DE19725870A1

DE19725870A1 - Begrenzerschaltung für Wechselströme

Info

Publication number: DE19725870A1
Application number: DE1997125870
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Koelpin
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1999-01-07

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Begrenzerschaltung für Wechselströme.

In einer gattungsgemäßen Begrenzerschaltung, die zur Begren zung des Stromflusses zwischen eine Wechselspannungsquelle und eine Lastimpedanz geschaltet wird, werden als Begren zungsglieder Kaltleiter verwendet. Im Überlastfall erhöht sich ihr Widerstandswert, wodurch einem Stromanstieg entge gengewirkt wird. Kaltleiter sind zwar billig und robust, sie haben aber folgende prinzipbedingte Nachteile:

- Der relativ hohe Kaltwiderstand begrenzt die Anwendungs möglichkeiten im Starkstrombereich,
- die Verzögerungszeiten für Ansprechen und Wiederbereit schaft nach Wegfall der Überlast liegen wegen der thermi schen Prozesse im Bereich von Sekunden bis Minuten,
- die Verwendung bei höheren Frequenzen ist wegen der hohen Eigenkapazität eingeschränkt und
- die elektrischen Parameter sind durch den Herstellungs prozeß festgelegt und können nicht nachträglich an den vorliegenden Einsatzfall angepaßt werden, damit ist eine hohe Typenzahl erforderlich.

Elektronische Lösungen zur Begrenzung von Gleichströmen sind grundsätzlich bekannt (siehe U. Tietze; Ch. Schenk "Halblei ter-Schaltungstechnik", Berlin/Heidelberg/New York, 3. Aufla ge, 1974, Seite 391ff). Sie weisen einen vergleichsweise ho hen Bauelementeaufwand auf und sind nur mit zusätzlichen Maß nahmen für die Anwendungen in Wechselstromkreisen zu ertüch tigen. Für die Realisierung eines einstellbaren Begrenzungs pegels sind dabei für die beiden Laststrompolaritäten ge trennte Hilfsspannungsquellen erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Be grenzerschaltung für Wechselströme zu schaffen, die ohne zu sätzliche Hilfsenergie und mit einem gemeinsamen Einstell- Zweipol für beide Stromrichtungen eine Strombegrenzung mit einstellbarem Ansprechpegel ermöglicht. Die obengenannten Nachteile sollen dabei möglichst vermieden werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Begrenzerschaltung gemäß Anspruch 1. Es ist eine Begrenzerschaltung für Wechselströme mit zwei antiseriell geschalteten selbstleitenden Feldeffekt transistoren, deren Source-Elektroden über einen Widerstand zur Einstellung des Begrenzungspegels verbunden sind und bei denen der Gate-Anschluß des einen Transistors jeweils mit dem Source-Anschluß des anderen Transistors verbunden ist.

Um für die beiden Stromrichtungen unterschiedliche Begren zungswerte zu erhalten, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Feldeffekttransistoren ungleiches Durchlaß- und Sperrver halten aufweisen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform erhält man, wenn in Reihe zur Begrenzerschaltung ein variabler Widerstand ge schaltet ist, dessen Wert gegensinnig zu dem des gemeinsamen, zur Einstellung des Begrenzungseinsatzes veränderlich gestal teten Source-Widerstandes veränderbar ist. Auf diese Weise kann der mit zunehmendem Source-Widerstand ansteigende Innen widerstand der Begrenzerschaltung im linearen Bereich kompen siert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 4 bis 9 zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Begrenzerschaltung für Wechselströme mit ver änderbarem Begrenzungspegel und

Fig. 2 die Begrenzerschaltung nach Fig. 1 mit Kompensation des Innenwiderstands.

In Fig. 1 ist eine Begrenzerschaltung für Wechselströme darge stellt, die zur Begrenzung des Stromflusses zwischen eine Wechselspannungsquelle und eine Lastimpedanz geschaltet wird. Als Begrenzungsglieder werden zwei antiseriell geschaltete selbstleitende Feldeffekttransistoren 1 und 2 verwendet, de ren Source-Elektroden S über einen Widerstand 3 zur Einstel lung des Begrenzungspegels verbunden sind und bei denen der Gate-Anschluß G des eines Transistors 2, 1 jeweils mit dem Source-Anschluß S des anderen Transistors 1, 2 verbunden ist.

Die selbstleitenden Feldeffekttransistoren verhalten sich un terhalb eines mit einem Widerstand zwischen Gate- und Source- Elektrode einstellbaren Grenzstromes wie ein ohmscher Wider stand und stabilisieren oberhalb dieses Grenzwertes den flie ßenden Strom.

In der Begrenzerschaltung ist der Laststrom über den gemein samen Source-Widerstand 3, hier ein variabler Widerstand, symmetrisch für beide Polaritäten einstellbar. Symmetrische Begrenzung wird allerdings nur unter Verwendung von gleichen elektrischen Daten für die Feldeffekttransistoren 1 und 2 er reicht, d. h. gleichem Durchlaß- und Sperrverhalten. Durch Wahl von Feldeffekttransistoren mit unterschiedlichen elek trischen Daten können unsymmetrische Grenzwerte für beide Stromrichtungen erreicht werden. Der Source-Widerstand 3 darf bei der Verwendung von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren einen oberen Grenzwert nicht überschreiten, da sonst über die in Durchlaßrichtung vorgespannte Gate-Source-Strecke des je weils invers betriebenen Transistors zusätzlich zum gewünsch ten Begrenzungseffekt störende Nichtlinearitäten im Durchlaß verhalten auftreten. Die Schaltung benötigt keine Hilfsener gie und kann in einfacher Weise auch monolithisch integriert werden, womit sich die elektrische Übereinstimmung der ein zelnen Feldeffekttransistoren leicht erzielen läßt.

Zum Erzielen niedriger Durchlaßwiderstände sowie eines hohen Energieaufnahmevermögens im Begrenzungsfall wird die Schal tung vorteilhafterweise mit Feldeffekttransistoren auf der Basis von Siliziumcarbid ausgestattet.

Es kann weiterhin vorteilhaft sein, den mit zunehmendem Source-Widerstand 3 ansteigenden Innenwiderstand der Schal tung im linearen Bereich durch einen gegensinnig veränderten Widerstand 4 in Reihe zur erfindungsgemäßen Begrenzerschal tung gemäß Fig. 2 zu kompensieren.

Der Source-Widerstand 3 und/oder der gemeinsame Vorwiderstand 4 können vorteilhaft als ggf. abgleichbare Dickschicht-Wider stände realisiert werden. Insbesondere beim Einsatz der er findungsgemäßen Schaltung im Starkstrombereich können die Wi derstände 3 und/oder 4 vorteilhaft auch durch Abschnitte von Stromschienen oder ggf. mehrdrähtige Bond-Verbindungen darge stellt werden.

Neben der Stromamplitude kann auch die Anstiegssteilheit des Stromes vorteilhaft begrenzt werden, wenn statt eines ohm schen ein ohmsch-induktiver Source-Widerstand Verwendung fin det. Bei Anwendung im Starkstrombereich können dazu vorteil haft als Source-Widerstand verwendete Teile von Stromschienen oder Bond-Verbindungen mit ferromagnetischem Material umklei det werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die in der beigefügten Zeichnung dargestellte Ausführungsform erläu tert ist, sollte berücksichtigt werden, daß damit nicht beab sichtigt ist, die Erfindung nur auf die dargestellte Ausfüh rungsform zu beschränken, sondern alle möglichen Änderungen, Modifizierungen und äquivalente Anordnungen, soweit sie vom Inhalt der Patentansprüche gedeckt sind, einzuschließen.

Claims

1. Begrenzerschaltung für Wechselströme mit zwei antiseriell geschalteten, selbstleitenden Feldeffekttransistoren (1, 2), deren Source-Elektroden (S) über einen Widerstand (3) zur Einstellung des Begrenzungspegels verbunden sind und bei de nen der Gate-Anschluß (G) des einen Transistors (2, 1) jeweils mit dem Source-Anschluß (S) des anderen Transistors (1, 2) verbunden ist.

2. Begrenzerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (1, 2) ungleiches Durchlaß- und Sperrverhalten aufweisen.

3. Begrenzerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Begrenzerschaltung ein variabler Widerstand (4) geschaltet ist, dessen Wert ge gensinnig zu dem des gemeinsamen, zur Einstellung des Begren zungseinsatzes veränderlich gestalteten Source-Widerstandes (3) veränderbar ist.

4. Begrenzerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände als abgleichbare Dickschichtwiderstände (3, 4) ausgeführt sind.

5. Begrenzerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (3, 4) durch Teile von Stromschienen oder Bonddrähte reali siert sind.

6. Begrenzerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Wider stand (3) ein ohmsch-induktiver Source-Widerstand ist.

7. Begrenzerschaltung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der induktive Anteil des Source- Widerstandes (3) durch Umkleidung der Stromschienenabschnitte bzw. Bonddrähte mit ferromagnetischen Werkstoffen realisiert ist.

8. Begrenzerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekt transistoren (1, 2) monolithisch integriert sind.

9. Begrenzerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Feldeffekt transistoren Siliziumcarbid-Feldeffekttransistoren (1, 2) verwendet werden.