DE19828658A1 - Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Abschaltspannungsspitzen an einem mit einer induktiven Last in Reihe liegenden elektronischen Schalter - Google Patents

Abstract

Zur Begrenzung von beim Abschalten eines mit einer induktiven Last (L) in Reihe liegenden elektronischen Schalters (Se) an dessen Schaltstrecke auftretenden Abschaltspannungsspitzen ist der Schaltstrecke des elektronischen Schalters (Se) die Reihenschaltung einer Diode (D) und eines Kondensators (C) parallelgeschaltet; dem Kondensator (C) ist die Last- bzw. Hauptstromstrecke eines elektronischen Stellgliedes (T) parallelgeschaltet, dessen Steuerelektrode von einer Steuerschaltung ansteuerbar ist, die einen zur Last- bzw. Hauptstromstrecke des genannten elektronischen Stellgliedes (T) parallelliegenden Spannungsteiler (R1, R2) und eine dessen Spannungsteilerpunkt (KA) mit der Steuerelektrode des genannten elektronischen Stellgliedes (T) verbindende, in Sperrichtung betriebene Zener-Diode (D2) enthält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung von beim Abschalten eines mit einer induktiven Last in Reihe liegenden elektronischen Schalters an dessen Schaltstrecke auftretenden Abschaltspannungsspitzen mit einer der Schaltstrecke des elektronischen Schalters parallelge­ schalteten, die Abschaltspannungsspitzen begrenzenden Schutz­ schaltung, zu der eine bei Auftreten der jeweiligen Abschalt­ spannungsspitze sich im leitenden Zustand befindende Diode und eine zu dieser in Reihe liegende Ableitungsschaltung ge­ hören, die einen Kondensator umfaßt.

Bekanntlich dürfen die beim Schalten von induktiven Lasten infolge der unvermeidbaren Streuinduktivitäten auftretenden Abschaltspannungsspitzen die zulässige Sperrspannung des je­ weils verwendeten Schaltelements bzw. elektronischen Schal­ ters nicht überschreiten, da es sonst zur Zerstörung des be­ treffenden Schalters kommen würde. Andererseits ist man be­ strebt, als elektronische Schalter, die induktive Lasten zu schalten haben, solche Schalter zu verwenden, die eine mög­ lichst geringe zulässige Sperrspannung aufweisen, da solche elektronischen Schalter im allgemeinen auch geringe Verluste im leitenden Zustand aufweisen. Damit ist aber eine möglichst genaue Begrenzung der beim Abschalten einer solchen indukti­ ven Last an der mit dieser verbundenen Schaltstrecke des ver­ wendeten elektronischen Schalters auftretenden Abschaltspan­ nungsspitzen absolut notwendig.

Das vorstehend aufgezeigte Problem verschärft sich noch ganz besonders dann, wenn mit hohen Betriebsspannungen von ca. 700 V und mit Lasten über 1000 W gearbeitet wird. Bei derar­ tigen elektrischen Werten sind bereits die bei heute vorhan­ denen schnellen elektronischen Schaltern, wie Transistoren, verfügbaren Sperrspannungen nahezu erreicht. Somit können mit derartigen elektronischen Schaltern Überspannungsspitzen auf­ grund des Abschaltens von induktiven Lasten praktisch nicht mehr aufgefangen werden. Andererseits soll eine Begrenzung von solchen Abschaltspannungsspitzen auch nicht bei zu nied­ rigen Spannungswerten einsetzen, da dies zu einem Wirkungs­ gradverlust bzw. zu einer elektrischen Überlastung des Be­ grenzungsnetzwerks führen könnte.

Um beim Abschalten eines mit einer induktiven Last in Reihe liegenden elektronischen Schalters die an dessen Schalt­ strecke auftretenden Abschaltspannungsspitzen zu begrenzen, gibt es zwar eine ganze Reihe von bekannten Schaltungen, ge­ mäß denen der Schaltstrecke des elektronischen Schalters RC- Glieder und/oder Dioden parallelgeschaltet sind. Diese Be­ grenzungsschaltungen sind insbesondere bei kleinen Spannungen und Leistungen einsetzbar. Bei höherer Spannung, wie sie oben erwähnt wurde, ist ihr Einsatz jedoch nicht zweckmäßig bzw. möglich. Überdies läßt sich in diesen Fällen keine genaue Be­ grenzung von Abschaltspannungsspitzen erzielen.

Es ist nun auch möglich, eine Schaltungsanordnung der ein­ gangs genannten Art so aufzubauen, daß dem genannten Konden­ sator eine Zener- oder Suppressordiode derart parallelge­ schaltet ist, daß diese für die Abschaltspannungsspitzen, die über die mit dem Kondensator in Reihe liegende Diode abzulei­ ten sind, in Sperrichtung betrieben ist. Damit wird durch diese Schaltungsanordnung erst dann Energie verbraucht, wenn die Durchbruchspannung der Zener- bzw. Suppressordiode infol­ ge einer zu begrenzenden Abschaltspannungsspitze erreicht ist. Allerdings ist auch hier keine allzu genaue Begrenzung der Abschaltspannungsspitzen möglich, da nämlich die Durch­ bruchspannung der Suppressordiode sehr toleranzbehaftet ist. Des weiteren weist die Suppressordiode eine sehr weiche Kenn­ linie auf. Dies bedeutet, daß die Spannung an der betreffen­ den Suppressordiode wesentlich höher ist, wenn die betreffen­ de Diode von einem hohen Strom durchflossen wird als dann, wenn sie von einem niedrigen Strom durchflossen wird. Über­ dies muß man zur sicheren Begrenzung von Abschaltspannungs­ spitzen auch bei hohem Energieinhalt eine Suppressordiode mit relativ geringer Durchbruchspannung wählen. Dies bringt aber gegebenenfalls die Schwierigkeit mit sich, daß auch bei ge­ ringen, ungefährlichen Abschaltspannungsspitzen ein nicht un­ erheblicher Strom fließen kann, der unnötige Verluste her­ vorruft. Schließlich ist die betrachtete Schaltung bei der Begrenzung von Abschaltspannungsspitzen in der Größenordnung von 850 V nicht einsatzfähig, da es derzeit für solche Span­ nungswerte keine geeigneten Suppressordioden gibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit insgesamt relativ geringem schaltungstechnischen Auf­ wand und ohne gesonderte Spannungsversorgung eine Begrenzung von Abschaltspannungsspitzen bei einem exakten Wert unabhän­ gig vom jeweiligen Lastfall, dem Energieinhalt der jeweiligen Abschaltspannungsspitze und dem sonstigen Betriebszustand des mit einer induktiven Last in Reihe geschalteten elektroni­ schen Schalters erreicht wird.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsge­ mäß dadurch, daß dem Kondensator die Last- bzw. Hauptstrom­ strecke eines elektronischen Stellgliedes parallelgeschaltet ist, dessen Steuerelektrode von einer Steuerschaltung ansteu­ erbar ist, die einen zur Last- bzw. Hauptstromstrecke des ge­ nannten elektronischen Stellgliedes parallelliegenden Span­ nungsteiler und eine dessen Spannungsteilerpunkt mit der Steuerelektrode des betreffenden elektronischen Stellgliedes verbindende Zener-Diode enthält, welche in Sperrichtung be­ trieben ist.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß mit relativ geringem schaltungstechnischen Aufwand und ohne eine zusätz­ liche Spannungsquelle eine Begrenzung der beim Abschalten ei­ nes mit einer induktiven Last in Reihe liegenden elektroni­ schen Schalters an dessen Schaltstrecke auftretenden Ab­ schaltspannungsspitzen bei einem relativ exakten Wert bewirkt werden kann, der durch die Dimensionierung des Spannungstei­ lers und der genannten Zener-Diode bestimmt ist.

Zweckmäßigerweise ist das genannte elektronische Stellglied ein Leistungs-MOS-Transistor. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß mit relativ einfach erhältlichen elektronischen Stellgliedern gearbeitet werden kann.

Vorzugsweise ist die Zener-Diode über einen Widerstand mit der Gate-Elektrode des Leistungs-MOS-Transistors verbunden. Dadurch lassen sich auf relativ einfache Weise gegebenenfalls auftretende parasitäre Schwingungen des Leistungs-MOS-Tran­ sistors in vorteilhafter Weise verhindern.

Zweckmäßigerweise liegt zwischen der Verbindungsstelle der Zener-Diode und des genannten Widerstands einerseits und der Source-Elektrode des Leistungs-MOS-Transistors andererseits ein weiterer Widerstand. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß der Sperrstrom der genannten Zener-Diode sowie der Gate- Leckstrom des Leistungs-MOS-Transistors relativ einfach abge­ leitet werden können.

Zweckmäßigerweise ist dem genannten weiteren Widerstand oder der Gate-Source-Strecke des Leistungs-MOS-Transistors ein ge­ sonderter Kondensator parallelgeschaltet. Dadurch kann in vorteilhafter Weise das dynamische Verhalten der Schaltungs­ anordnung relativ unabhängig von der Eingangskapazität des Leistungs-MOS-Transistors gemacht werden.

Zweckmäßigerweise ist der Gate-Source-Strecke oder dem ge­ nannten weiteren Widerstand eine weitere Zener-Diode paral­ lelgeschaltet, die in Sperrichtung betrieben ist. Dadurch läßt sich in vorteilhafter Weise verhindern, daß die Spannung an der Gate-Drain-Strecke des Leistungs-MOS-Transistors durch dynamische Vorgänge an der Source-Elektrode des betreffenden Transistors zu weit ansteigen kann. Damit ist die Gefahr ei­ ner möglichen Zerstörung des betreffenden Transistors abge­ wendet.

Anhand einer Zeichnung wird die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung nachstehend näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Schal­ tungsanordnung gemäß der Erfindung gezeigt, die zur Begren­ zung von beim Abschalten eines mit einer induktiven Last L in Reihe liegenden elektronischen Schalters Se an dessen mit der induktiven Last L verbundenen Schaltstrecke auftretenden Ab­ schaltspannungsspitzen dient. Dieser elektronische Schalter Se ist hier lediglich als mechanischer Schalter dargestellt; in der Praxis kann dieser Schalter Se beispielsweise ein Lei­ stungs-MOS-Transistor sein. Dem die Steuerelektrode eines solchen Leistungs-MOS-Transistors darstellenden Steuereingang St des elektronischen Schalters Se werden Steuersignale zum Schließen und Öffnen des betreffenden Schalters Se zugeführt. Ist der elektronische Schalter Se geschlossen, so fließt ein Strom von der Spannungsklemme +U über die induktive Last L und die geschlossene Schaltstrecke des Schalters Se zu der Spannungsklemme -U hin. An der mit der induktiven Last ver­ bundenen Elektrode des elektronischen Schalters Se liegt bei diesem Stromfluß eine Spannung, die infolge des Spannungsab­ falls an der Schaltstrecke des elektronischen Schalters Se höher ist als die Spannung an der Spannungsklemme -U.

Wenn der elektronische Schalter Se geöffnet wird, also seine Schaltstrecke in den Sperrzustand überführt wird, tritt an seiner mit der induktiven Last L verbundenen Schaltstrecke eine Abschaltspannungsspitze auf, die ohne die zu beschrei­ benden Schutzmaßnahmen eine beachtliche Höhe erreichen kann, welche die Sperrspannung des elektronischen Schalters Se ohne weiteres überschreitet und damit zu dessen Zerstörung führen könnte. Die zur Begrenzung einer solchen Abschaltspannungs­ spitze dienende Begrenzungsschaltungsanordnung wird nunmehr beschrieben.

Die Begrenzungsschaltungsanordnung umfaßt eine Reihenschal­ tung aus einer Diode D und einem Kondensator C, welche der Schaltstrecke des elektronischen Schalters Se parallelge­ schaltet ist. Dabei ist die Anode der Diode D mit dem Verbin­ dungspunkt der Schaltstrecke des elektronischen Schalters Se und der induktiven Last L verbunden. Dem genannten Kondensa­ tor C ist die Last- bzw. Hauptstromstrecke eines elektroni­ schen Stellgliedes T parallelgeschaltet, bei dem es sich vor­ zugsweise um einen n-Kanal-Leistungs-MOS-Transistor handelt. Ferner ist dem genannten Kondensator C ein aus ohmschen Wi­ derständen R1 und R2 bestehender Spannungsteiler parallelge­ schaltet, dessen Spannungsteilerpunkt mit der Steuerelektro­ de, das ist hier die Gate-Elektrode des genannten elektroni­ schen Stellgliedes T, über eine in Sperrichtung betriebene Zener-Diode Dz verbunden ist. Damit ist der grundsätzliche Aufbau der Begrenzungsschaltungsanordnung beschrieben.

Zusätzlich zu den vorstehend betrachteten Schaltungselementen weist die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung noch einen zu der vorstehend genannten Zener-Diode in Reihe liegenden Widerstand Rg auf. Außerdem liegen zwischen der Verbindungsstelle der Zener-Diode und des gerade genannten Widerstands Rg einerseits und der Source- Elektrode des Leistungs-MOS-Transistors T, das heißt hier der Spannungsklemme -U, andererseits ein weiterer Widerstand R3 und ein dazu parallelgeschalteter Kondensator Cg. Schließlich ist bei der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanord­ nung der Gate-Source-Strecke des Leistungs-MOS-Transistors T eine in Sperrichtung betriebene weitere Zener-Diode Dg paral­ lelgeschaltet.

Nachdem zuvor der Aufbau der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung erläutert worden ist, sei nunmehr deren Arbeitsweise näher betrachtet. Die beim Abschalten des mit der induktiven Last L in Reihe liegenden elektronischen Schalters Se an dessen Schaltstrecke auftretende Abschalt­ spannungsspitze gelangt über die Diode D auf den Kondensator C, der sich dadurch auflädt. Wenn die durch die Widerstände R1 und R2 geteilte Kondensatorspannung am gemeinsamen Span­ nungsteilerpunkt KA einen Wert, der durch die Zener-Spannung der Zener-Diode Dz zuzüglich der Schwellspannung des Lei­ stungs-MOS-Transistors, der sogenannten Threshold-Spannung dieses Transistors gegeben ist, überschreitet, gelangt der betreffende Transistor T in den leitenden Zustand und be­ grenzt dadurch die Kondensatorspannung auf diesen Wert. An dieser Stelle sei angemerkt, daß sich durch die Verwendung der Zener-Diode Dz die Ansprechschwelle des Leistungs-MOS- Transistors T recht genau definieren läßt, obwohl die Schwellspannung dieses Transistors von Ausführungsform zu Ausführungsform toleranzbehaftet ist. Der Leistungs-MOS- Transistor arbeitet hier übrigens nicht im Schalterbetrieb, sondern er wird vielmehr im Verstärkungsbetrieb eingesetzt, bei dem seine Source-Drain-Strecke als von der Gate-Spannung abhängiger gesteuerter Widerstand dient.

Die im vorliegenden Fall mit der Gate-Source-Strecke des Lei­ stungs-MOS-Transistors T verbundene, in Sperrichtung betrie­ bene Zener-Diode Dg verhindert dabei, daß die Spannung an der Gate-Source-Strecke dieses Transistors T infolge dynamischer Vorgänge an dessen Drain-Elektrode zu weit ansteigen kann, womit also eine mögliche Zerstörung dieses Transistors T ver­ hindert ist.

Der im Gate-Ansteuerkreis des Leistungs-MOS-Transistors T liegende Widerstand Rg verhindert, daß der betreffende Tran­ sistor T bei der Begrenzung der Abschaltspannungsspitzen ins Schwingen gelangt.

Zu dem Kondensator Cg ist noch anzumerken, daß dieser mit seiner Kapazität und den Widerständen R1, R2 und R3 eine de­ finierte Zeitkonstante bildet und dadurch das dynamische Ver­ halten der Schaltungsanordnung relativ unabhängig von der Eingangskapazität des Leistungs-MOS-Transistors T macht. Vor­ zugsweise ist der Kapazitätswert dieses Kondensators Cg grö­ ßer gewählt als die Eingangskapazität des Transistors T, die von Bauelement zu Bauelement infolge unterschiedlicher Her­ stellungschargen, Technologien, usw., großen Toleranzen un­ terworfen ist.

Um das Verständnis bezüglich der Arbeitsweise der Schaltungs­ anordnung gemäß der Erfindung weiter zu vertiefen, sollen nachstehend einige Zahlenwerte betrachtet werden. So beträgt die typische Schwellspannung des Leistungs-MOS-Transistors T beispielsweise 3 V, wobei der Minimalwert bei 2 V und der Ma­ ximalwert bei 4 V liegen, was einer Toleranz von ± 33% ent­ spricht. Wird eine "ideale" Zener-Diode Dz mit einer Zener- Spannung von 56 V verwendet, so liegt die typische Ansprech­ schwelle am Spannungsteilerpunkt KA bei 59 V; der Minimalwert beträgt dabei 58 V und der Maximalwert liegt bei 60 V, was einer Toleranz von ± 1,7% entspricht. An dieser Stelle sei an­ gemerkt, daß derzeit problemlos Kleinsignal-Zener-Dioden mit einer Toleranz von ± 12% verfügbar sind. Derartige Zener-Dioden weisen im Spannungsbereich von 20 V bis 30 V überdies einen sehr scharfen Kennlinienknick auf und führen unterhalb dieses Durchbruchs nur einen sehr geringen Sperrstrom, weshalb sie für die Anwendung sehr gut geeignet sind. Sind- höhere Span­ nungen zu berücksichtigen, so sind derartige Zener-Dioden in entsprechender Reihenschaltung vorzusehen. Der scharfe Kenn­ linienknick derartiger Zener-Dioden führt zu einer exakten Begrenzung der Kondensatorspannung am Kondensator C und damit an der Schaltstrecke des mit der induktiven Last L in Reihe liegenden elektronischen Schalters Se, womit dessen Schalt­ strecke sicher vor gefährlichen Überspannungen geschützt ist. Da die erwähnte Zener-Diode Dz einen sehr geringen Sperrstrom führt, der in typischer Weise unter 1 µA liegt, ist eine hochohmige Dimensionierung der einen Spannungsteiler bilden­ den Widerstände R1 und R2 möglich, was einen geringen Ener­ gieverbrauch mit sich bringt. Die beiden Widerstände R1 und R2 sind dabei so zu dimensionieren, daß bei der Kondensator­ spannung, bei der die Begrenzung einsetzen soll, die Spannung am Spannungsteilerpunkt KA gerade die Zener-Spannung der Ze­ ner-Diode Dz zuzüglich der Schwellspannung des Leistungs-MOS- Transistors T erreicht.

Der Widerstand R3, der zur Ableitung des Sperrstroms der Ze­ ner-Diode Dz und des Gate-Leckstroms des Leistungs-MOS-Tran­ sistors T dient, ist möglichst hochohmig zu dimensionieren, so daß die den betreffenden Widerstand R3 durchfließenden Ströme an diesem lediglich einen solchen Spannungsabfall her­ vorrufen, der wesentlich geringer ist als die Schwellspannung des Leistungs-MOS-Transistors T. Dadurch ist sichergestellt, daß dieser Transistor durch die genannten Ströme nicht in den leitenden Zustand gesteuert werden kann.

Abschließend sei noch angemerkt, daß die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung auch in etwas modifizierter Form aufgebaut sein kann. So können der erwähnte weitere Kondensator Cg und die genannte weitere Ze­ ner-Diode Dg einander ausgetauscht werden. Die so modifi­ zierte Schaltungsanordnung arbeitet praktisch in entsprechen­ der Weise wie die oben erläuterte, in der Zeichnung darge­ stellte Schaltungsanordnung.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung von beim Abschalten ei­ nes mit einer induktiven Last in Reihe liegenden elektro­ nischen Schalters an dessen Schaltstrecke auftretenden Ab­ schaltspannungspitzen mit einer der Schaltstrecke des elek­ tronischen Schalters parallelgeschalteten, die Abschaltspan­ nungsspitzen begrenzenden Schutzschaltung, zu der eine bei Auftreten der jeweiligen Abschaltspannungsspitzen sich im lei­ tenden Zustand befindende Diode und eine zu dieser in Reihe liegende Ableitungsschaltung gehören, die einen Kondensator umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (C) die Last- bzw. Hauptstromstrecke ei­ nes elektronischen Stellgliedes (T) parallelgeschaltet ist, dessen Steuerelektrode von einer Steuerschaltung (R1, R2, Dz) ansteuerbar ist, die einen zur Last- bzw. Hauptstromstrecke des genannten elektronischen Stellgliedes (T) parallelliegen­ den Spannungsteiler (R1, R2) und eine dessen Spannungstei­ lerpunkt (KA) mit der Steuerelektrode des betreffenden elek­ tronischen Stellgliedes (T) verbindende Zener-Diode (Dz) ent­ hält, welche in Sperrichtung betrieben ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das genannte elektronische Stellglied (T) ein Leistungs-MOS-Transistor (T) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zener-Diode (Dz) über einen Widerstand (Rg) mit der Gate-Elektrode des Leistungs-MOS- Transistors (T) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verbindungs­ stelle der Zener-Diode (Dz) und des genannten einen Wider­ stands (Rg) einerseits und der Source-Elektrode des Lei­ stungs-MOS-Transistors andererseits ein weiterer Widerstand (R3) liegt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem genannten weiteren Wider­ stand (R3) ein gesonderter Kondensator (Cg) parallelgeschal­ tet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gate-Source-Strecke des Leistungs-MOS-Transistors (T) eine Zener-Diode (Dg) paral­ lellgeschaltet ist, die in Sperrichtung betrieben ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem genannten weiteren Wider­ stand (R3) eine weitere Zener-Diode parallelgeschaltet ist, die in Sperrichtung betrieben ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gate-Source-Strecke des Leistungs-MOS-Transistors (T) ein gesonderter Kondensator parallelgeschaltet ist.