DE19959003A1

DE19959003A1 - Elektronischer Schalter mit Überstrom-Schutzvorrichtung

Info

Publication number: DE19959003A1
Application number: DE1999159003
Authority: DE
Inventors: Pieder Joerg
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2001-06-13
Also published as: AU1685301A; WO2001043286A1

Abstract

Ein elektronischer Schalter auf Halbleiterbasis ist mit einer Schutzvorrichtung gegen Überstrom versehen. Die Schutzvorrichtung umfasst einen Magnetfeldsensor, der sich zur Messung des Stroms bei einem stromführenden Leiter (7) befindet. Beim Magnetfeldsensor ist ein Körper (8) aus einem Material mit einer magnetischen Permeabilität wesentlich größer als 1 angeordnet, um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen und dessen Abhängigkeit von Strom-Inhomogenitäten zu vermindern.

Description

Hintergrund

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter auf Halbleiterbasis gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

Moderne integrierte Leistungsschalter auf Halbleiterbasis vermögen grosse Ströme mit Spannungen von mehreren Kilovolt zu schalten. Sie werden z. B. in Umrichtern und Gleichrichtern eingesetzt. Sie bestehen aus einem oder mehreren Transistoren, in der Regel MOSFET oder IGBT Bausteinen.

Um Schäden an den Halbleiterschaltelementen zu vermeiden, sind Leistungsschalter normalerweise mit Schutzvorrichtungen ausgerüstet.

Stand der Technik

Bekannte Schutzvorrichtungen bestehen z. B. aus Shunt-Widerständen, über denen der Spannungsabfall gemessen wird, was jedoch bei grossen Strömen zu Leistungsverlusten führt. Andere Lösungen, wie z. B. "current mirror emitters" sind apparativ aufwendig.

In EP 415 439 wurde deshalb vorgeschlagen, zur Überstrombegrenzung das vom Strom erzeugte Magnetfeld zu messen. Die dort vorgeschlagenen Lösungen benötigen jedoch empfindliche Sensoren und sind empfindlich auf inhomogenen Stromfluss in den Leitern.

Darstellung der Erfindung

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Schalter der eingangs genannten Art bereitzustellen, der über eine preiswerte, einfache Überstrom-Schutzvorrich tung verfügt. Diese Aufgabe wird vom Schalter gemäss Anspruch 1 erfüllt.

Durch Anordnung eines Körpers aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität beim Magnetfeldsensor wird der Feldfluss durch den Sensor einerseits erhöht, andererseits auch besser ausgemittelt. Letzeres ist vor allem bei inhomogenem Stromfluss im Leiter von grosser Bedeutung.

Als Material für den genannten Körper eignen sich solche, die eine magnetische Permeabilität µ wesentlich grösser als 1 besitzen, üblicherweise µ ≧ 10, typischerweise µ = 100 bis 100.000, insbesondere ein Körper aus ferromagnetischen Material.

Vorzugsweise umschliesst der Körper den Leiter ringförmig bzw. kreisförmig, wodurch die Stromverteilung im Leiter praktisch keinen Einfluss mehr auf das Sensorsignal hat.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwen dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Doppelschalters mit zwei Schaltmodulen,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Schaltmodul,

Fig. 3 eine mögliche Anordnung des Magnetfeldsensors an einem flachen Leiter und

Fig. 4 eine mögliche Anordnung des Magnetfeldsensors an einem runden Leiter.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Der Schalter nach Fig. 1 umfasst zwei Schaltmodule 1, die im wesentlichen identisch aufgebaut sind, und die einen Ausgang Vout alternativ mit zwei Eingängen V+ und V- verbinden können. Derartige Anordnungen werden z. B. in einem Wechselrichter eingesetzt.

Jedes Schaltmodul 1 umfasst mehrere parallele Transistoren T1, T2, T3, . . ., im vorliegenden Fall IGBTs, die über einen Steuereingang 2 angesteuert werden. Ferner ist eine Überstrom-Schutzvorrichtung vorgesehen.

Die Überstrom-Schutzvorrichtung besteht aus einem integrierten Hall-Sensor und einem Transistor Tx. Der Hall-Sensor ist bei einer Stromschiene 7 angeordnet, die mit allen Emittern der Transistoren T1, T2, T3 verbunden ist und deren Gesamtstrom führt. Sobald das Magnetfeld beim Hall-Sensor einen bestimmten Wert übersteigt, wird der Transistor Tx eingeschaltet und die Transistoren T1, T2, T3 werden unterbrochen.

Der mechanische Aufbau eines Schaltmoduls 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Es besteht aus einem Gehäuse 4, in welchem die Transistoren T1, T2, T3 auf einem wärmeleitenden Substrat 5 angeordnet sind. Die Kollektoren der Transistoren T1, T2, T3 sind mit einer ersten gemeinsamen Stromschiene 6, die Emitter mit einer zweiten gemeinsamen Stromschiene 7 verbunden. Die Stromschienen bestehen aus Metallbändern mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt und flachen Aussenseiten.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Anordnung des Magnetfeldsensors 3 an der Stromschiene 7. Der Magnetfeldsensor 3 ist in einem Spalt eines Rings 8 aus ferromagnetischen Stababschnitten angeordnet. Dieser erstreckt sich parallel zu den Magnetfeldlinien vorzugsweise ganz um die Stromschiene 7 herum, wobei die einzelnen Stababschnitte auf die Stromschiene 7 gelötet oder geklebt sind.

Dank dem Ring 8, welcher z. B. aus Stäben aus µ-Metall besteht, ist der magnetische Feldfluss im Sensor 3 im wesentlichen proportional zum Gesamtstrom I in der Stromschiene 7, unabhängig von Strominhomogenitäten im Leiter. Ausserdem wird der Einfluss von Fremdfeldern reduziert.

Anstelle von einzelnen Stababschnitten kann der Ring 8 auch einstückig gefertigt sein, wie dies z. B. in Fig. 4 für einen runden Leiter 7 dargestellt ist. Hier ist der Ring 8 kreisförmig und an einem Bereich 9 seiner Aussenseite abgeflacht. An diesem Bereich wird der Sensor 3 (gestrichelt gezeichnet) angeordnet. Die Abflachung dient der Feldkonzentration.

Als Magnetfeldsensoren können insbesondere Hall-Sensoren oder magnetoresistive Materialien eingesetzt werden. Insbesondere gibt es vorgefertigte Hall-Sensoren, welche das Feld mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleichen und ein Signal abgeben, sobald das Feld diesen Grenzwert überschreitet. Derartige Sensoren werden in grosser Stückzahl zum Einsatz als Näherungssensoren eingesetzt und sind deshalb sehr preiswert. Dank der verstärkenden Wirkung des Rings 7 können derartige Sensoren zur Detektion der in Leistungsschaltern herrschenden Ströme eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1

Schaltmodul

2

Steuereingang

3

Sensor

4

Gehäuse

5

Wärmeleitendes Substrat

6

,

7

Stromschienen

8

Körper mit hoher magnetischer Permeabilität

9

abgeflachter Bereich
T1 . . . T3 Transistoren des Schalters
Tx Transistor der Überstrom-Schutzvorrichtung
V+, V- Eingänge des Schalters
Vcc1, Vcc2 Hilfsspannungen
Vout Ausgang des Schalters

Claims

1. Elektronischer Schalter auf Halbleiterbasis mit einer Schutzvorrichtung (3, Tx) gegen Überstrom, wobei die Schutzvorrichtung (3, Tx) einen an einem stromführenden Leiter (7) angeordneten Magnetfeldsensor (3) zur Strommessung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Signalverbesserung am stromführenden Leiter (7) beim Magnetfeldsensor (3) mindestens ein Körper (8) aus einem Material mit einer magnetischen Permeabilität (µ) wesentlich grösser als 1 angeordnet ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Körper (8) aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise µ-Metall, besteht.

3. Schalter nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (8) den Leiter (7) ringförmig umschliesst.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der Magnetfeldsensor (3) in einem Spalt im ringförmigen Körper (8) angeordnet ist.

5. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der Körper (8) an einer Aussenseite (9) abgeflacht ist, und dass der Magnetfeldsensor (3) an der abgeflachten Aussenseite angeordnet ist.

6. Schalter nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (8) einstückig ist.

7. Schalter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (7) flache Aussenseiten aufweist, und dass der Körper (8) mehrere stabförmige Einzelstücke aufweist, die an den flachen Aussenseiten angeordnet sind.

8. Schalter nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er parallele Leistungstransistoren (T1, T2, T3) aufweist, wobei der Magnetfeldsensor (3) an einem Leiter (7) angeordnet ist, welcher den Strom für mehrere der Leistungstransistoren (T1, T2, T3) führt.