-
Vorliegende Erfindung bezieht sich
auf eine Überstromerfassungseinrichtung
für verschiedene Zwecke,
insbesondere für
die Verwendung in einer Treiberschaltung zum Antreiben eines Einphasen- oder
Dreiphasen-Motors.
-
1 zeigt
eine herkömmliche
Treiberschaltung zum Treiben bzw. Ansteuern eines Dreiphasenmotors.
In der Treiberschaltung dienen bipolare Transistoren mit isoliertem
Gate (IGBTs=insulated gate bipolar transistors, im folgenden vereinfacht
als Transistoren bezeichnet) Q1 bis Q6 als Schalteinrichtungen.
Die Transistoren sind paarweise angeordnet, nämlich ein Paar Q1–Q2, ein
Paar Q3–Q4
und ein Paar Q5–Q6,
wobei die Transistoren jedes Paars in Standard-Zweigpaar-Beziehung verschaltet sind.
Die drei Transistorpaare sind in Brückenschaltung zwischen Spannungsversorgungen
P und N in Dreiphasen-Konfiguration angeordnet. Verbindungen der Transistoren
sind mit Eingangsanschlüssen
eines Motors M verbunden.
-
Freilauf-Dioden D1 bis D6 (im folgenden
lediglich als Dioden bezeichnet) sind antiparallel zu den Transistoren
Q1 bis Q6 geschaltet. Treiberschaltungen Dr1 bis Dr6 sind zum Ansteuern
und Schützen
der Transistoren Q1 bis Q6 vorgesehen und legen ihre Ausgangssignale
an die Gates der Transistoren Q1 bis Q6 an. Die Treiberschaltungen
Dr1 bis Dr6 sprechen auf an ihre Eingangsanschlüsse IN1 bis IN6 angelegte Signale
an und schalten die Transistoren Q1 bis Q6 ein und aus, so daß der Betrieb des
Motors M geregelt wird.
-
Um die Transistoren Q1 bis Q6 gegen
einen in ihnen auftretenden Überstrom
zu schützen,
sind jeweils Stromwandler CT1 bis CT6 und Überspannungserfassungsschaltungen
S1 bis S6 vorhanden. Die Stromwandler CT1 bis CT6 erfassen unabhängig Vorwärtsströme, die
in den Transistoren Q1 bis Q6 fließen. Jede Überstrom-Erfassungsschaltung
ermittelt, ob ein Strom in ihrem zugeordneten Stromwandler einen
vorbestimmten Schwellwertpegel überschreitet.
Bei Erfassung eines Überstroms
erzeugen die Überstrom-Erfassungsschaltungen
S1 bis S6 ein Inaktivierungssignal, das an Inaktivierungs-Steueranschlüsse B1 bis
B6 der Treiberschaltungen Dr1 bis Dr6 jeweils angelegt wird. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen
S1 bis S6 stellen folglich eine Rückkopplung bereit, die wiederum
die Ströme
zu den Transistoren Q1 bis Q6 unterbricht (d.h. eine Abschaltung
der Transistoren bewirkt).
-
Ein Überstromschutz wird andererseits durch
Erfassung eines gesamten Netto-Überstroms über die
Dreiphasen-Schaltung in Brückenkonfiguration
mit Hilfe eines Stromwandlers CT7 für die Erfassung eines Stroms
auf einer Bus- bzw. Sammelleitung und einer Überstrom-Erfassungsschaltung
S7 oder, alternativ, mit Hilfe von Stromwandlern CT8 bis CT10 für die Erfassung
eines Ausgangsstroms und einer Überstrom-Erfassungsschaltung
S8 sowie durch nachfolgendes Bereitstellen einer gleichzeitigen
Rückkopplung
für die
Treiberschaltungen Tr1 bis Tr6 erreicht.
-
Auch wenn diese Ansätze imstande
sind, sich mit einem Überstrom
in den Transistoren Q1 bis Q6 aufgrund eines Regenerativstroms bzw.
Rückstroms
vom Motar M zu befassen, sind sie dahingehend nicht zufriedenstellend,
daß ein Überstrom über die
Diode D1, D2...D6 nicht separat erfaßt werden kann. Folglich sind
die Dioden D1 bis D6 gegenΰber einem Überstrom
und der damit einhergehenden Wärmeerzeugung
nicht geschützt,
wodurch die Dioden D1 bis D6 zerstört werden.
-
Dies kann durch Ersatz der Dioden
D1 bis D6 durch andere Typen von Elementen mit größerer Stromkapazität als die Schalteinrichtungen
(die Transistoren Q1 bis Q6) vermieden werden, aber lediglich auf
Kosten einer Verringerung der Gerätegröße.
-
Aus der
US 50 53 940 ist ein Wechselrichter bzw.
eine Überstromerfassungseinrichtung
mit einem Schaltelement mit einer Steuerelektrode, einer ersten
Stromelektrode und einer zweiten Stromelektrode, wobei das Schaltelement
einen Strom von der ersten zur zweiten Stromelektrode leitet, einer Schutzdiode
mit einer mit der ersten Stromelektrode verbundenen Kathode und
einer mit der zweiten Stromelektrode verbundenen Anode, einer ersten
Erfassungsschaltung zum Erfassen eines in der Schutzdiode fließenden Stroms
und einer zweiten Erfassungsschaltung zum Erfassen eines im Schaltelement
fließenden
Stroms bekannt.
-
Die zu erfassenden Ströme können dabei wie
beispielsweise aus der
US 44
30 682 bekannt über
einen Spannungsabfall an einem Widerstand erfaßt werden.
-
Die Benutzung von Überstrom-Erfassungswiderständen fΰhrt jedoch
im allgemeinen zu einer Vergrößerung der
Leistungsverluste.
-
Aus der
US 47 77 576 ist schließlich noch eine
Schaltung bekannt, bei welcher ein durch Schutzdioden fließender Strom
erfaßt
wird.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, eine Überstromerfassungseinrichtung
unter Verwendung von Erfassungswiderständen vorzusehen, bei welcher
die Leidtungsverluste minimiert sind.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch
die Merkmale der Ansprüche
12.
-
Eine Überstrom-Erfassungsvorrichtung
gemäß einem
Aspekt vorliegender Erfindung umfaßt: ein eine Steuerelektrode,
eine erste Stromelektrode und eine zweite Stromelektrode aufweisendes
Schaltelement, das einen Strom von der ersten zur zweiten Stromelektrode
durchläßt; eine
Schutzdiode, die eine mit der ersten Stromelektrode verbundene Kathode und
eine mit der zweiten Stromelektrode verbundene Anode aufweist; eine
erste Erfassungsschaltung zum Erfassen eines in der Schutzdiode
fließenden Stroms;
und eine zweite Erfassungsschaltung zum Erfassen eines im Schaltelement
fließenden
Stroms.
-
Das Schaltelement weist weiterhin
eine Stromerfassungselektrode auf. Ein Strom fließt von der ersten
Stromelektrode zur Stromerfassungselektrode. Die Schutzdiode besitzt
weit hin eine Detektionsdiode, wobei eine Kathode der Detektionsdiode
mit der Kathode der Schutzdiode verbunden ist. Ein Widerstand und
eine Erfassungseinrichtung sind gemeinsam für die erste und die zweite
Erfassungsschaltun vorgesehen, wobei der Widerstand einen mit der
Anode der Detektionsdiode und der Stromerfassungselektrode verbundenen
Anschluß besitzt und
die gemeinsam vorgesehene Erfassungseinrichtung einen Spannungsabfall
am gemeinsam vorgesehenen Widerstand erfaßt.
-
Gemäß einer anderen Varinte besitzt
die erste Erfassungschaltung eine Detektionsdiode, einen in Reihe
mit der Detektionsdiode geschalteten ersten Widerstand und eine
Einrichtung zum Erfassen eines Spannungsabfalls am ersten Widerstand,
wobei die Detektionsdiode und der erste Widerstand parallel zur
Schutzdiode geschaltet sind.
-
Weiterhin umfaßt das Schaltelement eine Stromerfassungselektrode;
es fließt
ein Strom von der ersten Stromelektrode zur Stromerfassungselektrode
und die zweite Erfassungsschaltung besitzt einen in Reihe mit der
Stromerfassungselektrode geschalteten zweiten Widerstand und eine
Einrichtung zum Erfassen eines Spannungsabfalls am zweiten Widerstand.
-
Gemäß einem anderen Aspekt ist
das Schaltelement derart beschaltet, daß der in die Stromerfassungselektrode
fließende
Strom kleiner als der in die zweite Stromelektrode fließende Strom
ist.
-
Gemäß vorliegender Erfindung wird
ein Vorwärtsstrom
in den Schutzdioden ermittelt. Wenn ein Überstrom in einer der ersten
Stromsteuerschaltungen durch die erste, in dieser ersten Stromsteuerschaltung
angeordnete Erfassungsschaltung ermittelt wird, werden die Schaltelemente
der anderen ersten Stromsteuerschaltungen durch die hiermit verknüpfte Treiberschaltung
abgeschaltet. Als Ergebnis wird eine durch die Induktivitätskomponente
der Last wie etwa des Motors gebildete elektromotorische Gegenkraft
bzw. Gegen-EMK an die zweiten Stromsteuerschaltungen angelegt, wodurch
ein Rückstrom
zu den zweiten Stromsteuerschaltungen gerichtet wird. Dies bedeutet,
daß durch
das Einschalten und Abschalten der Schaltelemente abhängig davon,
in welcher der ersten Stromsteuerschaltungen die dem Überstrom
ausgesetzte Diode angeordnet ist, der Strompfad des Rückstroms
geändert
wird, wodurch die dem Überstrom
ausgesetzte Diode gegenüber
einer Überstromzerstörung geschützt ist.
-
Folglich sind die Schutzdioden, die
antiparallel zu den Schaltelementen geschaltet sind, gleichfalls
mit den ersten Erfassungsschaltungen versehen, so daß es möglich ist,
einen Strom in den Schutzdioden unabhängig von einem Strom in den Schaltelementen
zu erfassen. Das Merkmal, daß die Erfassungsdioden
parallel zu den Schutzdioden geschaltet sind, was eine unabhängige Erfassung
eines Stroms in den Erfassungsdioden ermöglicht, ist besonders wichtig,
da dies eine Verringerung der Kosten und der Größe der Einrichtung verspricht
und eine Stromerfassung ermöglicht,
die keine großen Leistungsverluste
hervorruft.
-
Wenn ein in den Schutzdioden erfasster Strom
anwächst,
so daß er
zu einem Überstrom
wird, werden die Leitzustände
der Schaltelemente geändert.
Hierdurch wird der Pfad eines Rückstroms
(regenerative current) geändert,
wodurch der Strom von den Schutzdioden weggenommen wird. Als Ergebnis wird
ein Überstromschutz
der Schutzdioden separat gegenüber
einem Überstromschutz
der Schaltelemente erzielt.
-
Ein Vorteil für die erfindungsgemäße Lösung besteht
darin, daß mit
den verwendeten Maßnahmen ein
reduzierter Stromfluß über die
stromerfassenden Widerstände
erfolgt.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein
Schaltbild zur Erläuterung
einer herkömmlichen Überstrom-Schutztechnik,
-
2 ein
Schaltbild einer ersten Weiterbildung der herkömmlichen Überstrom-Schutztechnik,
-
3 ein
Schaltbild zur Erläuterung
eines Überstrom-Schutzverhaltens
der Schaltung gemäß 2,
-
4 ein
weiteres Schaltbild zur Erläuterung der
ersten Weiterbildung,
-
5 ein
Schaltbild einer zweiten Weiterbildung,
-
6 ein
Schaltbild einer dritten Weiterbildung,
-
7 ein
Schaltbild einer vierten Weiterbildung,
-
8 ein
Schaltbild einer fünften
Weiterbildung,
-
9 ein
Schaltbild einer sechsten Weiterbildung,
-
10 ein
Schaltbild des Aufbaus einer Überstrom-Erfassungsschaltung
Mi,
-
11 ein
Schaltbild eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels vorliegender
Erfindung, und
-
12 ein
Schaltbild eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels vorliegender
Erfindung.
-
Die vorstehend genannten und weitere
Zielsetzungen, Merkmale, Aspekte und Vorteile vorliegender Erfindung
werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung vorliegender
Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich.
-
Im folgenden wird eine erste Weiterbildung der
herkömmlichen Überstrom-Schutzschaltung
beschrieben, die nicht Gegenstand der Erfindung ist. Wie in 2 gezeigt ist, weist die Überstrom-Schutzschaltung
Transistoren Q1 bis Q6 auf, die jeweils als Schalteinrichtung dienen.
Die Transistoren liegen in drei Paaren vor: ein Paar Q1–Q2, ein
Paar Q3–Q4 und
ein Paar Q5–Q6.
Die Transistoren jedes Paars sind in Standard-Zweigpaar-Beziehung
verschaltet. Die drei Transistorpaare sind jeweils in Brückenkonfiguration
zwischen Spannungsversorgungen P und N geschaltet, so daß die Treiberschaltung
eine Dreiphasen-Brückenschaltung
ist. Dioden D1 bis D6 sind jeweils antiparallel zu den Transistoren
Q1 bis Q6 geschaltet. Treiberschaltungen Dr1 bis Dr6 sind mit Gates
der Transistoren Q1 bis Q6 verbunden. Ein Kondensator C ist zwischen
die Spannungsversorgung P und die Spannungsversorgung N geschaltet.
-
Stromwandler CT1 bis CT6 sind jeweils
mit Emittern der Transistoren Q1 bis Q6 verbunden. Die Stromwandler
CT1 bis CT6 erfassen unabhängig voneinander
Vorwärtsströme in den
Transistoren Q1 bis Q6. Die Stromwandler CT1 bis CT6 sind jeweils weiterhin
mit Überstrom-Erfassungsschaltungen
S1 bis S6 verbunden.
-
Stromwandler CT11 bis CT16 sind jeweils mit
Anoden der Dioden D1 bis D6 verbunden. Die Stromwandler CT11 bis
CT16 erfassen unabhängig voneinander
Vorwärtsströme in den
Dioden D1 bis D6. Überstrom-Erfassungsschaltungen
T1 bis T6 sind jeweils mit den Stromwandlern CT11 bis CT16 verbunden.
-
Ausgangssignale der Überstrom-Erfassungsschaltungen
S1 bis S6 und T1 bis T6 werden einer Steuerschaltung 10 zugeführt. Im
Normalbetrieb erzeugt die Steuerschaltung 10 ein pulsbreitenmoduliertes
(PWM = Pulsbreitenmodulation) Steuereingangssignal, unter dessen
Steuerung Signale mit hohem oder niedrigem Pegel an Eingangsanschlüsse IN1
bis IN6 von Treiberschaltungen Drl bis Dr6 angelegt werden, wodurch
wiederum ein Motor M unter Steuerung gehalten wird.
-
Bei Erfassung eines Überstroms
in einem Transistor Qi (mit i = 1, 2, 3...oder 6; der Bezugsbuchstabe
i wird im folgenden in dieser Weise verwendet) gibt eine Überstrom-Erfassungsschaltung
Si ein Inaktivierungssignal über
einen Inaktivierungs-Steueranschluß Bi an eine Treiberschaltung
Dri ab, wodurch die Treiberschaltung Dri den Transistor Qi abschaltet.
Folglich sind die Transistoren Q1 bis Q6 gegenüber Überstrom geschützt.
-
Ein Überstrom in einer Diode Di
wird durch eine Überstrom-Erfassungsschaltung
Ti erfaßt.
Ein Schutz der Diode Di gegenüber Überstrom
wird in folgender Weise erreicht.
-
3 zeigt
ein Beispiel eines liberstromschutzes der Dioden D1 bis D6. Zunächst wird
beschrieben, wo eine Gegen-EMK
im Motor M gebildet wird. Wenn ein Potential auf einer Leitung U
als ein Bezugspotential definiert wird, sind die an einer Leitung
V und einer Leitung W auftretenden Spannungen jeweils als EVU bzw. EWU definiert.
Wenn die Spannungen EVU und EWU an
der Leitung V bzw. der Leitung W auftreten, wodurch eine Einschaltung
der Transistoren Q4 und Q6 eingeleitet wird, fließen ein Regenerativstrom
bzw. Rückstrom
IV
1 und ein Regenerativstrom
bzw. Rückstrom
IW1 zum Transistor Q4 bzw. Q6 (durchgehende
Pfeile). Als Ergebnis leitet die Diode D2 einen zur Leitung U fließenden Rückstrom
IU
1 einer Größe, die
der Kombination aus den Rückströmen IV1 und IW1 entspricht.
-
Ein derart in der Diode D2 gebildeter
Strom wird durch den Stromwandler CT2 (2) erfaßt. Wenn ein Strom in der Diode
D2 doppelt so groß wie ein
normalerweise für
einen Transistor zulässiger Strom
ist, bestimmt die Überstrom-Erfassungsschaltung
T2 (2), daß die Diode
D2 einem Überstrom ausgesetzt
ist. In Reaktion hierauf steuert die Steuerschaltung 10 den
Betrieb der Treiberschaltungen Dr4 und Dr6, wodurch ein Wechsel
der Transistoren Q4 und Q6 aus dem Einschaltzustand in den Ausschaltzustand
hervorgerufen wird.
-
Da die Transistoren Q4 und Q6 nun
kaum mehr bzw. keinen Strom mehr zugeführt bekommen und die Dioden
D4 und D6 durch die Spannungen EVU und EWU in Gegenrichtung vorgespannt sind, werden
die Rückströme nicht
zu den Dioden D4 und D6 und folglich nicht zur Diode D2 durchgelassen.
Stattdessen fließen
ein Rückstrom
IV2 und ein Rückstrom IW2 von
der Leitung V und der Leitung W zu den Dioden D3 bzw. D5 (gestrichelte
Pfeile). Die Rückströme IV2 und IW2 sind halb
so groß wie
der Rückstrom
IU
1, der zuvor zur
Diode D2 geführt
wurde. Die Rückströme IV2 und IW2 die beide
kleiner als der Rückstrom
IU
1, liegen innerhalb
der Strombelastungstauglichkeit der Dioden D3 und D5. Obwohl somit
ein Strom mit einem zulässigen
Pegel, der folglich nicht als Überstrom
für die
Diode D2 wirkt, gleich groß oder
niedriger als die Hälfte
eines gleichartigen Stroms im Transistor Q2 ist, ist die Diode D2
gegenüber
einer Zerstörung
durch Überstrom
und einer hierauf folgenden thermischen Zerstörung geschützt.
-
Eine Überstrom-Schutzwirkung der
Steuerschaltung 10 wird durch Vorsehen einfacher Verbindungen
erreicht. 4 zeigt ein
Schaltbild, bei dem das normale Verhalten der Steuerschaltung 10 weggelassen
ist. Der Stromwandler CT11 ist über
die Überstrom-Erfassungsschaltung
T1 mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A3 und A5 der Treiberschaltungen
Dr3 bzw. Dr5 verbunden. Der Stromwandler CT12 ist über die Überstrom-Erfassungsschaltung
T2 mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A4
und A6 der Treiberschaltungen Dr4 bzw. Dr6 verbunden. Der Stromwandler
CT13 ist über
die Überstrom-Erfassungsschaltung
T3 mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A1 und A5 der Treiberschaltungen
Drl bzw. Dr5 verbunden, Der Stromwandler CT14 ist über die Überspannungs-Erfassungsschaltung
T4 mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen A2 und A6 der Treiberschaltungen
Dr2 bzw. Dr6 verbunden. Der Stromwandler CT15 ist über die Überstrom-Erfassungsschaltung
T5 mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen A1 und A3 der Treiberschaltungen
Drl bzw. Dr3 verbunden. Der Stromwandler CT16 ist über die Überstrom-Erfassungsschaltung
T6 mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen A2 und A4 der Treiberschaltungen
Dr2 bzw. Dr4 verbunden.
-
Bei Erfassung eines Überstroms
wird ein Inaktivierungssignal an die Inaktivierungs-Steueranschlüsse A1 bis
A6 angelegt. Die Stromwandler CT1 bis CT6 sind über die Überstrom-Erfassungsschaltungen S1 bis S6 mit
den Inaktivierungs-Steueranschlüssen B1
bis B6 der jeweiligen Treiberschaltungen Drl bis Dr6 verbunden.
-
Ähnlich
wie bei der herkömmlichen
Vorgehensweise beim Überstromschutz
triggert das an einen Inaktivierungs-Steueranschluß Ai oder
Bi angelegte Inaktivierungssignal eine Treiberschaltung Dri zur
Deaktivierung eines mit dem Ausgangsanschluß der Treiberschaltung Dri
verbundenen Transistors Qi. Damit schaltet die Treiberschaltung
Drl den Transistor Q1 als Reaktion auf die Erfassung eines Überstroms
nicht nur im Transistor Q1, den sie ansteuert, sondern auch in den
Dioden D3 und D5 ab. Dasselbe trift auch auf die Treiberschaltungen
Dr2 bis Dr6 zu.
-
Auch wenn 3 den Fall veranschaulicht, daß die Energien
beider Rückströme IV2 und IW2 am Kondensator
C regeneriert werden (gestrichelte Pfeile), ist der Überstromschutz
nicht auf die Darstellung gemäß 3 beschränkt. Soweit ein durch den Transistor
Q1 zugelassener Strom ungefähr
zweimal so groß ist
wie der für
die Diode D3 und/oder D5 zulässige
Strom, ist die Diode D2 gegenüber
einem Überstrom
und einer durch Überstrom
hervorgerufenen thermischen Zerstörung selbst dann geschützt, wenn der
Transistor Q1 eingeschaltet ist und die Rückströme IV2 und
IW2 zur Leitung U zurückfließen.
-
Andererseits ist in 4 der Fall dargestellt, daß die Transistoren
Q4 und Q6 inaktiviert werden, falls ein Überstrom in der Diode D2 auftritt.
Um dasselbe Ergebnis zu erhalten, kann der Transistor Q2 zusammen
mit den Transistoren Q4 und Q6 abgeschaltet werden, da im Transistor
Q2 kein Strom zugelassen wird, wenn die Transistoren Q4 und Q6 abgeschaltet
sind (zweite Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung
ist). In der Schaltung gemäß der zweiten
Weiterentwicklung (5)
sind die Überstrom-Erfassungsschaltungen
T1, T3 und T5 und die Inaktivierungs-Steueranschlüsse A1, A3 und A5 der Treiberschaltung
Drl, Dr3 und Dr5 miteinander verbunden. In gleicher Weise sind die Überstrom-Erfassungsschaltungen
T2, T4 und T6 und die Inaktivierungs-Steueranschlüsse A2,
A4 und A6 der Treiberschaltungen Dr2, Dr4 und Dr6 miteinander verbunden.
Wenn folglich ein Überstrom
in einer der Dioden D1, D3 oder D5 auftritt, die jeweils oberhalb
der Leitungen U, V und W angeordnet sind, werden die Transistoren
Q1, Q3 und Q3 oberhalb der Leitungen U, V und W gleichfalls abgeschaltet.
Die Transistoren Q2, Q4 und Q6 unterhalb der Leitungen U, V und
W werden in gleicher Weise abgeschaltet.
-
Die vorstehenden, in den 2 bis 5 veranschaulichten Weiterentwicklungen
beziehen sich ausschließlich
auf eine Drei-Phasen-Last. Jedoch ist vorliegende Erfindung auch
dann einsetzbar, wenn eine Ein-Phasen-Last benutzt wird. 6 zeigt eine Treiberschaltung
einer dritten Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung
ist. Um eine Ein-Phasen-Last zu steuern, enthält die Treiberschaltung gemäß 6 Treiberschaltungen Drl
bis Dr4, Transistoren Q1 bis Q4 und Dioden D1 bis D4. Stromwandler
CT1 bis CT4 und Überstrom-Erfassungsschaltungen
S1 bis S4 sind für
die Überstromerfassung
der Transistoren Q1 bis Q4 vorgesehen. Stromwandler CT11 bis CT14
und Überstrom-Erfassungsschal tungen
T1 bis T4 sind für
die Überstromerfassung
der Dioden D1 bis D4 vorgesehen.
-
Die Verbindung zwischen den Überstrom-Erfassungsschaltungen
und den Inaktivierungs-Steueranschlüssen sind gleichartig denjenigen
bei der Treiberschaltung gemäß 4. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen
S1 und T3 sind mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A1 und B1 der Treiberschaltung
Drl jeweils verbunden. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen
S2 und T4 sind mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen A2
bzw. B2 der Treiberschaltung Dr2 verbunden. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen S3 und T1 sind
mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A3
bzw. B3 der Treiberschaltung Dr3 verbunden. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen
S4 und T2 sind mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A4 bzw. B4 der Treiberschaltung
Dr4 verbunden.
-
Um den Überstromschutz bei der Schaltung gemäß der dritten
Weiterentwicklung zu verstehen, sei angenommen, daß ein Regenerativ-Strom
bzw. Rückstrom
von der Leitung V zum Transistor Q4 fließt und über die Diode D2 zur Leitung
U zurückfließt, wobei
ein Überstrom
in der Diode D2 auftritt. Bei Erfassung des Überstroms gibt die Überstrom-Erfassungsschaltung
T2 ein Inaktivierungssignal an die Treiberschaltung Dr4 über den
Inaktivierungs-Steueranschluß A4
ab, so daß der
Transistor Q4 abgeschaltet wird. Da der Pfad zum Transistor Q4 gesperrt
ist, fließt
der Rückstrom
von der Leitung V zur Diode D3 und dann zum Transistor Q1. Da in
der Diode D3 ein Überstromzustand
auftritt, wenn weiter zugelassen wird, daß der Rückstrom zum Transistor Q1 fließt, gibt
die Überstrom-Erfassungsschaltung
T3 das Inaktivierungssignal an die Treiberschaltung Drl über den
Inaktivierungs-Steueranschluß A1
ab. Als Ergebnis schaltet der Transistor Q1 ab, was erneut einen
Rückstromfluß zur Diode
D2 zuläßt. Durch
Widerholung dieses Vorgangs wird die Energie des Rückstroms
gedämpft.
Da zusätzlich
der Rückstrom zu
einem Zeitpunkt entweder durch die Diode D2 oder die Diode D3 fließt, baut
sich die strominduzierte Wärme
in der Diode D2 ab, während
der Rückstrom in
der Diode D3 fließt,
oder umgekehrt. Daher tritt keine thermische Zerstörung der
Dioden auf.
-
Die erste bis dritte Weiterentwicklung
beziehen sich auf den Fall, daß ein
Stromwandler als Stromsensor sowohl für einen Transistor als auch
für eine
Freilaufdiode verwendet wird. Allerdings fördert das Vorsehen von Stromwandlern
Nachteile im Hinblick auf die Herstellungskosten des Stromsensors und
der gesamten Gerätegröße.
-
7 zeigt
eine Überstrom-Schutzeinrichtung
einer vierten Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung
ist. Die Überstrom-Schutzeinrichtung
arbeitet mit Stromerfassungswiderständen RSQ und RSD als Stromsensoren
für einen Transistor
bzw. eine Diode. Die Spannungsabfälle an den Stromerfassungswiderständen RSQ
und RSD sind proportional den Strömen in einem Transistor Qi und
einer Diode Di. Folglich ist es möglich, einen Überstromzustand
im Transistor Qi und der Diode Di durch Messung der Spannungsabfälle mittels
einer Überstrom-Erfassungschaltung
Si bzw. Ti zu erfassen. Falls die Überstrom-Erfassungsschaltung
Si entscheidet, daß sich
der Transistor Qi im Überstromzustand
befindet, schaltet eine Treiberschaltung Dri den Transistor Qi als
Reaktion auf ein an ihrem Inaktivierungs-Steueranschluß Bi empfangenes Inaktivierungssignal
ab. Falls eine Überstrom-Erfassungsschaltung
Tj (mit j = 1 bis 6; die Definition des Referenz-Buchstabens j ist
dieselbe wie diejenige des Referenz-Buchstabens i) einen Überstrom
in der Diode Di erfaßt,
schaltet die Treiberschaltung Dri den Transistor Qi als Reaktion
auf das an deren anderem Inaktivierungs-Steueranschluß Ai empfangene
Inaktivierungssignal ab.
-
Beim Schutz des Transistors Qi entspricht die Überstrom-Schutzwirkung derjenigen
beim ersten bevorzugten Ausfürhungsbeispiel,
wenn das Inaktivierungssignal von allen Überstrom-Erfassungsschaltungen
T1 bis T6 einschließlich
der mit dem Transistor Qi verknüpften Überstrom-Erfassungsschaltung
Ti abgegeben wird. Der Überstromschutz bei
der zweiten Weiterentwicklung entspricht dem Fall, bei dem das Inaktivierungssignal
von der Überstrom-Erfassungsschaltung
Tj unter Ausschluß der Überstrom-Erfassungsschaltung
Ti abgegeben wird.
-
Unter Ausnutzung des Vorteils der
Transistor-Dioden-Antiparallelschaltung
kann der Stromsensor bei der Überstromerfassung
sowohl für
den Transistor als auch für
die Diode benutzt werden. 8 zeigt
eine fünfte
Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, bei der
ein Stromwandler CTi als Stromsensor benutzt wird, während 9 eine sechste Weiterentwicklung,
die nicht Gegenstand der Erfindung ist, zeigt, bei der ein Stromerfassungswiderstand
RS als Stromsensor eingesetzt wird. Beide Weiterentwicklungen
erfordern, daß ein
Kollektor eines Transistors Qi und eine Kathode einer Diode Di miteinander
verbunden sind, während
ein Emitter des Transistors Qi und eine Anode der Diode Di miteinander
verbunden sind, und daß der
Stromsensor in einem für
den Transistor Qi und die Diode Di gemeinsamen Strompfad angeordnet
ist. Im gemeinsamen Strompfad ist die Stromflußrichtung bei Stromführung durch
den Transistor Qi umgekehrt zu derjenigen bei Stromleitung durch
die Diode Di. Durch Ermittlung, ob ein durch den Stromsensor erfasster Strom
positive oder negative Polarität
besitzt, ermittelt folglich eine Überstrom-Erfassungsschaltung
Mi separat einen Strom im Transistor Qi und einen Strom in der Diode
Di. Bei Erfassung eines Überstroms
im Transistor Qi befiehlt die Überstrom-Erfassungsschaltung
Mi der Treiberschaltung Dri die Abschaltung des Transistors Qi.
Die Überstrom-Erfassungsschaltung
Mi gibt bei Erfassung eines Überstroms
in der Diode Di das Inaktivierungssignal an eine Treiberschaltung
Drj ab. Falls das Inaktivierungssignal von allen Überstrom-Erfassungsschaltungen
einschließlich
der mit dem Transistor Qi verknüpften Überstrom-Erfassungsschaltung
Mi abgegeben wird, entspricht die Überstrom-Schutzwirkung derjenigen
bei der ersten Weiterentwicklung. Der Überstromschutz der zweiten
Weiterentwicklung entspricht dem Fall, bei dem das Inaktivierungssignal von
den Überstrom-Erfassungsschaltungen
mit Ausnahme der Überstrom-Erfassungsschaltung
Mi abgegeben wird.
-
Die Überstrom-Erfassungsschaltung
Mi ist in größeren Einzelheiten
in 10 dargestellt. Eine
am Überstrom-Erfassungswiderstand
RS oder an einem Stromwandler CTi erhaltene Spannung wird an einen positiven
Eingangsanschluß eines
Vergleichers CMP1 und einen negativen Eingangsanschluß eines Vergleichers
CMP2 angelegt. Ein negativer Eingangsanschluß des Vergleichers CMP1 empfängt ein Bezugspotential
E1 (E1 > 0), während an
einem positiven Eingangsanschluß des
Vergleichers CMP2 ein Bezugspotential E2 (E2 < 0) angelegt ist. Es wird entschieden,
daß ein Überstrom
in der Diode vorliegt, wenn die am Überstrom-Erfassungswiderstand
RS oder an einem Stromwandler CTi auftretende Spannung größer als
das Bezugspotential E1 ist, während entschieden
wird, daß ein Überstrom
im Transistor vorhanden ist, wenn die Spannung am Element RS oder
CTi kleiner als das Bezugspotential E2 ist. Signale, die die Erfassungsergebnisse
repräsentieren, werden
von den beiden Vergleichern unabhängig voneinander ausgegeben.
-
Die Benutzung der Überstrom-Erfassungswiderstände tendieren
bei den Schaltungen der Weiterentwicklungen zur Vergrößerung der
Leistungsverluste. Dieser Nachteil wird allerdings durch Anordnung
einer Detektions- oder Erfassungsdiode Ki parallel zu einer Schutzdiode
Di und durch Erfassung eines durch die Detektionsdiode Ki fließenden Stroms beseitigt,
wie in 11 gezeigt (erstes
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung). In diesem Fall muß der Überstrom-Erfassungswiderstand
RSD in Reihe mit der Detektionsdiode Ki
geschaltet sein. Alternativ kann ein bipolarer Stromerfassungstransistor
mit isoliertem Gate (Pi) vorgesehen sein, der einen Haupt-Emitter
zum Steuern einer Last und einen Erfassungs-Emitter zum Erfassen
eines Stroms besitzt. Falls der Transistor Pi benutzt wird, muß der Überstrom-Erfassungswiderstand
RSQ mit dem Erfassungsemitter verbunden
sein, um den Leistungsverbrauch am Überstrom-Erfassungswiderstand
RSQ zu beschränken.
-
Andere Modifikationen sind ebenfalls
möglich,
bei denen der Überstrom-Erfassungswiderstand RS
sowohl einen im Transistor Pi auftretenden Strom als auch einen
in der Diode Ki auftretenden Strom erfaßt (12, zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung). Beim zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind der Haupt-Emitter des Transistors Pi, die Anode der Schutzdiode
Di und ein Anschluß des Überstrom-Erfassungswiderstands
RS miteinander verbunden, während der
Erfassungsemitter des Transistors Bi, die Anode der Schutzdiode
Ki und der entgegengesetzte Anschluß des Überstrom-Erfassungswiderstands
RS miteinander verbunden sind.
-
Die bislang beschriebenen bevorzugten
Weiterentwicklungen und Ausführungsbeispiele
erfordern die Verwendung eines bipolaren Transistors IGBT als Schalteinrichtung.
Jedoch lassen sich die hier offenbarten Effekte vorliegender Erfindung
auch bei Verwendung einer Leistungsschalteinrichtung, sei es ein
bipolarer Transistor oder ein MOSFET, erhalten.
-
Obwohl vorhergehend auch beschrieben wurde,
daß ein
bipolarer Stromerfassungstransistor IGBT zur Erfassung eines in
der Schalteinrichtung auftretenden Stroms benutzt wird, ist vorliegende
Erfindung auch bei Verwendung irgend einer anderen Schalteinrichtung
einsetzbar, soweit die Schalteinrichtung einen Stromerfassungsanschluß enthält. Ein Stromerfassungs-MOSFET
ist daher ebenfalls eine gute Alternative. Auch wenn die Erfindung
im Detail gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung
in jeglicher Hinsicht erläuternd
und nicht beschränkend.
Zahlreiche Modifikationen und Abänderungen
können
entwickelt werde, ohne vom Rahmen vorliegender Erfindung abzuweichen.
-
Freilaufdioden werden gegenüber Überstrom
geschützt.
Wenn die in einem Drei-Phasen-Motor auftretende Gegen-EMK EVU und EWU Rückströme IV
1 und IW1 hervorruft,
die zu Transistoren Q4 und Q6 sowie zu einer Schutzdiode D2 fließen, wird
entschieden, daß die
Schutzdiode D2 in den Überstromzustand
gelangt. Als Reaktion auf die Entscheidung werden die Transistoren
Q4 und Q6 abgeschaltet, wodurch ermöglicht wird, daß die Rückströme IV2 und IW2 in Schutzdioden
D3 und D5 aufgrund der Gegen-EMK EVU und
EWU fließen. Die Energien der Rückströme IV
2 und IW2 werden
in einem Kondensator C regeneriert. Da folglich ein zuvor durch
lediglich eine Schutzdiode fließender
Rückstrom
in zwei Ströme
aufgeteilt wird, die in zwei Schutzdioden fließen, ist der Überstromzustand
beendet.