DE19640446A1

DE19640446A1 - Schutzschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE19640446A1
Application number: DE1996140446
Authority: DE
Inventors: Xu Dr Chihao
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-16

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltungsan ordnung zum Schutz einer eine Last schaltenden Schalterein richtung vor einem Überstrom beziehungsweise einer Überspan nung, bei der die Schaltereinrichtung abgeschaltet wird, wenn der durch die Schaltereinrichtung fließende Strom beziehungs weise die an der Schaltereinrichtung liegende Spannung einen ersten oberen Grenzwert überschreitet.

Es gibt bekanntlich zwei verschiedene Arten von Kurzschlüs sen:
einen sogenannten harten Kurzschluß und einen sogenannten weichen Kurzschluß. Beim harten Kurzschluß tritt praktisch kein Übergangswiderstand und/oder keine Übergangsinduktivität auf. Ein harter Kurzschluß liegt beispielsweise vor, wenn ein metallischer Leiter, der sich auf einem hohen Potential be findet, unmittelbar in Berührung mit einem anderen metalli schen Leiter gebracht wird, der auf einem niedrigen Potential liegt. In einem solchen Fall liegt im Übergangsbereich zwi schen den beiden metallischen Leitern praktisch kein Über gangswiderstand beziehungsweise keine Übergangsinduktivität vor, so daß der Strom sofort stark ansteigt und eine erlaubte obere Grenze überschreitet, sobald die beiden metallischen Leiter einander berühren. Dagegen ist bei einem weichen Kurz schluß ein großer Übergangswiderstand beziehungsweise eine große Übergangsinduktivität vorhanden. Der Strom steigt hier nicht so stark an wie beim harten Kurzschluß. Er überschrei tet aber auch eine erlaubte Grenze, so daß er nicht auf die Dauer von beispielsweise einem im Strompfad liegenden Schal ter ausgehalten werden kann. Ein solcher weicher Kurzschluß kann auftreten, wenn ein Motor, der mit Strom versorgt ist, plötzlich blockiert.

Der Anlaufstrom zahlreicher Lasten, wie beispielsweise von Motoren, Lampen und so weiter, ist viel höher als der Be triebsstrom in einem stationären Betrieb. Dieser hohe Anlauf strom muß selbstverständlich von einem Leistungsschalter aus gehalten werden, der im Strompfad zu einer derartigen Last liegt. Würde nämlich der Leistungsschalter den Anlaufstrom nicht aushalten, so wäre es nicht möglich, die Last in Be trieb zu nehmen. Mit anderen Worten, der Leistungsschalter darf nicht ausgeschaltet werden, solange durch ihn ein Strom fließt, dessen Stärke die Stärke des Anlaufstromes nicht we sentlich überschreitet. Bei Auftreten eines weichen Kurz schlusses, also beispielsweise bei einem Blockieren des Moto res, fließt nun aber ein Strom, dessen Stromstärke in der gleichen Größenordnung wie die Stromstärke bei einem weichen Kurzschluß ist. Der den Anlaufstrom leitende Leistungsschal ter leitet dann aber auch den Strom bei einem weichen Kurz schluß. Während aber der Anlaufstrom beim Einschalten bei spielsweise einer Lampe oder auch eines Motores relativ kurz zeitig fließt, liegt der Strom eines weichen Kurzschlusses vor, solange beispielsweise der Motor blockiert. Der Lei stungsschalter kann aber einen Strom mit der Stromstärke des Anlaufstromes nicht auf Dauer aushalten und wird daher bei längerem Blockieren des Motores zerstört.

Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wurde bereits daran ge dacht, Leistungsschalter mit Temperaturschutz, die auch als "intelligente" Schalter bezeichnet werden, einzusetzten. Ein solcher Leistungsschalter schaltet sich ab, sobald die Tempe ratur in seinem Bereich eine bestimmte obere Grenze über schreitet. Er kühlt sodann ab und schaltet wieder ein. Nach einem weiteren Temperaturanstieg erfolgt ein erneut es Ab schalten. Ein sich derart ständig wiederholender Vorgang, bei dem keine zuverlässige "Verriegelungsfunktion" etwa im abge schalteten Zustand möglich ist, ist aber bei zahlreichen An wendungen unerwünscht.

Eine zuverlässige Verriegelungsfunktion bietet dagegen die Kurzschluß-Abschaltung an. Wenn bei dieser die Durchlaßspan nung an einem Schalter zu groß wird und eine bestimmte Grenze überschreitet, so wird der Schalter abgeschaltet. Der Schal ter übernimmt dann die ganze Versorgungs- beziehungsweise Batteriespannung. Das heißt, durch das Abschalten wird die Spannung am Schalter noch größer, so daß der Schalter in sei nem abgeschalteten Zustand bleibt, bis seinem Eingang ein Rücksetzsignal zugeführt wird. Bei dieser Kurzschluß-Abschaltung weist der Kurzschlußstrom extrem hohe Werte auf, was in zahlreichen Fällen unerwünscht ist.

Dieser extrem hohe Kurzschlußstrom kann durch Beifügen eines Strombegrenzers vermieden werden. Wird der durch den Strombe grenzer gegebene Grenzwert für den Strom erreicht, so steigt die Spannung am Schalter plötzlich an und aktiviert die Kurz schluß-Abschaltung. Eine eine solche Kurzschluß-Abschaltung mit Strombegrenzung realisierende Schaltung läßt aber keinen hohen Anlaufstrom zu und schützt auch nicht vor einem weichen Kurzschluß.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzschaltungsanordnung zu schaffen, die eine Schalterein richtung sicher vor einem weichen Kurzschluß und einem harten Kurzschluß zu schützen vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Schutzschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaltereinrichtung auch abgeschaltet wird, wenn der durch die Schaltereinrichtung fließende Strom beziehungsweise die an der Schaltereinrichtung liegende Spannung einen zwei ten unteren Grenzwert für eine Zeitdauer, die länger als ein voreingestellter Wert ist, überschreitet.

Für die Schaltereinrichtung werden bevorzugterweise ein er ster Schalter, der zwischen einer Strom- beziehungsweise Spannungsquelle und der Last liegt, und eine Reihenschaltung aus einem zweiten Schalter und einem ersten Widerstand, die ebenfalls zwischen der Strom- beziehungsweise Spannungsquelle und der Last liegt, verwendet. Der zweite Schalter ist dabei über ein Verzögerungsglied ansteuerbar. Beide Schalter können in bevorzugter Weise aus Leistungs-Feldeffekttransistoren be stehen. Zwischen dem Verzögerungsglied und dem zweiten Schal ter kann ein dritter Feldeffekttransistor liegen, der den zweiten Schalter ansteuert. Die Schaltereinrichtung, das Ver zögerungsglied und der dritte Transistor können in einem Block integriert sein, während eine externe Kapazität von ei nem Anwender dem Verzögerungsglied zugeschaltet werden kann, um so die durch das Verzögerungsglied gegebene zeitliche Ver zögerung für das Abschalten der Schaltereinrichtung bei einem weichen Kurzschluß anwenderabhängig einstellen zu können. Der Grenzwert, bei dem bei einem harten Kurzschluß eine Abschal tung vorgenommen wird, kann temperaturabhängig eingestellt werden.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanordnung ein hoher Strom auftritt und damit ein harter Kurzschluß vor liegt, so wird die obere Grenze für die Kurzschluß-Erkennung überschritten und die Schaltereinrichtung wird schnell abge schaltet. Dadurch wird eine Beschädigung beziehungsweise Zer störung eines Halbleiterkörpers, von Bonddrähten, von Zulei tungen und von der Spannungsversorgung vermieden. Der Strom Iks für den harten Kurzschluß wird durch eine Spannungsrefe renz Vks eingestellt:

Iks = Vks/Rds(on)

Dabei bedeuten Rds(on) den Drain-Source-Widerstand eines die Schaltereinrichtung bildenden Leistungs-MOSFETs im einge schalteten Zustand. Der Strom Iks muß selbstverständlich grö ßer als der Anlaufstrom sein, da sonst die Schutzschaltungs anordnung die Schaltereinrichtung abschalten würde, bevor ein als Last betriebener Motor seinen Betriebszustand annehmen könnte.

Der Temperaturgang des Stromes Iks kann ebenfalls einstellbar sein und von der Temperatur abhängen. Der Temperaturkoeffizi ent des Drain-Source-Widerstandes Rds(on) des die Schal tereinrichtung bildenden Leistungs-MOSFETs beträgt insbeson dere 80%/100°K. Wenn der Kurzschlußspannung Vks ein Tempera turkoeffizient von 40%/100°K vermittelt wird, so hat auch der Kurzschlußstrom Iks einen Temperaturkoeffizienten von 40%/100°K, was den meisten Metallen entspricht. Die Verlust leistung ist dann über dem gesamten Temperaturbereich hinweg im wesentlichen konstant.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanordnung ein kleinerer Strom als der Kurzschlußstrom fließt, wie dies beim Anlaufstrom oder auch bei einem weichen Kurzschluß der Fall ist, so wird die Schutzschaltungsanordnung zunächst nicht ak tiv, was auf der durch das Verzögerungsglied bewirkten zeit lichen Verzögerung beruht. Sinkt der Strom vor Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer unter den zweiten unteren Grenzwert ab, so bleibt die Schutzschaltungsanordnung inaktiv. Im Falle eines weichen Kurzschlusses ist aber ein Strom in der Größen ordnung des Anlaufstromes auch nach Ablauf der durch das Ver zögerungsglied gegebenen Verzögerungszeit noch vorhanden, so daß die Strombegrenzung einsetzt und eine hohe Spannung an der Schaltereinrichtung erzeugt, welche die Schwelle der Kurzschluß-Erkennung überschreitet. Damit wird der weiche Kurzschluß abgefangen.

Da in einem Halbleiterkörper aus Silizium mit Widerständen und Kondensatoren nur ein Verzögerungsglied mit einer be grenzten Zeitdauer konstant realisiert werden kann, ist es bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltungsanordnung möglich, einen externen Kondensator zuzuschalten, so daß ein Anwender die Möglichkeit erhält, die durch das Verzögerungsglied be dingte Verzögerung an die gewünschte Anwendung und auch an einen gegebenenfalls vorhandenen Kühlkörper anzupassen.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltungsanordnung besitzt insge samt mit den beiden Grenzwerten zwei Schwellen zum Schutz ge gen einen harten und einen weichen Kurzschluß. Sie ist her vorragend geeignet für zahlreiche Anwendungen, bei denen hohe Anlaufströme auftreten können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanord nung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Stromanstiegs bei einem Kurzschluß,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Temperaturabhängig keit des Kurzschlußstromes beziehungsweise der Kurz schlußspannung und

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des zeitlichen Verlaufes eines harten Kurzschlusses, eines weichen Kurzschlus ses und des Anlaufstromes eines Motores.

In Fig. 1 ist ein Motor M an einen Ausgangsanschluß OUT ei nes Blockes 1 angeschlossen, der in einer Einheit integriert sein kann. Der Eingang dieser Einheit 1 ist mit einer Strom beziehungsweise Spannungsquelle 2 verbunden, welche durch ei ne Batterie gegeben sein kann. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Blockes 1 liegen ein Leistungs-MOSFET T2 und eine Reihenschaltung aus einem Leistungs-MOSFET T3 und einem Wi derstand R2. Die beiden Leistungs-MOSFETs T2 und T3 bilden einen Stromspiegel, d. h. ihre Gates sind miteinander verbun den.

Ein Verzögerungsglied aus einem Kondensator C1 und einem Wi derstand R1 ist der Basis eines MOSFETs T1 vorgeschaltet, welche die Leistungs-MOSFETs T2 und T3 ansteuert. Ein Ver gleicher 4 vergleicht die am Ausgangsanschluß OUT abgegriffe ne Spannung des Motores M mit der von einer Bezugsspannungs quelle 3 gelieferten Kurzschlußspannung Vks und gibt sein Ausgangssignal an ein Kurzschluß-Abschaltglied 5 ab. Dieses Kurzschluß-Abschaltglied 5 wertet das von dem Vergleicher 4 gelieferte Signal aus und steuert die Leistungs-MOSFETs T2 und T3 direkt oder über das Verzögerungsglied an, so daß bei einem harten Kurzschluß ein sofortiges Abschalten erfolgt, während bei einem weichen Kurzschluß die Leistungs-MOSFETs T2 und T3 verzögert abgeschaltet werden.

An einem Anschluß CC des Blockes 1 kann ein externer Konden sator Cext zugeschaltet werden, um die durch das Verzöge rungsglied gegebene Verzögerungszeit anwenderabhängig zu ver längern.

Fig. 2 zeigt Schaltkurven 6 und 7 für den Verlauf des Stro mes I in Abhängigkeit von der Spannung U bei einem harten Kurzschluß (Kurve 6) und bei einem weichen Kurzschluß (Kurve 7). Bei Erreichen einer Stromstärke Iks wird bei einem harten Kurzschluß eine Abschaltung vorgenommen. Der beim weichen Kurzschluß vorliegende Strom (vergleiche Kurve 7) liegt zwar deutlich unterhalb der Stromstärke Iks. Dennoch ist beim wei chen Kurzschluß die Stromstärke oberhalb einer Strombegren zung 8, über der auf Dauer ein Strom zu einer Zerstörung der Schaltereinrichtung führt.

Fig. 3 zeigt, wie in zweckmäßiger Weise die Stromstärke Iks beziehungsweise die entsprechende Kurzschlußspannung Vks in Abhängigkeit von der Temperatur T eingestellt werden kann:
mit steigender Temperatur T kann beispielsweise die Kurz schlußstromstärke Iks abnehmen, während die Kurzschlußspan nung Vks anwächst.

In Fig. 4 geben Kurven (a), (b) und (c) den Verlauf des Stromes I bei einem harten Kurzschluß (Kurve a), bei einem weichen Kurzschluß (Kurve b) und bei einem Motoranlauf (Kurve c) an. Wie nun aus der Fig. 4 zu ersehen ist, wird bei einem harten Kurzschluß bei Erreichen des Kurzschlußstromes Iks der Strom plötzlich abgeschaltet. Bei einem weichen Kurzschluß (Kurve b) erfolgt das Abschalten, nachdem der Strom eine be stimmte Verzögerungszeit Δt oberhalb der Strombegrenzung 8 verlaufen ist. Der Anlaufstrom c ist vor Ablauf der Verzöge rungszeit Δt unter die Strombegrenzung 8 abgesunken, so daß hier kein Abschalten auftritt.

Die Erfindung ermöglicht so eine Schutzschaltungsanordnung, die eine eine Last schaltende Schaltereinrichtung zuverlässig vor einem weichen Kurzschluß und einem harten Kurzschluß zu schützen vermag und dennoch einfach aufgebaut ist.

Bezugszeichenliste

M Motor
OUT Ausgangsanschluß

1

Block

2

Strom- beziehungsweise Spannungsquelle

3

Spannungsquelle

4

Vergleicher

5

Kurzschluß-Abschaltglied
T2, T3 Leistungs-MOSFET
T1 MOSFET
R1, R2 Widerstand
C1 Kondensator
Cext Kondensator
CC Anschluß

6, 7

Kurven

8

Strombegrenzung
a, b, c Kurven

Claims

1. Schutzschaltungsanordnung zum Schutz einer eine Last (M) schaltenden Schaltereinrichtung (T2, T3) vor einem Überstrom beziehungsweise einer Überspannung, bei der die Schalterein richtung (T2, T3) abgeschaltet wird, wenn der durch die Schaltereinrichtung (T2, T3) fließende Strom beziehungsweise die an der Schaltereinrichtung (T2, T3) liegende Spannung ei nen ersten oberen Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung (T2, T3) auch abgeschaltet wird, wenn der durch den die Schaltereinrichtung (T2, T3) fließende Strom beziehungsweise die an der Schaltereinrichtung (T2, T3) liegende Spannung einen zweiten unteren Grenzwert für eine Zeitdauer, die länger als ein voreingestellter Wert ist, überschreitet.

2. Schutzschaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung einen ersten Schalter (T2), der zwischen einer Strom- beziehungsweise Spannungsquelle (2) und der Last (M) liegt, und eine Reihenschaltung aus einem zwei ten Schalter (T3) und einem ersten Widerstand (R2), der eben falls zwischen der Strom- beziehungsweise Spannungsquelle (2) und der Last (M) liegt, aufweist.

3. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (T3) über ein Verzögerungsglied (R1, C1) ansteuerbar ist.

4. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schalter jeweils aus einem er sten beziehungsweise einem zweiten Leistungs-Feldeffekttransistor bestehen.

5. Schutzschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verzögerungsglied (R1, C1) und dem zweiten Schalter ein dritter Feldeffekttransistor (T3) liegt.

6. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung, das Verzögerungsglied (R1, C1) und der dritte Transistor (T1) in einem Block (1) integriert sind.

7. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine externe Kapazität (Cext) dem Verzögerungsglied (R1, C1) zuschaltbar ist.

8. Schutzschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste obere Grenzwert temperaturabhängig ist.