DE2927437A1

DE2927437A1 - Schutzschaltung fuer leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE2927437A1
Application number: DE2927437A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Ing Kalny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-07-21
Filing date: 1979-07-06
Publication date: 1980-01-31
Also published as: AT356745B; ATA530078A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 9617 BRD

Schutzschaltung für Lelstumgshalblelter

Gegenstand der Erfindung ist eine Schutzschaltung für der Zu- und Abschaltung von über Speiseleitungen angeschlossene Verbraucher dienende Leistungshalbleiter mittels Iapulspaketsteuerung, insbesondere für Elektrospeicherheizgeräte.

Es hat sich herausgestellt, daß bei der Verwendung von Leistungshalbleitern für die Zu- und Abschaltung von Verbrauchern, insbesondere zur Steuerung von elektrischen Heizanlagen, bei gewissen Anlagen eine Häufung von Ausfällen an Leistungshalbleitern zufolge von UberkopfzUndungen auftritt. Eingehende Untersuchungen erbrachten den Beweis, daß dies auf UberkopfzUndungen durch das Zu- bzw. Abschalten von auch in anderen Stromkreisen liegenden Verbrauchern zurückzuführen ist. Es konnte weiters nachgewiesen werden, daß die UberkopfzUndungen und die damit zusammenhängenden Stromspitzen jeweils von der speziel- len Anordnung der vom Leistungshalbleiter zum Ver-

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braucher führenden Speiseleitungen abhängig sind. Insbesondere induktive Verbraucher verursachen beim Schalten Spannungsspitzen, die zu überkopfzündungen führen.

Bedingt durch in zunehmendem Ausmaß angewendete Mehrfachleitungen gegenüber Einzelleitern in Installationsrohren, insbesondere bei Installationen für Elektroheizungen in Wohnungen, ergeben sich zusätz liehe Beeinflußungen. Durch die sternförmige Ver zweigung von Installationsleitungen treten Ausfälle zudem verstärkt auf.

Bekanntlich treten bei der Einschaltung von über

Leitungen fließenden Strömen als Folge des Aufbaues von elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung dieser Leiter Übergangs- und Einschwingvorgänge auf, die sich aus den Eigeninduktivitäten, Eigenkapazitäten und Längen dieser Leitungen ergeben.

Eine für diese Vorgänge charakteristische Größe ist der Wellenwiderstand einer Leitung, der das Verhältnis einer an diese Leitung angelegten Spannung zu dem das Feld im Raum und um diese Leitung aufbauenden Strom ist und der eine eindeutige Funktion der Eigeninduktivität und Eigenkapazität dieser Leitung ist. Wenn mehrere Leitungen zueinander parallelgeschaltet sind, so reduziert sich der Gesamtwellenwiderstand im Ausmaß der Anzahl dieser parallelen Leitungen und im Ausmaß der entsprechenden Wider- Standeanteile, so daß der Gesamtleitwert gleich ist der Summe der Einzelleitwerte. Bei Verbraucheranlagen mit vielen Parallelzweigen ergeben sich dann sehr geringe Wellenwiderstandswerte und dementsprechend hohe Belastungen der Leistungehalbleiter durch die EinschaltStromstöße. Wie aus Messungen

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hervorgeht, haben zwei- bis vierpolige Leitungen Wellenwiderstände etwa zwischen 3o52 und 1οοΏ. , wobei zusammengeschaltete bzw. anderwärts verwendete und freigehaltene (Reserve-) Adern zu berUcksichtigen sind. Diese Werte liegen, insbesondere bei Sternzusammenschaltungen, weit Über den ohm¹sehen Widerständen der angeschlossenen Bürde (anzusteuernde Verbraucher).

Dies trifft vor allem bei nulld lrchgangsgetriggerten Impulspaketsteuerungen, wie sio beispielsweise bei temperaturgeregelten elektrischen Heizanlagen verwendet werden, zu. Im Fall einer nicht im Nulldurchgang des Netzwechselstromes erfolgenden ZUn- dung, zum Beispiel durch einen zeitlich falschen ZUndimpuls oder bei einer Überkopfzündung durch Spannungsspitzen im Netz, ergeben sich Spannungssprünge mit einem im Hochfrequenzbereich liegenden Spektrum der Sprungfunktion, die oft im Zusammen wirken mit dem übertragungsverhalten der Speiselei tungen schädliche Belastungen der Leistungshalbleiter hervorrufen.

Bei nicht nulldurchgangsgetriggerten Paketsteuerungen müssen ähnlich wie bei Phasenanschnittsteue rungen zur Funkentstörung Entstördrosseln mit geschlossenem Eisenkreis angeordnet werden. Schaltungen für ImpulspaketSteuerungen mit Nulldurchgangstriggerung schalten die Last stets im NuIldurchgang der Netzspannung zu bzw. ab, verursachen daher keine Funkstörung und bedürfen daher keiner Entstördrossel.

In der DE-AS Nr. 25 13 473 wird eine überspannungeschutzschaltungsanordnung für Stromversorcungsge-

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rate mit stetig arbeitenden, über wenigstens eine Treiberstufe gesteuerten Stelltransistoren und mit einer Einrichtung zum Kurzschließen der Ausgangsspannung angegeben, bei der in den Kollektor- oder Emitterkreis der Treiber- oder der Treiber- und einer Vortreiberstufe für das aus einem oder mehreren parallelgeschalteten Transistoren bestehende Stellglied ein definierter dynamischer Widerstand, wie eine Drossel, eingeschaltet ist. Wesentlich ist hier, daß die Schutzanordnung im Stellglied (Treiberund Vortreiberstufe) der Regelschaltung eingeschaltet ist, wobei allenfalls ein ungünstiges Regelverhalten der Regelschalter bei Einschalten der Drossel-Diodenkombination in die Emitterleitungen der Trei- ber- baw· Vortreiberstufe in Kauf genommen wird.

In der CH-PS Nr. 554 6o9 wird eine Einrichtung zum Kurzschließen einer Thyristorschaltung mittels einer Zündfunkenstrecke angegeben, bei der in einem Serien zweig mit der ZUndfunkenstrecke eine Induktanz an geordnet ist, die mit einem Filterkondensator schwingt und eine löschende Spannungsumkehr an der Thyristorschaltung erzeugt, wobei allenfalls im Serienzweig ein nichtlinearer Widerstand zur Däm pfung von Überspannungen angeordnet ist. Hier han delt es sich um einen parallel zum Thyristor liegenden überspannungsableiter, der bei Überspannung in Funktion tritt.

In der DE-AS Nr. 24 43 892 wird eine Schaltungsanordnung zur Herabsetzung der auftretenden Verlustleistung beim Abschalten einer wenigstens einen Halbleiterschalter und eine Induktanz enthaltenden, von einer Gleichspannungsquelle gespeisten Reihen schaltung, welche Induktanz eine Ausgangsspannung

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abgibt, dargestellt, bei der mit einer zumindest der Induktanz parallelgeschalteten, wenigstens eine Diode und einen Kondensator in Reihe enthaltenden Zusatzschaltung, deren Diode in Sperrichtung zu der an die Induktanz angelegten Gleichspannung gepolt ist, welcher Kondensator mit einer über den Halbleiterschalter aus der Gleiciispannungsquelle gespeisten Ladeschaltung mit wenigstens einer in Richtung der Gleichspannung gepolten Diode verbunden ist, wobei die Ladeschaltung in Reihe mit der Diode eine Drosselspule aufweist und mit dem Verbindungspunkt des Kondensators und der Diode der Zusatzschaltung verbunden ist. Hier handelt es eich um einen Schutz gegen Zerstörung von Halbleitern bei Abschalten von Induktiver Last. Es wird die Verlustleistung von einem Halbleiterschalter für den Fall der Abschaltung unter Mitwirkung einer Induktanz herabgesetzt.

In der DE-OS Nr. 2o 22 o14 wird ein Thyristorschalter beschrieben, bei dem in Parallelschaltung zu den Thyristoren ein aus zwei gegensinnig in Reihe liegenden Zener-Dioden bestehender Schutzstromkreis angeordnet ist, wobei eine geringe MagnetStromverluste aufweisende sättigbare Reaktanz mit den Thyristoren in Reihe geschaltet ist, und wobei der Schutzstromkreis zu der aus den Thyristoren und der Reaktanz bestehenden Anordnung parallelgeschaltet ist. Bei dieser Schaltung wird eine geringe Magnetstromverluste aufweisende, sättigbare Reaktanz im Hinblick auf den Energieinhalt bzw. die Störwirkung des aus zwei Zenerdioden bestehenden Uberspannungsparp.llelstromkreisee dimensioniert. Die Drossel ist hier nicht zwischen Verbraucher und Leistungshalbleiter eingeschaltet. Zweck ist hier ein Thyristorschalter, der beispielsweise als Synchronschalter zur Lastspannungs-

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regelung von Transformatoren Verwendung findet. Zum Schutz der Thyristorschalter vor Überspannungen wird in Parallelschaltung zu den Thyristoren ein Schutzstromkreis gelegt, der aus zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Zener-Dioden besteht.

In der DE-AS 15 13 o26 wird eine Schaltung zum Schutz empfindlicher Schaltelemente gegen durch Starkstrombeeinflußung auf deren Eingangsleitung hervorgerufene Überspannungen mittels überspannungsableiter, die quer zur übertragungsrichtung der zu schützenden Einrichtung angeordnet sind, welchen überspannungsableitern weitere Schutzelemente in Form von Dioden nachgeschaltet sind, beschrieben, bei der mindestens eine nachgeschaltete Diode vor das zu schützende Schaltelement in Übertragungsrichtung eingeschaltet ist, die über Drosseln einen Vorstrom solcher Größe erhält, daß sie für das Nutzsignal durchlässig und für die jeweilige Halbwelle eines das empfindliche Bauteil überlastenden Störstromes gesperrt ist,.Hier wird ein Schutz von Halbleitern vor ankommenden Störungen durch eine dynamische, spannungsabhängige Bedämpfung gegeben.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die schädigenden Einflüsse der elektrischen Eigenschaften der Speiseleitungen auf die Leistungshalbleiter zu beseitigen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelößt durch eine in die Speiseleitung zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Verbraucher eingeschaltete Drossel mit einer das übertragungsverhalten der Speiseleitung gegenüber den Einschaltfrequenzen verschiebenden Induktivität.

Die Wirkung der erfinaongsgemäßen Schutzdrossel beruht in vorteilhafter Weise darauf, daß zusammen mit dem übertragungsverhalten der Speiseleitung ein

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filterähnlicher Effekt für den Einschaltstromstoß entsteht, der die hochfrequenten Anteile im Stromsprung des Lastkreises abschwächt. Vorteilhaft ist auch, daß der Energieinhalt der transienten Netzvorgänge zunächst überwiegend in das Magnetfeld der Drossel übergeführt wird. Nach großflächiger Ausbreitung der leitfähigen Zone im Leistungshalbleiterwobei durch die Drossel -"»nügend Zeit zum Aufbau dieser Zone gegeben ist - wird der Energieinhalt der Drossel über diese Zone an den Wellenwiderstand, also an die angeschlossene Leitung,weitergegeben. Wenn im Halbleiter diese Zeit nicht verfügbar ist, wird der Energieinhalt des transienten Netzvorganges innerhalb der vorerst teilflächig und damit nur schwach leitfähigen Zonen des Leistungshalbleiters in Verlustleistung, das heißt Wärme, umgesetzt und führt so zu einer Zerstörung. Da nach Halbleiterzündung im Störfall zufolge des niederen Wellenwiderstandes hohe Strommomentanwerte auftreten, ist die Drossel in vorteilhafter Weise als Luft- oder Stabdrossel mit offenem Eisen- oder Ferritkern ausgeführt, wodurch Sättigungen bei hohen Erregungen vermeisbar sind. Es hat sich daher als Vorteil erwiesen, daß bei der Steuerung von Elektrospeicherheizgeräten mit Impulspaketsteuerung im allgemeinen mit Drosseln mit Induktivitäten von 1o/^ H bis Ιοο,ΑΗ das Auslangen gefunden wird. Diese Induktivitätswerte unterscheiden sich ganz wesentlich von den für Funkenstördrosseln verwendeten Induktivitätswerten in der Größenordnung von 2 mH bis 3 mH, die üblicherweise mit einem geschlossenen Eisenkreis ausgeführt werden.

Die Anordnung der Schutzdrossel erfolgt unmittelbar bei dem Leistungshalbleiter oder über Verbindungs-

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leitungen in Nähe des Leistungshalbleiters, wobei die Länge der Verbindungsleitung wesentlich kleiner als die Länge der üblicherweise angeschlossenen Verbraucherleitung ist.

1 Patentanspruch

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Claims

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Patentanspruch

Schutzschaltung für der Zu- und Abschaltung von über Speiseleitungen angeschlossenen Verbrauchern dienende Leistungshalbleiter mittels Impulspaketsteuerung, insbesondere für die Steuerung von Elektrospeicherheizgeräten, gekennzeichnet, durch eine in die Speiseleitung zwischen dem Leistungehalbleiter und dem Verbraucher eingeschaltete Drossel mit einer das übertragungsverhalten der Speiseleitung gegenüber den Einschaltfrequenzen verschiebenden Induktivität.

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