DE3206266A1 - Ueberstromschutzeinrichtung fuer einen halbleiterschalter - Google Patents

Description

• Überstromsehutzeinrichtung für einen Halbleiterschalter
• Die Erfindung bezieht sich auf eine tlberstromschutzeinrichtung für einen Halbleiterschalter gemrfß dem Oherbegriff des Anspruchs 1.
• Eine solche ttberstromschutzeinrichtung für einen Halbleiterschalter ist aus dem BBC-Silizim-Stromrichter-Handbuch, 1971, Seite 286 bis 289 bekannt. Zur Abschaltung eines Überstromes wird dort beispielsweise ein Gleichstromschalter vorgeschlagen. Als Auslösekriterium dient die Stromsteilheit. Als Mittel gegen die Auswirkungen länger andauernder Überströme kann ferner eine Konstantstromregelung eingesetzt werden, die den Strom auf einen Wert begrenzt, der unterhalb des zulässigen maximalen Dauerstromes liegt. Bei ttberschreitung des Strombegrenzungswertes wird abgeschaltet.
• Bei dieser bekannten tJberstromschutzeinrichtung wird der über den Halbleiterschalter fließende Strom ausgewertet, d.h. ein Schwellwertschalter leitet die AbschaJtung ein, wenn der Strom eine festgesetzte Schwelle überschreitet.
• Damit der Halbleiterschalter nicht überdimensioniert werden muß, darf die Abschaltstromschwelle nur wenig über dem höchsten während des normalen Betriebes vorkommenden Stromwert liegen. Dadurch ergibt sich jedoch eine erhöhte Gefahr von Fehlabschaltungen während des Normalbetriebes. Ein weiteres Problem ist durch die vom Zeitpunkt des Erkennens eines Uberstromes bis zu seinem Abschalten verstreichende Zeitspanne gegeben. Währenddieser Zeitspanne steigt der Kurzschlußstrom weiter auf Werte über der Abschaltstromschwelle an. Aus diesem Grund ist eine entsprechende, kostspielige berdimensionierung des Halbleiterschalters notwendig. Dies kann umgangen werden, indem die zur Strombegrenzung dienende, in Reihe mit dem Halbleiterschalter liegende Drossel entsprechend groß bemessen ist. Aber auch die wiberdimen sionierung der Drossel ist kostspielig.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine itberstromsohutzeinrichtung für einen Halbleiterschalter der eingangs genannten Art anzugeben, die ein äußerst schnelles Erkennen eines sich ausbildenden fJherstromes ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmal gelöst.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß infolge des äußerst schnellen Erkennens eines sich ausbildenden flherstromes auch ein sehr schnelles Abschalten des Stromes ermöglicht wird.
• Dadurch wird die Stromanstiegszeit zwischen Erkennen und Abschalten des Überstromes verkürzt, was eine kostspielige fJberdlmensionierung des Halbleiterschalters bzw.
• der Drossel erübrigt. Die potential getrennte Spannungserfassung ist sehr einfach. Es wird lediglich eine kleine Fühlerwicklung (Hilfswieklung) auf der Drossel oder ein kleiner Meßtransformator (Trenntransformator) parallel zur Drossel benötigt.
• Weitere Vorteile sind aus der sich anschließenden Beschreibung ersichtlich.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 eine tlberstromschutzeinrichtung mit einer Fühlerwicklung für einen Einquadranten-Gleichstromsteller, Fig. 2 eine ilberstromschutzeinrichtung mit einem Meßtransformator, Fig. 3 eine tJberstromschutzeinrichtung für einen Vierquadranten-Gleichstromsteller.
• In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Uberstromschutzeinrichtung für einen Halbleiterschaiter dargestellt. Zwischen der positiven Eingangsklemme 1 und der negativen Eingangsklemme 2 eines Einquadranten-Gleichstromstellers ist eine Gleichspannungsquelle G geschaltet. Die positive bzw. negative Ausgangsklemme des Stellers ist mit Bezugsziffer 3 bzw. 4 versehen.
• Positive Eingangsklemme 1 und positive Ausgangsklemme 3 sind über die Serienschaltung eines Halbleiterschaiters 5 und einer Drossel 6 miteinander verbunden. Als Halbleiterschalter 5 dient insbesondere ein Transistor oder ein zwangslöschbarer Thyristor. Negative Eingangsklemme 2 und negative Ausgangsklemme 4 sind direkt miteinander verbunden.
• Eine Freilaufdiode 7 liegt mit ihrer Kathode am gemeinsamen Verbindungspunkt von Halbleiterschalter 5/Drossel 6 sowie mit ihrer Anode an der negativen Eingangsklemme 2. Zwischen den Ausgangsklemmen 3 und lS ist eine Last 8 geschaltet. Die Last 8 weist einen induktiven Impedanzanteil sowie gegebenenfalls einen ohmschen Impedanzanteil auf und erzeugt gegebenenfalls eine EMK (z.B Last 8 = Antriebsmotor).
• Die Drossel 6 dient zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit bei Auftreten eines Kurzschlusses zwischen den Ausgangsklemmen 3 und 4. Der über die Drossel 6 bzw.
• die Last 8 fließende Strom ist mit I bezeichnet.
• Zur Erfassung eines Uberstromes ist die Drossel 6 mit einer Fühlerwicklung 9 versehen. Die Anschlußklemmen der Fühlerwicklung 9 sind mit einem Schwellwertschalter 10 (Spannungsmelder) verbunden. Der Schwellwertschalter 10 steuert. ausgangsseitig den Halbleiterschalter 5 über eine Steuereinheit 11 an. Der Steuereinheit 11 liegen eingangsseitig außer dem Ausschaltsignal A des Schwellwertschalters 10 die Steuersignale S flir Normalbetrieb an Bei normalem Betrieb liegt die Drossel 6 in Reihe mit der Last 8, so daß infolge der relativ großen Impedanz der Last 8 zu der Drossel 6 nur ein kleiner Teil der Schaltspannung an der Drossel 6 abfällt. Die Stromänderungsgeschwindigkeit ist bei normalem Betrieb sehr gering. Im Falle eines Kurzschlusses zwischen den Ausgangsklemmen 3, II jedoch ist die Stromänderungsgeschwindigkeit sehr groß und an der Drossel 6 liegt die volle Schaltspannung an. Die an der Drossel 6 anstehende Spannung wird her die Fühlerwicklung q erfaßt und diese Meßspannung wird mit Hilfe des Schwellwertschalters 10 ausgewertet. Der Schwellwertschalter 10 liefert bei Vorliegen einer hohen Spannung sofort ein Ausschaltsignal A an die Steuereinheit 11 und der Abschaltvorgang wird somit bereits eingeleitet, bevor der Kurzschlußstrom irgendeine vorzugebende Abschaltstromschwelle überschritten hat. Die Spannungsmessung ist also zur Erkennung eines Kurzschlußstromes sehr viel besser geeignet als eine Strommessung, da sie einen Kurzschlußstrom viel früher anzeigt. Fehlauslösungen infolge kleiner Uberströme, die die normale Stromobergrenze geringfügig überschreiten, sind ausgeschlossen, da keine Strpmmessung zur Kurzschlußerkennung herangezogen wird.
• Bei einer zweiten Ausfhrungsform einer Uberstromschutzeinrichtung für einen Halbleiterschalter gemäR Fig. 2 ist parallel zur Drossel 6 die Primärwicklung eines Meßtransformators 12 geschaltet. Die Sekundärwicklung des Meßtransformators 12 ist mit dem Schwellwertschalter 10 verbunden, der ebenfalls bei Vorliegen einer hohen Spannung ein Ausschaltsignal A an die Steuereinheit 11 liefert. Die Funktionsweise der berstromschutzeinrichtung ist wie unter Fig. 1 beschrieben.
• Für beide Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 gilt vorteilhaft, daR sich die Spannungsmessung an der Drossel 6 in sehr einfacher Weise und potentialfrei durchführen läßt.
• Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 wird beispielhaft vom Spezialfall eines einfachen Gleichstromstellers mit Halbleiterschalter ausgegangen. Die Überstromschutzeinrichtung 1äRt sich jedoch mit Erfolg auf dem gesamten Anwendungsgebiet der Halbleiterschalter einsetzen, insbesondere bei pulsbreitenmodulierten Leistungsstellgliedern (Chopper) in der Regelungs- und Antriebstechnik.
• In Fig. 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Einsatz der tiberstromschutzeinrichtung bei einem Vierquadranten-Gleichstromsteller gezeigt. Es sind zwei miteinander verbundene Gleichspannungsquellen G1 und G2 vorgesehen. Die freie Klemme der Gleichspannungsquelle G1 bildet den Pluspol, an den ein erster Halbleiterschalter 5.1 sowie eine erste Freilaufdiode 7.1 angeschlossen sind. Die freie Klemme der Gleichspannungsquelle G2 bildet den Minuspol, an den ein zweiter Halbleiterschalter 5.2 sowie eine zweite Freilaufdiode 7.2 angeschlossen sind. Die Halbleiterschalter 5.1, 5.2 und die Freilaufdioden 7.1, 7.2 sind andererseits miteinander verbunden. An diesem gemeinsamen Verbindungspunkt iiegt die Drossel 6, deren weiterer Anschluß die negative Ausgangsklemme 4 bildet. Der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Gleichspannungsquellen G1, G2 bildet die positive Ausgangsklemme 3. Zwischen den Ausgangsklemmen 3,4 ist die Last 8 geschaltet. Die Drossel 6 ist wiederum mit einer Fühlerwicklung 9 versehen, die mit einem Schwellwertschalter 10 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Schwellwertschalters 10 sowie die Steuersignale S für Normalbetrieb werden einer Steuereinheit 11 zugeleitet, die zur Ansteuerung der Halbleiterschalter 5.1, 5.2 dient.
• Die Funktionsweise der tlberstromschutzeinrichtung ist wie unter Fig. 1 beschrieben.
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Claims (4)

1. A n s p r ii c h e Iberstromschutzeinrichtung für einen Halbleiterschalter, der in Reihe mit einer zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit dienenden Drossel liegt, wobei Mittel zu einer Begrenzung bzw. Abschaltung eines über den Halbleiterschalter fließenden Uberstromes vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (9,12) zur Erfassung der an der Drossel (6) abfallenden Spannung vorgesehen ist, an die ein Schwellwertschalter (10) angeschlossen ist.
2. 2. Uberstromschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (5) mit einer Fühlerwicklung (9) zur Spannungserfassung versehen ist.
3. 3. tjberstromschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drossel (6) ein Meßtransformator (12) zur Spannungserfassung parallel geschaltet ist.
4. 4. Überstromschutzeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (10) ausgangsseitig mit einer Steuereinheit (11) für den Halbleiterschalter (5) verbunden ist.