DE19913455A1 - Short circuit protection e.g. for MOSFET, has short circuit protection by voltage tap at emitter connection in case of IGBT or at source connection of MOSFET by inductance - Google Patents
Short circuit protection e.g. for MOSFET, has short circuit protection by voltage tap at emitter connection in case of IGBT or at source connection of MOSFET by inductanceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung beschreibt einen Kurzschlußschutz für Leistungshalbleiterbauelemente in Schaltungsanordnungen nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.The invention describes a short-circuit protection for power semiconductor components in Circuit arrangements according to the features of the preamble of claim 1.
Anordnungen zum Überlast- und Kurzschlußschutz sind mehrfach aus der Literatur durch Beschreiben ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise bekannt.Arrangements for overload and short-circuit protection have been published several times in the literature Describe their structure and how they work.
Die dem Stand der Technik zuordenbaren Vorveröffentlichungen beschränken sich hauptsächlich auf die Verbesserung der Kurzschlußbeständigkeit von Leistungsschaltern. Dabei wird immer von dem geöffneten oder dem geschlossenen Kurzschlußkreis beim Einschalten des Schalters ausgegangen. In DE 44 10 978 A1 wird beispielhaft ein Verfahren und eine dazu vorgestellte Schaltung zur Verbesserung der Kurzschlußfestigkeit eines bipolaren IGBT vorgestellt. Durch Einbinden eines MOSFET in den Gate-Ansteuerkreis wird der Stromfluß im Kurzschlußfall begrenzt. The prior publications attributable to the prior art are limited mainly to improve the short-circuit resistance of circuit breakers. Here is always from the open or the closed short circuit when switching on Switch turned off. DE 44 10 978 A1 exemplifies a method and one presented circuit to improve the short-circuit strength of a bipolar IGBT presented. By integrating a MOSFET in the gate drive circuit, the current flow limited in the event of a short circuit.
DE 196 30 697 A1 beschreibt eine Überstromüberwachung für Leistungshalbleiterschalter, die über eine dynamische Bewertung von möglichen Fehlansteuerungen der Gateversorgung verfügt, hier kann eine Schaltungsanordnung durch vorzeitiges Abschalten vor Zerstörung geschützt werden.DE 196 30 697 A1 describes overcurrent monitoring for power semiconductor switches via a dynamic evaluation of possible incorrect control of the gate supply has, here a circuit arrangement by premature shutdown before destruction to be protected.
Bei eng gestapelten Hauptstrom- und Ansteuerverbindungen in Schaltungsanordnungen hoher Packungsdichte, insbesondere bei Leistungsschaltern mit hoher Schaltgeschwindigkeit und großen Werten von di/dt beeinflußt das Magnetfeld der Hauptstromführungen, das jede einzelne Leistungsschiene bei Betrieb aufbaut, jeden in unmittelbarer Nähe liegenden Ansteuerkreis, was in statisch vorgegebener Ansteuerung unberücksichtigt bleibt.With closely stacked main current and control connections in circuit arrangements with a high packing density, especially with circuit breakers with a high switching speed and large values of di / dt , the magnetic field of the main current guides, which builds up each individual power rail during operation, influences every control circuit located in the immediate vicinity, which is statically predetermined Control remains unconsidered.
DE 195 38 328 A1 hatte sich die Aufgabe gestellt, eine rückwirkungsfreie Ansteuerung von Leistungshalbleiterbauelementen ohne Transformatortrennung in Leistungsschaltungen durch magnetische Entkoppelung von Ansteuerkreis und Hauptstromkreis vorzustellen. Die Aufgabe wird dort durch genaue Vorschriften für die geometrische Anordnung der elektrischen Zuleitungen für den Ansteuerkreis gelöst, um so negative Einflüsse, die zum Ausfall führen können, zu verringern.DE 195 38 328 A1 had set itself the task of a non-reactive control of Power semiconductor components without transformer isolation in power circuits magnetic decoupling of control circuit and main circuit. The task is there by precise regulations for the geometric arrangement of the electrical Supply lines for the control circuit are loosened in order to avoid negative influences that lead to failure can decrease.
Dem Stand der Technik wird in gleicher Weise eine Durchlaßspannungsüberwachung (VCE-sat) zugeordnet. Bei einer Überwachung dieser Art ist eine vergleichsweise lange Verzögerungszeit gegeben. Hier wird beim Einschalten des Leistungsschalters die Uberstromüberwachung blockiert, bis der Halbleiterschalter gesättigt ist. Hierdurch werden harte Kurzschlüsse erst nach Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit abgeschaltet. In dieser Zeit kann der Kurzschlußstrom auf ein Vielfaches der eingestellten Schwelle ansteigen. Es soll hier auch erwähnt sein, daß die eingestellten Schwellen der VCE-Erfassung starken Temperatur- und Bauelemente- Schwankungen unterworfen sind, was eine genaue Einstellung der Abschaltschwellen in allen Betriebszuständen unmöglich macht.Forward voltage monitoring (V CE -sat) is assigned to the prior art in the same way. Monitoring of this type gives a comparatively long delay time. Overcurrent monitoring is blocked here when the circuit breaker is switched on until the semiconductor switch is saturated. As a result, hard short circuits are only switched off after the set delay time has elapsed. During this time, the short-circuit current can increase to a multiple of the set threshold. It should also be mentioned here that the set thresholds of the V CE detection are subject to strong temperature and component fluctuations, which makes an exact setting of the switch-off thresholds impossible in all operating states.
Bekannt ist in gleicher Weise ein Überlastschutz durch Stromüberwachung mittels Stromsensoren (OCP). Die sehr hohen Ansprüche an die Dynamik der verwendeten Sensoren für die hier darzustellenden Einsatzgebiete mögen hier angesprochen sein. In the same way, overload protection by means of current monitoring is known Current sensors (OCP). The very high demands on the dynamics of the sensors used for the areas of application to be presented here may be addressed here.
In Umrichtern erfolgt die Stromerfassung über Sensoren im Wechselstromanschluß, die potentialfreien Meßsignale können direkt in der Primärseite im Niederspannungsbereich verarbeitet werden. Im Fehlerfall muß das Abschaltsignal erst den Signalweg zur Sekundärseite durchlaufen. Hierdurch entstehen Verzögerungszeiten, die bei extrem kleinen Kurzschlußinduktivitäten zu einem gegenüber der eingestellten Schwelle Vielfachen dieser eingestellten Schwelle und damit zu einer Überschreitung der Grenzbelastung führen können.In inverters, the current is recorded by sensors in the AC connection, the Potential-free measurement signals can be directly in the primary side in the low voltage range are processed. In the event of an error, the shutdown signal must first travel the signal path to the secondary side run through. This creates delay times that are extremely small Short-circuit inductances to a multiple of the set threshold set threshold and thus can lead to the limit load being exceeded.
DE 196 30 697 A1 beschreibt eine Überstromüberwachung, bei der Überströme durch eine dynamische Bewertung erkannt werden und dadurch eine mögliche Fehlansteuerung der Gateversorgung durch vorzeitiges Abschalten vermieden wird.DE 196 30 697 A1 describes overcurrent monitoring in which overcurrents are caused by a dynamic evaluation can be recognized and thereby a possible incorrect control of the Gate supply is avoided by early shutdown.
DE 196 17 054 Al schlägt vor, eine Überstrom- und Kurzschlußsicherung durch Auswertung der Ströme über in die Schaltungen integrierte Sensoren vorzunehmen, um innerhalb von 3 µs die Strombelastung der Schaltungsanordnung zu beseitigen. Nach dem bekannten Stand der Technik werden die Stromsensoren in den AC-Ausgang geschaltet, wodurch ein Brückenkurzschluß nicht gemessen werden kann.DE 196 17 054 Al proposes an overcurrent and short-circuit protection by evaluation of the currents via sensors integrated in the circuits to carry out within 3 µs to eliminate the current load on the circuit arrangement. According to the known state of the Technology, the current sensors are switched into the AC output, causing a Bridge short circuit cannot be measured.
Es muß zum Verständnis der Aufgabenstellung weiterhin dargestellt werden, daß der Einsatz moderner Leistungsschalter in Form neuester Erfindungen in Form von IGBT und MOSFET zu immer schneller arbeitenden Umrichtern führt und die Belastbarkeit bezüglich der Spannungsfestigkeit und des möglichen Stromflusses in Durchlaßrichtung zu immer größeren Werten führt. Das hat zur Folge, daß die Werte di/dt und du/dt immer größer werden.To understand the task, it must also be shown that the use of modern circuit breakers in the form of the latest inventions in the form of IGBT and MOSFET leads to faster and faster working inverters and the load capacity with regard to dielectric strength and the possible current flow in the forward direction leads to ever greater values. As a result, the values di / dt and du / dt are getting bigger.
Die größeren Geschwindigkeiten erfordern immer wirksamere Kurzschluß- und/oder Überlast- Schutzmaßnahmen. Solche Maßnahmen müssen bei Schaltungsanordnungen der hier dargestellten Art für alle Betriebsarten von Umrichtern ausgelegt sein und in allen Teilen von Schaltungsanordnungen unmittelbar wirken. Vorhandene Schutzkonzepte müssen insofern überarbeitet werden.The higher speeds require increasingly effective short-circuit and / or overload Protective measures. Such measures must be taken with circuit arrangements here be designed for all operating modes of converters and in all parts of Circuit arrangements act immediately. Existing protection concepts have to be considered be revised.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Stromüberwachung direkt an jedem Leistungshalbleiterschalter in Form der Erfassung und Bewertung der momentanen Stromänderung di/dt vorzunehmen:The object of the present invention is to carry out current monitoring directly at each power semiconductor switch in the form of the detection and evaluation of the current current change di / dt :
Die Aufgabe wird bei Leistungshalbleiterschaltern der dargestellten Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.The task is performed by the measures in power semiconductor switches of the type shown of the characterizing part of claim 1 solved, preferred further developments are in described the subclaims.
In jeder Schaltungsanordnung ist die zu überwachende kritische Phase durch den Einschalt- und Ausschaltpunkt jedes Leistungsschalters gegeben. In diesen beiden Zeitpunkten ist die Belastung des jeweiligen Kommutierungskreises am größten. Der Wert des Stromanstiegs di/dt ist normiert ein Maß für das schaltungsgerechte Verhalten jedes Leistungsschalters in der Schaltphase.In every circuit arrangement, the critical phase to be monitored is given by the switch-on and switch-off points of each circuit breaker. The load on the respective commutation circuit is greatest at these two times. The value of the current increase di / dt is standardized a measure of the circuit-correct behavior of each circuit breaker in the switching phase.
Die Erfasssung dieses Wertes di/dt kann mit geringem Zusatzaufwand und geringen Zusatzkosten über die konstruktiv bei jedem Bauelementeautbau vorhandene parasistäre Induktivität am Emitteranschluß jedes Leistungsschalters erfolgen. Durch die Halbleiterbauart bedingt sind parasitäre Induktivitäten neben anderen Schaltungspositionen auch an den Emitteranschlüssen der Leistungsschalter gegeben.This value di / dt can be detected with little additional effort and low additional costs via the parasitic inductance at the emitter terminal of each circuit breaker, which is constructively present in every component construction. Due to the semiconductor design, parasitic inductances are given in addition to other circuit positions also at the emitter connections of the circuit breakers.
Durch einen gegenüber dem Normwerte von di/dt wesentlich überhöhtem Wert bei einem Kurzschluß wird an der parasitären Induktivität des Emitteranschlusses eine Spannung induziert. Diese Spannung ist um so größer, je größer der Stromanstieg di/dt ist.A voltage which is significantly higher than the standard value of di / dt in the event of a short circuit is induced on the parasitic inductance of the emitter connection. The greater the current increase di / dt , the greater this voltage.
Die vorliegende Erfindung nutzt diesen Effekt, indem die Spannung zwischen dem Hilfsemitter und dem Hauptemitter des Leistungsschalters gemessen wird. Überschreitet die induzierte Spannung zwischen dem Hilfsemitter und dem Hauptemitter einen vorgegebenen und eingestellten Wert, so kann in jedem Fall ein schnelles und sicheres Abschalten des Leistungsschalters bewirkt werden. The present invention takes advantage of this effect by reducing the voltage between the auxiliary emitter and the main emitter of the circuit breaker is measured. Exceeds the induced Voltage between the auxiliary emitter and the main emitter a predetermined and set value, a quick and safe shutdown of the Circuit breaker can be effected.
Durch dieses indirekte Erfassen von di/dt erfolgt eine Überwachung direkt in der Sekundärseite des Treibers, wodurch der Leistungsschalter bei entsprechender Bewertung der in der parasitären Induktivität induzierten Spannung mit geringem Zeitverzug unmittelbar bei Auftreten eines Kurzschlusses abgeschaltet werden kann.Through this indirect detection of di / dt , monitoring takes place directly in the secondary side of the driver, which means that the circuit breaker can be switched off immediately after a short circuit if the voltage induced in the parasitic inductance is evaluated with little delay.
Es versteht sich, daß die Auswertung verschiedener Signale aus anderen und der di/dt- Messung über ein hierarchisches Raster erfolgt, so daß eventuell nicht ein vollständiges Abschalten, sondern ein partielles Abschalten oder eine Leistungsreduzierung des betreffenden Leistungsschalters oder der Schaltungsanordnung erfolgen kann. Die schnelle Istzeit- Verfügbarkeit des di/dt- Wertes ist in jedem Falle vorteilhaft, um die erforderliche schnelle Abfrage in dem Auswerteraster vornehmen zu können.It goes without saying that the evaluation of various signals from others and the di / dt measurement takes place via a hierarchical grid, so that it may not be possible to switch off completely, but rather to switch off partially or reduce the power of the circuit breaker concerned or of the circuit arrangement. The fast actual time availability of the di / dt value is advantageous in any case in order to be able to carry out the required quick query in the evaluation grid.
Die Erhebung des erfinderischen Spannungswertes auf der Grundlage eines veränderten di/dt- Wertes hat neben dem Zeitgewinn in der Bewertung eines Kurzschlusses eine einfache und einmalige Festschreibung der Einschaltschwelle als Vorteil. Fertigungsschwankungen und die momentane Temperatur der Leistungsschalter wirken sich nicht auf die Überwachung aus. Der erhobene Wert ist lediglich abhängig von der geometrischen Dimensionierung des Moduls und seiner mechanischen Abmessungen in den relevanten Schaltungsteilen. Die Auswertung kann mit einer Referenzquelle oder mit einer einfachen Transistorschaltung erfolgen. Es ist keine Potentialtrennung erforderlich, da die Überwachung auf Emitterpotential erfolgt. Die Überwachungsschaltung besteht aus wenigen Bauteilen und ist daher kostengünstig und zuverlässig.In addition to the time saved in the evaluation of a short circuit, the ascertainment of the inventive voltage value on the basis of a changed di / dt value has the advantage of a simple and one-time fixing of the switch-on threshold. Production fluctuations and the current temperature of the circuit breakers have no effect on the monitoring. The value determined is only dependent on the geometric dimensioning of the module and its mechanical dimensions in the relevant circuit parts. The evaluation can be done with a reference source or with a simple transistor circuit. No potential isolation is required, since the monitoring for emitter potential is carried out. The monitoring circuit consists of a few components and is therefore inexpensive and reliable.
Auf der Grundlage der nachfolgend beschriebenen Darstellungen in den Fig. 1 bis 4 soll die erfinderische Idee näher erläutert werden.On the basis of the representations described below in FIGS. 1 to 4, the inventive idea will be explained in more detail.
Fig. 1 stellt in Skizze den relevanten Teil einer Schaltung nach dem Stand der Technik dar. Fig. 1 shows in sketch the relevant part of a circuit according to the prior art.
Fig. 2 zeigt die zu Fig. 1 analoge Prinzipskizze mit der erfinderischen Idee. FIG. 2 shows the schematic diagram analogous to FIG. 1 with the inventive idea.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit Gegenüberstellung des Kurzschlußschaltverhaltens.3 shows a diagram with a comparison of the short-circuit switching behavior.
Fig. 4 veranschaulicht in Diagrammform Schaltergebnisse mit und ohne Erfindung. Fig. 4 illustrates in diagram form switching results with and without the invention.
Fig. 1 stellt einen Teil aus dem Zusammenhang der Gesamtheit aller parallel oder in Reihe geschalteten weiteren Leistungsschalter (1) der gleichen Art herausgelöst und in gleicher Weise nur den für die Erfindung maßgebenden Teil der Ansteuerung aus der gesamten Schaltungsanordnung dar. Fig. 1 shows a part from the context of the entirety of all parallel or series connected further circuit breakers ( 1 ) of the same type and in the same way represents only the part of the control of the entire circuit arrangement which is decisive for the invention.
Die Überwachung der Gate-Ansteuerung erfolgt durch die Messung der Durchlaßspannung VCE des Hauptschalters (1) über die Abgriffe an Kollektor (2) und Emitter (6), die Durchlaß spannung steigt mit dem Strom der durch den Leistungshalbleiterschalter fließt an.The gate control is monitored by measuring the forward voltage V CE of the main switch ( 1 ) via the taps on the collector ( 2 ) and emitter ( 6 ), the forward voltage increases with the current flowing through the power semiconductor switch.
Übersteigt die Durchlaßspannung die eingestellte "Schwelle" in der Erfassung (7), so führt dieses Signal (8) nach Vergleich mit der Referenzspannung (9) im Komparator (10) zu dem Abschaltsignal (11) für den Gatetreiber (4) und damit zum automatischen und selbständigen Abschalten des Leistungshalbleiterschalters, um diesen somit vor Zerstörung zu schützen.If the forward voltage exceeds the set "threshold" in the detection ( 7 ), this signal ( 8 ) leads, after comparison with the reference voltage ( 9 ) in the comparator ( 10 ), to the shutdown signal ( 11 ) for the gate driver ( 4 ) and thus to automatic and independent switching off of the power semiconductor switch in order to protect it from destruction.
Durch das dynamische Verhalten des Leistungshalbleiterschalters, der Temperaturabhängigkeit seiner elektrischen Schalteigenschaften und der Höhe der angesteuerten Gatespannung, verändert sich das Schaltverhalten des einzelnen Halbleiterschalters, so daß die vorgegebenen Schaltinhalte (Stromfluß, Spannungen und Zeitabläufe) verändert sein können. Mit steigender Temperatur und mit fallender Gatespannung steigt beispielhaft die Durchlaßspannung der meisten Leistungshalbleiterschalter an. Andererseits verlangsamen sinkende Gateversorgungs spannungen das Schalten der Leistungshalbleiterschalter, was bei einer vorgegebenen festen Zeitfolge zu Fehlverhalten führen kann.Due to the dynamic behavior of the power semiconductor switch, the temperature dependence its electrical switching properties and the level of the controlled gate voltage, changes the switching behavior of the individual semiconductor switch, so that the predetermined Switching contents (current flow, voltages and timings) can be changed. With increasing Temperature and with falling gate voltage increases the forward voltage of the most power semiconductor switches. On the other hand, sinking gate supplies slow down voltages the switching of the power semiconductor switch, which at a predetermined fixed Sequence can lead to misconduct.
Das Schaltsignal des Mikroprozessors (5) in Fig. 1 steuert das Gateansteuermodul (4), das der Freigabe des Fehlersignals (11) bedarf. Als Folge davon schaltet das Gateansteuermodul den Leistungshalbleiter ein und nach einer fest eingestellten Verzögerungszeit (z. B. Vorgabe durch ein RC- Glied) beginnt die Messung der Durchlaßspannung. Diese Verzögerungszeit ist sowohl vom verwendeten Leistungshalbleiterschalter als auch von dessen Gatewiderstand abhängig und muß anwendungsspezifisch eingestellt werden. Steigt in dem Beispiel der Fig. 1 die Durchlaßspannung über eine fest eingestellte "Schwelle" (9), so schaltet die VCE- Überwachung den Leistungshalbleiter über das Fehlersignal (11) ab. The switching signal of the microprocessor ( 5 ) in FIG. 1 controls the gate control module ( 4 ), which requires the error signal ( 11 ) to be released. As a result, the gate control module switches on the power semiconductor and after a fixed delay time (e.g. specification by an RC element) the forward voltage measurement begins. This delay time depends both on the power semiconductor switch used and on its gate resistance and must be set to suit the application. If the forward voltage rises above a fixed "threshold" ( 9 ) in the example in FIG. 1, the V CE monitoring switches off the power semiconductor via the error signal ( 11 ).
Die Freigabe des Fehlersignals (11) erfolgt nach einer fest eingestellten Zeit und arbeitet somit unabhängig vom tatsächlichen Schaltzustand des Leistungshalbleiterschalters (1). Bei einer verringerten Gate-Versorgungsspannung (3) schaltet aber der Leistungshalbleiterschalter deutlich langsamer ein, das führt zum Fehlverhalten der VCE-Überwachung (8). Weiterhin ist die Durchlaßspannung bei geringer Gate-Spannung höher, was zur Folge hat, daß bereits geringe Ströme im Leistungshalbleiterschalter (1) von der VCE-Überwachung (8) als Kurzschluß interpretiert werden und wodurch deshalb ein fehlerhaftes zu frühes Ansprechen der Überwachung im Komparator (10) verursacht wird.The error signal ( 11 ) is released after a fixed time and thus works independently of the actual switching state of the power semiconductor switch ( 1 ). With a reduced gate supply voltage ( 3 ), however, the power semiconductor switch switches on much more slowly, which leads to incorrect behavior of the V CE monitoring ( 8 ). Furthermore, the forward voltage is higher when the gate voltage is low, with the result that even low currents in the power semiconductor switch ( 1 ) are interpreted by the V CE monitoring ( 8 ) as a short circuit, and therefore a faulty response of the monitoring in the comparator ( 10 ) is caused.
Die VCE-Überwachung kann wegen der Totzeit nur in einem durch ein Minimum begrenzten Bereich der Kurzschlußinduktivität verwendet werden. In der Praxis nach dem Stand der Technik werden beide Sicherungsmaßnahmen, die VCE- und die induktive Stromüberwachung, kombiniert angewendet, woraus eine hohe Kostenbelastung resultiert.Due to the dead time, the V CE monitoring can only be used in a range of short-circuit inductance that is limited by a minimum. In practice according to the state of the art, both safety measures, V CE and inductive current monitoring, are used in combination, which results in a high cost burden.
Fig. 2 zeigt die zu Fig. 1 analoge Prinzipskizze mit der erfinderischen Idee. Die dem Stand der Technik entsprechende Schaltungsanordnung ist Grundlage für die Darstellung der erfinderischen Idee. Der Leistungsschalter (1), hier beispielhaft ein IGBT mit entsprechender Freilaufdiode, besitzt eine di/dt-Überwachung (17) am Emitter (6). FIG. 2 shows the schematic diagram analogous to FIG. 1 with the inventive idea. The circuit arrangement corresponding to the prior art is the basis for the representation of the inventive idea. The circuit breaker ( 1 ), here for example an IGBT with a corresponding free-wheeling diode, has a di / dt monitor ( 17 ) on the emitter ( 6 ).
Erfindungsgemäß sind in dem Emitteranschluß zwei Spannungsabgriffe (15, 16) vorgesehen, um den Spannungsabfall über der parasitären Induktivität Le (13) zu erfassen. Dieser Spannungsabfall ist ein Spiegelbild der Größe der Stromflußänderung in dem Schalter (1). In einem Kurzschlußfall wird eine hohe Stromflußänderung registriert, was einen großen Spannungsabfall an der parasitären Induktivität (13) zur Folge hat, diese wird zwischen den Punkten 15 und 16 erfaßt und in der di/dt-Bewertung (17) zum di/dt-Istwert- Signal (18) verarbeitet.According to the invention, two voltage taps ( 15 , 16 ) are provided in the emitter connection in order to detect the voltage drop across the parasitic inductance Le ( 13 ). This voltage drop is a reflection of the magnitude of the change in current flow in the switch ( 1 ). In the event of a short circuit, a large change in current flow is registered, which results in a large voltage drop across the parasitic inductance ( 13 ), which is detected between points 15 and 16 and in the di / dt evaluation ( 17 ) to the actual di / dt value - Signal ( 18 ) processed.
Bei Überschreiten der durch eine Referenzspannung (19) vorgegebenen di/dt-Grenze erfolgt eine Bewertung als entsprechendes Fehlersignal (11). Der Gatetreiber (4) setzt über den Gateanschluß (3) das Gatesignal zurück, was zum Abschalten des Leistungsschalters führt. If the di / dt limit specified by a reference voltage ( 19 ) is exceeded, an evaluation is made as a corresponding error signal ( 11 ). The gate driver ( 4 ) resets the gate signal via the gate connection ( 3 ), which leads to the circuit breaker being switched off.
Der Fehler wird dem Controller (5) über die Verbindung (12) gemeldet. Mit der Meldung der überschrittenen Abschaltschwelle (12) und der Verarbeitung in dem Mikroprozessor (5) wird der aufgetretene Fehler logistisch in der Ansteuerschaltung verarbeitet.The error is reported to the controller ( 5 ) via the connection ( 12 ). With the notification of the exceeded switch-off threshold ( 12 ) and the processing in the microprocessor ( 5 ), the error that has occurred is processed logistically in the control circuit.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit Gegenüberstellung des Kurzschlußschaltverhaltens. Dargestellt sind Spannungsverläufe, wie sie in einem Oszillogramm von Messungen gefunden wurden. Die drei Kurvenverläufe stellen dabei die erfinderische Lösung mit einer di/dt-Sicherung, sowie der OCP- Überwachung und der VCE- Überwachung nach dem Stand der Technik dar.3 shows a diagram with a comparison of the short-circuit switching behavior. Voltage curves are shown, as found in an oscillogram of measurements. The three curves represent the inventive solution with a di / dt protection , as well as OCP monitoring and V CE monitoring according to the state of the art.
Grundlage dieses Diagrammes waren Messungen an einem Versuchsaufbau mit einem IGBT- Leistungsschalter. Bei einer Arbeitsspannung von 900 Volt wurde ein Kurzschluß eingeleitet. Die di/dt-Überwachung bewirkt einen Kurvenverlauf(18) für den Spannungsaufbau nach geöffnetem Gate. Der Stromanstieg wird unmittelbar festgestellt, er führt zum Abschalten des Leistungsschalters und damit zum Anstieg der Arbeitsspannung auf die eingestellte Größe.This diagram was based on measurements on a test setup with an IGBT circuit breaker. A short circuit was initiated at a working voltage of 900 volts. The di / dt monitoring causes a curve ( 18 ) for the voltage build-up after the gate is open. The current rise is detected immediately, it leads to the circuit breaker opening and thus to the increase in the working voltage to the set size.
Dem Kurvenverlauf (19) liegt eine OCP-Überwachung zu Grunde. Dabei steht für OCP "over current protection" ein bestimmter Überstromschutz von Schaltungsanordnungen. In der Praxis wird nach dem Stand der Technik über Stromsensoren am Wechselstromausgang der Schaltung der Stromfluß registriert und durch Begrenzung bei Überhöhung ein Abschalten der Anordnung bewirkt. Durch diese Methode und der Abhängigkeit von anderen Schaltungs parametern ist ein Zeitschlupf von ca. 2 µs meßtechnisch erkennbar. Zur Vergleichbarkeit der Spannungserholzeit mit dem Kurvenverlauf (18) sind alle Versuchsparameter gleich und unvariiert vorgegeben worden.The curve shape ( 19 ) is based on OCP monitoring. A certain overcurrent protection of circuit arrangements stands for OCP "over current protection". In practice, according to the prior art, the current flow is registered via current sensors at the AC output of the circuit, and the arrangement is switched off by limiting it in the event of an increase. With this method and the dependence on other circuit parameters, a time slippage of approx. 2 µs can be recognized by measurement. In order to compare the voltage recovery time with the curve ( 18 ), all test parameters have been given the same and without variation.
Der Kurvenverlauf (20) zeigt einen Kurzschlußfall bei ebenfalls gleichen Versuchsparametern mit einer VCE- Überwachung nach Fig. 1. Der Zeitschlupf ist beachtlich und kann bei hohen Stromflußänderungen (di/dt von <300 A/µs) zu einer Vernichtung des Leistungsschalters führen. The course of the curve ( 20 ) shows a short circuit in the case of the same test parameters with a V CE monitoring according to FIG. 1. The time slip is considerable and can lead to the circuit breaker being destroyed in the event of high current flow changes ( di / dt of <300 A / µs).
Fig. 4 veranschaulicht in Diagrammform Schaltergebnisse mit und ohne Erfindung. Wiederum sind die drei Überwachungsmethoden, wie zu Fig. 3 beschrieben, gegenübergestellt. Der Unterschied besteht darin, daß für jede der drei Methoden die geringst möglichen Kurzschlußinduktivitäten gewährleistet wurden. Fig. 4 illustrates in diagram form switching results with and without the invention. Again, the three monitoring methods, as described for FIG. 3, are compared. The difference is that the lowest possible short-circuit inductances were guaranteed for each of the three methods.
Bei Beachtung der eigenen Grenzbedingungen ist die erfinderische Lösung so schnell, daß der Leistungsschalter nicht vollständig einschaltet, sondern bereits vor Erreichen der Sättigung wieder ausgeschaltet wird. Die extrem kurze Reaktionszeit führt damit zu einer extrem kleinen Überspannung am Leistungsschalter.Taking into account your own boundary conditions, the inventive solution is so quick that the The circuit breaker does not open completely, but before the saturation is reached is switched off again. The extremely short response time therefore leads to an extremely short one Circuit breaker overvoltage.
Bei Ansprechen der di/dt- Überwachung ergeben sich aufgrund des geringen Verlustleistungsumsatzes keine Restriktionen bezüglich eines erneuten Einschaltens.If the di / dt monitoring is activated, there are no restrictions with regard to restarting due to the low power dissipation.
Claims (6)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE1999113455 DE19913455A1 (en) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | Short circuit protection e.g. for MOSFET, has short circuit protection by voltage tap at emitter connection in case of IGBT or at source connection of MOSFET by inductance |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE1999113455 DE19913455A1 (en) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | Short circuit protection e.g. for MOSFET, has short circuit protection by voltage tap at emitter connection in case of IGBT or at source connection of MOSFET by inductance |
Publications (1)
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|---|---|
| DE19913455A1 true DE19913455A1 (en) | 2000-10-05 |
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ID=7902312
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| DE1999113455 Ceased DE19913455A1 (en) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | Short circuit protection e.g. for MOSFET, has short circuit protection by voltage tap at emitter connection in case of IGBT or at source connection of MOSFET by inductance |
Country Status (1)
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| DE (1) | DE19913455A1 (en) |
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