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Schutzschaltung für einen Leistungstransistor
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Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen bipolaren Leistungstransistor
oder insbesondere einen Leistungsfeldeffekttransistor, wie er im Oberbegriff des
Anspruches 1 angegeben ist.
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Die Entwickleng von Leistungstransistoren, z.B. Feldeffekttransistoren
(FET), wie sie unter dem eingetragenen Warenzeichen SIPMOS handelsüblich sind, ermöglichen
es, Schaltungen für höhere Leistungen, z.B. Gleichstromsteller, Wechselrichter,
Chopper oder andere Schaltnetzteile, in Transistortechnik auszuführen. Fehler innerhalb
dieser Geräte, z . B. Fehlimpulse, wie auch Störungen (z.n. Klemmenkurzschluß) in
nachgeordneten Anlagenteilen, etwa einer nachgeschalteten drehzahlgesteuerten Drehfeldmaschine,
können dazu führen, daß die Leistungstransistoren mit Spannungen und Strömen belastet
werden, die außerhalb der zugelassenen Grenzwerte liegen und zu einer Zerstörung
der Transistoren führen können.
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In den Figuren 1 und 2 ist jeweils der Verlauf des Drainstromes ID
bei steigener Drain-Source-Spannung UTDs und verschiedenen Parameterwerten für die
Gate-Source-Spannung UG5 bzw. den Kollektorstrom IC bei steigender Kollektor-Emitterspannung
UCE und verschiedenen Parameterwerten für den Basisstrom 1B dargestellt. Man entnimmt
daraus, daß außerhalb des normalen Steuerbereiches mit linearem Kennlinienverlauf
ein Anwachsen des Stromes mit einem sehr starken Anstieg der jeweiligen SpanIlung
UDS bzw UCE verbunden ist. Es ist daher möglich, zum Schutz des Transistors den
entsprechenden Spannungsabfall Ua = UDS bzw. UCE zu erfassen und dazu auszunutzen,
um
den Transistor zu sperren, wenn im eingeschalteten Zustand ein
Überstrom bzw. eine Überspannung an der Schaltstrecke des Transistors droht.
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Unter 1,Schaltstrecke1, eines Transistors ist dabei bei einem bipolaren
Transistor die Kollektor-Emitter-Streckc und bei einem FET die Drain-Source-Strecke
verstanden.
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Mit "Steuerstrecke" ist die Basis-Emitter-Strecke bzw.
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die Gate-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors bezeichnet, der
bei einem Thyristor die Gitter-Kathoden-Strecke entspricht. Emitter, Source bzw.
Kathode stellt jeweils den Iiauptanschluß der Steuerstrecke des entsprechenden llalbleiterelementes
dar. Unter der "Stromführungsrichtung der Steuerstrecke" ist bei einem npn-Transistor
die Richtung von Basis zum Emitter, bei einem N-Kanal-FET die Richtung Gate-Source
verstanden. Diese Transistoren werden durch ein Steuersignal positiver Polarität
ein-und ein Steuersignal negativer Polarität ausgeschaltet.
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Bei Verwendung von pnp-Transistoren bzw. P-Kanal-FET kehren sich die
jeweiligen Stromführungsrichtungen bzw.
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Steuersignalpolaritäten um. Entsprechend führt die Steuerstrecke und
deren Stromführungsrichtung bei einem Thyristor vom Gitter zur Kathode.
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In Fig. 3 ist eine Schutzschaltung für einen npn-Transistor Tl dargestellt,
die eine parallel zur Schaltstrekke (Kollektor-Emitter-Strecke C1-E1) des Transistors
T1 liegende Überwachungseinrichtung und einen weiteren npn-Transistor T2 enthält,
der als IIalbleiter-Schutzsehalter parallel zur Steuerstrecke (Basis-Emitter-Strecke
B1-E1) des Transistors T1 angeordnet ist. Die Steuerstrecken der beiden Transistoren
sind an einem gemeinsamen SIauptanschluß angeschlossen; da beides npn-Transistoren
sind, bedeutet das, daß die beiden Emitter zusammengeführt sind und die beiden Steuer
strecken gleiche Stromführungsrichtung besitzen. Zum Einschalten des Schutzschalters
wird
ein Schaltsignal positiver Polarität benötigt, wobei der Spannungsabfall Ua am Transistor
Ti die gleiche Polarität aufweist, so daß das entsprechende Schaltsignal von der
tiberwachungsschaltung aus diesem Spannungsabfall abgeleitet werden kann.
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Bei dieser Überwachungsschaltung wird ausgenutzt, daß im eingeschalteten
Zustand, d.h. wenn an B1 eine positive Steuerspannung Ue anliegt, der Spannungsabfall
Ua wesentlich unterhalb dieser Steuerspannung liegt. Folglich herrscht am Punkt
A eine Spannung, die um die Schwellspannung der Diode D über dem Spannungsabfall
Ua liegt.
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Mittels des Spannungsteilers n kann von dieser Spannung eine Spannung
abgegriffen werden, die so klein ist, daß der zweite Transistor T2 praktisch gesperrt
bleibt.
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Steigt jedoch infolge eines Überstromes der Spannungsabfall Ua stärker
an, so steigt auch die Basisspannung des Transistors T2, der dadurch leitend wird
und den Steuerstrom von der Basis 131 des Transistors T1 abzieht. Dadurch wird der
Transistor Ti trotz eines extern angelegten positiven Ansteuersignals Ue gesperrt.
Die Überwachungsschaltung bildet letztlich das Steuersignal aus einer Uberwachung
der Spannung Ua nach dem Spannungsteilerprinzip, wobei der Steuerstrom für den Schutzschalter
aus dem Steuerkreis des zu schützenden Thyristors Ti entnommen wird. Dabei ist dieser
Steuerkreis stets belastet, da über den Widerstand RB, die Diode D und die Schaltstrekke
des Transistors T1 stets Strom fließt.
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Diese Leistungsbelastung des Steuerkreises ist häufig störend. Z.B.
sind insbesondere Feldeffekttransistoren überall eingesetzt, wo eine praktisch leistungsfreie
Ansteuerung angestrebt wird; dies ist jedoch mit der Schutzschaltung nach Fig. 3
nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung anzugeben,
die einen Schutz von Transistoren gegen Überströme oder Überspannungen ermöglicht,
ohne den Steuerkreis der Transistoren zusätzlich zu belasten.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen
Kollektor bzw. Source des zu schützenden Transistors und dem Steueranschluß des
IIalbleiter-Schutzschalters ein Kondensator angeordnet ist.
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Die punktion des Schutzschalters ist dabei die gleiche wie bei der
Schutzschaltung nach Fig. 3, die gegenseitige Lage von Transistor und Schutzschalter
ist daher unverandert. Jedoch arbeitet die Ubençachungseinrichtung nach einem anderen
Prinzip. Kondensator und Steuerstrekke des Schutzschalters liegen als Reihenschaltung
parallel zum Leistungstransistor und der Kondensator. lädt sich aus der vom Leistungstransistor
zu steuernden Spannung auf. Nähert sich nun im eingeschalteten Zustand des Leistungstransistors
dessen Strom dem kritischen Maximalwert, so wächst zunächst dessen Spannungsabfall
Ua sehr rasc an, wobei der Kondensator über die Steuerstrecke des Italbleiterschalters
nachgeladen wird. Es entsteht also ein Stromstoß am Steueranschluß des Schutzschalters,
der dadurch zündet. Durch entsprechende Dimensionierung des Kondensators kann stets
ein ausreichender Zündstrom für eine zuverlässige Zündung erreicht werden. Vorteilhaft
liegt in Reihe zum Kondensator ein Widerstand, wodurch ein ItC-Glied entsteht, das
letztlich differenzierend auf die Spannung U a wirkt und auf den Steueranschluß
des Schutzschalters einen Zündstromstoß abgibt, dessen Amplitude und Länge durch
die Dimensionierung des RC-Gliedes an den jeweils verwendeten iIalbleiterschutzschalter
angepaßt werden kann.
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Zur Stabilisierung der Steuerspannung für den iialbleiterschutzschalter
kann es vorteilhaft sein, antiparallel zu dessen Steuerstrecke eine Zenerdiode anzuordnen
Ferner kann ebenfalls parallel ein Schutzkondensator angeordnet sein, der zusammen
mit dem Kondensator einen kapazitiven Spannungsteiler für Ua bildet. Ein derartiger
Schutzkondensator C11 ist auch bei der Schaltung nach Fig. 3 vorgesehen und hat
nichts zu tun mit der Funktion des Kondensators, der gemäß der Erfindung zwischen
Drain bzw. ollektor des Leistungstransistors und dem Steueranschluß des Iialbleiterschutzschalters
vorgesehen ist.
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Anhand von zwei Ausführungsbeispielen und der Figuren 4 und 5 ist
die Erfindung näher erläutert.
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Für die Funktion der Schutzschalter ist es wesentlich, daß bei eingeschaltetem
Transistor T1 (die extern angelegte Steuerspannung Ue besitzt die entsprechende
Polarität) und Auftreten eines Überstromes der Steueranschluß des Transistors mit
demjenigen Transistor-Hauptanschluß leitend verbunden wird, der die zum sperrenden
Zustand des Transistors führende Polarität aufweist. Ferner muß der IIalbleiter-Schutzschalter
entsprechend der Polarität der Spannung zwischen diesem Transistor-Iiauptanschluß
und der bei eingeschaltetem Transistor extern angelegten Steuerspannung e gepolt
sein, um bei Überstrom die Steuerspannung an der Transistorsteuerstrecke kurzzuschließen.
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Dadurch ist die Lage und Stromfürungsrichtung der IIalbleiterschutzschaltung
bei jeweils gegebenem Transistortyp festgelegt. Ferner ist zu berüeksichtigen, daß
als Uberwacilungsschaltung im wesentlichen ein Kondensator verwendet wird, der sich
im leitenden Transistorzustand auf die Spannung Ua an der Transistorschaltstrecke
auflädt und den Schalter-Zündstrom dadurch liefert, daß cr sich bei einem üerstroulbedingten
Anwachsen von 11a jiber
den Steueranschluß des Schutzschalters nachlädtç
Daraus folgt, daß der J[albleiterschalter durch ein Schaltsignal einschaltbar sein
mu-n, dessen Polarität ebenfalls gleich der Polarität dieses Hauptanschlusses ist.
Dadurch ist auch der Typ des Ealbleiter-Schutzsehalters festgelegt.
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Diese Forderungen werden erfüllt durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale. Obwohl in der Regel ein npn-Transistor verwendet wird, ist zur Verdeutlichung
in Fig. 4 eine Schutzschaltung für einen pnp-Leistungstransistor gezeigt; aus dem
Vergleich mit Fig. 3 erkennt der Fachmann, wie eine Schutzschaltung für einen npn-Transistor
aufzubauen ist.
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In Fig. 4 ist der eine Ilauptanschluß (Elnitter E1) des Transistors
T1 am positiven, der andere Itauptanschluß (Kollektor C1) am negativen Pol einer
Spannung Ua angeschlossen. Die Steuerstrecke des Transistors Ti führt in Stromführungsrichtung
vom Emitter El zum Steueranschluß (Basis) 131, so daß der Schutzschalter T2 zwischen
Ei und 131 anzuordnen ist. Die Überwachungseinrichtung enthält den Kondensator C,
der zwischen dem Transistor-Steueranschluß 132 und dem nicht an den Schutzschalter
angeschlossenen Transistor-IIauptanschluß (Kollektor Ci) liegt und seinen Ladestrom
aus der Spannung Ua bezieht 9 auf die er in der Polarität sich auflädt, die in Fig.
4 gezeigt ist. Ein plötzlicher Spannungsanstieg infolge eines drohenden Überstromes
bewirkt einen zusätzlichen (positiven) Ladestromstoß auf den Kondensator, der als
(negativer) Zündstrom für den Steueranschluß (Basis B2) des Schutzschalters T2 wirkt
Der Schutzschalter T2 muß also von einem Schaltsignal der Polarität des Kollektors
Ci einschaltbar sein.
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Da ferner der Transistor Tl durch einen negativen Basisstrom leitend
gesteuert ist, der zum Ausschalten von T1
durch Einschalten des
Schutzschalters T2 kurzgeschlossen werden soll, muß die Stromführung des Schutzschalters
gleich der Stromführungsrichtung von Tl sein. Würde als Schutzschalter ein Thyristor
verwendet, so wäre dessen Kathode also mit der Basis 131 zu verbinden und der Thyristor
müßte durch einen negativen Zündstrom einschaltbar sein. Da derartige Thyristoren
praktisch nicht existieren, wird dies durch die Bedingung ausgeschlossen, da13 die
Steuerstrecken an einem gemeinsamen Hauptanschluß angeschlossen sind. In Fig. 4
ist daher ein pnp-Transistor T2 als Halbleiter-Schutzschalter vorgesehen, dessen
Steuerstrecken-IIauptanschluß (Emitter E2) am Emitter Ei des Transistors Tl liegt.
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In Reihe mit dem Kondensator C ist ein Widerstand R angeordnet. Antiparallel
zur Basis-Emitterstrecke B2-E2 liegt eine Zenerdiode Z mit parallelem Stabilisierungskondensator
GIl. Die beiden Kondensatoren stellen somit einen kapazitiven Spannungsteiler für
a dar, wobei ein plötzlicher Spannungsanstieg von Ua durch die RC-Schaltung differenziert
wird und zu einem Stromstoß führt, der den Schutzschalter T2 einschaltet.
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Ersetzt man Emitter, Basis und Kollektor eines pnp-Transistors durch
Drain, Gate und Source eines P-Kanal-FET, so gelangt man ebenfalls zu einer erfindungsgemäßen
Schutzschaltung.
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Soll auf die Verwendung eines npn-Transistors oder eines N-Kanal-FET
übergegangen werden, was im allgemeinen bevorzugt wird, so sind im wesentlichen
nur die Verknüpfungspunkte zwischen dem Leistungstransistor untl Schlltzsc}ltlltelj
t<' i/ Überwachungseinrichtung zu vertauschen, wie dies in Ii. {; für den Fall
eines N-Kanal-FET dargestellt ist. handelsübliche Leistungs-FET besitzen einen derartigen
N-Kanal in der Gate-Source-"trecke (Steuerstrecke) und weisen
eine
Diodenkennlinie in der der Stromführungsrichtung entgegengesetzten tLicitung (Source-Drain-Richtung)
auf, wie durch den entsprechenden Pfeil im Schaltsymbol des Leistungs-FET LT angedeutet
ist. Gegenüber Fig. 4 ist der positive Transistoranschluß D (Drain) nunmehr an die
RC-Schaltung und der negative Transistoranschluß S (Source) an den entsprechenden
Uauptanschluß des IIalbleiterschalters angeschlossen. Als albleiterschalter kann
im Prinzip ein zwischen Gate und Source liegender npn-Transistor verwendet werden,
dessen Emitter (IIauptanschluß der Schutzschalter-Steuerstrecke) über den Punkt
E an den Source-Anschluß des Transistors angeschlossen ist, oder es kann ein entsprechender
N-Kanal-FET verwendet werden.
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Da bei dieser Schaltung jedoch der vom Kondensator bewirkte Stromstoß
auf den Steueranschluß St (Gitter) des Thyristors Th positiv ist, kann als iialbleiterschalter
auch ein mit seiner Kathode K am Transistor-Source-Anschluß S liegender Thyristor
Th verwendet werden, wie in Fig, 5 dargestellt ist.
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Bei der Erfindung wird die Steuerleistung für den Schutzschalter der
Spannung am zu schützenden Transistor ent nommen, so daß der Ansteuerkreis dieses
Transistors nicht belastet wird Im gesperrten Zustand des Transistors stellt der
Kondensator C eine Entkoppelung zwischen Drain und Gate bzlf. Kollektor und Basis
dar und ersetzt dadurch auch die bei der Schaltung nach Fig. 3 benötigte hochsperrende
Diode D, die auf die volle Sperrspannung des Transistors ausgelegt werden muß und
entsprechend kostspielig ist.