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Überstrom-Schutzschaltung für einen Transistor
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~(beansprucht wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung T
57-210 885 vom 1.12.1982) Die Erfindung betrifft eine Überstrom-SchutzschaItung
für einen Transistor gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1.
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Wird der Transistor als Leistungsschalter in einem Stromrichter oder
anderen Geräten der Leistungselektronik verwendet, so wird er in dieser Schaltung
von Überströmen geschützt. Überströme können im wesentlichen aus zwei Gründen auftreten:
eine Ursache ist eine Überlast; in diesem Fall sind Schwankungen des Stromes (di/dt)
bei jeder Ansteuerung verhältnismäßig klein und der Transistor kann daher auf andere
Weise leicht geschützt werden. Die andere Ursache tritt z.B. auf, wenn etwa in einer
Stromrichter-Brückenschaltung zwei Transistoren in Serie an eine Gleichstromquelle
geschaltet sind und der eine Transistor zum Kurzschließen des anderen Transistors
dient.
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Auch dann stellt der Kurzschluß der Gleichstromquelle eine Überlast
des Transistors dar In diesen Fällen sind die Stromschwankungen bei jeder Ansteuerung
sehr groß und es ist schwierig, den Transistor vor Überströmen zu schützen.
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Häufig werden in Stromrichtern Thyristoren verwendet.
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Andererseits ist aber ein Transistor nicht widerstandsfähiger gegen
Überströme als ein Thyristor und es kann daher kaum ein Schutz des Transistors mittels
Sicherungen erreicht werden.
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Zunächst sei ein üblicher Überstromschutz betrachtet.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Basi-Emitter-Strecke
des
Hauptthyristors 4 über einen Begrenzungswiderstand 2 mit dem Signalausgang A einer
Schaltsteuereinrichtung 1 verbunden, wobei durch das Einschaltsignal A der Hauptthyristor
1 eingeschaltet wird, indem ein Einschaltstrom (positiver Grundstrom) 11 durch die
Basis-Emitter-Strecke des Haupttransistors 4 geleitet wird. Der Haupttransistor
4 wird ausgeschaltet durch einen Ausschaltstrom (negativer Grundstrom) I2, der am
entsprechenden Signalausgang B mittels eines Ausschaltsignals zur Verfügung gestellt
wird, wenn mittels des Signals A 11 = 0 angesteuert wird.
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Eine Schutzdiode 3 ist parallel zwischen Basis und Emitter des Haupttransistors
geschaltet. Als Schaltsteuereinrichtung 1 kann z.B. eine Basisstrom-Steuerschaltung
entsprechend der japanischen Offenlegungsschrift 151 278/i982 verwendet werden.
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Ein Teil der üblichen Schaltungen verwendet einen isolierten Stromdetektor
19, der in den Kollektor-Anschluß des Haupttransistors 4 geschaltet ist. Der Haupttransistor
4 wird durch ein Signal der Schaltsteuereinrichtung abgeschaltet, indem ein Überstrom
mittels eines an den Stromdetektor 19 angeschlossenen Uberstrom-Detektors 20 erfaßt
wird. In diesem Fall macht jedoch die Verwendung eines Gleichstromwandlers als Stromdetektor
19 die Schaltung unverhältnismäßig teuer, während die Verwendung eines Wechselstromwandlers
im Stromkreis weitere Probleme bezüglich Zuverlässigkeit und Herstellungsaufwand
mit sich bringt. Außerdem ist im Oberstrom-Detektor 20 ein Filterkreis erforderlich,
um bei einem Rauschen Fehlschaltungen zu vermeiden. Dadurch geht die hohe Ansprechgeschwindigkeit
verloren, so daß ein Transistor bei Überströmen infolge sprunghafter Stromänderungen
schwer zu schützen ist.
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Bei anderen üblichen Schaltungen wird eine dem Emitterstrom proportionale
Spannung mittels eines mit dem
Emitter in Reihe geschalteten Widerstandes
21 entsprechend Fig. 2 abgegriffen. Ein Überstrom wird dann mittels eines Überstromdetektors
22 erfaßt, um den Haupttransistor 4 mittels der Schaltsteuereinrichtung 1 abzuschalten.
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Da in diesem Fall der Widerstand 21 in den Leistungskreis geschaltet
ist und die Schaltvorgänge einen nicht-induktiven Widerstand erfordern, treten erhebliche
Spannungsverluste auf. Nachteilig ist bei dieser Methode, daß eine Isolation gegenüber
der Steuereinrichtung nicht möglich ist und insbesondere eine Anwendung bei stark
kapazitiven Vorrichtungen- schwierig ist.
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Derartige Nachteile der bekannten Vorrichtungen werden durch die Erfindung
vermieden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung zu schaffen,
die den Transistor vor Überströmen schützt, wie sie durch sprunghafte Änderungen
bei der Ansteuerung entstehen, wobei ein einfacher und verlustarmer Aufbau der Schaltung
ohne Verluste in dem Leistungskreis angestrebt ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst entsprechend der Lehre des Patentanspruchs
1.
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Der Steuertransistor überbrückt Basis und Emitter des Haupttransistors
direkt, es kann aber auch vorgesehen sein, dem Hauptthyristor seinen Einschaltstrom
mittels eines Hilfsthyristors zuzuführen, wobei der Steuertransistor dann Basis
und Emitter des Hilfstransistors überbrückt. Wird der Haupttransistor als Schaltelement
betrieben, so dient der zwischen Basis und Emitter des Haupttransistors und der
den Haupttransistor steuernden Schaltsteuereinrichtung angeordnete Steuertransistor
zum Abschalten des Einschaltstroms an der Basis des Haupttransistors.
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Ferner ist ein Verzögerungsglied vorgesehen, dem das Ausgangssignal
der Schaltsteuereinrichtung, also der Einschaltstrom 11 zugeführt ist und das den
Steuertransistor steuert.
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Dem Steuertransistor ist ein Basisstrom mittels eines Schwellwertgliedes
aufschaltbar, wenn die Ausgangsspannung des Verzögerungsgliedes einen vorgegebenen
Schwellwert erreicht. Das Schwellwertglied wird also leitfähig, wenn die vorzugsweise
über einen Widerstand am Verzögerungsglied abgegriffene Ausgangsspannung einen vorgegebenen
Grenzwert erreicht; das Schwellwertglied liefert dann den Basisstrom den nötigen
Basisstrom zum Einschalten des Steuertransistors 5.
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Schließlich ist zwischen dem Eingang des Schwellwertgliedes, also
insbesondere zwischen dem erwähnten Widerstand am Spannungsausgang des Verzögerungsgliedes
und dem Schwellwertglied, und dem Kollektor des Haupttransistors eine Diode angeordnet,
die das Aufschalten des Basisstroms auf den Steuertransistor nur dann ermöglicht,
wenn bei Ansteuerung durch die Ausgangsspannung des Verzögerungsgliedes die Kollektor-Emitter-Spannung
ansteigt.
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Diese Diode läßt also den stromdurchlässigen Zustand des Schwellwertgliedes
bei entsprechender Ansteuerung durch das Verzögerungsglied nur dann zu, wenn die
Kollektor-Emitter-Spannung des Haupttransistors auf gewisse Höchstwerte ansteigt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
erläutert. Anhand von 4 weiteren Figuren wird die Erfindung näher erläutert.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Signalausgang
A der Schaltsteuereinrichtung 1 an die Basis-Emitter-Strecke des Haupttransistors
über den
Widerstand 2 angeschlossen, um den Haupttransistor 4 entsprechend
seinem Leitfähigkeitszustand durch den positiven Einschaltstrom 11 einzuschalten.
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Der Signalausgang A ist ferner parallel auch an den Eingang eines
Verzögerungsgliedes gelegt, das aus einem Widerstand 10 und einem Kondensator 11
besteht. An den Verbindungspunkt zwischen Widerstand und Kondensator ist ein Widerstand
9 angeschlossen, der den Ausgang des Verzögerungsgliedes bildet. Dieser Ausgang
ist einerseits mit dem Kollektor des Haupttransistors 4 und andererseits über eine
Konstantspannungsdiode 8.(Zener-Diode) mit der Basis eines Steuertransistors
Kollektor ist mit der Basis des Haupttransistors 4 verbunden, während der Emitter
an den Emitter des Haupttransistors 4:angeschlossen ist. Ein Widerstand 7 liegt
parallel zu Basis und Emitter des Steuertransistors 5. Ferner ist eine Schutzdiode
3 parallel zu Basis und Emitter des Haupttransistors 4 angeordnet.
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Außerdem ist an den Steuerausgang B der Schaltsteuereinrichtung 1
die Basis/Emitter-Strecke des Haupttransistors 4 parallel angeschlossen, so daß
ein negativer Basisgrundstrom fließen kann, um die Abschaltzeit des Haupttransistors
4 zu verkürzen.
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Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: Erscheint am Signalausgang
A ein Einschaltsignal, so fließt der Einschaltstrom 11 über Basis und Emitter des
Haupttransistors 4, der somit eingeschaltet wird. Ist zu dieser Zeit der Kollektorstrom
des Haupttransistors kleiner als ein vorgegebener Wert, so ist die entsprechende
Kollektor/Emitter-Spannung VCE hinreichend niedrig (Sättigungsspannung VCE (sat)).
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Widerstand 10 und Kondensator 11 bestimmen eine Zeitkonstante von
einigen Mikrosekunden für das Verzögerungsglied. Daher baut sich nach einigen Mikrosekunden
am Kondensator 11 eine Kondensatorspannung auf, die ungefähr der Signalspannung
A entspricht. Sind die Schwellspannung VF der Diode 6, die Durchbruchspannung +V
der Zenerdiode z 8, die Basis/Emitter-Spannung VBE des Steuertransistors 5 und die
betriebsmäßige Kollektor/Emitter-Spannung VCE (sat) so aufeinander abgestimmt, daß
gilt: VCE (sat) + VF <Vz + VBE so fließt der den Widerstand 9 durchsetzende Strom
vollständig über die Diode 6 vollständig in den Kollektor des Haupttransistors 4
und nicht auf die Basis des Steuertransistors 5. Der Steuertransistor 5 ist daher
zuverlässig gesperrt.
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Überschreitet der Kollektorstrom des Haupttransistors 4 einen vorgegebenen
Wert (Überstrom), so wächst die Spannung VCE erheblich über den Sättigungswert VCE
(sat), abhängig von dem jeweiligen Wert des Kollektorstromes (aktiver Betrieb).
In diesem Betriebszustand gilt also: VCE + VF > V + VBE z und der Steuertransistor
5 wird eingeschaltet.
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Daher fließt der Strom I1 von der Basis des Haupttransistors nunmehr
über den Steuertransistor 5 ab und schaltet den Haupttransistor 4 aus. Dieses Ausschalten
des Haupttransistors aus dem aktiven Betrieb erfolgt praktisch ohne Zeitverzögerung.
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Wenn das Einschaltsignal A verschwindet und am Signalausgang B das
Abschaltsignal erscheint, so wird das Basispotential negativ und die Emitterspannung
zwischen Basis und Emitter des Haupttransistors positiv. Dieser Betriebszustand
ist als "Umkehrung des GrundzuStandes" (reverse bias condition) bezeichnet.
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Zu diesem Zeitpunkt entlädt sich der Kondensator 11 des Verzögerungsgliedes.
Dadurch entsteht eine Verzögerungszeit, wenn das Einschaltsignal am Ausgang A der
Schaltsteuereinrichtung 1 wieder auftritt, so daß ein sicheres Einschalten des Haupttransistors
4 sichergestellt ist.
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Wäre diese Verzögerung nämlich nicht vorhanden, so würde der Steuertransistor
5 eingeschaltet, bevor der Haupttransistor 4 schaltet, so daß der Haupttransistor
4 nicht wieder einschalten kann. Eine derartige Störung ist aber vermieden.
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Der Parallelwiderstand zwischen Basis und Emitter des Steuertransistors
5 ist vorgesehen, um die Zener-Spannung der Konstantspannungsdiode 8 zu kompensieren.
Es ist außerdem möglich, die hier verwendeten Konstantspannungsdioden 8 durch eine
Serienschaltung von Gleichrichterdioden zu ersetzen. Auch der Ersatz des Steuertransistors
5 durch andere Halbleiterelemente, z.B. Thyristoren oder Feldeffekttransistoren,
ist möglich.
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Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
die sich von Fig. 3 insofern unterscheidet, als innerhalb der Schaltsteuereinrichtung
ein Glättungsglied zur Glättung einer gepulsten Steuerspannung vorhanden ist, das
gleichzeitig als Verzögerungsglied dienen kann. In der bereits erwähnten japanischen
Offenlegungsschrift 151 278/1982 ist ein Basis-Steuerkreis beschrieben, der als
SchaltsteuereinrichtuMng verwendet werden kann, um während der Einschaltperiode
einen kontinuierlichen Spannungsimpuls zur Verfügung zu stellen, ohne daß ein vergrößerter
Isolationstransformator erforderlich ist.
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Fig. 5 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der Erfindung,bei
der eine von der Schaltsteuereinrichtung 1 getrennte Gleichspannungsquelle verwendet
ist, um den Basisstrom für den Haupttransistor 4 zur Verfügung zu
stellen.
Zusätzlich zum Steuertransistor 5 ist ein Einschalttransistor 15 und ein Abschalttransistor
16 vorgesehen, die in der dargestellten Weise miteinander verbunden und in den Basissteuerkreis
des Haupttransistors 4 eingeschaltet sind. Mit 13 und 14 sind Widerstände bezeichnet,
die zwischen der Gleichspannungsquelle 12 und den Emittern der Transistoren 15 und
16 geschaltet sind.
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Ist bei einer derartigen Schaltung das Ausgangssignal der Schaltsteuerung
1 im Einschaltzustand, so ist entsprechend dem Potential P der Gleichspannungsquelle
12 der Transistor 5 eingeschaltet und der Transistor 16 gesperrt, der Haupttransistor
4 schaltet auf Stromführung. Ist dagegen das Schaltsignal negativ (entsprechend
dem Potential N der Gleichspannungsquelle 12), so ist der Transistor 15 gesperrt,
während der Transistor 16 durchschaltet, so daß der Haupttransistor 4 sperrt.
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Beim Auftreten eines Überstromes wirkt diese Schaltung wie das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3, jedoch braucht der Steuertransistor 5 keine vergrößerte Stromkapazität
zu besitzen, da er den Basisstrom des Haupttransistors 4 nicht direkt steuert. Daher
erfordert die Schaltung insgesamt ein geringes Bauvolumen und geringe Herstellungskosten.
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Fig. 6 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform der Erfindung,
bei der der Leistungskreis den Haupttransistor 4 in Darlinqton-Schaltuna mit dem
Transistor 17 einer vorhergehenden
18 ist dabei eine Schutzdiode für den Transistor 17 bezeichnet.
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In diesem Fall gilt für die Spannungen VCE und VBE zwischen Emitter,
Kollektor und Basis des Haupttransistors 4 und die Kollektor/Emitter-Spannung VcE,
des Hilfstransistors 17:
VCE BE CE'-Tritt nun Überstrom auf, so
ändert sich VBE des Haupttransistors wenig im Vergleich zu VCE, des Hilfstransistors,
die schließlich beim Durchbruch der Zener-Diode 8 an Basis und Emitter des Steuertransistors
5 gelegt wird. Daher wird bei dieser Ausführungsform letztlich die Kollektor/Emitter-Spannung
VCE, des Hilfstransistors 17 überwacht. Überschreitet diese Spannung den vorgegebenen
Wert, so schaltet der Steuertransistor 5 ein und der Haupttransistor 4 ab. Daher
wird nur der Transistor 17 der vorhergehenden Stufe durch die Schaltsteuereinrichtung
1 gesteuert, für die nur ein geringer Steuerstrom benötigt wird.
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Wie bereits erläutert, ermöglicht die Überstromschutzschaltung nach
der Erfindung eine Schaltung zum raschen Abschalten des Basisstroms eines Haupttransistors,
wenn diese Kollektor/Emitter-Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dabei
wird ausgenutzt, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des als Schaltelement benutzten
Haupttransistors bei Auftreten eines Überstroms anwächst. Daher benötigt die Schaltung
keinehStromdetektor oder Widerstand zur Stromüberwachung im Leistungskreis und kann
auf wirtschaftliche Weise ohne Verluste im Leistungskreis erreicht werden. Die Schutzschaltung
nach der Erfindung ist also in der Lage, einen Transistor zuverlässig bei sprunghaften
Stromschwankungen vor Überstrom zu schützen.