DE3723786C2

DE3723786C2 -

Info

Publication number: DE3723786C2
Application number: DE19873723786
Authority: DE
Inventors: Hantjun Dipl.-Ing. Hauw-Doeblitz; Guenter Dipl.-Ing. Junge; Yehia Dr.-Ing. 1000 Berlin De Tadros
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1987-07-16
Filing date: 1987-07-16
Publication date: 1992-08-06
Also published as: DE3723786A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Anordnung ist durch die JP 61-2 61 920 A, In: Patents Abstracts of Japan, Sect. E, Vol. 11 (1987), No. 113 (E-497) bekannt.

Die Erfindung bezweckt den Schutz von Insulated-Gate-Transistoren, Feld effekt-Transistoren oder vergleichbaren, über ihre Gate-Zuleitung (Steuer anschluß) ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern, wie sie häufig in Stromrichtern und Leistungsstellern verwendet werden.

Bei der eingangs angegebenen bekannten Schaltungsanordnung erfolgt eine Überstromerkennung mittels Überwachung des Halbleiterleistungsschalters auf Entsättigung, die mit Hilfe eines ohmschen Spannungsteilers zwischen dem Source- und dem Drainanschluß des Halbleiterleistungsschalters vor genommen wird. Der lastseitige Anschluß dieser Überstromerkennung hat zwei entscheidende Nachteile:

a) Bei hoher Lastspannung nimmt der Spannungsteiler unverhältnismäßig hohe Verlustleistung auf, da aus Gründen einer schnellen Überstromabschaltung und einer geringen Störbeeinflussung des Auslösesignals der Widerstand des Spannungsteilers nicht beliebig hochohmig gemacht werden darf.
Bei Verwendung einer sonst üblichen Kollektor-Diode, die am geschalteten Hauptanschluß des Leistungshalbleiterschalters (meistens Kollektor bzw. Drain) angeschlossen wird, ergeben sich Probleme durch eine Störstrombeeinflussung des Ansteuerkreises. Dies gilt besonders für die modernen Transistormodule, die mit sehr hohen Spannungssteilheiten (<10 KV/µs) geschaltet werden. Des weiteren stellt die Notwendigkeit, eine Hochspannungsdiode im Ansteuerkreis installieren zu müssen, allein bereits einen bedeutenden Nachteil dar (ungünstiges Schaltungslayout).
b) Eine Kurzschlußsituation, die bereits zum Zeitpunkt des Einschaltens des Halbleiterleistungsschalters bestanden hagen kann, wird sehr spät erkannt, weil bei Entsättigungsüberwachungen immer erst der Zusammen bruch der Transistorhauptspannung abgewartet werden muß (mehrere µs Verzugszeit). Dieser Zusammenbruch tritt aber bei dem im Strom richterbetrieb häufigsten Fall der Laststromkommutierung von einer Rücklaufdiode erst nach dem vollständigen Sperren der Rücklauf diode, also zum Zeitpunkt des Kollektorstrommaximums, ein. Im Kurzschlußfall kann daher bereits ein sehr großer Kurzschlußstrom durch den Halbleiterleistungsschalter fließen und diesen gefährden.

Durch die JP 61-35 612 A, In: Patents Abstracts of Japan, Sect. E. Vol. 10 (1986), No. 192 (E-417) ist es bekannt, einen Leistungstransistor dadurch zu schützen, daß eine einen Thyristor in seiner Schaltfunktion nachbildende Reihenschaltung zweier Transistoren parallel zum Steuereingang des zu schützenden Leistungstransistors vorgesehen ist, die im Überstromfall ge zündet wird.

Bei dieser Schaltungsanordnung ist zur Überstromerkennung ein ohmscher Widerstand im Emitterkreis des zu schützenden Leistungstransistors vor gesehen. Dies hat mindestens ebenfalls zwei entscheidende Nachteile:

a) Bei einem Leistungstransistor, der große Ströme führen soll, (z. B. <100 A), scheiden solche Lösungen von vornherein wegen der entstehenden hohen Verlustleistung im Meßwiderstand aus.
b) Üblicherweise werden im Bereich von 10 A bis 600 A bzw. 500 V bis 1200 V bis auf wenige Spezialanwendungen fast ausschließlich Transistorschalter in Modulbauform verwendet. Bei diesen Modulen sind, zumal bei den großen Leistungseinheiten, immer beide Steuer anschlüsse (Gate/Basis und Source/Emitter) aus Gründen geringer Stör beeinflussung getrennt von den Leistungsanschlüssen (Drain/Kollektor und Source/Emitter) herausgeführt.
Bei Verwendung solcher Transistormodule scheidet mithin diese Art der Überstromerkennung auch aus dem vorgenannten Grunde aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die einfach zu realisieren ist, eine kurze Ansprech dauer besitzt und verlustarm arbeitet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.

Durch die Anordnung gemäß der Erfindung wird damit vorteilhafterweise ein Überstrom am Anstieg der Gate-Emitter-Spannung des Insulated-Gate- Transistors bzw. des Feldeffekt-Transistors sofort erkannt. Der Kurzschlußstrom kann schon im Anstieg abgeschaltet werden. Auch sind hierzu keine weiteren Bauelemente nötig, die verlustbringend unmittelbar mit dem Lastkreis ver bunden sind. Daher entfallen auch die zusätzlichen Verluste, Bauelemente kosten und die Layout-Probleme, die konventionelle Überwachungseinrichtungen verursachen. Außerdem entfallen die Störbeeinflussungsprobleme der Schaltungs anordnung nach dem Stand der Technik, die entweder durch steile Spannungsänderungen (Sättigungsüberwachung) oder durch steile Stromänderungen (Shunt) entstehen. Vor allem im Bereich größerer Schaltleistungen (<100 A/<500 V) werden diese Probleme sehr bedeutsam.

Die Anordnung nach der Erfindung ist sowohl in Ansteuerschaltung mit Im pulsübertragern als auch solchen, die lastpotentialbehaftet sind (Opto-Koppler), verwendbar.

Ferner wird durch den Einsatz der (Entkopplungs-) Diode, die nur im Ein schaltsteuerkreis wirksam ist, die Impedanz in Richtung Steuerspannungsquelle nahezu unendlich. Dadurch gelingt es auf einfache Weise, ohne Beeinträchtigung des normalen Betriebsverhaltens der Ansteuerschaltung einen ausreichend hohen Signalhub an den Steuerklemmen des Halbleiterleistungsschalters bei Überstrom zu erhalten, bei dem durch Vergleich mit einem Referenzwert ein Überstrom erkannt werden kann.

Die Anordnung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die

Fig. 1 eine Schaltung gemäß der Erfindung, in der ein Thyristor als Schutzbaustein verwendet wird, die

Fig. 2 eine weitere Schaltung gemäß der Erfindung, in der die Thyristorfunktion gemäß Fig. 1 durch die Reihenschaltung zweier Transistoren er zielt wird.

In der Fig. 1 ist mit AST ein Ansteuerschaltwerk bezeichnet, das bei einem Ein-Befehl eine positive Spannung +U_GE (Klemme 1, 3) an die Gate- Emitter-Strecke des Insulated-Gate-Transistors (IGT) T anlegt. In die Leitung von der Klemme 1 zum Gate (G) ist eine Diode D mit zum Gate gerichteter Durchlaßrichtung eingefügt. Zwischen Gate und Emitter des Transistors T ist ein Thyristor TS geschaltet, dessen Anode am Gate liegt. Zwischen Gate und der Steuerelektrode des Thyristors TS ist eine Zenerdiode DS eingeführt mit kathodenseitigem Anschluß am Gate. Vom Kollektor C fließt bei Anliegen einer Kollektor-Emitter-Spannung im Ein-Zustand ein Strom i_C zum Emitter. Im Falle eines Überstromes im Transistor, der z. B. durch einen Kurzschluß im Lastkreis von T hervor gerufen wird, erhöht sich die an den Steuerklemmen G-E des Transistors T meßbare Spannung aufgrund von inneren Spannungsabfällen. Dies führt bei geeigneter Wahl der Duchbruchspannung der Z-Diode DS zur Zündung des Schutz-Thyristors (oder ähnlichen Bauelementen), wodurch die Steuer strecke von T kurzgeschlossen wird und der Überstrom in T sofort ab geschaltet wird und für die Dauer des Einschalt-Steuer-Befehles (E/A- Befehl) auch abgeschaltet bleibt. Danach folgt der ohnehin normaler weise vorgesehene Aus-Befehl durch U_GE-0 (Klemmen 2, 3), wobei die Leitung von der Klemme 2 direkt an das Gate des Transistors T führt.

Die Diode D ist notwendig zur Entkopplung der positiven Ansteuerspan nung U_GE von der durch den Einschaltbefehl eingeschalteten Spannung (vgl. Fig. 2: dort eingezeichnete Spannung U_H ₁).

Der in Fig. 1 dargestellte Thyristor TS kann auch gemäß dem Ersatz schaltbild eines Thyristors aus zwei Bipolar-Transistoren diskret auf gebaut sein. Diese beiden Transistoren sind in der Fig. 2 mit T 1 (pnp) und T 2 (npn) bezeichnet. Der Transistor T 1 ist mit seinem Kollektor über einen Widerstand R 1 mit dem Gate des Thyristors T (gleiche Bezeich nung wie in Fig. 1) angeschlossen. Der Kollektor des Transistors T 1 ist ferner über einen Widerstand R 2 mit seiner Basis und dem Kollektor des Transistors T 2 verbunden. Der Emitter dieses Transistors führt über eine Diode D 3 in Durchlaßrichtung auf den Emitter des Transistors T. Diese Diode soll verhindern, daß der Transistor T 2 mit negativer Span nung belastet wird.

An das Gate des Transistors T ist eine Zener-Diode D 1 mit Durchlaßrich tung zum Gate angeschlossen. Sie führt anodenseitig über eine Diode D 2 entgegengesetzter Durchlaßrichtung auf die Basis des Transistors T 2 und über einen Widerstand R 3 auf den Emitter des Transistors T.

Die bis jetzt beschriebene Schaltung ist in der Fig. 2, gestrichelt um randet, mit S (selbsttätiger Überstromschutz) bezeichnet. Die Zener diode D 1 entspricht der Zener-Diode D in Fig. 1; die Wirkung der Schutz schaltung ergibt die bereits dargelegte Schutzwirkung gemäß Fig. 1. Der Vorteil der beschriebenen Anordnung mit den beiden Transistoren T 1 und T 2 statt des Thyristors TS gemäß Fig. 1 liegt in ihrem schnellen Schalten bei Auftreten eines Überstroms.

In der Fig. 2 ist außerdem die Ansteuerschaltung (hier gestrichelt um randet und mit A bezeichnet) konkret dargestellt. Die Ansteuerschal tung enthält zwei Spannungsquellen, nämlich Sp 1 und Sp 2.

Die Spannung der Spannungsquelle Sp 1 ist mit U_H ₁, die der Spannungs quelle Sp 2 mit U_H ₂ bezeichnet. Der negative Pol der Spannungsquelle Sp 1 und der positive Pol der Spannungsquelle Sp 2 sind mit dem Emitter des Transistors T verbunden.

Der positive Pol der Spannungsquelle Sp 1 ist über einen Schalter S 1, eine außerhalb der Ansteuerschaltung A liegende Diode D 4 mit anoden seitigem Anschluß an den Schalter S 1 und einem Widerstand R_G mit dem Gate des Transistors T verbunden. Wird der Schalter S 1 geschlossen (Einschaltbefehl für den Transistor T) liegt also die Spannung U_H ₁ an der Gate-Emitter-Strecke des Transistors T 1.

Der negative Pol der Spannungsquelle Sp 2 liegt über einem Schalter S 2 und dem Widerstand R_G am Gate des Transistors T. Wird der Schalter S 2 geschlossen (Ausschaltbefehl für den Transistor) liegt also die Span nung U_H ₂ an der Gate-Emitter-Strecke des Transistors. Die genannten Spannungen an dieser Strecke bleiben so lange bestehen, wie der ent sprechende Schalter geschlossen ist. Die Wirkung der Diode D 4 ent spricht der Wirkung der Diode D gemäß Fig. 1.

Claims

Anordnung zur selbsttätigen Überstromabschaltung eines Insulated-Gate- oder Feldeffekt-Transistors.
- - bei der von einer Ansteuerschaltung bei Vorliegen eines Einschaltbefehls für den Transistor eine positive Spannung, bei Vorliegen eines Aus schaltbefehls für den Transistor eine negative Spannung an die Gate-Emitter-Strecke gelegt wird,
- - bei der zwischen die Gate- und Emitter-Zuleitungen des Insulated-Gate- oder Feldeffekt-Transistors ein Thyristor mit anodenseitigem Anschluß an die Gate-Zuleitung (bzw. eine einen Thyristor in seiner Schalt funktion nachbildende Reihenschaltung zweier Transistoren mit Kollektor- Anschluß des ersten Transistors an die Gate-Zuleitung) ge schaltet ist,
- - und bei der eine Zener-Diode anodenseitig an die Steuerelektrode des Thyristors (bzw. an die Basis des zweiten Transistors der Transistor- Reihenschaltung) angeschlossen ist, die im Überstromfall die Zündung des Thyristors herbeiführt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Diode (DS in Fig. 1; D1 in Fig. 2) kathodenseitig unmittelbar an die Gate-Zuleitung des Insulated-Gate- oder Feldeffekt-Transistors (T) geschaltet ist und daß in die Gate-Zuleitung des Insulated-Gate- oder Feldeffekt- Transistors (T) eine Diode (D in Fig. 1; D4 in Fig. 2) mit kathodenseitigem Anschluß am Gate (G) geschaltet ist.