DE2927437A1 - Schutzschaltung fuer leistungshalbleiter - Google Patents
Schutzschaltung fuer leistungshalbleiterInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 9617 BRD
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.
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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■ ·
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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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ι » r Ψ
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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 (1)
- - 1 - VPA 78 P 9617 BRDPatentanspruchSchutzschaltung 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.909885/0687
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
AT530078A AT356745B (de) | 1978-07-21 | 1978-07-21 | Schutzschaltung fuer leistungshalbleiter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2927437A1 true DE2927437A1 (de) | 1980-01-31 |
Family
ID=3574266
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2927437A Withdrawn DE2927437A1 (de) | 1978-07-21 | 1979-07-06 | Schutzschaltung fuer leistungshalbleiter |
Country Status (2)
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---|---|
AT (1) | AT356745B (de) |
DE (1) | DE2927437A1 (de) |
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- 1978-07-21 AT AT530078A patent/AT356745B/de not_active IP Right Cessation
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- 1979-07-06 DE DE2927437A patent/DE2927437A1/de not_active Withdrawn
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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DE-Z.: Funkschau 1968, H.19, S.589/590 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ATA530078A (de) | 1979-10-15 |
AT356745B (de) | 1980-05-27 |
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Legal Events
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8130 | Withdrawal |