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Halbleiterschalter
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Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter, der einen Betätigungseingang
aufweist, mit mindestens einem Schalttransistor und mit einer ihm zugeordneten Überwachungseinrichtung,
die eine eingangsseitig in einem Parallelzweig zu dem Schalttransistor angeordnete
Spannungsbewertungseinrichtung enthält und ein steuerbares Halbleiterschaltelement
aufweist, das mit dem Betätigungseingang des Halbleiterschalters in Verbindung steht
und dessen Steueranschluß mit dem Ausgang der Spannungsbewertungseinrichtung verbunden
ist.
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Derartige Halbleiterschalter finden vor allem in Geräten der Leistungselektronik,
wie z. B. Wechselrichter, Schaltnetzteile u. a. Verwendung. In der Zeitschrift "Elektrotechnik",
Heft 11, 1977 ist auf Seite 18f ein Halbleiterschalter mit den oben genannten Merkmalen
beschrieben und in Bild 6 dargestellt. Der bekannte Halbleiterschalter weist einen
bipolaren Schalttransistor auf, der in Abhängigkeit von einem Spannungssignal an
einem Betätigungseingang des Halbleiterschalters ein- und ausgeschaltet werden kann.
Um den Schalttransistor im Hinblick auf den durch ihn fließenden Strom zu überwachen,
ist eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die eingangsseitig parallel zu dem
Schalttransistor angeordnet ist und die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke
des Schalttransistors erfaßt. Die Überwachungseinrichtung enthält eingangsseitig
eine Spannungsbewertungseinrichtung, die im wesentlichen aus einer Differenzverstärkeranordnung
besteht und die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistor auf
Uberschreiten eines durch eine Zenerdiode vorgegebenen Schwellenwertes überwacht.
Der Spannungsbewertungseinrichtung
ist ein steuerbarer Halbleiterschalter
bestehend aus einem Thyristor nachgeordnet, dessen Steueranschluß mit dem Ausgang
der Spannungsbewertungseinrichtung verbunden ist.
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Der Thyristor steht mit dem Betätigungseingang des Halbleiterschalters
in Verbindung und überbrückt dabei einen an dem Betätigungseingang liegenden Eingang
einer zweistufigen Transistoranordnung, die ausgangsseitig mit dem Steuereingang,
also dem Basisanschluß des Schalttransistors, verbunden ist.
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Die Überwachungseinrichtung und die zweistufige Transistoranordnung
werden aus einer eigenen Stromversorgungseinrichtung gespeist. Entsättigt sich der
bipolare Schalttransistor wegen eines zu hohen Kollektorstromes oder eines zu niedrigen
Basisstromes, so übersteigt die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke den vorgegebenen
Schwellenwert, und die Überwachungseinrichtung bewirkt eine Abschaltung des Schalttransistors,
indem der Thyristor gezündet wird und die zweistufige Transistoranordnung durch
Kurzschließen ihres Einganges deaktiviert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterschalter
mit einer Uberwachungseinrichtung anzugeben, die infolge Verzichts auf eine eigene
Stromversorgungseinrichtung besonders einfach und funktionssicher aufgebaut ist
und sich durch einen sehr geringen Eigenstromverbrauch auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist gemäß der Erfindung die Spannungsbewertungseinrichtung
einen parallel zu dem Schalttransistor liegenden Spannungsteiler auf, dessen Abgriff
den Ausgang der Spannungsbewertungseinrichtung bildet; das steuerbare Halbleiterschaltelement
liegt in einem Überbrückungszweig an dem Steuereingang des Schalttransistors, und
in einem Querzweig zwischen dem Betätigungseingang des Halbleiterschalters und dem
Steuereingang des Schalttransistors ist eine Strombegrenzungseinrichtung angeordnet.
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Durch die Anordnung der Schaltungselemente der Uberwachungseinrichtung
des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters wird die an dem Schalttransistor in Abhängigkeit
von dem durch ihn fließenden Strom abfallende Spannung mit Hilfe des Spannungsteilers
und des nachgeordneten steuerbaren Halbleiterschaltelementes direkt an den Steuereingang
des Schalttransistors rückgekoppelt, wodurch sich in vorteilhafter Weise eine Mitkopplung
ergibt. Dabei läßt sich durch eine entsprechende Dimensionierung des Spannungsteilers
in bezug auf das steuerbare Halbleiterschaltelement ein Schwellenwert derart vorgeben,
daß bei einem zu hohen Strom durch den Schalttransistor die an ihm abfallende Spannung
den Schwellenwert überschreitet und einen aufgrund der Mitkopplung selbsttätig und
daher besonders funktionssicher ablaufenden Abschaltvorgang des Schalttransistors
einleitet. Das steuerbare Halbleiterschaltelement bezieht dabei in vorteilhafter
Weise die zu seiner Funktion erforderliche Spannung über die Strombegrenzungseinrichtung
aus der zum Betätigen des Halbleiterschalters an seinem Betätigungseingang anliegenden
Steuerspannung und an dem Spannungsteiler liegt die an dem Schalttransistor abfallende
Spannung. Eine eigene Stromversorgungseinrichtung für die Uberwachungseinrichtung
ist daher nicht erforderlich, so daß die Überwachungseinrichtung des erfindungsgemäßen
Halbleiterschalters von der Zuverlässigkeit einer Fremdspeisung unabhängig und daher
besonders funktionssicher ist.
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Ein weiterer Vorteil des Aufbaus der Uberwachungseinrichtung ohne
eine eigene Stromversorgungseinrichtung besteht darin, daß sich die Uberwachungseinrichtung
auch bei einem bereits vorhandenen, ohne Überwachungseinrichtung aufgebauten Halbleiterschalter
nachträglich besonders einfach hinzufügen läßt.
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Dabei wirkt sich neben der nur geringen Anzahl der zum Aufbau der
Überwachungseinrichtung erforderlichen Schaltungselemente insbesondere vorteilhaft
aus, daß der Spannungsteiler und das
Halbleiterschaltelement in
einem Parallelzweig zu dem Schalttransistor bzw. in einem Uberbrückungszweig an
dem Steuereingang des Schalttransistors angeordnet sind; daher ist bei einem nachträglichen
Einbau der Uberwachungseinrichtung bis auf die Anordnung der Strombegrenzungseinheit
zwischen dem Betätigungseingang des Halbleiterschalters und dem Steuereingang des
Schalttransistors keine Auftrennung bereits bestehender Verbindungen notwendig.
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Der Schalttransistor kann ebenso wie bei dem eingangs angegebenen
bekannten Halbleiterschalter ein bipolarer Transistor sein, der bei einem zu hohen
Kollektorstrom oder zu niedrigen Basisstrom in einen Entsättigungszustand übergeht,
so daß der Anstieg der Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke die Überwachungseinrichtung
zur Einleitung eines Ausschaltvorganges aktiviert. Von besonderem Vorteil ist es
jedoch, als Schalttransistor einen Feldeffekttransistor zu verwenden, weil dieser
im eingeschalteten, also stromleitenden Zustand ein annähernd ohmsches Verhalten
aufweist; dadurch ist eine besonders genaue überwachung des Stromes durch den Feldeffekttransistor
gewährleistet, wobei der Einschaltwiderstand des Feldeffekttransistors die Funktion
eines Stromerfassungswiderstandes (Shunt) übernimmt.
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Wie oben bereits angegeben, läuft bei der Überwachungseinrichtung
des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters der Ausschaltvorgang des Schalttransistors
aufgrund der Mitkopplung selbsttätig ab, so daß nach Ablauf des Ausschaltvorganges
der Ausschaltzustand erhalten bleibt. Daher kann neben einem steuerbaren Halbleiterschaltelement
mit einem Kippspannungsverhalten, wie z. B. der bei dem bekannten Halbleiterschalter
verwendete Thyristor, in vorteilhafter Weise auch ein Halbleiterschaltelement ohne
Kippspannungsverhalten Verwendung finden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, als
steuerbares Halbleiterschaltelement einen Transistor vorzusehen, dessen Basisan-
schluß
und Emitteranschluß den Steuereingang bilden. Infolge der Schleusenspannung der
Basis-Emitter-Strecke des Transistors läßt sich nämlich in Verbindung mit dem Spannungsteiler
auf besonders einfache Weise und besonders genau der Schwellenwert vorgeben, bei
dessen überschreitung durch die Spannung an dem Schalttransistor der Ausschaltvorgang
eingeleitet wird.
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Bei einer wegen ihrer Einfachheit bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Halbleiterschalters besteht der Spannungsteiler aus zwei in Reihe
geschalteten Widerständen.
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Ein besonders genaues Ansprechverhalten der Uberwachungseinrichtung
wird dadurch erreicht, daß der Spannungsteiler eine Zenerdiode und einen mit ihr
in Reihe angeordneten Widerstand aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters
ist in Reihe mit dem Spannungsteiler eine Diode derart angeordnet, daß sie bezüglich
ihrer Durchlaßrichtung antiparallel zu dem Schalttransistor liegt und daß die Verbindungsstelle
zwischen der Diode und dem Spannungsteiler über einen weiteren Widerstand mit dem
Betätigungseingang des Halbleiterschalters verbunden ist. Dadurch wird in vorteilhafter
Weise erreicht, daß die Uberwachungseinrichtung erst dann eingeschaltet wird, wenn
der Halbleiterschalter durch eine Steuerspannung an seinem Betätigungseingang eingeschaltet
wird und daß die Überwachungseinrichtung zusammen mit dem Halbleiterschalter ausgeschaltet
wird, sobald an dem Betätigungseingang keine Steuerspannung mehr anliegt; im Ausschaltzustand
des Halbleiterschalters ist daher die aufgenommene Verlustleistung besonders gering.
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Die Strombegrenzungseinrichtung zwischen dem Betätigungseingang des
Halbleiterschalters und dem Steuereingang des Schalttransistors verhindert bei einem
durch die Uberwachungsein-
richtung ausgelösten Ausschaltzustand
des Halbleiterschalters einen Kurzschluß des Betätigungseingangs durch das steuerbare
Halbleiterschaltelement. Ein besonders einfacher Aufbau der Uberwachungseinrichtung
des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters wird in vorteilhafter Weise dadurch erzielt,
daß die Strombegrenzungseinrichtung aus einem Widerstand besteht.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters
besteht die Strombegrenzungseinrichtung aus einer steuerbaren Torschaltung, deren
Steuereingang mit einer aus dem Schaltzustand des steuerbaren Halbleiterschaltelementes
abgeleiteten Größe beaufschlagt ist. Bei einem durch die Überwachungseinrichtung
ausgelösten Ausschaltzustand des Halbleiterschalters wird nämlich die steuerbare
Torschaltung durch das steuerbare Halbleiterschaltelement in einen stromsperrenden
Zustand gesteuert, so daß unabhängig von der Steuerspannung an dem Betätigungseinganag
des Halbleiterschalters kein Strom in den Betätigungseingang fließen kann, so daß
auch keine Verlustleistung entsteht.
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Bei einer wegen ihrer Einfachheit günstigen Ausführung enthält die
Torschaltung einen weiteren Schalttransistor, der mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke
zwischen dem Betätigungseingang des Halbleiterschalters und dem Steuergang des Schalttransistors
liegt; in dem Überbrückungszweig ist in Reihe mit dem steuerbaren Halbleiterschaltelement
eine weitere Diode angeordnet und die Verbindungsstelle zwischen der weiteren Diode
und dem Halbleiterschaltelement ist mit dem Basisanschluß des weiteren Schalttransistors
verbunden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters
sind die Schaltungselemente des Halbleiterschalters zusammen in einem einzigen Schaltungsbauelement
wie z. B. eine Hybridschaltung oder eine monolithische Schaltung angeordnet, so
daß in vorteilhafter Weise ein kurzschlußfester Halbleiterschalter in Form eines
einzigen Bauelementes
zur Verfügung steht, das beispielsweise in
Geräten der Leistungselektronik, ohne Anderungen an den Geräten vornehmen zu müssen,
andere Halbleiterschalter ohne Uberwachungseinrichtung ersetzen kann.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein besonders einfaches
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters als Schaltbild dargestellt;
Figur 2 zeigt ein weiteres Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Halbleiterschalters.
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Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters
mit einem Betätigungseingang 1. Der Halbleiterschalter enthält einen Schalttransistor
2, der aus einem selbstsperrenden p-Kanal MOS-Feldeffekttransistor besteht. Dieser
ist mit seinem Drain-Anschluß D und seinem Source-Anschluß S in einem Strompfad
3 angeordnet, in dem ein mit I bezeichneter Strom ein- und auszuschalten ist. Der
Gate-Anschluß G des Feldeffekttransistors 2 bildet zusammen mit dem Source-Anschluß
S den Steuereingang 4 des Schalttransistors 2. Dem Schalttransistor 2 ist eine Uberwachungseinrichtung
5 zugeordnet, die eingangsseitig eine Spannungsbewertungseinrichtung 6 aufweist.
Die Spannungsbewertungseinrichtung 6 besteht aus einem Spannungsteiler mit 2 in
Reihe geschalteten Widerständen 7 und.8, der in einem Parallelzeig zu dem Schalttransistor
2 zwischen dessen Drain-Anschluß D und Source-Anschluß S liegt. Bei einer modifizierten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiter schalters kann der Widerstand 7
durch eine Zenerdiode ersetzt werden. Der Spannungsabgriff zwischen den Widerständen
7 und 8 bildet den Ausgang 9 der Spannungsbewertungseinrichtung 6.
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Der Spannungsbewertungseinrichtung 6 ist ein steuerbares Halbleiterschaltelement
10 nachgeordnet, dessen Steueranschluß 11
mit dem Ausgang 9 der
Spannungsbewertungseinrichtung 6 verbunden ist. Das steuerbare Halbleiterschaltelement
10 besteht aus einem bipolaren Transistor, dessen Basisanschluß den Steueranschluß
11 bildet. Der das Halbleiterschaltelement 10 bildende Transistor ist mit seiner
Kollektor-Emitter-Strecke an dem Steuereingang 4 des Transistorschalters 2 angeschlossen
und überbrückt diesen. In einem Querzweig zwischen dem Betätigungseingang 1 des
Halbleiterschalters und dem Steuereingang 4 des Transistorschalters 2 ist eine aus
einem Widerstand bestehende Strombegrenzungseinrichtung 12 angeordnet.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Halb leiterschalters
nach Figur 1 sei zunächst angenommen, daß sich der Schalttransistor 2 in einem stromleitenden
Zustand befindet; dazu liegt an dem Betätigungseingang 1 des Halbleiterschalters
eine den Schalttransistor 2 stromleitend steuernde Steuerspannung an. An dem Schalttransistor
2 fällt zwischen dessen Drain-Anschluß D und Source-Anschluß S eine durch den Strom
I hervorgerufene Spannung ab, die aufgrund des inneren Einschaltwiderstandes des
Schalttransistors 2 nahezu proportional zu dem Strom I ist. Die Widerstände 7 und
8 des die Spannungsbewertungseinrichtung 6 bildenden Spannungsteilers sind derart
dimensioniert, daß im normalen Betriebszustand der von dem Strom I hervorgerufene
Spannungsabfall an dem Schalttransistor 2 nicht ausreicht, um an dem Widerstand
8 einen derart großen Spannungsabfall hervorzurufen, daß er die Schleusenspannung
von ungefähr 0,7 V zwischen dem Basis- und dem Emitteranschluß des Halbleiterschaltelementes
10 überschreitet.
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Sobald der Strom I beispielsweise infolge eines Kurzschlusses über
einen vorgegebenen Maximalwert ansteigt, überschreitet dementsprechend die an dem
Schalttransistor 2 abfallende Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert, so daß
das Halbleiterschaltelement 10 durch die Spannung an dem Widerstand 8
in
einen stromleitenden Zustand gesteuert wird. Dabei wird der Steuereingang 4 des
Schalttransistors 2 durch das Halbleiterschaltelement 10 kurzgeschlossen, so daß
der Schalttransistor 2 in einen stromsperrenden Zustand übergeht und die zwischen
seinem Drain-Anschluß und seinem Gate-Anschluß abfallende Spannung zunimmt. Dies
hat wiederum eine weitere Aufsteuerung des das Halbleiterschaltelement 10 bildenden
Transistors zur Folge, so daß der Ausschaltvorgang des Schalttransistors 2 nunmehr
selbsttätig abläuft. Infolge der Rückkopplung des Schalttransistors 2 über die Bewertungseinrichtung
6 und das Halbleiterschaltelement 10 ergibt sich ein stabiler Ausschaltzustand des
erfindungsgemäßen Halbleiterschalters. Um den Halbleiterschalter wieder in einen
stromleitenden ZUstand zu steuern, ist neben einer Beseitigung der Kurzschlußursache
eine erhöhte Steuer spannung an dem Betätigungseingang 1 erforderlich, um den Transistor
10 soweit in den Sättigungszustand zu steuern, daß die an seiner Kollektor-Emitter-Strecke
abfallende Spannung ausreicht, den steuerbaren Schalter 2 in einen stromleitenden
Zustand zu steuern.
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Figur 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Halbleiterschalters mit einem Betätigungseingang 20. Der Halbleiterschalter enthält
einen Schalttransistor 21, der aus einem p-Kanal MOS-Feldeffekttransistor besteht.
Dieser ist zusammen mit einer aus zwei bipolaren Leistungstransistoren und einem
weiteren Feldeffekttransistor bestehenden Darlington-Schaltung 22 und einer Zenerdiode
23 zu einer Kaskode-Schaltung 24 angeordnet. Dabei liegt der Schalttransistor 21
mit seinem Drain-Anschluß D und seinem Source-Anschluß S in einem Strompfad 25,
in dem ein mit I bezeichneter Strom ein- und auszuschalten ist. Der Gate-Anschluß
G bildet zusammen mit dem Source-Anschluß S den Steuereingang 26 des Schalttransistors
21 bzw. der Kaskode-Schaltung 24. Dem Schalttransistor 21 ist eine Uberwachungsein-
richtung
27 zugeordnet, die eingangsseitig eine Spannungsbewertungseinrichtung 28 enthält.
Die Spannungsbewertungseinrichtung 28 weist einen Spannungsteiler bestehend aus
zwei in Reihe liegenden Widerständen 29 und 30 auf, der in Reihe mit einer Diode
31 parallel zu der Drain-Source-Strecke des Schalttransistors 21 angeordnet ist.
Dabei ist die Diode 31 derart angeordnet, daß sie hinsichtlich ihrer Durchlaßrichtung
antiparallel zu dem Schalttransistor 21 liegt. Die Verbindungsstelle 32 zwischen
der Diode 31 und dem Spannungsteiler 29, 30 ist über einen weiteren Widerstand 33
mit dem Betätigungseingang 20 des Halbleiterschalters verbunden. Der Spannungsabgriff
zwischen den Widerständen 29 und 30 bildet den Ausgang 34 der Spannungsbewertungseinrichtung
28.
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Der Spannungsbewertungseinrichtung 28 ist ein steuerbares Halbleiterschaltelement
35 nachgeordnet, dessen Steueranschluß 36 mit dem Ausgang 34 der Spannungsbewertungseinrichtung
28 verbunden ist. Das steuerbare Halbleiterschaltelement 35 besteht aus einem bipolaren
Transistor, dessen Basisanschluß den Steueranschluß 36 bildet. Der das Halbleiterschaltelement
35 bildende Transistor liegt mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit einer
weiteren Diode 37 in einem Überbrückungszweig an dem Steuereingang 26 des Schalttransistors
21. In einem Querzweig zwischen dem Betätigungseingang 20 des Halbleiterschalters
und dem Steuereingang 26 des Schalttransistors 21 ist eine aus einer Torschaltung
bestehende Strombegrenzungseinrichtung 39 angeordnet, die einen weiteren als Serientor
angeordneten Schalttransistor 40 enthält. Dessen Basisanschluß ist an der Verbindungsstelle
zwischen der weiteren Diode 37 und dem Halbleiterschaltelement 35 angeschlossen.
Zwischen dem Kollektoranschluß und dem Basisanschluß des weiteren Schalttransistors
40 liegt ein zusätzlicher, als Stromquelle geschalteter n-Kanal Sperrschicht-Feldeffekttransistor
41.
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Um den Halbleiterschalter in einen stromleitenden Zustand zu steuern,
wird an dem Betätigungseingang 20 eine Steuerspannung angelegt. Im normalen störungsfreien
Betriebszustand ist der weitere Schalttransistor 40 leitend, so daß die Steuerspannung
an dem Betätigungseingang 20 den Schalttransistor 21 und die Darlington-Schaltung
22 in einen stromleitenden Zustand steuert. Durch die Darlington-Schaltung 22 und
den Schalttransistor 21 fließt der zu schaltende Strom I, der an der Drain-Source-Strecke
des Schalttransistors 21 einen stromproportionalen Spannungsabfall erzeugt. Die
Steuerspannung ist so gewählt, daß sie größer als der Spannungsabfall an dem Schalttransistor
21 ist; dann ist nämlich infolge der Ankopplung der Steuerspannung an dem Betätigungseingang
20 über den weiteren Widerstand 33 an den Schaltungspunkt 32 die Diode 31 stromleitend,
so daß an dem Spannungsteiler 29, 30 die an dem Schalttransistor 21 abfallende Spannung
in Reihe mit der Schwellenspannung der Diode 31 anliegt.
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Uberschreitet diese Spannung wie oben in bezug auf Figur 1 erläutert
einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird der Transistor 35 leitend und bewirkt
einen Kurzschluß des Steuereingangs 26 des Schalttransistors 21, der daraufhin in
einen stromsperrenden Zustand übergeht. Dabei erzeugt der durch den Transistor 35
fließende Strom in der weiteren Diode 37 einen Spannungsabfall, der den weiteren
Schalttransistor 40 in einen stromsperrenden Zustand steuert. Daher fließt bei weiterhin
anliegender Steuerspannung nur noch ein sehr geringer, durch den Feldeffekttransistor
41 begrenzter Strom in den Betätigungseingang 20, so daß dementsprechend nur noch
sehr geringe Verluste auftreten. Wird die Steuerspannung an dem Betätigungseingang
durch betriebsmäßiges Ausschalten des Halbleiterschalters entfernt, so geht die
Diode 31 in einen stromsperrenden Zustand über; dann kann auch durch den Spannungsteiler
29, 30 kein Strom mehr fließen, so daß die Verlustleistungsaufnahme des Halbleiterschalters
nahezu Null
ist. Um den Halbleiterschalter wieder in einen stromleitenden
Zustand einzuschalten, wird nach Beseitigung der Kurzschlußursache wieder eine Steuerspannung
an dem Betätigungseingang 20 angelegt.
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2 Figuren 10 Ansprüche
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