DE2843732A1

DE2843732A1 - Schutzschaltung fuer eine schottky- leistungsdiode

Info

Publication number: DE2843732A1
Application number: DE19782843732
Authority: DE
Inventors: Guy Dameme; Jean-Marie Watremez
Original assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Current assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1978-10-06
Publication date: 1979-04-12
Also published as: FR2405576A1; DE2843732B2; FR2405576B1

Description

Patentanwälte

Dipl.-lng. Dipl.-Chem. Dipl.-lng.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

6. Oktober 1978

LIGHES TELEGRAPHIQUES

ET TELEPHONIQÜES

89, rue de la Faisanderie

75016 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: L 1082

Schutzschaltung für eine Schottky-Leistungsdiode

Die Erfindung betrifft den Schutz von Sohottky-Leistungsdioden gegen die schädlichen Auswirkungen von ungewollten Überspannungen kurzer Dauer in der Sperriohtung, die insbesondere beim Schließen und öffnen eines netzgespeisten Gleichrichters entstehen.

Es ist bekannt, Schottky-Dioden zur Gleichrichtung von Wechselspannungen zu verwenden, um eine Gleichstromversorgung bis zu verhältnismäßig großen Leistungspegeln zu realisieren.

Es ist auoh bekannt, daß das Anlegen von Sperrspannungen, die größer als der vom Hersteller angegebene Nennwert sind, selbst bei kurzer Dauer die Diode beeinträchtigt

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und früher oder später ihre Zerstörung zur Folge hat. Da die Verwendung einer Schottky-Leistungsdiode als Stromgleichrichter im Dauerbetrieb Vorteile ergibt, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um das Anlegen eventueller Überspannungen an die Leistungsdioden zu vermeiden.

Zur Erläuterung der Erscheinung soll eine Leistungsdiode betrachtet werden, an die eine vorübergehende Überspannung angelegt wird. Fig· 1a zeigt eine Schaltung, welche die Bedingungen beim Einschalten einer Leistungsdiode 1 nachbildet, die über Verbindungen 2 mit den Klemmen A und B einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, die in dem Augenblick, in welchem der Schalter 4 den Stromkreis schließt, den Wert V annimmt. Die gleichgerichtete Spannung erscheint an den Klemmen G und D. Fig. 1b stellt das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung von Fig. 1a dar. In diesem Ersatzschaltbild ist die Diode 1 durch eine Kapazität G und ihren Widerstand R dargestellt, und die Verbindungen sind duroh ihre Ersatzschaltung in Form einer Induktivität L und einer verteilten Kapazität C_r dargestellt.

Das plötzliche Schließen des Schalters 4 verursacht das Auftreten von gedämpften Schwingungen, wobei die Amplitude der ersten negativen Halbwelle im wesentlichen dem 2,5-fachen der Speisespannung V ist. Um die Zerstörung der Diode zu vermeiden, empfehlen die Hersteller von Sohottky-Dioden, diese gegen Überspannungen in der Sperrichtung mit Hilfe einer Widerstands-Kapazitäts-Sohaltung zu schützen (vgl. Note Nr. 131 vom Oktober 1975 ""Power Schottky Diodes" von N. WOOD, herausgegeben von der Firma T.R.W.). Fig. 1c zeigt die in dieser Note empfohlene Sohaltung mit einem Widerstand von 4 Ohm und einen Kondensator von 100 nF, die der Diode parallelgesohaltet sind. Die Verwendung einer solohen Schutzschaltung ergibt eine Verringerung der Schaltgesohwindigkeit

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infolge des Kapazitätswerts des Kondensators 6, der etwa gleich dem 100-faohen des Werts von C ist, sowie wegen der Zeitkonstante der Sohutzschaltung, die größer als diejenige der Diode ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schutzschaltung zum Schutz einer Sohottky-Leistungsdiode gegen Überspannungen kurzer Sauer in der Sperrichtung, bei welcher die Sohaltgesohwindigkeit der Diode aufrechterhalten bleibt.

Nach, der Erfindung ist eine Schutzschaltung für eine Sohottky-Leistungsdiode zum Schutz gegen vorübergehende Überspannungen im Anschluß an das Ein- und Ausschalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsdiode wenigstens eine Schottky-Diode kleiner Leistung mit gleicher Durchlaßrichtung parallelgeschaltet ist, deren Lawinenspannung V kleiner als die Grenzspannung Vt der Sohottky-Leistungsdiode ist.

Gemäß einer abgeänderten Ausführungsform enthält die Schutzschaltung ferner einen Strombegrenzungswiderstand für die Diode geringer Leistung.

Die Schutzschaltung naoh der Erfindung ergibt die folgenden Vorteile:

- Bei einer Durchlaßspannung stellt ihr Vorhandensein keine Einschränkung dar, denn die Kapazität der Schutzdiode ist vernaohlässigbar gegen die Kapazität der Leistungsdiode, wogegen ihr Widerstand größer ist;

- bei einer Sperrspannung ergibt ihr Vorhandensein keine Einschränkung, da die Nennspannung und die durch die Datenblätter des Herstellers festgelegten Kennlinien vollkommen berücksichtigt werden;

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- in Pall einer vorübergehenden Überspannung, welche die Nennspannung überschreitet, fließt durch die Schutzdiode ein Strom, der die an der Leistungsdiode anliegende Sperrspannung auf einen Wert begrenzt, der höchstens gleich der Grenzspannung ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die bereits erwähnten Schaltbilder zur Erläuterung des zu lösenden Problems,

Fig. 2a eine Schutzschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2b das elektrische Ersatzschaltbild der Schaltung von Fig. 2a,

Fig. 3 die Strom-Spannungs-Kennlinien der Dioden von Fig. 2a für die Sperrichtung,

Fig. 4 die Kennlinie der maximalen Spannung an der Leistungsdiode als Funktion der Eingangsspannung und

Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform der Schutzschaltung nach der Erfindung.

Fig. 2a zeigt zwei Dioden 1 und 7> die gleichsinnig parallel an die Klemmen A und B über die Verbindung 2 angeschlossen sind, von der zuvor erläutert wurde, daß sie einer Induktivität L und einer verteilten Kapazität C_r äquivalent ist. Die Leistungsdiode 1 ist durch ein größeres SohaItungssymbol als die Diode 7 dargestellt, um daran zu erinnern, daß die

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Diode 1 einen mittleren Durchlaßstrom, der zwischen mehreren Ampere und mehreren zehn Ampere liegt, über eine Sperrschicht mit einer Flächenausdehnung von mehreren zehn Quadratmillimetern führen kann, während die Schutzdiode 7 nur einige zehn Milliampere über eine Sperrschicht von einigen tausendstel Quadratmillimetern Querschnittsfläohe überträgt.

Fig. 2b zeigt das Ersatzschaltbild der an die Klemmen A und B angeschlossenen Dioden 1 und 7. Die Diode 7 ist durch den Widerstand 8, die Kapazität 9 und einen Schalter 10 ersetzt, wobei der Schalter 10 geschlossen ist, wenn die an der Diode 7 anliegende Sperrspannung wenigstens gleich der Spannung V„ ist, bei welcher der Lawinenstrom auftritt. Die Diode 1 ist wiederum duroh ihre Kapazität C und ihren Widerstand R ersetzt.

Fig. 3 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie 11 der Diode für die Sperrichtung und die entsprechende Kennlinie 12 der Schutzdiode 7* Diese beiden Kurven sind für den Impulsbetrieb für eine Impulsdauer zwischen 100 und 500 ns mit einer Folgefrequenz von 1000 Impulsen pro Sekunde aufgenommen worden. Die Kurve 11 läßt erkennen, daß die Leistungsdiode bei einer Spannung, die gleich der Nennspannung Vjj ist, einen meßbaren Sperrstrom aufweist. Der Sperrstrom ist im wesentlichen der Spannung proportional, bis zu einem Grenzwert VV» der nahe bei dem Knick der Kennlinie liegt, von dem an der Stromanstieg schnell zunimmt, bis zur Zerstörung der Diode, die bei der Spannung V_D eintritt. Dagegen läßt die Kurve 12 erkennen, daß bis zu einer Spannung V_ der Strom der Schutzdiode sehr klein ist. Der Strom wächst dann im wesentlichen linear nach der Gesetzmäßigkeit I = (V - V)/Rß an, wenn mit R_Ä der dynamische Widerstand der Schutzdiode bezeichnet wird. Der Gesamtstromfluß ist durch die Kurve 13 dargestellt.

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Beispielsweise let der Schutz einer im Handel unter der Bezeichnung BYX89B erhältlichen Schottky-Leistungsdiode mit Hilfe einer Diode geringer Leistung vorgenommen worden, die im Handel unter der Bezeichnung P"V65 vertrieben wird. Un^er den zuletzt genannten Dioden sind nämlich welche zu finden, die eine Lawinenspannung V₀ von 65 Volt aufweisen und sich als Schutzdioden eignen. Da die Diode SYX89B

ρ eine Querschnittsflache von 25 mm und die Diode BAV65 eine

_·ζ ρ Quersohnittsflache von 2,6·10 mm hat, ist das Verhältnis der Querschnittsflächen im wesentlichen gleich 10 . Die Kapazitätswerte der Dioden "betragen 5· 10 bzw. 5· 10 ^ F; der Beitrag der Schutzdiode zur Kapazität kann daher als vernaohlässigbar angesehen werden.

Fig. 4 zeigt die Kurve 14 der Änderung der Amplitude der ersten negativen Halbsohwingung der Diode BYX89B als Funktion der an die Klemmen A und B angelegten Spannung und die Kurve 15 des entsprechenden Spannungsverlaufs, wenn die Diode BAV65 parallel zu der Diode BYX89B geschaltet ist. Die Kurve 15 zweigt von der Kurve 14 bei der Spannung V₀ ab, die gleich dem Quotient aus der Lawinenspannung V_n der

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Schutzdiode, geteilt durch den Gütefaktor K der nichtgesohützten Sohaltung ist. Diese Kurve ist ferner durch die horiuontale Gerade begrenzt, die durch die Grenzspannung V₁ der Leistungediode bei 75 Volt geht, die erreioht wird, wenn die Spannung an den Kiemen A und B gleioh 60 Volt ist.

Der Schutz der Diode ΒΪΧ89Β kann beispielsweise auch mit Hilfe einer in Handel unter der Bezeichnung BAT36 erhältlichen Diode erfolgen. Unter diesen Dioden haben einige eine Lawinenspennung V' , die zwischen 60 und 65 Volt liegt, so daß sie sioh für die zuvor erwähnten Sohutzdioden eignen. Die Quersohnittsf lache der Dioden BAT36 beträgt 7·10""² mm²,

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so daß das Fläehenverhältnis zwischen der Leistungsdiode

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und der Schutzdiode 3,5*10 beträgt. Sie Kapazität der Diode BAT36 von 1,5·10"¹¹F erhöht die Kapazität der Diode ΒΪΧ89Β nur um etwa 3 #, wenn sie dieser parallelgeschaltet ist. Da die Kapazität der Dioden proportional zu ihrer Oberfläche wächst, ergibt eine Diode mit einer Quersohnittsfläche, die dreimal größer als diejenige der Diode BAT36 ist, d.h. also gleich einem Hundertstel der QuerschnittsfIache der zu schützenden Diode, eine Vergrößerung der Kapazität um 10 #, wenn sie als Schutzdiode verwendet wird. Sie würde also an der Grenze dessen liegen, was noch als ausreichend für die Einhaltung der Sohaltgesohwindigkeit der Leistungsdiode angesehen werden kann.

Die Kurve 16 von Fig. 6 stellt die Änderung der Amplitude der ersten negativen Halbperioäe dar, wenn eine Diode BAT36 mit einer Lawinenspannung V· = 60 V als Schutzdiode für eine Diode BYX89S verwendet wird. Wenn in diesem Fall die Spannung zwischen den Klemmen A und B den Wert 60 Volt erreicht, der gleich der Netzspannung V_n der zu sohützenden Diode BYX89B ist, erreicht der Spitzenetrom in der Diode BAT36 den Wert 1,1 Ampere.

Die Kurve 17 ist bei Anwendung einer abgeänderten Ausführungsform der Schutzschaltung aufgenommen worden, die in Fig. 5 dargestellt 1st. Bei dieser Ausführungsform ist in Serie mit der Diode 7 ein Widerstand 18 gesohaltet, der den Strom in der Diode 7 begrenzt. Beispielsweise konnte bei einem Widerstand 18 von 10 Ohm in Serie mit der Diode BAT36 des zweiten Beispiels festgestellt werden, daß die Grenzspannung Vr = 75 V erreicht wird, wenn die Spannung an den Klemmen A und B den Wert 60 Volt hat, und daß der Spitzenstrom in der Diode BAT36 auf 0,85 Ampere begrenzt ist.

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Claims

LIGNES TELEGRAPHIQUES

ET TELEPHONIQUES

89t rue de la Faisanderie

75016 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: L 1082

Patentansprüche

1.!Schutzschaltung für eine Sohottky-Leistungsdiode zum

V / Schutz gegen vorübergehende Überspannungen im Ansohluß

an das Ein- und Ausschalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsdiode wenigstens eine Schottky-Diode kleiner Leistung mit gleicher Durchlaßrichtung parallelgeaohaltet ist, deren Lawinenspannung (V_&) kleiner als die Grenzspannung (V₁) der Sohottky-Leistungsdiode ist.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lawinenspannung (V_) der Sohottky-Diode kleiner Leistung wenigstens gleich der Nennspannung (V«) der Sohottky-Leistungsdiode ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit der Sohottky-Diode kleiner Leistung ein Begrenzungswiderstand geschaltet ist und daß die aus dem Begrenzungswiderstand und der Sohottky-

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Lei/Gl

Diode kleiner Leistung gebildete Serienschaltung mit gleicher Durchlaßrichtung parallel zu der Schottkylieist ungsä iod e geschaltet ist.

4· Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Übergangs der Sohottky-Diode kleiner leistung zwischen 2*10

—1 2
und 10 mm beträgt.

5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüohe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Flächen der Übergänge der Schottky-Leistungsdiode und der Schott!

liegt.

Schottky-Diode kleiner Leistung zwischen 10⁴" und 10

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