DE2541817A1

DE2541817A1 - Schutzeinrichtung fuer halbleiterschaltungen

Info

Publication number: DE2541817A1
Application number: DE19752541817
Authority: DE
Inventors: Robert H Fasulkey; Vaughn L Quidort
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-09-25
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1976-04-15
Also published as: BE833749A; FR2286555B1; JPS5160141A; US4020397A; FR2286555A1; GB1476611A; NL7510324A; JPS5444586B2; CA1033004A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Dr.-Ing. Ernst Strcimann

Pritontnnwnlt

Düsseldorf, 18. Sept. 1975 45,515
7559

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Schutzeinrichtung für Halbleiterschaltungen

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für Halbleiterschaltungen, insbesondere eine transistorisierte elektronische Schaltung, mittels der Hochleistungstransistoren bei hohen Frequenzen geschützt werden sollen.

Bisher war es üblich, Transistoren mit gemeinsamem Eingang dadurch zu schützen, daß zu jeder Basis eines jeden Transistors in Serie eine elektrische Sicherung angeordnet wurde. Infolge der Eigenschaften der elektrischen Sicherung selbst betrug die Zeit zur Ermittlung eines Fehlers mehrere Millisekunden, was nicht ausreichend schnell war, um eine Beschädigung der übrigen Transistoren zu verhindern. Schutzeinrichtungen gemäß dem Stand der Technik dienten also im wesentlichen dazu, den Transistor zu schützen, mit dem die Sicherung verbunden war, statt die übrigen Transistoren gegenüber dem Versagen dieses einen Transistors zu schützen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzeinrichtung für Halbleiterschaltungen zu schaffen, mittels der (auch) die übrigen Transistoren z. B. eines Schaltkreises für hohe Leistung mit einem gemeinsamen Eingang geschützt werden können.

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Telefon ίΟ2Π) 32Ο8 58 Telegramme Cuatopat

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere signalübertragende Halbleitereinrichtungen mit einem gemeinsamen Eingangsanschluß vorgesehen werden, wobei in Serie zu dem Steueranschluß einer jeden Halbleitereinrichtung langsam arbeitende Schutzdioden angeordnet sind, die eine Abschaltzeit aufweisen, die größer ist als die Periode des Eingangssignals, die aber auch schneller abschalten als eine übliche elektrische Sicherung,

Durch diese Anordnung gelingt es, eine außerordentlich zuverlässige Arbeitsweise zu erreichen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 eine Anzahl von zeitabhängigen Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.

In Fig. 1 der Zeichnung sind mehrere signalübertragende Halbleitereinrichtungen dargestellt, genauer gesagt npn-Transistoren Q-] / Q₂/ Q3 ··· Q_n/ die zueinander parallel geschaltet sind. Jeder Transistor umfaßt einen Stromsteuerungsanschluß, der im allgemeinen als Basis bezeichnet wird, sowie zwei Leistungsanschlüsse, die im allgemeinen als Kollektor bzw. Emitter bezeichnet werden. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind alle Kollektoren parallel direkt mit einem Leistungsversorgung spot ent ial (B+) verbunden, das dem Anschluß 10 von einer nicht dargestellten Quelle zugeführt wird. Andererseits ist jeder Emitter mit einem gemeinsamen Schaltkreispunkt 12 verbunden, und zwar über entsprechende in Serie geschaltete Fusistoren 14.., 14₂, 14., ... 14 . Ein Fusistor (englisch: fusister = fuse +

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resistor) ist dem Fachmann bekannt. Er arbeitet wie eine elektrische Sicherung , zeigt aber auch einen für eine Sicherungseinrichtung erheblichen Widerstandswert, der in der Größenordnung von 0,01 bis 0,1 Ohm liegt.

In Serie mit der Basis eines jeden Transistors Q-, Q₂, usw. findet sich eine entsprechende Halbleiterdiode 16.., 16~> I63 .., 16 . Die andere Seite der Dioden ist parallel mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt 18 verbunden, an den ein Eingangssteuersignal mit Hilfe einer Eingangsschaltung geliefert wird, die einen Transformator 20 umfaßt, dessen Primärwicklung 22 an zwei Eingangssignalanschlüsse 24 und 26 angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 28 ist mit einem Ende mit dem Schaltkreispunkt 18 über eine Parallelschaltung eines Widerstandes 30 und eines Kondensators 32 angeschlossen, wobei diese Parallelschaltung als ein Vorspannungsnetzwerk arbeitet. Das andere Ende der Sekundärwicklung 28 ist mit der gemeinsamen Verbindung der Fusis tor en 14.., 14„ ... 14 verbunden, d. h. mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt 12. Ein Ausgangsanschluß 13, der mit dem Schaltungspunkt 12 verbunden ist, ist mit einer externen Last 34 verbunden, die außerdem mit einem B- Leistungsversorgungspotential über einen Anschluß 36 verbunden ist.

Alle Dioden 16- ... 16 sind in gleicher Weise hinsichtlich ihres jeweiligen Transistorbasisanschlusses so gepolt, daß das B+ Versorgungspotential daran gehindert wird, an allen übrigen Basisanschlüssen zu erscheinen, falls einer der Transistoren versagt und kurzgeschlossen wird, wodurch das B+ Versorgungspotential an seinem Basisanschluß erscheint. Z. B. ist die Diode 16., mit ihrer Anodenelektrode mit dem Schaltkreispunkt 18 verbunden, mit ihrer Kathodenelektrode direkt mit der Basis des Transistors Q-. Die Diode 16- wird in Rückwärtsrichtung vorgespannt, d. h. nicht-leitend, wenn der Transistor Q- plötzlich vollständig versagt. Die B+ Versorgungsspannung wird somit daran gehindert, dem Schaltungspunkt 18 und entsprechend auch den Basisanschlüssen der verbleibenden Transistoren Q₂ ... Q über deren entsprechende Dioden 16₂ ... 16 so lange zugeführt zu

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werden,·, daß diese Transistoren zerstört »erden» Es sei daJB JBalJfoleiibereinriciktamgera,, ζ» B. Biedern muraä Mietet aaageaibiicklicai atoscäaalitoa» sondern eine IbesitiaMfce scsbalit&eHfc. aufweisen,, die im direkter Bezietamig siteJat z>ui dem umgekehrtem fitzte»,, der vor dem ÄSaseSaalibeaa drarela die Halfoleiifcer— einrichtung hindurckflieBen m£. Entsprechend werfem die Diodena 16,.,, 16₂ speziell ausgewählt bezüglich der Eregtoeaaz des Eixigangs s±-gjaals» sie muss ein aäaer .auf jeden Fall arbeiten als die iabiiciheini telekticiscäiieini die zus. JLaragsaat aaasioseia» teem eiaae BescäaadispajGBif desr

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das lEäJiagaaägssiginal,, IbesJL-fczt gemS£ dieser eine Farespaeanz tfD im dear I^SißeaiiiOßrdinnaaaig "^©n 5OO und -foestefefc aias eiiaer Meclhteckwelle., wie sie !beispielsweise durch den Weliemzscig 38 wiedergegeben -wird. Die !Peariode $'"&/£) dieses Sigmials Ibetxagit 2 ins^ Die Dioden 1.6-,, 16^ asw, sind so ausgewalhlt,, daß Inxe Masciialitzeit gröBer ist als die Periode des Antriebssignals, die-beispielsweise ±n der SrOBeniOrdming I/on 5 ms (Wellenztig 4Ol liegt, so daß wataend des monmalen Betriebes der Dioden diese nicht abschalten, sondem als zweiseitige Einrichtungen arbeiten» die es den entsprechenden Transistoren <Q|„ Q^ _Λ«_Λ 0 ermöglichen,, gemaB dem 2E.ingangsantriebssigsmal ein- nand abzuschalten. Diese Wirtaing beruht auf der Tatsache, daß der zum Abschalten der Transistoren erforderliche umgekehrte Strom während jedes Zyklus ungehindert fließen kann.

Sollte ein Transistor, z. B. der Transistor Q-, einen Kurzschluß erleiden, steigt die Spannung an der Basis, die mit dem Punkt B in Fig. 1 bezeichnet wurde, plötzlich auf die Amplitude des B+ Versorgungspotentials an, was durch den Wellenzug 42 wiedergegeben wird. Da die Basisdiode 16- nicht augenblicklich abschaltet, steigt die Spannung an dem Schaltkreispunkt 18, mit Punkt A bezeichnet, ebenfalls auf den B+ Pegel an, siehe

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Wellenzug 44. Der Wellenzug 40 zeigt ferner, daß die Abschaltzeit für die Diode 16.., das ist die Zeit, während der der umgekehrte Strom durch die Diode auftritt, bis zum Nichtleiten in der Größenordnung von 5 ms liegt. Die B+ Spannung am Punkt A wird somit am Anschlußpunkt 18 erhalten bleiben, bis die Diode 16- sich wieder erholt und nicht-leitend wird, was, wie oben schon erwähnt, eine Zeit ist, die von dem umgekehrten Strom abhängt. Falls der Transistor Q₁ versagt, wird somit B+ den Basisanschlüssen der übrigen Transistoren Q₂, Qo ... Q für eine Zeitperiode zugeführt, die die Diode 16- benötigt, abzuschalten, wobei diese Zeit in der Größenordnung von 4 bis 5 ms liegt. Diese Zeit reicht jedoch nicht aus, um bei den anderen parallelgeschalteten Transistoren Beschädigungen hervorzurufen. Es sei bemerkt, daß bei der Anwesenheit von elektrischen Sicherungen statt der in Serie geschalteten Basisdioden 16- usw. die Sicherung etwa 5 bis 10 ms benötigt, um auszulösen, und daß dadurch zusätzliche Transistorbeschädigungen möglich sind.

Es wurde schon bemerkt, daß nach dem Versagen eines Transistors, z. B. des Transistors Q- und nach dem Schutzvorgang, der den übrigen Transistoren Q₂ ... Q durch das Abschalten der Diode 16- gegeben wird, zusätzlich der Fusistor 14- 5 bis 10 ms später auslöst, um den Transistor Q- vollständig von der Parallelschaltung abzutrennen. Somit wirken sowohl die entsprechende Diode 16.J als auch der Fusistor 14^ als Schutz des Restes der Schaltung in dem Fall, daß der Transistor Q- versagt. Es sollte auch darauf hingewiesen werden, daß für das Element, das mit den Emittern in Serie geschaltet ist, ein Fusistor vorzuziehen ist, weil die von diesem Element gezeigte Widerstandsimpedanz, wenn sie gemeinsam an der Last 34 gemäß Fig. 1 angeschlossen ist, geeignet ist, den zwischen den parallelen Transistoren bei normalem Betrieb fließenden Strom auszugleichen.

Die oben gezeigte Schaltung stellt eine verbesserte Einrichtung zum Schutz der verbleibenden parallelgeschalteten Hoch-

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lexstungstransxstoren dar, wenn einer der Transistoren ein plötzliches Versagen zeigt.

Patentansprüche;

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Claims

-T-

P ateatanspr üche s

Schutzeinrichtung für Halbleiterschaltungen, gekenaazeiictaiet: durch mehrere Signa Ί über tragende

(Q) mit einem gemeinsamen Eingangsschaltungspunkt (18J, mit: mehreren langsam arbeitenden Schutzdioden (16) Mit eimer Absctaaltzeit, die großer ist als die Periode des

signals, aber schneller als eine elektrische Sicheraarngselimrictoitmng, wobei die Dioden in Serie zwischen einem Stsnaear— einer jeden Halbleitereinrxchtung (Q) und cienn

■eiosasten Eingangsschaltungsponkt (18) angeschlossem sianffl.
2. Scbat^einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet jeweils eine Sicherungseinrichtung (14) in Serie zra. LeisitaiagsanschluS einer jeden Halbleitereinrichtuisg
3. Sctaatzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzexcäbimstt:, daß die Sicherungseinrichtung (14) einen Fusistor (Siciaerumg xsit Widerstand) darstellt.
4. Sctaatzeiitrichtung nach einen der vorhergehenden AmsprScSae 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die signaluberfcrawjesa— dem. Balbleitereinrichtungen (14) Transistoren darstellean, daß der Steueranschluß der Basisanschluß des Transistoars ist, und daß der XieistungsanschluB der EnitteransdalmS äes

ist.
5. Sclmatzexiirichtung nach einem der vorhergehenden

gekennzeichnet, daß der Eingangsschaltuiigspcijunict

(18} 3DlI: einem Transformator (2O) verbunden ist, der eiaae BrJanarwlcklung (22) und eine Sekundärwicklung (28) asuf— weist, wobei die Primärwicklung (22) mit: el mm Eimgaimgssigiaal verbunden ist, wahrend das eine Ende der SekmmaäSirwicklung {28) mit dem gesseinsaiaeii Schaltkreispumkt und das andere Ende der Wicklung mit einer (34) verbunden ist.

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6. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diode (16) in der gleichen Polaritätsbeziehung angeschlossen ist und bewirkt,' daß das Versorgungspotential daran gehindert wird, an den gemeinsamen Eingangsschaltungspunkt (18) zu gelangen, wenn die entsprechende Halbleitereinrichtung (16) versagt, an der sie angeschlossen ist.
7. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechende Sicherungseinrichtung (14) einen elektrischen Widerstand von vorbestimmtem ohmschem Wert aufweist, um einen Stromausgleich zwischen den Transistoren (Q) während normalen Betrie s zu bewirken.
8. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fusistoren (14) einen ohmschen Wert aufweisen, der geringer ist als 1,0 Ohm.

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