, die Diode wahrscheinlich beschädigt, wenn die Überstromkapazität der zu dem Schaltelement parallel geschalteten Diode niedrig ist, wobei dies im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Diode führt.
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Weiterhin zeigt das Patentdokument 3 ein System, bei dem ein Überstrom durch einen durch den Erfassungstransistor fließenden Strom detektiert wird, um dadurch den Überstrom zu unterbrechen; bei Verwendung einer induktiven Last fließt der Überstrom jedoch nach der Unterbrechung durch die Diode.
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Die vorliegende Erfindung ist zum Lösen des vorstehend geschilderten Problems erfolgt, und sie zielt ab auf die Schaffung einer Leistungsschaltung, bei der selbst beim Auftreten eines Überstroms das Fließen eines Stroms durch eine einem Schaltelement parallel geschaltete Diode unterdrückt wird, so dass die Diode vor Beschädigung oder Zerstörung speziell durch einen Überstrom geschützt werden kann.
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Mittel zum Lösen des Problems
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Leistungsschaltung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leistungsschaltung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Vorteil der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei der Detektion eines Überstroms das Hauptschaltelement eingeschaltet; dadurch wird der Rückwärtsüberstrom geteilt, so dass er durch das Hauptschaltelement und dessen Diodenkörper fließt, so dass der Diodenkörper vor dem Rückwärtsüberstrom geschützt werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels einer Leistungsumwandlungsvorrichtung unter Verwendung von Leistungsschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
- 4 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung;
- 5 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung;
- 6 ein Schaltbild zur Erläuterung einer weiteren Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung;
- 7 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung; und
- 8 ein Schaltbild zur Erläuterung einer weiteren Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Ausführungsbeispiel 1
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1 reicht ein Schaltbild zur Erläuterung einer Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung. Hierbei wird eine Leistungsschaltung 100 als Beispiel erläutert, die MOSFETs als Leistungshalbleiterelemente verwendet. Das Leistungshalbleiterelement 10 der Leistungsschaltung 100 weist Folgendes auf einen Haupt-MOSFET 1 als Hauptschaltelement, eine diesem Haupt-MOSFET 1 parallel geschaltete Hauptkörperdiode 3, einen Erfassungs-MOSFET 2 als Erfassungsschaltelement sowie eine diesem Erfassungs-MOSFET 2 parallel geschaltete Erfassungskörperdiode 4.
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Die Leistungsschaltung 100 besitzt ferner eine Steuerschaltung 5, die den Einschalt-/Ausschaltvorgang des Haupt-MOSFET 1 und des Erfassungs-MOSFET 2 steuert. Weiterhin besitzt die Leistungsschaltung 100 eine Rückwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 7, die einen in Rückwärtsrichtung des Haupt-MOSFET 1 und des Erfassungs-MOSFET 2 fließenden Überstrom detektiert, die entgegengesetzt zu der durch den Pfeil angezeigten Vorwärtsrichtung dieser MOSFETs ist (wobei diese im Folgenden als Vorwärtsrichtung bezeichnet wird), wobei ein Spannungsabfall, der durch einen durch einen Erfassungswiderstand 6 fließenden Strom erzeugt wird, in diese eingeleitet wird.
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Der Haupt-MOSFET 1 besitzt eine größere Anzahl von MOSFET-Zellen als der Erfassungs-MOSFET 2, wobei das Verhältnis beispielsweise mehrere 1000 bis mehrere 10.000 zu 1 beträgt. Ein durch die Schaltelemente fließender Strom wird somit derart geteilt, dass er in Abhängigkeit von dem Verhältnis durch den Haupt-MOSFET 1 und den Erfassungs-MOSFET 2 fließt.
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Der durch den Erfassungs-MOSFET 2 fließende Strom wird durch den Spannungsabfall über dem Erfassungswiderstand 6 detektiert, der mit dem Erfassungs-MOSFET 2 in Reihe geschaltet ist, und der Hauptstrom kann in Abhängigkeit von dem Erfassungszellenverhältnis aus dem Stromteilungsverhältnis festgestellt werden.
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Außerdem sind der Haupt-MOSFET 1 und der Erfassungs-MOSFET 2 mit der Hauptkörperdiode 3 bzw. der Erfassungskörperdiode 4 versehen; wenn sich der Haupt-MOSFET 1 und der Erfassungs-MOSFET 2 in einem Aus-Zustand befinden, kann somit ein durch diese Diodenkörper fließender Strom, d.h. ein Rückwärtsstrom, ebenfalls detektiert werden.
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Die Rückwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 7 detektiert durch den Spannungsabfall über dem Erfassungswiderstand 6, ob ein Überstrom in Rückwärtsrichtung fließt oder nicht, wobei diese Schaltung mit einer universellen Komparatorschaltung gebildet werden kann. Beispielsweise kann die Schaltung mit einem Komparator oder dergleichen gebildet werden, der eine Referenzspannung zum Vorgeben eines Überstrom-Detektionsniveaus mit der Spannung über dem Erfassungswiderstand vergleicht.
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Zusätzlich wird der Erfassungswiderstand hierbei zum Umwandeln des durch die Erfassungskörperdiode fließenden Stroms in eine Spannung verwendet; jedoch muss lediglich der durch die Erfassungskörperdiode fließende Strom detektiert werden, so dass die Schaltung den Erfassungswiderstand nicht unbedingt verwenden muss und es sich beispielsweise um eine Schaltung handeln kann, die einen virtuellen Kurzschluss eines Operationsverstärkers verwendet.
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Die Arbeitsweise der Leistungsschaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel 1 wird anhand der 1, 2 und 3 erläutert. 2 zeigt ein Beispiel einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, bei der es sich um einen Dreiphasen-Leistungsinverter handelt, der unter Verwendung von sechs Leistungsschaltungen gebildet ist, die mit der in 1 gezeigten Leistungsschaltung 100 identisch sind, und zwar Leistungsschaltungen (die im Folgenden jeweils als Zweig bezeichnet werden) 100a, 100b, 100c, 100d, 100e und 100f, und die Gleichstrom von einer Gleichstromversorgung 9 in Wechselstrom umwandelt, um den Strom einer induktiven Last 8 zuzuführen.
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Wenn bei einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, die eine induktive Last ansteuert, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, ein Überstrom in Vorwärtsrichtung durch ein Schaltelement z.B. des Zweigs 100a auf einer der Seiten fließt und das Element, an dem der Überstrom fließt, zum Unterbrechen des Überstroms ausgeschaltet wird, um das Element schützen, fließt der Überstrom unmittelbar nach der Unterbrechung durch die Diode des Zweigs 100b auf der gegenüberliegenden Seite. Wenn die Überstromkapazität der Diode gering ist, besteht daher die Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung der Diode, wobei dies im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung derselben führt, so dass die Diode geschützt werden muss.
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Ferner ist der Dreiphasen-Inverter in 2 als ein Beispiel einer Leistungsumwandlungsvorrichtung dargestellt, bei der die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommt. Die vorliegende Erfindung kann auch bei anderen Schaltungen als einem Inverter angewendet werden, wie z.B. einem Konverter und einem Chopper.
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Wenn ein Rückwärtsüberstrom durch die in 1 dargestellte Schaltung fließt, wird der Überstrom geteilt, so dass er durch die Hauptkörperdiode 3 und die Erfassungskörperdiode 4 fließt. Der Spannungsabfall über dem Erfassungswiderstand 6 wird in diesem Moment größer als der Spannungsabfall, der im normalen Betrieb durch einen durch diesen fließenden Rückwärtsstrom erzeugt wird; somit kann die Rückwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 7 den Überstrom detektieren, und das detektierte Signal wird in die Steuerschaltung 5 eingegeben, und die Steuerschaltung schaltet dadurch den Haupt-MOSFET 1 und den Erfassungs-MOSFET 2 ein.
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Durch das Einschalten dieser Schaltelemente wird der Überstrom geteilt, so dass er durch den Haupt-MOSFET 1, den Erfassungs-MOSFET 2, die Hauptkörperdiode 3 und die Erfassungskörperdiode 4 fließt. Infolgedessen werden die durch die Hauptkörperdiode 3 und die Erfassungskörperdiode 4 fließenden Ströme niedriger, so dass jeder Diodenkörper vor dem Überstrom geschützt werden kann.
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Wenn die Ströme geringer werden, stoppt ferner die Rückwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 7 das Detektieren des Rückwärtsüberstroms, und die Steuerschaltung 5 schaltet die Schaltelemente dann aus, so dass die Ströme unterbrochen werden können, ohne dass irgendein Strom wieder in Vorwärtsrichtung fließt. Das Niveau zum Stoppen der Detektion des Rückwärtsüberstroms kann niedriger vorgesehen werden als das Niveau zum Detektieren des Rückwärtsüberstroms, indem in der Rückwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 7 eine Hysterese verwendet wird.
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Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise wird unter Verwendung des Zeitablaufdiagramms in 3 noch ausführlicher beschrieben. 3 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Zweigs 100a, bei dem es sich um einen oberen Zweig handelt, sowie des Zweigs 100b, bei dem es sich um einen unteren Zweig handelt, der mit demselben Ausgangsanschluss wie der Zweig 100a verbunden ist.
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Dabei wird den Bezugszeichen in 1 für Bestandteile des Zweigs 100a ein „a“ angehängt, während den Bezugszeichen für Bestandteile des Zweigs 100b ein „b“ angehängt wird, wobei anschließend die Arbeitsweise erläutert wird. Beispielsweise wird die Steuerschaltung des Zweigs 100a als Steuerschaltung 5a bezeichnet.
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Bei Eingangssignalen in den Zweig 100a und den Zweig 100b, wie in 3 gezeigt, handelt es sich im normalen Betrieb um jeweilige Einschalt-/Ausschaltsignale, die an dem Eingangsanschluss 50a der Steuerschaltung 5a und an dem Eingangsanschluss 50b der Steuerschaltung 5b eingegeben werden. Im normalen Betrieb führen die Steuerschaltung 5a und die Steuerschaltung 5b eine Einschalt-/ Ausschalt-Steuerung bzw. eine Ein-/Aus-Steuerung von MOSFETs, bei denen es sich um die jeweiligen Schaltelemente derselben handelt, in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen aus.
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Die MOSFETs 1a und 2a des Zweigs 100a werden zu einem Zeitpunkt t1 eingeschaltet, und es fließt ein Strom durch die MOSFETs. Wenn die MOSFETs 1a und 2a des Zweigs 100a zu einem Zeitpunkt t2 ausgeschaltet werden, wird der durch den Zweig 100a fließende Strom Null, und der Strom fließt durch die Diodenkörper 3b und 4b des Zweigs 100b des unteren Zweigs. Sobald der Strom durch die Diodenkörper 3b und 4b zu fließen beginnt, schaltet die Steuerschaltung 5b des Zweigs 100b die MOSFETs 1b und 2b des Zweigs 100b ein. Damit jedoch die MOSFETs 1a und 2a des Zweigs 100a und die MOSFETs 1b und 2b des Zweigs 100b niemals zur gleichen Zeit einschalten, werden die MOSFETs 1b und 2b des Zweigs 100b nach einer gewissen dazwischen liegenden Totzeit eingeschaltet.
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Obwohl der Strom, der während der Totzeit durch die Dioden fließt, im Vergleich zu der Situation hoch ist, in der die MOSFETs nicht eingeschaltet sind, ist die Totzeit ferner kurz genug, so dass dieser Strom in 3 ignoriert wird. Der vorstehend beschriebene Einschalt-/Ausschaltvorgang der MOSFETs 1a und 2a des Zweigs 100a sowie der MOSFETs 1b und 2b des Zweigs 100b wird im normalen Betrieb wiederholt ausgeführt.
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Gemäß der in 3 gezeigten MOSFET-Strom-Wellenform des Zweigs 100a erfolgt bei der Detektion eines Überstroms aufgrund irgendeiner Anomalie, wie z.B. eines Lastkurzschlusses, nach dem Einschalten der MOSFETs 1a und 2a des Zweigs 100a zu einem Zeitpunkt t3 ein zwangsweises Ausschalten der MOSFETs 1a und 2a des Zweigs 100a durch die Steuerschaltung 5a zu einem Zeitpunkt t4, um diese MOSFETs zu schützen.
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Darüber hinaus kann die Detektion eines Überstroms mittels eines Inverter-Ausgangsstroms erfolgen, anders als diesen durch eine Vorwärtsüberstrom-Detektionsschaltung zu detektieren, wie dies bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen 3 und 4 der Fall ist; zum Detektieren eines Überstroms können verschiedene allgemein bekannte Verfahren verwendet werden.
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Ferner bleibt das in den Zweig 100a eingegebene Signal in 3 auch dann eingeschaltet, wenn der Überstrom detektiert wird; jedoch wird der Überstrom durch eine externe Schaltung detektiert, und in diese kann ein Ausschaltsignal eingegeben werden.
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Wenn die MOSFETs 1a und 2a des Zweigs 100a ausgeschaltet werden, dann fließt der Überstrom durch die Diodenkörper 3b und 4b des Zweigs 100b des unteren Zweigs. Ein durch den Erfassungswiderstand 6b des Zweigs 100b fließender Strom, d.h. ein Erfassungsstrom, ist in 3 als Erfassungsstrom des Zweigs 100b veranschaulicht.
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Wenn der Wert dieses Erfassungsstroms in Rückwärtsrichtung größer wird als ein vorbestimmter Schwellenwert Ith1, detektiert die Rückwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 7b, dass ein Rückwärtsüberstrom durch die Diodenkörper 3b und 4b fließt, und dann wird das Detektionssignal in die Steuerschaltung 5b des Zweigs 100b eingegeben.
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Dadurch schaltet die Steuerschaltung 5b des Zweigs 100b die MOSFETs 1b und 2b des Zweigs 100b unabhängig von der Eingabe des Signals in den Zweig 100b ein. Da die Steuerschaltung die MOSFETs 1b und 2b nach der Detektion des Überstroms einschaltet, ist der Zeitpunkt t4, zu dem der Überstrom detektiert wird, nicht der gleiche wie der Zeitpunkt t5, zu dem die MOSFETs 1b und 2b eingeschaltet werden; jedoch können die MOSFETs 1b und 2b mit einer extrem kurzen zeitlichen Verzögerung von beispielsweise einigen 100 Nanosekunden bis einigen Mikrosekunden eingeschaltet werden, so dass die Diodenkörper 3b und 4b geschützt werden können.
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Wenn die MOSFETs 1b und 2b des Zweigs 100b eingeschaltet werden, dann wird der Überstrom geteilt, so dass er sowohl durch die Diodenkörper als auch die MOSFETs des Zweigs 100b fließt, wie dies in 3 durch den Diodenstrom und den MOSFET-Strom des Zweigs 100b veranschaulicht ist; dadurch sind die Werte der durch die Dioden fließenden Ströme verringert, so dass die Diodenkörper geschützt werden können.
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Im Anschluss daran werden die MOSFETs 1b und 2b des Zweigs 100b zu einem Zeitpunkt t6 ausgeschaltet, zu dem der Absolutwert des Erfassungsstroms auf einen Wert unter Ith2 absinkt. Durch das Ausschalten der MOSFETs 1b und 2b kann der MOSFET-Strom unterbrochen werden, ohne dass jeglicher Strom wieder in der Vorwärtsrichtung fließt.
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Vorstehend ist ein Beispiel beschrieben worden, bei dem MOSFETs als Schaltelemente verwendet werden; die Elemente müssen jedoch nicht unbedingt MOSFETs sein, solange es sich um Elemente handelt, die zum Schalten in zwei Richtungen in der Lage sind. Zusätzlich zu Schaltelementen aus Silicium können die Schaltelemente ferner aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke gebildet sein, der eine größere Bandlücke als Silicium aufweist.
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Zu Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke gehören z.B. Siliciumcarbid (SiC), Materialen auf Galliumnitrid-Basis und Diamant. Bei Verwendung des Halbleiters mit großer Bandlücke ermöglichen die zulässige Stromdichte desselben sowie der geringe Leistungsverlust desselben eine Miniaturisierung einer Vorrichtung, die Leistungshalbleiterelemente verwendet.
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Wenn ein Halbleiter mit großer Bandlücke für Schaltelemente verwendet wird, so wird ferner die Standhaltespannung der zum Schalten in zwei Richtungen fähigen Elemente, wie z.B. MOSFETs, angehoben, so dass die Verwendung derselben einen höheren Spannungsbereich abdecken kann. Wenn die Überstromkapazität der Diodenkörper der Schaltelemente niedrig ist, ist die vorliegende Erfindung besonders effektiv.
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Ausführungsbeispiel 2
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4 zeigt ein Schaltbild für eine Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu der in 1 dargestellten Schaltung des Ausführungsbeispiels 1 ist die Leistungsschaltung 100 gemäß Ausführungsbeispiel 2 mit einer Freilaufdiode 20 versehen, die dem Haupt-MOSFET 1 und der Hauptkörperdiode 3 parallelgeschaltet ist.
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Bei Verwendung der Freilaufdiode 20 wird ein Strom geteilt, so dass er durch die Hauptkörperdiode 3, die Erfassungskörperdiode 4 und die Freilaufdiode 20 fließt, so dass sich somit ein Vorteil dahingehend ergibt, dass sich Verlust insgesamt reduzieren lässt. Bei Verwendung derselben bei einer synchronen Gleichrichterschaltung fließt ferner der Strom auch parallel durch den Haupt-MOSFET 1; somit kann die Freilaufdiode 20 auch miniaturisiert werden.
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Bei Verwendung der Freilaufdiode 20 wird ein Rückwärtsüberstrom geteilt, so dass dieser durch die Freilaufdiode 20, die Hauptkörperdiode 3 und die Erfassungskörperdiode 4 fließt. Der durch die Erfassungskörperdiode 4 fließende Strom wird somit im Vergleich zum Ausführungsbeispiel 1 gering, so dass das Niveau zum Detektieren des Rückwärtsüberstroms im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel 1 ebenfalls niedrig vorgegeben werden kann. Ein Schutz gegen jeglichen Rückwärtsüberstrom wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel 2 möglich, so dass die Freilaufdiode und die Diodenkörper vor Beschädigung und Zerstörung geschützt werden können.
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Darüber hinaus kann auch eine Pin-Diode oder eine Schottky-Barrieren-Diode für die Freilaufdiode 20 verwendet werden. Ferner können die Freilaufdiode, ebenso wie die Schaltelemente, außer Silicium auch aus einem Halbleitermaterial mit großer Bandlücke hergestellt werden, das eine größere Bandlücke als Silicium aufweist.
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Zu Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke gehören z.B. Siliciumcarbid (SiC), Materialen auf Galliumnitrid-Basis und Diamant. Bei Verwendung des Halbleiters mit großer Bandlücke ermöglichen die zulässige Stromdichte desselben sowie der geringe Leistungsverlust desselben eine Miniaturisierung einer Vorrichtung, die Leistungshalbleiterelemente verwendet.
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Wenn ein Halbleiter mit großer Bandlücke für die Freilaufdiode verwendet wird, wird ferner die Standhaltespannung der Schottky-Barrieren-Diode angehoben, so dass die Anwendungen derselben einen höheren Spannungsbereich abdecken können. Bei Verwendung der Schottky-Barrieren-Diode ist die Einschaltspannung derselben bei einem Überstrom hoch, so dass die Wirkungen der vorliegenden Erfindung besonders zur Geltung kommen.
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Ausführungsbeispiel 3
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5 zeigt ein Schaltbild für eine Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung. Die Leistungsschaltung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel 3 besitzt zusätzlich zu Ausführungsbeispiel 1 eine Vorwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 11.
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Die Vorwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 11 detektiert durch den Spannungsabfall über dem Erfassungswiderstand 6, ob ein Vorwärtsüberstrom fließt oder nicht, wobei die Leistungsschaltung z.B. mit einem Komparator oder dergleichen ausgebildet ist, der eine Referenzspannung zum Vorgeben eines Überstrom-Detektionsniveaus mit der Spannung über dem Erfassungswiderstand vergleicht.
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Wenn ein Überstrom durch den Haupt-MOSFET 1 und den Erfassungs-MOSFET 2 in Vorwärtsrichtung derselben fließt, detektiert die Vorwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 11 den Überstrom, und die Steuerschaltung 5 schaltet dann den Haupt-MOSFET 1 und den Erfassungs-MOSFET 2 aus. Die Ausschaltgeschwindigkeit kann langsamer sein als im normalen Betrieb.
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Ferner versteht es sich, dass die Vorwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 11 in der Schaltung zusammen mit der parallelgeschalteten Freilaufdiode 20 vorgesehen sein kann, wie dies in 6 gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel 3 wird ein Schutz sowohl gegen Vorwärtsüberstrom als auch Rückwärtsüberstrom möglich.
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Da ferner bei diesem Ausführungsbeispiel 3 derselbe Erfassungs-MOSFET und dieselbe Erfassungskörperdiode zum Detektieren des Vorwärtsüberstrom und des Rückwärtsüberstroms verwendet werden, sind nur ein Erfassungs-MOSFET und nur eine Erfassungskörperdiode erforderlich, so dass die Schaltung vereinfacht werden kann.
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Ausführungsbeispiel 4
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7 zeigt ein Schaltbild einer Leistungsschaltung gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel 4 wird der Rückwärtsüberstrom durch den Erfassungs-MOSFET 2, die Erfassungskörperdiode 4 und den Erfassungswiderstand 6 detektiert, während der Vorwärtsüberstrom durch einen Erfassungs-MOSFET 12, eine Erfassungskörperdiode 13 und einen Erfassungswiderstand 14 detektiert wird.
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Wie vorstehend beschrieben, werden unterschiedliche Erfassungs-MOSFETs und unterschiedliche Erfassungskörperdioden zum Detektieren des Vorwärtsüberstrom und des Rückwärtsüberstroms verwendet. Wenn das Erfassungsschaltelement derart ausgebildet ist, dass es eine Vielzahl von Chips aufweist, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, kann das Element zum Detektieren des Vorwärtsüberstroms und des Rückwärtsüberstroms unter Verwendung von unterschiedlichen Chips für den jeweiligen Strom konfiguriert werden.
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Ferner können bei einer derartigen Konfiguration Chips mit der gleichen Struktur zum Detektieren sowohl des Vorwärtsüberstroms als auch des Rückwärtsüberstroms verwendet werden, oder es können Chips mit unterschiedlichen Strukturen verwendet werden, wie z.B. solche mit unterschiedlichen Zellenverhältnissen.
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Weiterhin versteht es sich, dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel 4 die Vorwärtsüberstrom-Detektionsschaltung 11 in der Schaltung zusammen mit der parallelgeschalteten Freilaufdiode 20 vorgesehen sein kann, wie dies in 8 gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel 4 wird ein Schutz gegen Vorwärtsüberstrom und Rückwärtsüberstrom möglich, und da ferner der Vorwärtsüberstrom und der Rückwärtsüberstrom durch unterschiedliche Erfassungs-MOSFETs und unterschiedliche Erfassungskörperdioden detektiert wird, kann das Vorgeben der Erfassungswiderstandswerte usw. in voneinander unabhängiger Weise erfolgen, so dass die Vorgabe vereinfacht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Haupt-MOSFET (Hauptschaltelement)
- 2
- Erfassungs-MOSFET (Erfassungsschaltelement)
- 3
- Hauptkörperdiode
- 4
- Erfassungskörperdiode
- 5
- Steuerschaltung
- 6
- Erfassungswiderstand
- 7
- Rückwärtsüberstrom-Detektionsschaltung
- 10
- Leistungshalbleiterelement
- 11
- Vorwärtsüberstrom-Detektionsschaltung
- 12
- Erfassungs-MOSFET (Erfassungsschaltelement)
- 13
- Erfassungskörperdiode
- 14
- Erfassungswiderstand
- 20
- Freilaufdiode
- 100
- Leistungsschaltung
- 100a
- Leistungsschaltung
- 100b
- Leistungsschaltung
- 100c
- Leistungsschaltung
- 100d
- Leistungsschaltung
- 100e
- Leistungsschaltung
- 100f
- Leistungsschaltung
