DE4037348C1 - Protective circuitry for power semiconductor switches - uses bridging voltage clamping circuit consisting of diode and Zener diode belonging to rectifier pair - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz von über ihren MOS- Steuereingang ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern (zum Beispiel Power-MOSFET, IGBT), von denen jeweils zwei ein Zweigpaar eines Stromrichters bilden.

Bei Schaltvorgängen in Stromrichtern verursachen Induktivitäten im Leistungsteil von Stromrichtern meist energiereiche Überspannungen, die je nach Höhe und Dauer zur Beschädigung elektrischer Bauteile führen können. Vor allem die relativ schnell schaltenden IGBT-Module selbst sind dabei gefährdet. Zum Schutz gegen solche Überspannungen ist es vorteilhaft, zunächst die parasitären Induktivitäten im Haupt­ stromkreis durch günstige Leistungsführung zu minimieren. Sodann wer­ den verschiedenartige Beschaltungsnetze genutzt und auf kürzester Strecke verbunden. Diesen kommt außerdem die Aufgabe zu, den Betrieb im erlaubten Rückwärtsarbeitsbereich zu gewährleisten sowie mitunter die Abschaltverlustleistung herabzusetzen. RCD-Einzelbeschaltung wird seit vielen Jahren zum Schutz von Leistungshalbleitern genutzt und eignet sich auch zum Beispiel für IGBT-Module. Die Anordnung be­ steht aus einem Kondensator, der in Reihe zu einer Diode mit paral­ lelem Widerstand liegt. Wenn zum Beispiel bei höherer Impulsfrequenz die am Widerstand in Wärme umgesetzte Verlustleistung beachtliche Werte annimmt, ist dies aber grundsätzlich unerwünscht. Häufiger werden kostengünstigere Maßnahmen angewendet (vgl. etz Bd. 110 (1989), S. 464-471), wie RCD-Spannungsbegrenzer für Zweigpaare (Bild 6b) oder die Summenbeschaltung auf der Gleichstromseite (Bild 6d), die außerdem weniger Verlustleistung verursachen. Dafür sind diese aller­ dings auch nicht ganz so wirkungsvoll. RCD-Spannungsbegrenzungsschaltungen werden häufig auch als Spannungsklemmbeschaltungen bezeichnet.

Der Zweck von Spannungsklemmbeschaltungen ist die Begrenzung der Über­ spannung, die beim Schalten von Leistungshalbleiterschaltern - in der Folge kurz mit LHL bezeichnet - LHL aufgrund von zumeist aufbaube­ dingten Induktivitäten entstehen, auf einen für den LHL sicheren Wert.

Verwendet man zur Spannungsbegrenzung nur das bekannte (RCD)-Beschal­ tungsnetzwerk als "Spannungsklemmbeschaltung", so ist die auf den größtmöglichen Abschaltstrom zu dimensionieren. Will man aber auch die Fähigkeit moderner LHL, die sogar die Abschaltung von Kurzschluß­ strömen, die mehr als das Zehnfache des periodisch erlaubten Stroms erreichen können, ausnutzen, so ist der Beschaltungs-Kondensator (C_V, Fig. 1) entsprechend groß für den Kurzschlußfall zu dimensionieren. Hierbei muß berücksich­ tigt werden, daß die in der Aufbauinduktivität (Lp, Fig. 1) gespeicherte Energie mit dem Quadrat des Abschaltstroms anwächst! Eine große Be­ schaltung bedeutet nicht nur einen höheren Bauelementeaufwand und damit höhere Kosten, sondern es erhöhen sich außerdem auch die in der RCD-Beschaltung entstehenden Verluste, da bei Vergrößerung des Beschaltungs-Kondensators (C_V) der Beschaltungs-Widerstand (R_V, Fig. 1) entsprechend verkleinert werden muß, um eine gleiche Entladezeitkonstante (τ=R×C) gemäß einer vorgegebenen Schaltfrequenz des LHL zu gewährleisten. Je kleiner aber der Beschaltungs-Widerstand R_V ist, desto stärker wird der Beschaltungs-Kondensator C_V (ungewollt) beim Einschal­ ten entladen. Dieser Energiebetrag wird bei jedem Schaltvorgang zwei­ mal nutzlos über den Beschaltungs-Widerstand R_V in Wärme umgesetzt (Entladen, Aufladen). Bei ho­ hen Schaltfrequenzen (fs≈10 kHz) sind relativ große Verlustleistun­ gen über den Beschaltungs-Widerstand R_V abzuführen. Dadurch kompliziert sich nicht nur die Aufbautechnik, es erhöht sich auch der Kühlungs­ aufwand; außerdem sinkt der Wirkungsgrad der Schaltung nicht unerheb­ lich.

Verwendet man eine Spannungsklemmbeschaltung mittels Zener-Diode zwischen einem Hauptanschluß (Kollektor, Drain) und dem Steueranschluß (Gate, Basis) des LHL (US-PS 34 24 948), so wird die Zener-Spannung der Zener-Diode bzw. der Z-Dioden­ kette (Serienschaltung von einzelnen Z-Dioden) (US-PS 34 36 639) auf die maximal in der Schaltung zugelassene Spitzenspannung dimensioniert.

Ist die von der Aufbauinduktivität Lp verursachte Spannungsspitze U_Lp größer als die Zener-Spannung, so kann ein (kleiner) Strom über die Zener-Diode zum Steueranschluß des LHL fließen und diesen leitend steuern. Dies geschieht in idealer Weise aber nur bis zu einem gewissen Grade, so daß der LHL gerade so weit aufgesteuert wird, daß die Spannung an einem Hauptpfad (C-E oder D-S oder C-S, je nach Bauelementtyp) so lange immer genau der Zener-Spannung ent­ spricht, bis der Stromfluß im Hauptpfad beendet ist und die Aufbauinduktivität Lp die ge­ speicherte Energie vollständig an den LHL abgegeben hat.

Für Schaltvorgänge mit geringer Frequenz kann eine solche Anordnung vorteilhaft eingesetzt werden, da hierbei der Nachteil nicht sehr zum Tragen kommt, daß nämlich bei dieser Beschaltungsmethode der LHL nicht nur periodisch mit der in der Aufbauinduktivität Lp gespeicherten Energie zusätzlich belastet wird, sondern einen weit größeren Energiebetrag aufnehmen muß, der daraus resultiert, daß während der Energieabgabe der Aufbauinduktivität Lp die den LHL mit einer Spannungs (U_d, Fig. 1) speisende Gleichspannungsquelle (C_p, Fig. 1) ebenfalls Energie an den LHL abgibt. Die Dauer der Energieabgabe und damit die vom LHL zusätzlich aufzunehmende Verlustleistung hängt von der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung U_d und Zener-Spannung ab.

Die Nachteile der bekannten Schaltungen bestehen darin, daß bei periodischem Betrieb hohe Abschaltverluste im Leistungshalbleiter entstehen und daß mit Rücksicht auf die Abschaltfähigkeit des Lei­ stungshalbleiters bei Kurzschluß das RCD-Beschaltungsnetzwerk stark überdimensioniert werden muß.

Die Aufgabe besteht daher darin, eine Schaltungsanordnung zum Schutz von über den Steuereingang ein- und abschaltbare Leistungshalblei­ ter (LHL) mit MOS-Steuereingang in Stromrichtern anzugeben, die bei verringerten Beschaltungsverlusten eine Verringerung des Beschaltungs­ aufwands ermöglicht, ohne die Schaltverluste im Leistungshalbleiterschalter zu erhöhen.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 oder 2 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Aus der DE-Z. Elektronik 5/9. März 1984, Seiten 74 bis 78 sowie der Druck­ schrift der Fa. Thomson-CSF "Superswitch, Leistungstransistoren und Dioden für Schaltanwendungen" 1981, Seite "Schnellschaltende Silizium-Dioden in Ver­ bindung mit Leistungsdioden" ist es zwar bekannt, zusätzlich zu der RCD- Beschaltung eine Beschaltung zwischen Kollektor und Basis eines Transistors mit sog. Antisättigungsdioden vorzusehen. Diese sind jedoch hinsichtlich ihrer Funktionsweise nicht mit der Klemmbeschaltung aus Diode und Zenerdiode vergleichbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen an Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Um bei Kurzschluß eine Beschädigung von LHL-Modulen zu vermeiden, muß der auftretende Überstrom möglichst schnell abgeschaltet werden. Als Ursache für Überstrom kommen hauptsächlich folgende Störfälle in Frage: überbrückte Ausgänge, gleichzeitiges Einschalten eines Zweig­ paars, Erdschluß im Lastkreis.

In allen diesen Störfällen kann der Überstrom vom LHL-Modul selbst abgeschaltet werden. Dafür ist eine negative Ansteuerung vorzunehmen, die nach dem Detektieren des Überstroms von der Steuerelektronik aus­ gelöst wird. Das Aufspüren des Überstroms sowie das Verarbeiten eines entsprechenden Signals in der elektronischen Überwachungsstufe können natürlich nicht verzögerungsfrei ablaufen. Die LHL-Module opti­ mierter Konzeption können aber zunächst für die Dauer von bis zu 10 µs einen Überstrom schadlos ertragen. Voraussetzung dafür ist, daß die Betriebsbedingungen beachtet werden. Dennoch ist es für hohe Zuver­ lässigkeit - vor allem bei sich häufiger wiederholender Kurzschluß­ abschaltung - immer von Vorteil, den Überstrom schnell zu beenden.

Kombiniert man beide Beschaltungen (RCD- und Z-Diodenklemmschaltung) und dimensioniert diese so, daß sie selektiv je nach Betriebsfall bei der Abschaltung wirksam werden, kommen die Vorteile der einzelnen Beschaltungsmaßnahmen zum Tragen, ohne daß ihre Nachteile wirksam werden: Für den periodischen Schaltbetrieb soll nur das RCD-Netz­ werk aktiv werden.

Im Überlast-(Kurzschluß-)fall soll praktisch nur das Z-Diodennetzwerk wirksam sein.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Kondensator gerade so groß bemessen wird, daß die Spannungsamplitude im "Normalfall" am Beschaltungs-Kondensator C_V kleiner als die Zener-Spannung bleibt.

Bei Überstromabschaltung wird aber der von der Aufbauinduktivität Lp an den Beschaltungs-Kondensator C_V abzugebende Ener­ giebetrag größer als im "Normalfall", so daß die Zener-Spannung der Z- Diode überschritten wird, wodurch die Z-Diodenklemmbeschaltung in der beschriebenen Weise wirksam wird.

Bei einer derart kombinierten und selektiv abgestimmten Spannungs­ klemmbeschaltung wird der LHL sowohl im normalen, ungestörten Betriebs­ fall als auch im Störungsfall wirksam gegen unzulässig hohe Spannungen geschützt, ohne daß zusätzliche Verluste entstehen.

In Fig. 1 ist eine solche Schaltungsanordnung zum Schutz von LHL-Mo­ dulen dargestellt. Von Impulsverstärkern IV₁, IV₂ werden LHL-Module T1, T2 über ihre jeweiligen Gate-Emitteranschlüsse angesteuert, von denen jedes zu einem Wechselrichterzweig gehört. Am Ausgang jeden Zweigpaares ist als eine gemeinsame Spitzenspannungsbegrenzung (Sam­ melklemmbeschaltung) ein RCD-Glied R_VC_VD_V angeordnet. Die Gate-Kollek­ tor-Strecke jedes LHL-Moduls T1, T2 wird durch eine Diode D₁, D₂ und eine Beschaltungs-Zenerdiode Z1, Z2 überbrückt. Jeweils eine weitere Diode D₃ ist dem LHL-Modul gegenparallel in Richtung der Emitter-Kollektor- Strecke des LHL-Moduls geschaltet und dient als Rücklaufdiode in Wech­ selrichterschaltungen mit Spannungszwischenkreis.

Beim Abschalten eines LHL-Moduls T1 oder T2 wird die in der Aufbauinduktivität Lp gespei­ cherte Energie auf den Klemmbeschaltungskreis aus Diode D_V und Kondensator C_V abgegeben. Die Spannung am Beschaltungs-Kondensator C_V entspricht dabei anfangs dem Wert der Zwischenkreis­ spannung U_d. Aufgrund der Energieabgabe der Aufbauinduktivität Lp erhöht sich die Span­ nung am Beschaltungs-Kondensator C_V auf einen bei idealen Verhältnissen theoretisch voraus­ bestimmbaren Höchstwert. Nach Energieabgabe der Aufbauinduktivität Lp gibt der Beschal­ tungskondensator C_V den aufgenommenen Energiebetrag über den Beschaltungs-Widerstand R_V an den Zwischenkreiskondensator C_p, so daß nach einigen Zeitkonstanten τ_V=R · C_V der Ausgangszustand U_CV=U_d wieder hergestellt ist. Im Kurzschlußfall, bei dem ein viel größerer Strom abgeschaltet werden muß, übernimmt die RCD-Klemmbeschaltung dagegen nur den ersten kleinen Teil der Energie der Aufbauinduktivität Lp.

Die Beschaltungszenerdiode Z₁ ist so bemessen, daß im störungsfreien Schaltbetrieb die an einem Beschaltungskondensator C_V entstehende Spitzenspannung kleiner ist als die Zener-Spannung, je­ doch bei Überstrom die Zener-Spannung erreicht wird. Wird nämlich unter dem Einfluß der Energieabgabe der Aufbauinduktivität Lp die Spannung am Beschaltungs-Kondensator C_V größer als die Zener-Spannung, wird das LHL-Modul über die Zener-Diode leitend gesteuert und kann somit die weitere Energie der Aufbauinduktivität Lp übernehmen, die dabei in der Hauptstrecke des LHL-Moduls in Wärme umgesetzt wird.

In Fig. 2 ist eine Variante dargestellt, bei der eine Einzelklemm­ beschaltung verwendet wird. Dabei ist am Ausgang jeden Zweiges ein RCD-Glied T_V1C_V1D_V1, R_V2C_V2D_V2 angeordnet. Bei dieser Schaltung ge­ langt die aus der parasitären Induktivität resultierende Energie über die jeweils betroffene Diode D_V1 oder D_V2 zu dem entsprechend zugeordneten Kondensator C_V1 oder C_V2. Nur dieser Energieanteil und nicht die gesamte in den Kondensatoren gespeicherte Energie muß bis zu dem nächsten Abschaltvorgang in den beteiligten Wider­ ständen R_V1 und R_V2 abgebaut werden.

Der Vorteil der Schaltungsanordnung nach der Erfindung besteht darin, daß gegenüber den bekannten RCD-Beschaltungen diese um mindestens den Faktor 10 reduziert werden kann. Auch werden infolge der deutlich kleineren Beschaltungskapazität die durch parasitäre Effekte hervor­ gerufenen zusätzlichen Beschaltungsverluste stark verringert.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz von über ihren MOS-Steuereingang (Gate) ein- und abschaltbaren, ein Zweigpaar in einem Stromrich­ ter bildenden Leistungshalbleiterschaltern mit einem RCD-Glied (R_V, C_V, D_V), das jedem Zweigpaar als Summenklemmbeschaltung parallel geschaltet ist und mit einer Reihenschaltung aus einer zum Gate (G) des Leistungshalbleiterschalters gerichteten Diode (D1, D2) und einer entgegengerichteten Beschaltungszenerdiode (Z1, Z2) als zusätzliche Spannungsklemmbeschaltung parallel zu jeder Kollektor-Gate-Strecke (C-G-Strecke) der beiden Leistungshalb­ leiterschalter, wobei die am Beschaltungskondensator (C_V) des RCD-Gliedes anstehende Spitzenspannung im störungsfreien Schalt­ betrieb der Leistungshalbleiterschalter kleiner als die Zener-Spannung der Zenerdiode (Z1, Z2) ist und bei einem Überstrom größer als die Zener-Spannung ist (Fig. 1).

2. Schaltungsanordnung zum Schutz von über ihren MOS-Steuereingang (Gate) ein- und abschaltbaren, ein Zweigpaar in einem Stromrich­ ter bildenden Leistungshalbleiterschaltern mit jeweils den bei­ den Leistungshalbleiterschaltern des Zweigpaares einzeln als Einzelklemmbeschaltung parallelgeschaltetem RCD-Glied (R_V1, C_V1, D_V1; R_V2, C_V2, D_V2) und mit einer Reihenschaltung aus einer zum Gate (G) jedes der Leistungshalbleiterschalter gerichteten Diode (D1, D2) und einer dieser entgegengerichteten Beschaltungszener­ diode (Z1, Z2) als zusätzlicher Spannungsklemmbeschaltung parallel zu jeder Kollektor-Gate-Strecke (C-G-Strecke) der beiden Lei­ stungshalbleiterschalter, wobei die am Beschaltungskondensator (C_V1, C_V1) jedes der RCD-Glieder anstehende Spitzenspannung beim störungsfreien Schaltbetrieb kleiner als die Zener-Spannung der Zenerdiode (Z1, Z2) ist und bei einem Überstrom größer als die Zener-Spannung ist (Fig. 2).