DE3803259A1 - Schaltungsanordnung zum schuetzen vor ueberspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schützen eines Gerätes, etwa eines Schaltelements, gegenüber Überspannung.

Schaltungsanordnungen zum Schützen vor Überspannun­ gen sind an sich bekannt.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Schützen eines Schaltelements S vor Überspannung. Diese Schaltungsanordnung dient zur Unterdrückung plötz­ lich ansteigender, an dem Schaltelement S anstei­ gender Spannung oder zum Absorbieren eines Span­ nungsstoßes. Das Schaltelement S, das ein Lei­ stungs-MOS oder ein IGBT (bipolarer Transistor mit isoliertem Gate) sein kann, schaltet Strom auf eine Hochstrom/Hochspannungslast, etwa einen Motor. Das Bezugszeichen A kennzeichnet den Lastschaltkreis, etwa den Motor. Eine an dem Schaltelement S anlie­ gende Überspannung kann auftreten aufgrund einer unvermeidlichen Reaktanzkomponente in einem Schalt­ weg des Schaltelements S. Auch der Motor oder dgl. können als eine Hochspannungsquelle bilden.

Die Schaltungsanordnung weist eine Diode 1, eine Kapazität 2 und einen Widerstand 3 auf und liegt über den Anschlüssen T 1 und T 2, die beidseits des Schaltelements S herausgezogen sind. Der Kondensa­ tor 2 ist dazu eingerichtet, die Überspannung zu absorbieren und wird schnell ansprechend auf die Diode 1, die den Widerstand 3 überbrückt, aufgela­ den. Der Widerstand 3 dient dazu, den Kondensator 2 mit einer geeigneten Zeitkonstante zu entladen.

Wenn das Schaltelement S in einem relativ geringen Frequenzbereich geschaltet wird, wirkt der Konden­ sator 2 als großer Widerstand gegen eine niederfre­ quente Komponente. Der durch den Kondensator 2 durch dessen Laden bzw. Entladen fließende Strom ist relativ gering. Der Entladestrom durch den Wi­ derstand 3 ist bei dem Entladen, also bei einem ausgeschalteten Zustand des Schaltelements 6, rela­ tiv gering. Der Schaltvorgang des Schaltelements 6 wird also nicht beeinträchtigt durch einen Strom, der kontinuierlich durch die Last fließt, obwohl das Schaltelement S ausgeschaltet ist.

Wenn ein Spannungsstoß SG mit einer hohen Frequenz­ komponente, wie er in Fig. 2 gestrichelt darge­ stellt ist, an dem Schaltelement S anliegt, hat der Kondensator 2 einen relativ geringen Widerstands­ wert bezüglich der Hochfrequenzkomponente, da der Spannungsstoß SE aufgenommen und von dem Kondensa­ tor 2 absorbiert wird als Überspannungsabsorbtions­ strom I. Der schraffiert dargestellte Abschnitt in Fig. 2 zeigt die Energie, die von dem Kondensator 2 absorbiert wird, die durchgezogene Linie zeigt die Spannung, die tatsächlich an dem Schaltelement S anliegt. Der aufgeladene Kondensator 2 wird langsam entladen über den Widerstand 3 nach Ende des Span­ nungsstoßes SG, der Einfluß dieser Entladung ist gering und in Fig. 2 nicht gezeigt.

Die beiden Enden des Schaltelements S sind so wechselspannungsmäßig über die Diode 1 und den Kondensator 2 gekoppelt, daß bezüglich einer Hoch­ frequenzkomponente, etwa eines Spannungsstoßes SG, ein Kurzschluß gebildet wird. Eine Linie S 1 in Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Überspannungsabsorbti­ onsstrom I von der Frequenz der Überspannung, die - etwa als Spannungsstoß - an dem Schaltelement S anliegt. Mit SF wird der Frequenzbereich angegeben, in dem das Schaltelement S geschaltet wird. Der Überspannungsabsorbtionsstrom I fließt kaum in dem Schaltfrequenzbereich SF, so daß die Überspannungs- Schutzschaltung keinen Einfluß hat bei normalem Be­ trieb des Schaltelements S. Der Verlauf S 2 zeigt einen Absolutwert des Entladestromes des Kondensa­ tors 2.

Bei der oben beschriebenen bekannten Schaltungsan­ ordnung wiederholt sich das Laden/Entladen des Kon­ densators 2 durch die Diode 1 und den Widerstand 3 jedesmal, wenn das Schaltelement S geschaltet wird. Obwohl der Lade/Entlade-Strom relativ gering ist, wird der sich in der Diode 1 und dem Widerstand 3 akkumizierende Leistungsverlust durch die Wiederho­ lung erheblich. Um das Schaltelement S gegen eine Überspannung mit relativ geringer Frequenz, d. h. mit einer Überspannung mit einer relativ großen Breite zu schützen, ist es erforderlich, die Kapa­ zität des Kondensators 2 zu erhöhen, so daß ein ausreichender Überspannungsabsorbtionsstrom I auch dann fließt, wenn die Frequenzkomponente relativ gering ist bzw. der aufzunehmende Spannungsstoß groß ist. In diesem Fall fließt jedoch ein großer Betrag eines Überspannungsabsorbtionsstrom I in dem Schaltfrequenzbereich S (Fig. 6) des Schaltele­ ments S.

Der Kondensator 2 hat vorzugsweise einen Kapazi­ tätswert so groß wie möglich innerhalb eines Berei­ ches, der die ganzen Nachteile nicht hat, um die Eigenschaften zum Absorbieren einer Überspannung weitestgehend zu verbessern. Der Widerstand 3 muß ein Hochleistungswiderstand sein, um eine Zerstö­ rung durch die Hitzeerzeugung bei dem ständigen La­ den/Entladen des Kondensators 2 zu vermeiden. Kon­ densator 2 und Widerstand 3 werden durch diskrete Komponenten gebildet, da es schwierig ist, sie als monolithisches IC auszubilden, die Vorrichtung kann daher in der Größe nicht reduziert werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanord­ nung zum Schützen eines Gerätes gegen Hochspannung zu schaffen, auf das ein Signal mit einer willkür­ lichen Frequenz angelegt wird.

Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung vor­ geschlagen, die gekennzeichnet ist durch Mittel zum Schaffen eines Steuersignals einer von der auf das zu schützende Gerät aufgebrachten Spannung entspre­ chende Spannung, und einen MOSFET (Metalloxyd- Halbleiter-Feldeffekttransistor) der parallel zu der zu schützenden Gerät liegt, wobei der Transi­ stor eine mit dem Steuersignal beaufschlagte Steu­ erelektrode hat, um leitend zu werden, wenn der Spannungswert des Steuersignals über einen vorgege­ benen Schwellwert übersteigt, um einen die Über­ spannung absorbierenden Strom passieren zu lassen, und eine parasitäre Kapazität hat, so daß eine Sig­ nalkomponente, die ausreichend höher ist als die willkürliche Frequenz, durch den Transistor über­ brückt wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Mittel zur Schaffung des Steuersignals relativ hochohmige Spannungsteilerwiderstände auf, die par­ allel zu dem zu schützenden Gerät liegen.

Es ist daher Hauptaufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine Überspannungsschutzschaltungsanordnung zu schaffen, die eine hohe Spannung mit einer rela­ tiv geringen Frequenz, also mit einer relativ groß­ en Impulsbreite absorbieren kann, ohne daß die Ar­ beitsweise des zu schützenden Gerätes negativ beein­ flußt wird. Dabei soll die Schaltungsanordnung als monolithisches IC oder aber als Hybrid-IC ausgebil­ det sein und durch Verwendung von einzelnen Bauele­ menten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert wird. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines vorbekannten Überspannungsschutzgerätes;

Fig. 2 eine Darstellung eines Spannungsstoßes und der tatsächlich auf das Schaltele­ ment angelegten Spannung bei einem vorbekannten Überspannungsschutzgerät;

Fig. 3 eine Darstellung der Abhängigkeit des die Überspannung aufnehmenden Stromes zu der Frequenz bei einem bekannten Überspannungsschutzgerät;

Fig. 4 den Schaltkreis eines Ausführungsbei­ spieles eines Überspannungsgerätes nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung des Spannungsstoßes und der tatsächlich auf das Schaltele­ ment aufgebrachten Spannung bei einem Überspannungsschutzgerät nach der Er­ findung;

Fig. 6 eine Darstellung der Abhängigkeit des die Überspannung aufnehmenden Stromes zu der Frequenz bei einem Überspan­ nungsschutzgerät nach der Erfindung; und

Fig. 7 ein Schaltbild eines anderen Ausfüh­ rungsbeispieles des Überspannungs­ schutzgerätes nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbei­ spieles eines Überspannungsschutzgerätes nach der Erfindung. Das Überspannungsschutzgerät weist einen MOSFET vom n-Kanal-Anreicherungstyp 4 auf und Span­ nungsteilerwiderstände 8, 9. Die Spannungsteilerwi­ derstände 8, 9 sind in Reihe miteinander zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2, die über dem Schaltele­ ment S herausgezogen sind, geschaltet, um eine Spannung V 2 zu gewinnen durch Teilen der zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2 liegenden Spannung V 1, also einer Spannung, die einen Bruchteil der über dem Schaltelement S liegenden Spannung beträgt. Die Spannungsteilerwiderstände 8 und 9 sind relativ hochohmig, so daß kaum Strom in dem durch die Span­ nungsteilerwiderstände 8 und 9 gebildeten Zweig fließt. Der Drain 5 des Transistors 4 ist mit dem Anschluß T 1 verbunden, die Source 6 mit dem An­ schluß T 2 und das Gate 7 ist mit dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen 8 und 9 verbunden. Das Gate 7 des Transistors 4 wird somit mit der Span­ nung V 2 beaufschlagt, der durch Teilen der über dem Schaltelement S, deren Schaltung zu schützen ist, gewonnen worden ist, durch die Spannungsteilerwider­ stände 8 und 9, so daß ein das zu schützende Schaltelement S überbrückender Stromweg durch den Transistor 4 gebildet wird.

Der MOSFET vom n-Kanal-Anreicherungstyp 4 leitet über den Drain 5 und die Source 6, wenn das Gate 7 ein positives Potential hat, das einen bestimmten Wert (Schwellenwert) bezüglich der Source 6 über­ steigt. Wenn die auf das zu schützende Schaltele­ ment 6 aufgebrachte Spannung erhöht wird, steigt die durch die Widerstände 8 und 9 geteilte Spannung V 2, wodurch auch die Spannung zwischen dem Gate 7 und der Source 6 erhöht wird. Wenn die Spannung zwischen Gate und Source den Schwellenwert über­ steigt wird der Transistor 4 leitend. Ein Über­ brückungsstrom schließt dann zwischen den Anschluß T 1 und T 2 durch den Transistor 4, so daß die an dem Schaltelement S anliegende Spannung V 1 verringert wird. Wenn die an dem Schaltelement S anliegende Spannung V 1 kleiner wird als die vorgegebene Grenz­ spannung, fällt auch die durch die Spannungsteil­ erwiderstände 8 und 9 gebildete Spannung unter den Schwellenwert, wodurch der Transistor 4 wieder sperrt.

Auf diese Weise wird die an dem Schaltelement S an­ liegende Spannung V 1 begrenzt. Im Fall einer Ge­ schwindigkeitseinschränkung der Arbeitsweise des Transistors 4 bei schnellen Spannungssprüngen, also bei einem Spannungsstoß mit einer Hochfrequenzkompo­ nente wird ein Hochfrequenzkurzschluß verursacht zwischen dem Drain 5 und der Source 6 durch eine parasitäre Kapazität des Transistors 4, wodurch ein derartiger Spannungsstoff ausreichend absorbiert wird.

Wenn, beispielsweise, der in Fig. 5 gestrichelt dargestellte Spannungsstoß SG auf das Schaltelement S aufgebracht wird, steigt die an dem Gate 7 des Transistors 4 anliegende geteilte Spannung V 2 der­ art, daß der Transistor 4 leitend wird, wenn die Spannung V 2 den Schwellenwert übersteigt, wodurch ein Überspannungs-Absorbtionsstrom I 1 + I 2 + I 3 durch den Transistor 4 fließt. Die an dem Schalt­ element S anliegende Spannung wird so begrenzt auf den in Fig. 5 mit durchgezogenen Linien dargestell­ ten Strom. Der Strom I 1 fließt durch den Transistor 4, wie dies durch die Kurve S 3 in Fig. 6 darge­ stellt ist. Fig. 6 zeigt den Überspannungsabsorbti­ onsstrom I bezüglich einer Überspannungsfrequenz bei konstanter Überspannung. Der Strom I 2 und I 3 bildet den Überspannungsabsorbtionsstrom I, der durch die parasitäre Kapazität des Transistors 4 fließt, wie dies durch eine Kurve S 4 in Fig. 6 ge­ zeigt ist. Der Strom I 2 und I 3 verursacht einen Hochfrequenzkurzschluß zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2, wodurch der Überspannungsstoß mit hoher Fre­ quenz wirksam absorbiert wird. Der Verlauf S 5 in Fig. 6 zeigt den zusammengesetzten Überspannungsab­ sorbtionsstrom I 1 + I 2 + I 3.

Nach der Erfindung leitet der Transistor, wenn die Überspannung die vorgegebene Grenzspannung über­ steigt unabhängig von der Frequenz der auf das Schaltelement aufgegebenen Überspannung, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, so daß der die Überspannung absorbierende Strom I durch den Transistor 4 fließt. Auch wenn die Überspannung eine relativ große Impulsbreite hat, einschließlich in dem Fre­ quenzbereich SF des Schaltelements S, fließt der Überspannungsabsorbtionsstrom I zum Schutz des Schaltelements S, wenn die Überspannung die Grenz­ spannung übersteigt. Der Transistor 4 leitet natür­ lich nicht innerhalb eines auf das Schaltelement S bei normalem Betrieb anliegenden Spannung. In die­ sem Fall fließt kein Strom zum schützen des Schalt­ elements S.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Überschutzgerätes nach der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel wird der MOSFET vom n-Kanal- Anreicherungstyp ersetzt durch einen MOSFET vom p- Kanal-Anreicherungstyp 4′. Eine Source 6 des Tran­ sistors 4′ und ein Spannungsteilerwiderstand 9 sind mit dem Anschluß T 1 verbunden, der Drain des Tran­ sistors 4′ und ein Spannungsteilerwiderstand 8 sind mit dem Anschluß T 2 verbunden. Auch in dieses Aus­ führungsbeispiel leitet der Transistor 4′, wenn die auf das Schaltelement S angelegte Spannung V 1 so erhöht wird, daß die Spannung V 2 einen Schwellen­ wert übersteigt, wodurch ein die Überspannung ab­ sorbierender Strom I fließt, um das Schaltelement S zu schützen. Die parasitäre Kapazität des Transi­ stors 4′ verursacht einen Hochfrequenzkurzschluß zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2, so daß ein Hochfrequenz-Spannungsstoß wirksam absorbiert wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4.

In jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele sind die Spannungsteilewiderstände 8 und 9 relativ hoch­ ohmig, so daß praktisch kein Strom durch die Span­ nungsteilewiderstände 8 und 9 fließt. Auch die Transistoren 4 bzw. 4′ leiten nicht, wenn keine Überspannung anliegt. Der Leistungsverbrauch des vorgeschlagenen Überspannungsschutzgerätes ist da­ her sehr gering, wenn keine Überspannung absorbiert wird. Die Wärmeentwicklung durch die Widerstände 8 und 9 kann vernachlässigt werden. Die Transistoren 4 bzw. 4′ sind hochspannungssicher. Diese Elemente können auf einem monolithischen IC ausgebildet sein. Die Einrichtung kann weiter in ihrer Größe reduziert werden, wenn die Komponenten in einen Hy­ brid-IC als diskrete Komponenten aufgebaut werden.

Die Spannungsteilerwiderstände 8 und 9 sind einge­ richtet zur Teilung der an dem Schaltelement S an­ liegenden Spannung V 1 in ein geeignetes Verhältnis, um die der Spannung V 1 entsprechende Teilspannung V 2 zu erzeugen und diese auf das Gate des Transi­ stors 4 bzw. 4′ als ein Steuersignal anzulegen. Die Widerstände 8 und 9 können jedoch auch durch andere geeignete Mittel zur Erzeugung eines Steuersignals ersetzt werden, dessen Spannungswert der über dem Schaltelement S anliegenden Spannung entspricht.

Obwohl die oben angegebenen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind unter Bezugnahme auf einen Fall, in dem ein Schaltelement S, das in einem be­ liebigen Schaltfrequenzbereich SF gegen Überspan­ nung zu schützen ist, kann das Überspannungsschutz­ gerät nach der Erfindung generell verwendet werden, zum Schützen eines Gerätes, auf das ein Signal mit einer beliebigen Frequenz aufgebracht ist. Wenn die Überspannung in einem Frequenzbereich in der Nähe der gewählten Frequenz ist, kann das Gerät wirksam geschützt werden gegen Überspannung ohne einen nachteiligen Einfluß bei Normalbetrieb, da das Fließen eines Überspannungsabsorbtionsstrom unab­ hängig ist von der Frequenz der Überspannung allein abhängig davon, ob der Spannungspegel der Überspan­ nung die Grenzspannung übersteigt. Das Gerät kann so wirksam gegen Überspannung aller Frequenzen ge­ schützt werden.

In der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in belie­ biger Kombination für die Verwirklichung der Erfin­ dung in ihren verschiedenen Ausführungsformen we­ sentlich sein.

• Bezugszeichenliste  1 Diode
   2 Kondensator
   3 Widerstand
   4 Transitor
   4′ Transistor
   5 Drain
   6 Source
   7 Gate
   8 Widerstand
   9 Widerstand
   A Last
   S Schaltelement
  S 1 Stromverlauf
  S 2 Stromverlauf
  S 3 Stromverlauf
  S 4 Stromverlauf
  S 5 Stromverlauf
  SF Frequenzbereich
  SE Spannungsstoß
  T 1 Anschluß
  T 2 Anschluß
  V 1 Spannung
  V 2 Spannung
  I 1 Strom
  I 2 Strom
  I 3 Strom

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Schützen eines mit einem Signal einer beliebigen Frequenz beaufschlagten Gerätes gegen Überspannung, gekennzeichnet durch

• - Mittel zum Schaffen eines Steuersignals einer an der auf das zu schützende Gerät anliegenden Spannung entsprechenden Spannung, und
• - einen MOSFET (Metalloxyd-Halbleiter-Feldeffektran­ sistor (4, 4′), der parallel zu dem zu schützenden Ge­ rät liegt, wobei der Transistor (4, 4′) eine mit dem Steuersignal beaufschlagte Steuerelektrode (7) hat, um leitend zu werden, wenn der Spannungswert des Steuersig­ nals einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, um ei­ nen die Überspannung absorbierenden Strom passieren zu lassen, und eine parasitäre Kapazität hat, so daß eine Signalkomponente, die ausreichend höher ist als die Ar­ beitsfrequenz Frequenz durch den Transistor (4, 4′) überbrückt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zur Schaffung des Steuer­ signals relativ hochohmige Spannungsteilerwiderstände (8, 9) aufweisen, die parallel zu dem zu schützenden Ge­ rät liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu schützende Gerät ein Schaltelement (S) aufweist, das den Schaltvorgang mit der Arbeitsfrequenz durchführt.

4. Schaltungsanordnung zum Schützen eines Schaltele­ ments gegen Überspannung, gekennzeichnet durch

• - Mittel zum Schaffen eines Steuersignals einer von der auf das zu schützende Gerät anlegenden Spannung ent­ sprechenden Spannung, und
• - einen MOSFET (Metalloxyd-Halbleiter Feldeffekttran­ sistor (4, 4′), der parallel zu dem Schaltelement liegt, wobei der Transistor (4, 4′) eine mit dem Steuer­ signal beaufschlagte Steuerelektrode (7) hat, um leitend zu werden, wenn der Spannungswert des Steuersignals ei­ nen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, um einen die Überspannung absorbierenden Strom passieren zu lassen, und eine parasitäre Kapazität hat, so daß eine Signal­ komponente, die ausreichend höher ist als die Arbeits­ frequenz, durch den Transistor (4, 4′) überbrückt wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zur Schaffung des Steuer­ signals relativ hochohmige Spannungsteilerwiderstände (8, 9) aufweist, die parallel zu dem Schaltelement lie­ gen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement S mit einer Frequenz geschaltet wird, die geringer ist als die von der parasitären Kapazität des Feldeffekttransistors (4, 4′) überbrückten Signalkomponenten.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement S, der Feldeffekt­ transistor (4, 4′) und die Spannungsteilerwiderstände (8, 9) als monolithische IC's ausgebildet sind.