DE3104015A1

DE3104015A1 - Ueberstromschutzanordnung fuer einen halbleiterschalter

Info

Publication number: DE3104015A1
Application number: DE19813104015
Authority: DE
Inventors: Antonio Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Brajder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-02-05
Filing date: 1981-02-05
Publication date: 1982-08-12
Also published as: DE3104015C2; AT383706B; ATA470281A; CH656757A5; US4423457A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT-J- Unser Zeichen Berlin und München VPA 81 P 3 0 0 8 DE

Überstromschutzanordnung für einen Halbleiterschalter

Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzanordnung für einen Halbleiterschalter, dessen Ansteuerleitung über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden ist, wobei die Basis des Transistors mit dem Ausgang einer Überstromerfassungseinrichtung für den Halbleiterschalter verbunden ist.

Eine derartige Überstromschutzanordnung ist aus dem Buch "Elektronik-Selbstbaupraktikum" 4. Auflage, 1976, S. von Wirsum bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung wird der Überstromfall durch den Spannungsabfall an einem im Schaltkreis des Halbleiterschalters angeordneten Widerstand erfaßt. Wenn der Spannungsabfall an diesem Widerstand eine bestimmte Größe überschreitet, so wird der Transistor leitend gesteuert und schließt damit die Ansteuerleitung des Halbleiterschalters gegen das Bezugspotential kurz. Der Halbleiterschalter erhält damit kein Ansteuersignal mehr und geht in den Sperrzustand über.

Der Widerstand im Lastkreis verursacht jedoch insbesondere bei Geräten für höhere Ströme eine erhebliche Verlustleistung, die sich negativ auf den Wirkungsgrad des Halbleiterschalters auswirkt und Probleme in Bezug auf die Kühlung des Widerstands mit sich bringt.

Bei einer weiteren, aus der Zeitschrift ETZ-B, Band 30 (1978), Heft 26, Seite 1065 bekannten Überstromschutzanordnung wird der Spannungsabfall am Halbleiterschalter, in diesem Fall an einem Transistor als Kriterium für den Überstrom ausgewertet. Dabei wird ein dem Halbleiterschalter vorgeschalteter Treibertransistor über einen

Sid 2 Bih / 29.01.1981

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Kondensator angesteuert. Sobald durch die Ansteuerung die Spannung am Halbleiterschalter absinkt, wird dem Treibertransistor über einen Differenzverstärker eine Spannung zugeführt, die diesen im leitenden Zustand hält. Die Schaltungsanordnung geht damit im "Ein-Zustand" in Selbsthaltung. Wenn die am Halbleiterschalter anstehende Spannung durch Überstrom ansteigt, so wird über den Differenzverstärker der Treibertransistor und damit auch der Halbleiterschalter wieder gesperrt. Zum Ausschalten des HaIbleiterschalters ist die Ansteuerleitung über eine Diode mit dem Eingang des Differenzverstärkers verbunden, der damit ebenfalls den Treibertransistor sperrt, sobald das Ansteuersignal auf "High" umgeschaltet wird. Mit dieser Schaltungsanordnung ist jedoch nur eine dynamische Ansteuerung über einen Kondensator möglich, was jedoch dazu führt, daß bereits kurze Störimpulse zu Fehlschaltungen führen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Überstromschutzanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß kein Widerstand im Leistungskreis des Halbleiterschalters notwendig ist und daß die Ansteuerung statisch erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Überstromerfassungseinrichtung eine Vergleicherstufe enthält, daß der erste Eingang der Vergleicherstufe über einen Widerstand mit der Ansteuerleitung des Halbleiterschalters, über eine Diode mit dem dem Bezugspotential abgewandten Anschluß des Halbleiterschalters und über einen ersten Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden ist, daß der zweite Eingang der Vergleicherstufe mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist und daß der Ausgang der Vergleicherstufe mit der Basis des Transistors verbunden ist.

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Mit dieser Schaltung wird erreicht, daß der Transistor nur dann die Ansteuersignale blockiert, wenn ein Ansteuersignal auf der Ansteuerleitung und eine hohe Spannung am Halbleiterschalter zusammentreffen. Nach dem Verschwinden des Ansteuersignals geht der Transistor in den sperrenden Zustand, so daß ein wiederauftretendes Ansteuersignal nicht blockiert wird und den Halbleiterschalter in den leitenden Zustand schalten kann. Um in der Zeitspanne zwischen Auftreten des Ansteuersignals und völligem Durchschalten des Halbleiterschalters ein Ansprechen der Überstromschutzanordnung zu verhindern, ist der erste Eingang der Vergleicherstufe über einen Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden. Damit wird der das Durchschalten des Transistors verursachende Spannungsanstieg bedämpft. Diese Überstromschutzanordnung kommt also ohne Widerstand im Lastkreis des Halbleiterschalters aus und ermöglicht eine statische Ansteuerung des Halbleiterschalters .

Vorteilhafterweise ist dem Widerstand eine Diode parallel geschaltet, deren Kathode der Ansteuerleitung zugewandt ist. Damit wird der Kondensator schnell entladen, wenn das Ansteuersignal auf Null geht. Es wird damit verhindert, daß der Kondensator beim Einschalten des HaIbleiterschalters kurz nach dem Ausschaltvorgang noch eine Restladung aufweist, die auch ohne Überstrom zu einem Ansprechen der Überstromschutzeinrichtung vor dem völligen Durchschalten des Halbleiterschalters führen könnte.

Parallel zur Diode kann ein Widerstand und in Reihe zur Parallelschaltung von Diode und Widerstand kann ein zweiter Kondensator angeordnet sein, dessen Kapazität größer als die Kapazität des ersten Kondensators ist. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn beim Ausschalten des Halbleiterschalters die Spannung an der Ansteuerleitung zunächst nicht ganz auf Null geht oder

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der Ansteuerimpuls hochohmig zugeführt wird. In diesem Fall ist eine schnelle Entladung des ersten Kondensators nicht ohne weiteres möglich, so daß die vorstehend beschriebenen Probleme auftreten können. Dies wird mit dem zweiten Kondensator verhindert. Bei vorhandenem positiven Ansteuerimpuls wird der zweite Kondensator aufgeladen. Wenn nun bei verschwindendem Ansteuerimpuls die Spannung an der Ansteuerleitung absinkt, so weist der dem ersten Kondensator zugewandte Belag des zweiten Kondensators ein negatives Potential auf, das zu einer schnellen Umladung des ersten Kondensators über die Diode auf den zweiten Kondensator führt.

Vorteilhafterweise kann der Kollektor des Transistors an einem gegenüber dem Bezugspotential negativen Versorgungspotential liegen und die Basis des Transistors über eine Diode mit der Ansteuerleitung und über diese Diode und einen Widerstand mit dem negativen Versorgungspotential verbunden sein. Damit wird erreicht, daß bei verschwindendem Ansteuerimpuls über den Transistor ein Abschaltstrom des Halbleiterschalters fließt, der dem Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist und den Abschaltvorgang beschleunigt.

Die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein schematisiertes Schaltbild einer Ansteuereinrichtung für einen als Schalttransistor ausgebildeten Halbleiterschalter 1 mit der erfindungsgemäßen Überstromschutzanordnung. An der Eingangskiemme E steht ein Ansteuersignal an, das gegebenenfalls über mehrere, nicht dargestellte Vorverstärkerstufen die Basis des Schalttransistors 1 ansteuert. Dabei soll der Schalttransistor 1 durch ein positives Ansteuersignal leitend gesteuert werden. Die dargestellte Überstromschutzein-

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richtung kann an beliebiger Stelle der Ansteuerleitung in der durch gestrichelte Linien angedeuteten mehrstufigen Vorverstärkereinheit angeordnet werden. Die Überstromschutzeinrichtung enthält einen Transistor 3, der in Reihenschaltung mit einem Widerstand 12 die Ansteuerleitung 5 mit dem Bezugspotential verbindet. In die Ansteuerleitung 5 ist ein Widerstand 11 eingefügt. Die Basis des Transistors 3 wird von einem Differenzverstärker 2 als Vergleicher stufe angesteuert. Am nicht invertierenden Eingang 2b des Differenzverstärkers 2 steht eine konstante Referenzspannung Uj, an. Dem invertierenden Eingang 2a ist ein Widerstand 13 vorgeschaltet, dessen zweiter Anschluß über eine Diode 6 mit dem Kollektor des Schalttransistors 1, über einen Widerstand 4 mit der Ansteuerleitung 5 und über einen Kondensator 7 mit dem Bezugspotential verbunden ist. Dabei ist die Kathode der Diode 6 dem Kollektor des Schalttransistors 1 zugewandt. Dem Widerstand 4 ist die Reihenschaltung eines zweiten Kondensators 10 und eines Widerstands 9 parallel geschaltet. Der Widerstand 9 ist mit einer Diode 8 überbrückt, deren Anode dem Eingang 2a des Differenzverstarkers 2 zugewandt ist.

Zur Erläuterung der Schaltung wird zunächst davon ausgegangen, daß der Transistor 1 durch einen positiven Ansteuerimpuls am Eingang E angesteuert, d.h. leitend ist und keinen Überstrom aufweist. In diesem Fall weist die Spannung am Verbindungspunkt 16 zwischen Widerstand 4 und Diode 6 einen Wert auf, der durch die Restspannung des Transistors 1 sowie den Schwellwert der Diode 6 gegeben ist. Diese Spannung steht über den Widerstand 13 am invertierenden Eingang 2a des Differenzverstärkers 2 an. Die Referenzspannung U- ist so gewählt, daß der Transistor 3 bei diesem Betriebszustand gesperrt bleibt.

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Wird nun aber der Transistor 1 durch einen Strom belastet, der über den Sättigungsstrom hinausgeht, so steigt die an ihm anstehende Spannung und damit auch die Spannung am Verbindungspunkt 16 zwischen Widerstand 4 und Diode 6 an. Dies führt zu einer negativen Ausgangsspannung am Differenzverstärker 2, die den Transistor 3 in den leitenden Zustand bringt. Der Ansteuerimpuls für den Transistor 1 wird damit kurzgeschlossen, so daß der Transistor 1 sperrt. Da damit die Spannung am Transistor 1 noch weiter ansteigt, bleibt der Ansteuerimpuls hinter dem Widerstand 11 kurzgeschlossen, solange am Eingang E ein positiver Ansteuerimpuls ansteht, der wegen des Widerstandes 11 in der Ansteuerleitung 5 für die Abschaltung weiterhin wiksam bleibt. Verschwindet dagegen der Ansteuerimpuls am Eingang E, so sinkt auch die Spannung am Verbindungspunkt 16 ab, da die positive Spannung am Transistor 1 durch die Diode 6 blockiert ist. Über den Differenzverstärker 2 wird der Transistor 3 wieder in den sperrenden Zustand gebracht, d.h. der Kurzschluß der Ansteuerleitung wird aufgehoben. Dies ist deshalb von besonderer Bedeutung, da jetzt der Halbleiterschalter

1 - beispielsweise nach Beheben der Überstromursache durch einen erneuten positiven Ansteuerimpuls wieder eingeschaltet werden kann. Beim erneuten Eintreffen eines positiven Ansteuerimpulses am Eingang E könnte sich ohne den Kondensator 7 am Eingang 2a des Differenzverstärkers

2 eine hohe Spannung ausbilden, da am Schalttransistor wegen des zunächst noch vorhandenen Sperrzustandes noch eine hohe Spannung ansteht. Um zu verhindern, daß der Ansteuerimpuls sogleich wieder kurzgeschlossen wird, ist der Kondensator 7 zur Bedämpfung des Spannungsanstiegs am Eingang 2a des Differenzverstärkers 2 vorgesehen. Die Zeitkonstante des mit dem Widerstand 4 und dem Kondensator 7 gebildeten RC-Gliedes muß so groß sein, daß der Schalttransistor 1 sicher leitet, bevor die am Kondensator 7 anstehende Spannung zum Einschalten des Transistors 3 führt.

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Wenn Aus- und Einschaltvorgänge sehr kurz aufeinanderfolgen, so könnte dies dazu führen, daß der Kondensator 7 beim Einschalten von der vorhergehenden Einschaltperiode noch eine verhältnismäßig hohe Ladung aufweist und damit den Spannungsanstieg am Eingang 2a des Differenzverstärkers 2 nicht mehr ausreichend bedämpft. Wenn kurz aufeinanderfolgende Ein- und Ausschaltperioden auftreten können, so muß daher für eine schnelle Entladung des Kondensators 7 gesorgt werden. Dies könnte im einfachsten Fall durch eine in Fig. 1 gestrichelt angedeutete Diode 8a zwischen Ansteuerleitung 5 und Kondensator 7 geschehen, die für die Entladung des Kondensators 7 in Leitrichtung liegt. Es ist jedoch nicht bei allen Schaltungen sichergestellt, daß die an der Ansteuerleitung 5 anstehende Spannung beim Ausschalten des Schalttransistors 1 genügend schnell absinkt und daß diese Leitung eine ausreichend niederohmige Entladung ermöglicht. Um auch in diesen Fällen eine schnelle Entladung des Kondensators 7 sicherzustellen, ist der Kondensator 10 mit der vorgeschalteten Parallelschaltung von Widerstand 9 und Diode 8 vorgesehen. Bei einem positiven Ansteuerimpuls lädt sich der der Ansteuerleitung 5 zugewandte Belag des Kondensators 10 positiv und der dem Widerstand 9 zugewandte Belag des Kondensators 10 negativ auf, da das Potential am Punkt 16 unter dem Potential der Ansteuerleitung 5 liegt. Sinkt nun bei verschwindendem Ansteuerimpuls das Potential an der Ansteuerleitung 5, so erhält der Verbindungspunkt 16 durch den Kondensator 10 über die Diode 8 ein negatives Potential, das zu einer schnellen Entladung des Kondensators 7 über die Diode 8 auf den Kondensator 10 führt. Die Kapazität des Kondensators 10 muß wesentlich größer als die des Kondensators 7 sein, z.B. 10 mal so groß. Damit wird verhindert, daß die Spannung am Kondensator 10 bei der Entladung des Kondensators 7 wesentlich ansteigt. Der Kondensator 10 kann sich über die Widerstände 4 und 9 wieder entladen.

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Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der das Ausschalten des Schalttransistors 1 dadurch beschleunigt wird, daß der Transistor 3 bei verschwindendem Ansteuerimpuls einen Ausschaltstrom aufnimmt, der dem Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist und damit die Ladungsträger aus der Basis des Schalttransistors 1 ausräumt. Das schnelle Abschalten eines Endstufen-Schalttransistors an sich ist beispielsweise aus der DE-OS 26 44 507, Seiten 2 und 3 bekannt. Der Transistor 3 ist über den Widerstand 12 mit einer negativen Versorgungsspannung -Ujj verbunden. Die Basis des Transistors 3 ist außer mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 2 über eine Parallelschaltung einer Diode 15 und eines Widerstands 17 auch mit der Ansteuerleitung 5 verbunden. Dabei ist die Anode der Diode 5 der Basis des Transistors 3 zugewandt. Zwischen dem Anschlußpunkt der Parallelschaltung von Diode 15 und Widerstand 17 und dem Anschlußpunkt des Emitters des Transistors 3 an der Ansteuerleitung 5 ist in die Ansteuerleitung 5 eine Diode 18 eingefügt, die für positive Ansteuerimpule in Leitrichtung liegt. Die Parallelschaltung von Diode 15 und Widerstand 17 ist außerdem über einen weiteren Widerstand 14 mit der negativen Versorgungsspannung -U_H verbunden.

In der Schaltung nach Fig. 2 ist dem Schalttransistor 1 eine Vorverstärkerstufe mit dem Transistor 19 vorgeschaltet, dessen Basis mit der Ansteuerleitung 5, dessen Kollektor mit dem Kollektor des Schalttransistors 1 und dessen Emitter über einen Widerstand 22 mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden ist. Außerdem liegt zwischen Basis und Emitter des Transistors 19 die Parallelschaltung eines Widerstands 21 und einer Diode 20, deren Kathode der Basis des Transistors 19 zugewandt ist.

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Bei dieser Schaltung wird der Transistor 3 bei positivem Ansteuerimpuls über den Widerstand 17 in Sperr!chtung gehalten. Wechselt der Ansteuerimpuls dagegen auf Null oder auf negative Werte, so wird der Transistors 3 über die Diode 15 leitend gesteuert und kann damit einen Abschaltstrom aufnehmen, der dem Einschaltstrom entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn der Schalttransistor 1 der beschriebenen Schaltung unmittelbar nachgeschaltet ist, so kann über den Transistor 3 die Basiszone des Schalttransistors 1 unmittelbar sehr wirkungsvoll ausgeräumt werden. Wenn dem Schalttransistor 1, wie in Fig. 2 dargestellt, eine oder mehrere Verstärkerstufen vorgeschaltet sind, so können diese durch Dioden 20 überbrückt sein, die ein Ausräumen der Basiszone des Schalttransistors 1 über den Transistor 3 gestatten. Mit der Schaltungsanordnung nach Figur 2 wird also der Transistor 3 sowohl zum Abschalten bei Überstrom als auch zum Abschalten im Normalbetrieb benutzt.

2 Figuren

4 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

J/ Uberstromschutzanordnung für einen Halbleiterschalter, dessen Ansteuerleitung über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden ist, wobei die Basis des Transistors mit dem Ausgang einer überstromerfassungseinrichtung für den Halbleiterschalter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Überstromerfassungseinrichtung eine Vergleicherstufe (2) enthält, daß der erste Eingang (2a) der Vergleicherstufe (2) über einen Widerstand (4) mit der Ansteuerleitung (5) des Halbleiterschalters (1), über eine Diode (6) mit dem dem Bezugspotential abgewandten Anschluß des Halbleiterschalters (1) und über einen ersten Kondensator (7) mit dem Bezugspotential verbunden ist, daß der zweite Eingang (2b) der Vergleicherstufe (2) mit einer Referenzspannungsquelle (U f) verbunden ist und daß der Ausgang der Vergleicherstufe (2) mit der Basis des Transistors (3) verbunden ist.
2. Uberstromschutzanordnung fW einen Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Widerstand (4) eine Diode (8) parallel geschaltet ist, deren Kathode der Ansteuerleitung (5) zugewandt ist.
3. Uberstromschutzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Diode (8) ein Widerstand (9) und in Reihe zur Parallelschaltung von Diode (8) und Widerstand (9) ein zweiter Kondensator (10) angeordnet ist, dessen Kapazität größer als die Kapazität des ersten Kondensators ist.

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4. Überstromschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (3) an einem gegenüber dem Bezugspotential negativen Versorgungspotential liegt und daß die Basis des Transistors (3) über eine Diode (15) mit der Ansteuerleitung (5) und über diese Diode (15) und einen Widerstand (14) mit dem negativen Versorgungspotential verbunden ist.