DE3917968A1

DE3917968A1 - Halbleiterschalter, insbesondere als hochspannungs-zuendschalter fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3917968A1
Application number: DE3917968A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Vogel; Werner Dipl Ing Dr Herden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-06-02
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1990-12-06
Also published as: EP0427801A1; JP2783677B2; US5255660A; WO1990015242A1; EP0427801B1; JPH04505200A; DE59005927D1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter, ins besondere als Zündspannungsschalter zum Anlegen einer Zündspannung an eine Zündkerze einer Brennkraftma schine, mit einer von Halbleiter-Bauelementen gebil deten Kaskadenschaltung zum Durchschalten einer Be triebsspannung an einen Verbraucher, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bei Halbleiter-Hochspannungsschaltern ist es bekannt, eine Kaskadenschaltung (Reihenschaltung) von Halb leiter-Bauelementen vorzunehmen, damit die Spannungs festigkeit gewährleistet ist. Hierbei ist eine genaue Dimensionierung der zur vorzugsweise gleichmäßigen Spannungsaufteilung notwendigen Beschaltungsglieder der Halbleiter-Bauelemente wichtig, da die Über schreitung der Sperrspannungs-Grenzwerte zur Zerstö rung der Halbleiter führt. Die bekannten Beschal tungsglieder sind durch relativ aufwendige R-C-Netz werke realisiert. Eine infolge von Exemplarsteue rungen und durch die unvermeidbaren Streukapazitäten auftretende ungleiche Spannungsaufteilung ist somit vermieden. Durch die Beschaltungsglieder ergibt sich ein relativ aufwendiger und kostspieliger Schaltungs aufbau.

Aus der DE-OS 37 31 412 ist ein mit Fototransistoren bestückter Hochspannungsschalter bekannt, bei dem je dem Transistor ein Widerstand parallel geschaltet ist. Der so gebildete Spannungsteiler dient der gleichmäßigen Aufteilung der zu schaltenden Betriebs spannung. Neben den bereits erwähnten Nachteilen der artiger Beschaltungsglieder führt der durch den Span nungsteiler fließende Strom überdies zu unerwünschten Verlusten.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den im Haupt anspruch genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß keine Beschaltungsglieder eingesetzt werden müssen und dennoch eine weitestgehend sym metrische Spannungsaufteilung realisiert wird. Der Schaltungsaufwand wird hierdurch entscheidend ver ringert, und es treten keine zusätzlichen Spannungs steuerverluste auf. Die in Reihe geschalteten Halb leiter-Bauelemente der Kaskadenschaltung weisen je weils eine Sperrschichtkapazität auf, und die zwischen je zwei Halbleiter-Bauelementen bestehende Verbindung bildet durch die dort vorliegende elektrische Feld verteilung eine entsprechende (parasitäre) Erdkapazi tät aus. Diese an sich bekannten Kapazitäten sind un vermeidbar und haben daher nichts mit den aus dem Stand der Technik bekannten Beschaltungsgliedern ge meinsam. Sie werden für die symmetrische Spannungs aufteilung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters herangezogen, da sie durch einen Spannungsanstieg der Betriebsspannung einen Verschiebestrom hervorrufen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein vor Erreichen des leitenden Zustands durch die Halbleiterbau elemente fließender Kippstrom relativ zu dem Ver schiebestrom innerhalb des Bereichs

i_ver < i _K < a · i_ver

liegt, wobei i_ver der Verschiebestrom, i _K der Kipp strom und a ein Faktor ist, dessen Wert etwa zwischen 5 und 10 liegt. Beim nacheinander erfolgenden Durch schalten der einzelnen in Reihe liegenden Halbleiter- Bauelemente verändern sich in entsprechender Weise sukzessiv die genannten Kapazitäten der Kaskaden schaltung. Für die Realisierung der erfindungsgemäßen Lehre bestehen mehrere Möglichkeiten, die jeweils für sich oder aber auch in Kombination eingesetzt werden können. Die wichtigste Möglichkeit besteht darin, die Größe des Kippstromes durch Wahl oder bei der Her stellung der Halbleiter-Bauelemente derart vorzu geben, daß die erfindungsgemäße Bedingung erfüllt ist. Eine Einflußnahme ist ferner durch die Einstel lung der Sperrschichtkapazität der eingesetzten Halb leiter gegeben. Überdies läßt sich durch den Aufbau der Kaskade in gewissen Grenzen die jeweilige Erdka pazität variieren. Schließlich wird der Verschiebe strom auch durch die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Betriebsspannung bestimmt, so daß hierüber eine Einflußnahme erfolgen kann. Die vorstehend genannten Größen sind daher derart aufeinander abzustimmen, daß die erfindungsgemäße Bedingung eingehalten wird. In der Praxis ist davon auszugehen, daß sowohl die Sperrschicht als auch die Erdkapazität in relativ engen Grenzen festliegt. Auch ist die Spannungsan stiegsgeschwindigkeit der Betriebsspannung zumeist durch äußere, nicht in Halbleiterschalter betreffende Umstände in engen Grenzen festgelegt. So wird die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit oftmals durch die Anforderungen des Verbrauchers festgelegt. Sofern also durch die äußeren Umstände die Spannungsände rungsgeschwindigkeit vorgegeben ist, kann hierüber keine Einflußnahme zur Realisierung der erfindungsge mäßen Lehre erfolgen.

Als wesentliche Einflußnahme verbleibt daher - wie vorstehend schon erwähnt - die bauteilabhängige Vor gabe des Kippstromes. Unter "Kippstrom" ist derjenige Strom des Halbleiter-Bauelements zu verstehen, der kurz vor Erreichen seines leitenden Zustandes fließt. An dem sich noch im gesperrten Zustand befindlichen Halbleiter-Bauelement liegt die dem Kippstrom zuge ordnete Kippspannung an, welche der Zündspannung ent spricht, die zum Durchschalten des Halbleiters führt. Erfolgt demgemäß eine Spannungssteigerung bis zur Zündspannung, so nimmt der Halbleiter seinen leiten den Zustand ein. Dabei geht der zuvor fließende, kleine Kippstrom in den Durchlaßstrom (Betriebsstrom) über. Die Grenzen des Kippstromes ergeben sich nach der erfindungsgemäßen Lehre aus der Notwendigkeit, daß kein Halbleiter-Bauelement der Kaskade durch schalten darf, bevor am ausgangsseitigen, zum Ver braucher führenden Halbleiter-Bauelement die Kipp spannung und somit der Kippstrom erreicht ist. An dererseits gilt, daß kurz vor dem Durchschalten eine zu hohe Überkopplung vom Eingang der Kaskade zum Ver braucher vermieden werden soll, das heißt, am Ver braucher ist ein zu großer Spannungsaufbau und/oder eine zu große Verlustleistung unerwünscht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß sich der Verschiebe strom aus der Sperrschichtkapazität C ₁ des ausgangs seitig der Kaskade liegenden, zum Verbraucher führen den Halbleiter-Bauelements und der Erdkapazität C ₂ nach der Beziehung

ergibt.

Der Spannungsanstieg erfolgt bis zur Zündspannung der Halbleiter-Bauelemente, bei der ein Durchschalten stattfindet. Man nennt dieses "Über-Kopf-Zünden", wenn ohne zusätzliche Ansteuerung, Triggerung oder dergleichen der Zündvorgang erfolgt. Sofern es sich beispielsweise bei dem Halbleiter-Bauelement um einen Thyristor handelt, liegt eine Über-Kopf-Zündung vor, wenn ohne Ansteuerung des Gates die Anoden-Kathoden- Spannung bis auf die Nullkippspannung gesteigert wird, bei der der Halbleiter in seinen leitenden Zu stand übergeht.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter können jedoch auch Bauelemente mit Steueranschlüssen einge setzt werden, so daß das Durchschalten durch Ansteue rung dieser Steueranschlüsse vorgenommen werden kann.

Vorzugsweise ist jedes Halbleiterbauelement als Thy ristor, Foto-Thyristor oder Kippdiode ausgebildet.

Zeichnung

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der Figur näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Kaskade des mit Halbleiter-Bauelementen versehenen Hochspannungs schalters mit angeschlossenem Verbraucher,

Fig. 2 ein Diagramm der Betriebsspannung und

Fig. 3 ein Strom/Spannungs-Diagramm eines Halblei ter-Bauelements.

Die Fig. 1 zeigt eine Reihenschaltung einer Vielzahl von Thyristor T ₁ bis T _n. Diese bilden eine Kaskade 1 des erfindungsgemäßen Hochspannungsschalters 2. Das eine Ende der Reihenschaltung bildet einen Eingang 3 und das andere Ende einen Ausgang 4 des Hochspan nungsschalters 2. Parallel zu jedem Thyristor T ₁ bis T _n liegt eine Sperrschichtkapazität C ₁. Die Größe der Sperrschichtkapazität C ₁ kann in gewissen Grenzen bei der Halbleiterfertigung beeinflußt werden. In der Praxis ist davon auszugehen, daß die Sperrschichtka pazitäten C ₁ der Thyristoren T ₁ bis T _n aufgrund von Exemplarstreuungen nicht alle den gleichen Wert an nehmen.

Die zwischen je zwei Halbleiter-Bauelementen T ₁ bis T _n bestehenden Verbindungen sind an eine durch die elektrische Feldverteilung bestimmte, parasitäre Erd kapazität C ₂ angeschlossen. Je nach konstruktivem Aufbau der Kaskade 1 ist eine Einflußnahme in gewis sen Grenzen auf die Größe dieser Erdkapazitäten C ₂ möglich. Insofern kann die Größe der einzelnen Erdka pazitäten C ₂ in Abhängigkeit von der Lage innerhalb der Kaskade variieren; bei einem symmetrischen Aufbau der Kaskade 1 ist jedoch möglich, daß alle Erdkapazi täten C ₂ etwa den gleichen Wert aufweisen.

Sowohl bei den Sperrschichtkapazitäten C ₁ als auch bei den Erdkapazitäten C ₂ handelt es sich um unver meidbare, parasitäre Kapazitäten, also nicht um zu sätzliche Beschaltungsglieder, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind. Zur Verdeutlichung dieses Unterschieds ist in der Fig. 1 eine ge strichelte Darstellung gewählt.

An den Eingang 3 der Kaskade 1 wird die Betriebsspan nung u₀ angelegt, und an den Ausgang 4 ist ein Ver braucher 5 angeschlossen. Vorzugsweise wird der Hoch spannungsschalter 2 als Zündspannungsschalter zum An legen einer Zündspannung an eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Insofern handelt es sich bei der Betriebsspannung u₀ um die Sekundärspan nung einer Zündspule und bei dem Verbraucher 5 um eine Zündkerze Z _K. Das jeweilige Gate 6 der Thyris toren T ₁ bis T _n ist im dargestellten Ausführungsbei spiel nicht beschaltet. Dieses bedeutet, daß die Thy ristoren T ₁ bis T _n ihren leitenden Zustand einnehmen, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung einen bestimmten Grenzwert (Nullkippspannung) U _K0 überschreitet. So fern - nach einem nicht dargestellten Ausführungsbei spiel - eine Ansteuerung der Gates 6 erfolgt, liegt eine Abhängigkeit der Zündspannung der Thyristoren T ₁ bis T _n von dem jeweils fließenden Steuerstrom vor. Im nachfolgenden soll jedoch auf die ansteuerungsfreie, in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eingegangen werden.

In der Fig. 2 ist der Spannungsverlauf der Sekundär spannung (Betriebsspannung u₀) einer nicht darge stellten Zündspule gezeigt. Die negative Halbwelle weist eine Flanke mit der Spannungsanstiegsgeschwin digkeit du₀/dt auf.

Die Fig. 3 zeigt das Strom-Spannungsdiagramm von einem der Thyristoren T ₁ bis T _n. Dargestellt ist der Durchlaß- bzw. Schaltquadrant des Diagramms. Mit steigender Anoden-Kathoden-Spannung U _D nimmt der Strom zunächst kaum merklich zu, sondern ist auf den Blockierstrom I _AK begrenzt. Wird die Kippspannung u_K erreicht, so steigt der Strom schlagartig auf den Kippstrom i _K an und geht dann sprunghaft in den Durchlaßstrom I _T über. Da die Gates 6 der Thyristoren T ₁ bis T _n nicht angesteuert werden (Fig. 1), handelt es sich bei der Kippspannung u _K um die Nullkippspan nung U _K0.

Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, daß zur gleichmäßigen Verteilung der Sekundärspannung (Be triebsspannung u ₀) über die Thyristoren T ₁ bis T _n ein vor Erreichen des leitenden Zustandes der Thyristoren T₁ bis T _n fließender Kippstrom i _K relativ zu einem Verschiebestrom i _ver innerhalb des Bereichs

i_ver < i _k < a · i_ver

liegt, wobei der Faktor a einen Wert etwa zwischen 0 und 10 annimmt. Die erfindungsgemäße Lehre stellt sicher, daß auch ohne zusätzliche Beschaltungsglieder und trotz Exemplarstreuungen der Halbleiter eine im wesentlichen gleichmäßige Spannungsaufteilung für die einzelnen Kaskadenelemente erfolgt, so daß die Span nungsfestigkeit der einzelnen Thyristoren T ₁ bis T _n nicht überschritten wird.

Für den Verschiebestrom gilt die Beziehung

so daß sich die Beziehung

ergibt.

Der erfindungsgemäße Hochspannungsschalter 2 arbeitet folgendermaßen:

Durch entsprechende Ansteuerung der nicht darge stellten Zündspule wird der in der Fig. 2 angegebene Spannungsverlauf an den Eingang 3 der Kaskade 1 ange legt. Demgemäß läuft die negative Halbwelle mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit du₀/dt in die Schaltung ein, so daß sich die dem Thyristor T ₁ zuge hörige Sperrschichtkapazität C ₁ auflädt und der Strom durch den Thyristor T ₁ den Wert des Kippstromes i _k annimmt. Der Kippstrom i _k fließt dann zum Thyristor T ₂ und lädt dort die vorhandene Sperrschichtkapazität C ₁ und Erdkapazität C ₂ auf. Auch beim Thyristor T ₂ stellt sich der Kippstrom i _k ein. Dieser Vorgang wie derholt sich bei den nachfolgenden Thyristoren T ₃ bis T _n, wobei der aus dem Thyristor T _n vorgelagerten Stufe (T _n-1) der Kaskade 1 kommende Strom eine Auf ladung der zueinander parallel liegenden Kapazitäten der ausgangsseitigen Stufe (Thyristor T _n) vornimmt. Die Gesamtkapazität der letzten Stufe setzt sich so mit aus der Summe der dem Thyristor T _n zugehörigen Sperrschichtkapazität C ₁ und Erdkapazität C ₂ zusam men. Diese Gesamtkapazität ist gegenüber den anderen Stufen der Kaskade 1 die größte Kapazität, da in der letzten Stufe keine Reihenschaltung von Kapazitäten besteht. Sie wird mit der Spannungsänderungsgeschwin digkeit du₀/dt beaufschlagt, was zur Ausbildung des Verschiebestromes i _ver führt.

Insgesamt stellt sich als Summenkippspannung exakt die Summe der Einzelkippspannung u _K der einzelnen Halbleiter der Kaskade 1 ein, so daß sich Exemplar streuungen nicht negativ bemerkbar machen. Die insge samt vorliegende, symmetrische Spannungsaufteilung ohne zusätzliche Beschaltungsglieder führt beim Er reichen der Zündspannung zu einem nahezu gleichzeiti gen Durchsteuern sämtlicher Tyristoren T ₁ bis T _n.

Die Erfindung soll an einem Zahlenbeispiel näher ver deutlicht werden:

Es sei angenommen, daß die Summe aus Sperrschichtka pazität C ₁ und Erdkapazität C ₂ ein 1 pF beträgt. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du₀/dt wird mit 1000 V/µs vorgegeben. Für einen Faktor a = 5 ergibt sich dann

i _k < 1 mA
i _k < 5 mA.

Sofern der Kippstrom i _k also im Bereich zwischen 1 und 5 mA liegt, ist von einer im wesentlichen symme trischen Aufteilung der Kaskadeneingangsspannung (Be triebsspannung u₀) über die einzelnen Stufen der Kas kade 1 auszugehen. Bei der Entwicklung der Halb leiter-Bauelemente für die im Beispiel behandelte Schaltungsanordnung sind also dem Halbleiter-Fachmann geläufige Maßnahmen zu treffen, daß der Kippstrom i _k im Bereich zwischen 1 und 5 mA liegt.

Claims

1. Halbleiterschalter, insbesondere als Zündspan nungsschalter zum Anlegen einer Zündspannung an eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine, mit einer von in Reihe liegenden Halbleiter-Bauelementen gebildeten Kaskadenschaltung zum Durchschalten einer Betriebs spannung an einen Verbraucher, wobei die Halbleiter- Bauelemente jeweils eine Sperrschichtkapazität auf weisen und die zwischen je zwei Halbleiter-Bauelemen ten bestehende Verbindung eine durch die elektrische Feldverteilung bestimmte, parasitäre Erdkapazität ausbildet, dadurch gekennzeich net, daß ein vor Erreichen des leitenden Zustandes durch die Halbleiter-Bauelemente (T ₁ bis T _n) fließen der Kippstrom (i_K) relativ zu einem Verschiebestrom (i _ver) innerhalb des Bereichs i_ver < i _k < a · i_verliegt, wobei der Verschiebestrom (i _ver) durch einen Spannungsanstieg (du₀/dt) der Betriebsspannung u₀ an den sich sukzessiv mit dem Durchschalten der Halb leiter-Bauelemente verändernden Sperrschicht- (C ₁) und Erdkapazitäten (C ₂) der Kaskadenschaltung hervor gerufen ist und der Faktor (a) einen Wert zwischen 5 und 10 aufweist.

2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebestrom (i _ver) aus der Sperrschichtkapazität (C ₁) des aus gangsseitig der Kaskade (1) liegenden, zum Ver braucher (5) führenden Halbleiter-Bauelements (T _n) und der Erdkapazität (C ₂) nach der Beziehung i_ver = (C₁+C₂) du₀/dtbestimmt wird.

3. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Spannungsanstieg (du₀/dt) bis zur ein Durchschalten bewirkenden Zündspannung (U_K0) der Halbleiter-Bauelemente (T ₁ bis T _n) erfolgt.

4. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Halbleiter-Bauelemente (T ₁ bis T _n) Steueranschlüsse (Gates 6) aufweisen und daß das Durchsteuern der Halbleiter-Bauelemente (T ₁ bis T _n) durch Ansteuerung der Steueranschlüsse (Gates 6) er folgt.

5. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Kippstrom (i_K) bei der Herstellung je des Halbleiter-Bauelements (T ₁ bis T _n) festgelegt wird.

6. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß jedes Halbleiter-Bauelement (T ₁ bis T₆) als Thyristor, Foto-Thyristor, Foto-IC oder Kippdiode ausgebildet ist.