DE3803259C2

DE3803259C2 -

Info

Publication number: DE3803259C2
Application number: DE3803259A
Authority: DE
Inventors: Mituharu Tabata; Gourab Itami Hyogo Jp Majumdar
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-02-12
Filing date: 1988-02-04
Publication date: 1990-01-18
Also published as: DE3803259A1; JPS63198525A; US4914540A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schützen eines mit einem Signal einer beliebigen Fre quenz beaufschlagten Gerätes gegen Überspannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordung ist aus der DE-OS 21 48 445 bekannt. Bei dem vorbekannten Vorschlag liegt die Steuerelektrode des MOSFET unmittelbar an einem der An schlüsse des zu schützenden Gerätes.

Die vorbekannte Schaltung ist daher nur für begrenzte Arbeitsspannungen zu verwenden.

Aus der DE-Literaturstelle: Siemens Forsch- und Entwick lungsberichte, Bd. 14, 1985, Nr. 2, S. 56, 57 ist weiter bekannt, daß jeder MOSFET-Transistor parasitäre Kapazi täten aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltung derart weiterzubilden, daß diese auch bei sehr hohen Spannungen verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angebenen Merkmale ge löst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung an.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Schaltungsanordnung nach einem ersten Aus führungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des Spannungsstoßes und der tatsächlich auf das Schaltelement aufgebrach ten Spannung bei einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung;

Fig. 3 eine Darstellung der Abhängigkeit des die Überspannung aufnehmenden Stromes zu der Fre quenz bei einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung; und

Fig. 4 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbei spieles der Schaltungsanordnung nach der Er findung.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Die Schal tungsanordnung weist einen MOSFET vom n-Kanal-Anreiche rungstyp 4 und Spannungsteilerwiderstände 8, 9 auf. Die Spannungsteilerwiderstände 8, 9 sind in Reihe miteinan der zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2, die über einem Schaltelement S des zu schützenden Gerätes herausgezogen sind, geschaltet, um eine Spannung V 2 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, zu ge winnen. Die Spannungsteilerwiderstände 8 und 9 sind re lativ hochohmig, so daß kaum Strom in dem durch die Spannungsteilerwiderstände 8 und 9 gebildeten Zweig fließt. Der Drain 5 des MOSFETs 4 ist mit dem Anschluß T 1 verbunden, die Source 6 mit dem Anschluß T 2 und das Gate 7 ist mit dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen 8 und 9 verbunden. Das Gate 7 des MOSFETs 4 wird somit mit der Spannung V 2 beaufschlagt, die durch Teilen der über dem zu schützenden Schaltelement S liegenden Span nung durch die Spannungsteilerwiderstände 8 und 9 gewon nen worden ist, so daß ein das zu schützende Schaltele ment S überbrückender Stromweg durch den MOSFET 4 gebil det wird.

Der MOSFET vom n-Kanal-Anreicherungstyp 4 leitet über den Drain 5 und die Source 6, wenn das Gate 7 ein posi tives Potential hat, das einen bestimmten Wert (Schwel lenwert) bezüglich der Source 6 übersteigt. Wenn die auf das Schaltelement S des zu schützenden Gerätes aufge brachte Spannung erhöht wird, steigt die durch die Wi derstände 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 übersteigt, wird der MOSFET 4 leitend. Ein Überbrückungsstrom fließt dann zwischen den Anschluß T 1 und T 2 durch den MOSFET 4, so daß die an dem Schaltele ment S anliegende Spannung V 1 verringert wird. Wenn die an dem Schaltelement S anliegende Spannung V 1 kleiner wird als die vorgegebene Grenzspannung, fällt auch die durch die Spannungsteilerwiderstände 8 und 9 gebildete Spannung unter den Schwellenwert, wodurch der MOSFET 4 wieder sperrt.

Auf diese Weise wird die an dem Schaltelement S anlie gende Spannung V 1 begrenzt. Im Fall einer Geschwindig keitseinschränkung der Arbeitsweise des MOSFETs 4 bei schnellen Spannungssprüngen, also bei einem Spannungs stoß mit einer Hochfrequenzkomponente, wird ein Hochfre quenzkurzschluß zwischen dem Drain 5 und der Source 6 durch eine parasitäre Kapazität des MOSFETs 4 verur sacht, wodurch ein derartiger Spannungsstoß ausreichend absorbiert wird.

Wenn, beispielsweise, der in Fig. 2 gestrichelt darge stellte Spannungsstoß SG auf das Schaltelement S aufge bracht wird, steigt die an dem Gate 7 des MOSFETs 4 anliegende geteilte Spannung V 2 derart, daß der MOSFET 4 leitend wird, wenn die Spannung V 2 den Schwellenwert übersteigt, wodurch ein Überspannungs-Absorptionsstrom I 1+I 2+I 3 durch den MOSFET 4 fließt. Die an dem Schaltelement S anliegende Spannung wird so auf den in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien dargestellten Strom begrenzt. Der Strom I 1 fließt durch den MOSFET 4, wie dies durch die Kurve S 3 in Fig. 3 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt den Überspannungsabsorptionsstrom I bezüglich einer Überspannungsfrequenz bei konstanter Überspannung. Der Strom I 2 und I 3 bildet den Überspannungsabsorptions strom I, der durch die parasitäre Kapazität des MOSFET 4 fließt, wie dies durch eine Kurve S 4 in Fig. 3 gezeigt ist. Der Strom I 2 und I 3 verursacht einen Hochfrequenz kurzschluß zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2, wodurch der Überspannungsstoß mit hoher Frequenz wirksam absor biert wird. Der Verlauf S 5 in Fig. 2 zeigt den zusammen gesetzten überspannungsabsorptionsstrom I 1+I 2+I 3.

Nach der Erfindung leitet der MOSFET, wenn die Überspan nung die vorgegebene Grenzspannung übersteigt unabhängig von der Frequenz der auf das Schaltelement aufgegebenen Überspannung, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, so daß der die Überspannung absorbierende Strom I durch den MOSFET 4 fließt. Auch wenn die Überspannung eine relativ große Impulsbreite hat, einschließlich in dem Frequenzbereich SF des Schaltelements S, fließt der Überspannungsabsorp tionsstrom I zum Schutz des Schaltelements S, wenn die Überspannung die Grenzspannung übersteigt. Der MOSFET 4 leitet natürlich nicht bei einer bei normalem Betrieb über dem Schaltelement anliegenden Spannung. In diesem Fall fließt kein Strom zum Schützen des Schaltelements S.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Schaltunganordnung nach der Erfindung. In diesem Ausfüh rungsbeispiel wird der MOSFET vom n-Kanal-Anreicherungs typ durch einen MOSFET vom p-Kanal-Anreicherungstyp 4′ ersetzt. Eine Source 6 des MOSFETs 4′ und ein Spannungs teilerwiderstand 9 sind mit dem Anschluß T 1 verbunden, der Drain des MOSFETs 4′ und ein Spannungsteilerwider stand 8 sind mit dem Anschluß T 2 verbunden. Auch in die sen Ausführungsbeispiel leitet der MOSFET 4′, wenn die auf das Schaltelement S angelegte Spannung V 1 so erhöht wird, daß die Spannung V 2 einen Schwellenwert über steigt, wodurch ein die Überspannung absorbierender Strom I fließt, um das Schaltelement S zu schützen. Die parasitäre Kapazität des MOSFETs 4′ verursacht einen Hochfrequenzkurzschluß zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2, so daß ein Hochfrequenz-Spannungsstoß wirksam absor biert wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3.

In jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele sind die Spannungsteilerwiderstände 8 und 9 relativ hochohmig, so daß praktisch kein Strom durch die Spannungsteilerwider stände 8 und 9 fließt. Auch die MOSFETs 4 bzw. 4′ leiten nicht, wenn keine Überspannung anliegt. Der Leistungs verbrauch des vorgeschlagenen Überspannungsschutzgerätes ist daher sehr gering, wenn keine Überspannung absor biert wird. Die Wärmeentwicklung durch die Widerstände 8 und 9 kann vernachlässigt werden. Die MOSFETs 4 bzw. 4′ sind hochspannungssicher. Diese Elemente können auf ei nem monolithischen IC ausgebildet sein. Die Einrichtung kann weiter in ihrer Größe reduziert werden, wenn die Komponenten in einen Hybrid-IC als diskrete Komponenten aufgebaut werden.

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

Obwohl die oben angegebenen Ausführungsbeispiele be schrieben worden sind unter Bezugnahme auf einen Fall, in dem ein Schaltelement S, das in einem beliebigen Schaltfrequenzbereich SF gegen Überspannung zu schützen ist, kann die Schaltungsanordnung nach der Erfindung generell zum Schützen eines Gerätes, auf das ein Signal mit einer beliebigen Frequenz aufgebracht ist, verwendet werden. 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 Überspannungsabsorptionsstroms unabhängig von der Frequenz der Überspannung allein davon abhängig ist, ob der Spannungspegel der Überspannung die Grenzspannung übersteigt. Das Gerät kann so wirksam gegen Überspannung aller Frequenzen geschützt werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Schützen eines mit einem Signal einer beliebigen Frequenz beaufschlagten Gerätes gegen Überspannung, mit einem MOSFET (4, 4′), der parallel zu dem zu schützenden Gerät liegt, wobei der MOSFET (4, 4′) eine mit dem Signal beauf schlagte Steuerelektrode (7) hat, um leitend zu werden, wenn der Spannungswert des Signals einen vorgege benen Schwellenwert übersteigt, um einen die Überspan nung absorbierenden Strom passieren zu lassen, und eine parasitäre Kapazität hat, so daß eine Signalkomponente, die ausreichend höher ist als die Arbeitsfrequenz durch den Transistor (4, 4′) überbrückt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß das Signal über relativ hochohmige Spannungsteilerwiderstände (8, 9), die parallel zu dem zu schützenden Gerät liegen, auf die Steuerelektrode aufgegeben wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das zu schützende Gerät ein Schaltele ment (S) aufweist, das den Schaltvorgang mit der Ar beitsfrequenz durchführt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (S) mit einer Frequenz geschaltet wird, die geringer ist als die von der parasitären Kapazität des MOSFETs (4, 4′) überbrückten Signalkomponenten.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (S), der MOSFET (4, 4′) und die Spannungs teilerwiderstände (8, 9) als monolithische ICs ausge bildet sind.