EP4690469A1 - Elektronikanordnung - Google Patents

Elektronikanordnung

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Publication number
EP4690469A1
EP4690469A1 EP24725753.8A EP24725753A EP4690469A1 EP 4690469 A1 EP4690469 A1 EP 4690469A1 EP 24725753 A EP24725753 A EP 24725753A EP 4690469 A1 EP4690469 A1 EP 4690469A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
switching
current
electronic arrangement
switching device
Prior art date
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Pending
Application number
EP24725753.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Julian Stefan Breiter
Hauke NANNEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4690469A1 publication Critical patent/EP4690469A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
    • H03K17/102—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
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    • H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
    • H03K17/08142—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in field-effect transistor switches
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    • H03K17/08148—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in composite switches

Definitions

  • the present invention relates to an electronic arrangement, an electrical switching device and a method.
  • the voltage clamp circuit 406 also has a capacitor 409 which is connected between the first connection 401 and the TVS thyristor 411.
  • the technical effect of the voltage clamp circuit 406 is that the semiconductor switching element 405 is protected from an undesirable overvoltage in the form of a harmful voltage spike 511; this protective effect against an overvoltage is shown in Figs. 5A and 5B.
  • the electronic arrangement has a switching device which is used to switch a main current path, i.e. an electrical conductor between a voltage source and an electrical load. Under normal operating conditions, the main current path forms a current path of a load current (direct or alternating current) to an electrical load, which is also referred to as a consumer.
  • This electrical conductor is also referred to here as a phase conductor.
  • the phase conductor can be a conductor of a single-phase or multi-phase power line.
  • the switching device for switching a main current path can provide the switching function using a single semiconductor switching unit.
  • the switching device for switching a main current path can provide the switching function using two or more semiconductor switching units.
  • the technical effect of this latter is that the applied blocking voltage is distributed across the two or more semiconductor switching units, i.e. each of the two or more semiconductor switching units only has to be able to withstand a significantly lower blocking voltage than a single semiconductor switching unit to which the entire blocking voltage is applied.
  • This is advantageous because the costs of a semiconductor switching unit are generally higher the higher the maximum voltage that can be applied to the semiconductor switching unit while the on-resistance of the semiconductor switching unit remains constant. It can therefore be more cost-effective (e.g. around 20 to 30%) to design the switching device with, for example, two semiconductor switching units, to each of which a maximum voltage of 600 V can be applied, rather than with a single semiconductor switching unit to which a maximum voltage of 1200 V can be applied.
  • semiconductor-based switching elements e.g. MOSFETS such as Si or SiC MOSFETs, transistors, IGBTs, triacs and thyristors
  • MOSFETS, transistors and IGBTs have the advantage that they can switch off electrical currents very quickly, which is important in the event of a short circuit, for example.
  • MOSFETS, transistors and IGBTs have the advantage that they can switch off electrical currents very quickly, which is important in the event of a short circuit, for example.
  • these semiconductor switches are sensitive in that they have a maximum blocking voltage. This limit specifies the maximum voltage that may be applied to the semiconductor switch. This limit must be observed in all cases, as the semiconductor switches only function reliably below the limit.
  • the inductance present in the circuit creates an overvoltage pulse in the switching device.
  • An overvoltage must not exceed a maximum blocking voltage of the semiconductor switching units; this limit specifies the maximum voltage that may be present in a semiconductor switching unit. Since the switching device has n semiconductor switching units, which can generally be irreversibly damaged by even relatively small overvoltages, it is important to protect the switching device from overvoltage. This is the task of the voltage limiting device: it ensures that an overvoltage that occurs does not exceed a threshold value above which damage to the switching device can occur.
  • the voltage limiting device has a series connection of at least one overvoltage protection component and at least one diac.
  • the voltage limiting device is configured by a clever choice of the at least one overvoltage protection component and the at least one diac in such a way that the voltage limiting device allows practically no current to pass below a defined voltage threshold. Only when a voltage at the voltage limiting device exceeds this voltage threshold does the voltage limiting device allow current to pass; in this way, the applied voltage is reduced and the overvoltage cannot rise significantly above the defined voltage threshold.
  • the electronic arrangement also has n surge arresters.
  • One of the n surge arresters is connected in parallel to one of the n semiconductor switching units of the switching device, so that there is a bijective assignment between the n surge arresters and the n semiconductor switching units.
  • the electronic arrangement can be part of an electrical switching device.
  • An electrical switching device is used to supply an electrical consumer, also referred to as a "load” or “electrical load”, with electrical energy from a feed-in, for example from an electrical power network, in a controlled manner.
  • Electrical consumers can essentially be divided into resistive electrical consumers, capacitive electrical consumers and inductive electrical consumers, as well as hybrid forms of these.
  • An inductive load carrying current stores electrical energy which leads to overvoltages after the load circuit is interrupted.
  • a free-wheeling path is usually provided to dissipate the stored energy: it forms a current path for the breaking current. If no free-wheeling path is provided, other other protective elements are provided which are designed to dissipate the stored energy.
  • the object is also achieved according to the invention by an electrical switching device with an electronic arrangement according to the invention.
  • the switching device can be an SSCB which controls the flow of current through a phase line with the aid of a semiconductor switch.
  • the SSCB can, among other things, assume an on state in which a flow of current through the semiconductor switch is enabled, and an off state in which a flow of current through the semiconductor switch is prevented.
  • a change from the on state to the off state can be triggered by a fault in the phase line, e.g. a prolonged overcurrent of relatively low magnitude (overload) or a rapidly occurring overcurrent of relatively high magnitude (short circuit).
  • An electrical switching device is used to supply an electrical consumer, also known as a "load", with electrical energy from a feed-in source, for example from an electrical power grid, in a controlled manner.
  • Electrical consumers can essentially be divided into resistive electrical consumers, capacitive electrical consumers and inductive electrical consumers, as well as hybrid forms thereof.
  • the method comprises a step in which the overvoltage is reduced by the n surge arresters until the voltage limiting device connected in parallel to the switching device can take over the current completely, the voltage limiting device comprising at least one overvoltage protection component and at least one diac connected in series with the at least one overvoltage protection component.
  • the method comprises a step in which the current from the n surge arresters is commutated to the voltage limiting device.
  • the method comprises a step in which the energy in the voltage limiting device is dissipated until the energy is dissipated to such an extent that the current through the voltage limiting device falls below a holding current of the diac; and the method comprises a step in which the current from the voltage limiting device is commutated to the main current path.
  • the overvoltage protection component is a varistor, a gas discharge tube or a Spark gap.
  • These surge components are characterized by their ability to absorb large amounts of energy. However, their response behavior, i.e. their ability to quickly transfer current, is limited.
  • At least one of the n surge arresters has a TVS diode or several TVS diodes connected in series.
  • TVS diodes are characterized by a significantly faster current transfer capability than metal oxide varistors.
  • the amounts of energy that can be absorbed are significantly smaller than those of metal oxide varistors, while at the same time the construction volume is larger.
  • a capacitor or a series connection of a capacitor and a resistance component is connected across a subset or across all of the one or more series-connected TVS diodes of at least one surge arrester.
  • the resistance component hereinafter also referred to simply as "resistor” is a component with a defined electrical resistance R.
  • the capacitor has a defined electrical capacitance C.
  • the capacitor has the advantage that it can improve the switching behavior of the TVS diodes.
  • the parallel capacitor improves the commutation of the current to the TVS diode, since the capacitor limits the voltage rise across the TVS diode.
  • the resistance component has the advantage that it can improve the oscillation behavior of the electronic arrangement, for example by reducing undesirable oscillations. dampens the electromagnetic interference that occurs in the electronic arrangement.
  • the series connection of a capacitor and a resistance component forms an RC element, which can limit electromagnetic interference.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the electronic arrangement
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the electronic arrangement, wherein the surge arrester has a TVS diode or two or more TVS diodes connected in series;
  • Fig. 3 shows a circuit with an electronic arrangement which has a TVS diode
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the electronic arrangement, wherein the switching device has two semiconductor switches
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the electronic arrangement, wherein the electronic arrangement additionally has a capacitor connected in parallel;
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the electronic arrangement, wherein the switching device has two semiconductor switches and capacitors connected in parallel thereto;
  • Fig. 7 shows a further embodiment of the electronic arrangement, which represents an alternative design to the embodiment shown in Fig. 6;
  • Fig. 8 is a flow chart showing the steps of the method according to the invention.
  • Fig. 9 a switching device
  • Fig. 10 shows a circuit with an electronic arrangement which has at least two TVS diodes
  • Fig. 11 shows a circuit with an electronic arrangement which has at least two TVS diodes and an RC element connected in parallel thereto;
  • Fig. 12 shows a further embodiment of the electronic arrangement, wherein the voltage limiting device comprises a series connection of at least two varistors and at least two diacs;
  • Fig. 13 shows a further embodiment of the electronic arrangement, wherein the four parallel current paths each have at least one corresponding component.
  • Fig. 1 shows an electronic arrangement 100.
  • the electronic arrangement 100 has two connections 101, 104, namely a first connection 101 and a second connection 104, with which the electronic arrangement 100 can be connected into an electrical circuit.
  • the electronic arrangement 100 has a main current path 103 between its first connection 101 and its second connection 104, in which a switching device 102 for switching the main current path 103 is arranged.
  • the switching device 102 can switch between a current-conducting state and a current-blocking state.
  • the switching device 102 has a semiconductor switching unit, which can be, for example, a transistor, a MOSFET, a triac or an IGBT.
  • the electronic arrangement 100 also has, between its first connection 101 and its second connection 104, a parallel current path 108 which runs parallel to the main current path 103 and in which a voltage limiting device 114 is arranged.
  • the voltage limiting device 114 has an overvoltage protection component 107 and a diac 109 connected in series with the overvoltage protection component 107.
  • the overvoltage protection component 107 can be, for example, a varistor, a suppressor diode, a gas discharge tube or a spark gap.
  • the electronic arrangement 100 also has, between its first connection 101 and its second connection 104, a bypass current path 111 running parallel to the main current path 103 and parallel to the parallel current path 108, in which a surge arrester 110 is arranged.
  • the surge arrester 110 can be one or more TVS diodes connected in series.
  • Fig. 2 shows an electronic arrangement 100 which corresponds to the electronic arrangement 100 shown in Fig. 1, wherein the overvoltage protection component 107 is designed as a varistor and the overvoltage arrester 110 is designed as n series-connected TVS diodes 112. 1, 112. 2, . . . , 112. n, wherein n is a natural number without zero.
  • Fig. 3 shows a circuit with an electronic arrangement 100.
  • the circuit has a voltage source 118.
  • the voltage source 118 can provide a direct voltage (DC) or an alternating voltage (AC).
  • a first connection of the power source 118 is connected by means of an electrical conductor 113 to a first connection 101 of the electronic arrangement 100, which is designed according to Fig. 2.
  • the second connection 104 of the electronic arrangement 100 is connected by means of the electrical conductor 113 to an electrical consumer 119, 120, also referred to as: (electrical) load, which is symbolized by an electrical resistance 119 and an inductance 120.
  • the circuit symbols of the electrical resistance 119 and the inductance 120 also include the ohmic and inductive properties of the electrical conductor 113 of the circuit.
  • the electrical conductor 113 runs back to the power source 118, where the electrical conductor 113 is connected to a second terminal of the power source 118.
  • inductance refers to inductive electrical and electronic components of the circuit, e.g. coils, cables or transformers.
  • the electronic arrangement 100 has, between its first connection 101 and its second connection 104, a main current path 103, a parallel current path 108 and a bypass current path 111, which run parallel to one another.
  • a switch device 102, 102.1 is arranged in the main current path 103, which can switch the main current path 103, which in normal operation of the circuit forms the current path of a load current that flows from the power source 118 to the electrical consumer 119, 120.
  • the current-carrying conductor 113 is used to conduct the load current, a direct or alternating current, from the voltage source 118 to the electrical load 119, 120.
  • the current-carrying conductor 113 can be a phase conductor of a single-phase or multi-phase circuit.
  • the switching device 102 can be switched by switching signals supplied externally to the switching device 102 into a first state in which the switching device 102, 102.1 is current-blocking, or into a second state in which the switching device 102, 102.1 is current-conducting.
  • the switching device 102, 102.1 is formed by two transistors 117 connected to one another.
  • the electronic arrangement 100 has a voltage limiting device 114 in the parallel current path 108, which has a series connection 114 of a diac 109 and a varistor 107.
  • the electronic arrangement 100 has in the bypass current path 111 has a surge arrester 110 which has a bidirectional TVS diode 112. 1.
  • the electronic arrangement 100 serves to supply the electrical consumer 119, 120 with electrical energy from the voltage source 118 in a controlled manner.
  • the electronic arrangement 100 can be part of an electrical switching device.
  • a switching device with a semiconductor-based switching device can switch off electrical currents very quickly. Currents must be switched off in the event of short circuits, for example.
  • a high overvoltage is generated at the switching device 102, which must be limited to safe values by overvoltage limiting elements.
  • the overvoltages are caused by the inductances present in the circuit.
  • the switch device 102 When the switch device 102 is switched to conduct current, the load current flows via the main current path 103. If the switch device 102 is now switched to block current, an overvoltage is generated in the circuit, against which the switch device 102, which has semiconductor components such as transistors that can easily be damaged by an overvoltage, must be protected.
  • the voltage limiting device 114 connected in parallel to the switching device 102 becomes conductive when a voltage threshold that can be defined by the component selection is exceeded and thereby limits the voltage that is applied to the switching device 102.
  • the voltage threshold can be defined by other components of the circuit in addition to the selection of the diac 109 and the varistor 107.
  • the voltage limiting device 114 In addition to the varistor 107, which acts as an energy absorber, the voltage limiting device 114 also has a diac 109 in series.
  • the main advantage of this voltage limiting device 114 is that no control signal is required. A diac becomes conductive as soon as a certain voltage is exceeded across it. Unlike a TVS diode After a diac's ignition voltage is exceeded, only a small voltage (depending on the current) ⁇ 10 V drops across it, comparable to a diode characteristic. The power converted is correspondingly low, which is why the majority of the energy to be dissipated is converted in the varistor 107.
  • the essential protective element can be a diode or another similarly acting overvoltage protection component, e.g. a suppressor diode, a gas arrester or a spark gap.
  • the voltage limiting device 114 By forming the voltage limiting device 114 by an overvoltage protection component 107 and a diac 109 connected in series with the overvoltage protection component 107, a further degree of freedom is gained: the actual inception voltage of the essential protection element, i.e. the overvoltage protection component 107, is extended by the inception voltage of the diac 109.
  • the electronic arrangement 100 has a further protective element in addition to the voltage limiting device 114: a TVS diode 112.1 connected in parallel to the voltage limiting device 114.
  • a TVS diode 112.1 connected in parallel to the voltage limiting device 114.
  • the TVS diode 112.1 is characterized by a significantly faster current transfer capability than the voltage limiting device 114 formed from the varistor 107 and diac 109. In detail, this is as follows: at the beginning of the commutation process (load current commutates from the switching device 102 to the voltage limiting device 114), a small voltage peak occurs; this is due to the internal structure of the varistor 107.
  • the additional This voltage peak can be further reduced by using the TVS diode 112.1, since the TVS diode 112.1 initially takes over part of the load current until the voltage limiting device 114 then takes over the load current completely.
  • This additional circuit with the TVS diode 112.1 is particularly useful when the voltage limiting device 114 has a varistor, since varistors generally show a relatively slow current takeover.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the electronic arrangement.
  • the switch device 102 has two series-connected semiconductor switches in the main current path 103
  • the voltage limiting device 114 has a varistor 107 and a diac 109 connected in series with the varistor 107.
  • the surge arresters 110.1, 110.2 are each designed as an individual number of n series-connected TVS diodes 112.1, 112.2, ..., 112.n, where n is a natural number without zero.
  • unidirectional TVS diodes can preferably be used in the embodiment shown in Fig. 4.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the electronic arrangement which corresponds to the electronic arrangement 100 shown in Fig. 2, wherein the electronic arrangement additionally has at least one capacitor 115 connected in parallel: A capacitor 115 or a series connection of a capacitor 115 and a resistance component 116 is connected across a subset 112.1, 112.2, ..., 112. m-1 of the several series-connected TVS diodes 112.1, 112.2, ..., 112. m-1, 112. m, 112, m+1, ..., 112. n of the surge arrester 110.
  • the capacitor 115 can take over the current from the semiconductor switching unit 102 much faster than the TVS diodes. This allows the switching speed of the semiconductor switching unit 102 to be increased even further.
  • the capacitor 115 limits the voltage rise across the semiconductor switching unit 192.
  • the optional resistance component 116 is used to generate a vapor-induced behavior and reduces the risk of unwanted oscillation excitation.
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the electronic arrangement.
  • the switch device 102 in the main current path 103 has two series-connected semiconductor switches
  • the voltage limiting device 114 has a varistor 107 and a diac 109 connected in series with the varistor 107.
  • the surge arresters 110.1, 110.2 are each designed as an individual number of n or o TVS diodes 112.1, 112.2, ..., 112. n or.
  • a series connection of a capacitor 115.1 or 115.2 is connected in parallel to the surge arresters 110.1 and 110.2.
  • the capacitor 115.1 or 115.2 limits the voltage rise across the semiconductor switching units 102.1, 102.2. Depending on the semiconductor used, a maximum voltage rise is specified that must not be exceeded in order not to damage the semiconductor switching units 102.1, 102.2.
  • the electrical resistance 116.1 or 116.2 provides the damping.
  • Fig. 7 shows a further embodiment of the electronic arrangement, which represents an alternative design to the embodiment shown in Fig. 6.
  • the embodiment shown in Fig. 7 corresponds to the embodiment shown in Fig. 6, except for the following difference: while in the embodiment shown in Fig. 6 the series circuits of the capacitor 115.1 or 115.2 and the electrical resistor 116.1 or 116.2 are each connected across all TVS diodes of the associated surge arresters 110.1, 110.2, in the embodiment shown in Fig. 7 the series circuits of the capacitor 115.1 or 115.2 and the electrical resistor 116.1 or 116.2 each extend across only a subset of the TVS diodes of the associated surge arresters 110.1, 110.2.
  • the second series connection of the capacitor 115.2 and the electrical resistor 116.2 extends only over a subset of h-1 TVS diodes 112.1, 112.2, ..., 112, h-1 of the o TVS diodes 112.1, 112.2, ..., 112. h-1, 112. h, 112. h+1, ..., 112.o of the associated surge arrester 110.2.
  • the capacitors 115.1 and 115.2 can take over the current from the semiconductor switching units 102.1, 102.2 much faster than the TVS diodes 112. The switching speed of the semiconductor switching units 102.1, 102.2 can thus be increased even further.
  • the capacitors 115.1 and 115.2 limit the voltage rise across the semiconductor switching unit 102.
  • 116.1 and 116.2 are used to generate a damped behavior and reduce the risk of unwanted vibration excitation.
  • Fig. 8 shows a flow chart with the steps of the method according to the invention for limiting an overvoltage using an electronic arrangement according to the invention.
  • a voltage is applied to the switching device for switching a main current path, wherein the switching device has n semiconductor switching units connected in series, wherein n is a natural number without zero.
  • the current from the power source to the electrical load flows along the main current path through the switching device.
  • the inductance present in the circuit creates an overvoltage at the switching device.
  • a second step 802 when the overvoltage occurs, the current is commutated from the switching device 102 to the n surge arresters 110, 110.1, 110.2, ..., 110. n, wherein one of the n surge arresters 110, 110.1, 110.2, ..., 110. n is connected in parallel to one of the n semiconductor switching units 102.1, 102.2, ..., 102. n in a bijective assignment.
  • a third step 803 the overvoltage is reduced by the n surge arresters 110, 110.1, 110.2, ..., 110.n, until the voltage limiting device 114 connected in parallel to the switching device 102 can completely take over the current, wherein the voltage limiting device 114 has an overvoltage protection component 107 and a diac 109 connected in series with the overvoltage protection component 107.
  • the current is commutated from the n surge arresters 110, 110.1, 110.2, . . . , 110.n to the voltage limiting device 114.
  • the voltage limiting device 114 is connected in parallel to the switching device 102; this ensures that the voltage applied to the switching device never exceeds a defined value.
  • the voltage limiting device can be designed as a voltage limiting element which becomes conductive when a voltage that can be defined by the selection of the voltage limiting element, the so-called limiting value, is exceeded and thus does not allow the voltage applied to the switching device to rise any further.
  • the magnetic energy stored in the inductance of the circuit at the time of switching off must essentially be absorbed by the voltage limiting device during the switching off process and converted into heat without overloading it.
  • the dimensioning of the voltage limiting device therefore depends primarily on the size of the inductance and the size of the current to be switched off in the circuit.
  • a fifth step 805 the energy in the voltage limiting device 114 is reduced until the energy is reduced to such an extent that the current through the voltage limiting device ( 114 ) falls below a holding current of the diac .
  • a sixth step 806 the current is commutation from the voltage limiting device 114 to the main current path 103.
  • Fig. 9 shows a switching device 900 with an electronic arrangement 100.
  • the switching device 900 has two connections 901, 902 namely a first connection 901 and a second connection 902, with which the switching device 900 can be connected into an electrical circuit.
  • the switching device 900 has an electronic arrangement 100 according to the invention between its first connection 901 and its second connection 902.
  • the circuit has a voltage source 118.
  • the voltage source 118 can provide a direct voltage (DC) or an alternating voltage (AC).
  • a first connection of the power source 118 is connected to the first connection 901 of the switching device 900 by means of an electrical conductor 113.
  • the second connection 902 of the switching device 900 is connected by means of the electrical conductor 113 to an electrical consumer 119, 120, which is symbolized by an electrical resistor 119 and an inductance 120. From the electrical consumer 119, 120, the electrical conductor 113 runs back to the power source 118, where the electrical conductor 113 is connected to a second connection of the power source 118.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronikanordnung (100), aufweisend - eine Schaltvorrichtung (102) zum Schalten eines Hauptstrompfads (103), wobei die Schaltvorrichtung (102) n in Reihe geschaltete Halbleiterschalteinheiten (102.1, 102.2,..., 102.n) aufweist, wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist, - eine parallel zu der Schaltvorrichtung (102) geschaltete Spannungsbegrenzungsvorrichtung (114), aufweisend mindestens ein Überspannungsschutz-Bauelement (107) und mindestens einen in Reihe zu dem mindestens einen Überspannungsschutz-Bauelement (107) geschalteten Diac (109), und - n Überspannungsableiter (110, 110.1, 110.2,..., 110.n), wobei parallel zu je einem der n Halbleiterschalteinheiten (102.1, 102.2,..., 102.n) in einer bijektiven Zuordnung jeweils einer der n Überspannungsableiter (110, 110.1, 110.2,..., 110.n) geschaltet ist.

Description

Beschreibung
Elektronikanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronikanordnung, ein elektrisches Schaltgerät sowie ein Verfahren.
US2021 / 0288636A1 (ABB Schweiz AG; Song et al.) 16.09.2021 beschreibt in Fig. 4A einen Festkörper-Leistungsschalter 400 (engl. : Solid State Circuit Breaker = SSCB) , der zwischen einem ersten Anschluss 401 und einem zweiten Anschluss 403 eine Parallelschaltung eines Halbleiter-Schaltelements 405 (z. B. MOSFET oder IGBT) und einer Spannungsklemmschaltung 406 (engl. : voltage clamping circuit) umfasst (MOSFET = metal oxide semiconductor field-effect transistor; IGBT = insulated-gate bipolar transistor) . Dabei weist die Spannungsklemmschaltung 406 eine Reihenschaltung eines Me- talloxid-Varistors (= MOV) 407 und eines TVS-Thyristors 411 auf, wobei der MOV 407 zwischen den ersten Anschluss 401 und den TVS-Thyristor 411 geschaltet ist und wobei der TVS- Thyristor 411 so ausgebildet ist, dass er den MOV 407 selektiv mit dem zweiten Anschluss 403 koppeln kann (TVS = Transient Voltage Suppression) . Die Spannungsklemmschaltung 406 weist außerdem einen Kondensator 409 auf, der zwischen den ersten Anschluss 401 und den TVS-Thyristor 411 geschaltet ist. Die technische Wirkung der Spannungsklemmschaltung 406 besteht darin, dass das Halbleiter-Schaltelement 405 vor einer unerwünschten Überspannung in Form einer schädlichen Spannungsspitze 511 (engl. : voltage spike) geschützt wird; diese Schutzwirkung vor einer Überspannung ist in den Figs. 5A und 5B dargestellt.
Ein Nachteil dieser bekannten Spannungsklemmschaltung 406 ist, dass der Kondensator 409 das Verhalten des Festkörper- Leistungsschalters 400 negativ beeinflussen kann.
Es besteht somit ein Bedarf nach einem verbesserten Überspannungsschutz einer Halbleiter-Schaltvorrichtung. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektronikanordnung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, ein Schaltgerät mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen und ein Verfahren mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst .
Die Elektronikanordnung weist eine Schaltvorrichtung auf , die zum Schalten eines Hauptstrompfads , d . h . eines elektrischen Leiters zwischen einer Spannungsquelle und einer elektrischen Last , dient . Der Hauptstrompfad bildet unter normalen Betriebsbedingungen einen Strompfad eines Laststroms ( Gleichoder Wechselstrom) zu einer elektrischen Last , die auch als : Verbraucher bezeichnet wird . Dieser elektrische Leiter wird hier auch als Phasenleiter bezeichnet . Der Phasenleiter kann dabei ein Leiter einer ein- oder mehrphasigen Stromleitung sein .
Die Schaltvorrichtung weist n (n = 1 , 2 , 3 , . . . ) in Reihe geschaltete Halbleiterschalteinheiten auf . Eine Halbleiterschalteinheit kann z . B . ein Leitungselektronik-Schalter ( engl . : PE Switch = Power Electronics Switch) , umfassend ein oder mehrere Halbleiter-Schaltelemente ( z . B . IGBT oder MOSFET ) , sein . Jede der Halbleiterschalteinheiten der Schaltvorrichtung kann durch externe Steuersignale in einen ersten Zustand, in dem die Halbleiterschalteinheit stromsperrend ist , oder in einen zweiten Zustand, in dem die Halbleiterschalteinheit stromleitend ist , geschaltet werden . Zum Schalten des Hauptstrompfads können die n in Reihe geschalteten Halbleiterschalteinheiten der Schaltvorrichtung j eweils durch externe Steuersignale so angesteuert werden, dass die Schaltvorrichtung stromsperrend oder stromleitend ist .
Die Schaltvorrichtung zum Schalten eines Hauptstrompfads kann die Schalt funktion mithil fe einer einzigen Halbleiterschalteinheit erbringen . Es ist aber auch möglich, dass die Schaltvorrichtung zum Schalten eines Hauptstrompfads die Schaltfunktion mithil fe von zwei oder mehr Halbleiterschalteinheiten erbringt . Der technische Ef fekt dieser letzteren Ausgestaltung liegt darin, dass sich die anliegende Sperrspannung auf die zwei oder mehr Halbleiterschalteinheiten verteilt, d. h. jede der zwei oder mehr Halbleiterschalteinheiten muss nur eine signifikant geringere Sperrspannung aushalten können als eine einzige Halbleiterschalteinheit, an der die gesamte Sperrspannung anliegt. Das ist von Vorteil, weil die Kosten einer Halbleiterschalteinheit in der Regel umso höher sind, je höher die maximale Spannung ist, die an die Halbleiterschalteinheit angelegt werden darf, wenn gleichzeitig der Durchlasswiderstand der Halbleiterschalteinheit konstant bleibt. Somit kann es kostengünstiger sein (z. B. ca. 20 bis 30 %) , die Schaltvorrichtung mit z. B. zwei Halbleiterschalteinheiten auszuführen, an die jeweils eine maximale Spannung von 600 V angelegt werden darf, anstatt mit einer einzigen Halbleiterschalteinheit, an welche eine maximale Spannung von 1200 V angelegt werden darf.
Zum Unterbrechen eines Laststromkreises , d. h. zur Trennung von Einspeisung und Last, können in einem elektrischen Schaltgerät Schaltelemente auf Halbleiterbasis, z. B. MOSFETS wie z. B. Si- oder SiC-MOSFETs, Transistoren, IGBTs, Triacs und Thyristoren, verwendet werden. Diese Schaltelemente auf Halbleiterbasis haben den Vorteil, dass sie schnell einschalten und verschleißfrei schalten können. MOSFETS, Transistoren und IGBTs haben den Vorteil, dass sie elektrische Ströme sehr schnell ausschalten können, was z. B. bei Kurzschlüssen wichtig ist. Allerdings sind diese Halbleiterschalter insofern empfindlich, dass sie eine maximale Sperrspannung aufweisen. Dieser Grenzwert gibt die maximale Spannung an, die am Halbleiterschalter anliegen darf. Dieser Grenzwert ist in jedem Fall einzuhalten, da die Funktion der Halbleiterschalter nur unterhalb des Grenzwerts zuverlässig ist. Ist die Topologie der Schaltung derart, dass nicht in jedem Betriebsfall garantiert werden kann, dass der Grenzwert eingehalten wird, so werden Spannungsbegrenzungselemente parallel zum Halbleiterschalter geschaltet, damit die am Halbleiterschalter anliegende Spannung einen definierten Wert nicht überschreitet. Die Elektronikanordnung weist außerdem eine parallel zu der Schaltvorrichtung geschaltete Spannungsbegrenzungsvorrichtung auf . Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung, die parallel zur Schaltvorrichtung geschaltet ist , schützt die Schaltvorrichtung vor einer schädlichen Überspannung . Eine übliche Situation, in der eine Überspannung auftreten kann, ist ein Öf fnen oder Schließen eines Induktivität aufweisenden Stromkreises durch die Schaltvorrichtung . Hier wie im Folgenden wird der Begri f f Induktivität als Oberbegri f f für induktive elektrische und elektronische Bauelemente des Stromkreises , z . B . Elektromotoren, Spulen, Trans formatoren oder elektrische Leiter ( Stromleitungen) , verwendet . Bei einem Schaltvorgang im Stromkreis entsteht durch die in dem Stromkreis vorhandene Induktivität ein Überspannungsimpuls an der Schaltvorrichtung . Eine Überspannung darf eine maximale Sperrspannung der Halbleiterschalteinheiten nicht übersteigen; dieser Grenzwert gibt die maximale Spannung an, die an einer Halbleiterschalteinheit anliegen darf . Da die Schaltvorrichtung n Halbleiterschalteinheiten aufweist , die in der Regel schon durch relativ geringe Überspannungen irreversibel geschädigt werden können, ist es so wichtig, die Schaltvorrichtung vor einer Überspannung zu schützen . Diese Aufgabe erfüllt die Spannungsbegrenzungsvorrichtung : sie stellt sicher, dass eine auftretende Überspannung nicht einen Schwellwert überschreitet , oberhalb dessen eine Schädigung der Schaltvorrichtung eintreten kann . Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung weist eine Reihenschaltung von mindestens einem Überspannungsschutz- Bauelement und mindestens einem Diac auf .
Ein Überspannungsschutz-Bauelement , auch als : SPD (= Surge Protection Device ) bezeichnet , ist eine elektrische Vorrichtung, die andere elektrische Bauelemente vor einer Spannungsspitze schützt . Typischerweise löst das Überspannungsschutz- Bauelement bei einer festgelegten Spannung aus , die etwa dem 1 , 2- bis 2- fachen der Nennspannung entspricht . Das Überspannungsschutz-Bauelement absorbiert die Spannungsspitze und gibt die darin enthaltene Energie als Wärme ab . Zusätzlich zu dem mindestens einen Überspannungsschutz- Bauelement , d . h . dem eigentlichen Energieabsorber, ist mindestens ein Diac in Reihe geschaltet . Ein Diac, ein Akronym aus : "Diode for Alternating Current" , wird auch als Zweirichtungsdiode bezeichnet . Die Strecke zwischen den beiden Anschlüssen des Diac wird erst leitfähig, wenn die Spannung an ihnen die Durchbruchspannung UBo ( engl . : breakover voltage ) des Diac übersteigt . Der wesentliche Vorteil dieser Lösung ist , dass kein Ansteuersignal benötigt wird . Ein Diac wird leitend, sobald über ihm eine gewisse Spannung überschritten wird .
Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung ist durch eine geschickte Wahl des mindestens einen Überspannungsschutz-Bauelements und des mindestens einen Diac so konfiguriert , dass die Spannungsbegrenzungsvorrichtung unterhalb einer definierten Spannungsschwelle praktisch keinen Strom passieren lässt . Erst wenn eine an der Spannungsbegrenzungsvorrichtung diese Spannungsschwelle überschreitet , lässt die Spannungsbegrenzungsvorrichtung Strom passieren; auf diese Weise wird die anliegende Spannung abgebaut und die Überspannung kann nicht signi fikant über die festgelegte Spannungsschwelle ansteigen .
Anders als über einer TVS-Diode fällt über dem Diac nach Überschreiten seiner Zündspannung lediglich eine kleine Spannung ( abhängig vom Strom) < 10 V ab, vergleichbar mit einer Diodenkennlinie . Dementsprechend gering ist auch die umgesetzte Leistung, weshalb der wesentliche Anteil der abzubauenden Energie im Überspannungsschutz-Bauelement umgesetzt wird . Sobald die Energie soweit abgebaut ist , dass der Strom durch die Reihenschaltung aus dem mindestens einen Überspannungsschutz-Bauelement und dem mindestens einen Diac unter den Haltestrom ( ca . 500 bis 600 mA, j e nach Typ und Zündspannung) fällt , wird der mindestens eine Diac wieder hochohmig und der Vorgang zur Spannungsbegrenzung bzw . zum Energieabbau ist beendet . Die Elektronikanordnung weist außerdem n Überspannungsableiter auf . Dabei ist j eweils einer der n Überspannungsableiter parallel zu j e einem der n Halbleiterschalteinheiten der Schaltvorrichtung geschaltet , so dass eine bij ektive Zuordnung zwischen den n Überspannungsableitern und den n Halbleiterschalteinheiten vorliegt .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde , dass man mittels der n Überspannungsableiter weitere Freiheitsgrade gewinnt , um eine Halbleiter-Schaltvorrichtung sicher und zuverlässig vor einer auf tretenden Überspannung zu schützen . Durch die Beschaltung mit den n Überspannungsableitern kann sichergestellt werden, dass eine Spannungsspitze einer auftretenden Überspannung zusätzlich reduziert wird, da der Überspannungsableiter im ersten Moment , wenn die Spannungsspitze auftritt , einen Teil des Stromes übernimmt , bis die parallel geschaltete Spannungsbegrenzungsvorrichtung den Strom dann vollständig übernimmt . Dieser technische Ef fekt wird dadurch erreicht , dass die n Überspannungsableiter so ausgebildet sind, dass sie eine deutlich schnellere Stromübernahmefähigkeit als die Spannungsbegrenzungsvorrichtung besitzen .
Die Elektronikanordnung kann Bestandteil eines elektrischen Schaltgeräts sein . Ein elektrisches Schaltgerät dient dazu, einen elektrischen Verbraucher, auch als „Last" oder „elektrische Last" bezeichnet , kontrolliert mit elektrischer Energie aus einer Einspeisung, zum Beispiel aus einem elektrischen Stromnetz , zu versorgen . Elektrische Verbraucher können im Wesentlichen in ohmsche elektrische Verbraucher, kapazitive elektrische Verbraucher und induktive elektrische Verbraucher sowie Mischformen daraus unterschieden werden .
Eine stromdurchflossene induktive Last speichert elektrische Energie , die nach dem Unterbrechen des Laststromkreises zu Überspannungen führt . Üblicherweise wird zum Abbau der gespeicherten Energie ein Freilaufpfad ( engl . : free-wheeling path) bereitgestellt : er bildet einen Strompfad für den Abschaltstrom . I st kein Freilaufpfad vorgesehen, so müssen an- dere Schutzelemente bereitgestellt werden, die zum Abbau der gespeicherten Energie ausgelegt sind .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß außerdem durch ein elektrisches Schaltgerät mit einer erfindungsgemäßen Elektronikanordnung gelöst . Das Schaltgerät kann ein SSCB sein, der den Stromfluss durch eine Phasenleitung mithil fe eines Halbleiterschalters steuert . Der SSCB kann unter anderem Ein- Zustand einnehmen, in dem ein Stromfluss durch den Halbleiterschalter ermöglicht wird, und einen Aus-Zustand, in dem ein Stromfluss durch den Halbleiterschalter verhindert wird . Ein Wechsel von dem Ein-Zustand in den Aus-Zustand kann ausgelöst werden durch einen Fehler in der Phasenleitung, z . B . einen länger andauernden Überstrom relativ geringer Stärke (Überlast ) oder einen schnell einsetzenden Überstrom relativ großer Stärke (Kurzschluss ) .
Ein elektrisches Schaltgerät dient dazu, einen elektrischen Verbraucher, auch als „Last" bezeichnet , kontrolliert mit elektrischer Energie aus einer Einspeisung, zum Beispiel aus einem elektrischen Stromnetz , zu versorgen . Elektrische Verbraucher können im Wesentlichen in ohmsche elektrische Verbraucher, kapazitive elektrische Verbraucher und induktive elektrische Verbraucher sowie Mischformen daraus unterschieden werden .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß außerdem durch ein Verfahren zum Begrenzen einer Überspannung mithil fe einer erfindungsgemäßen Elektronikanordnung gelöst . Das Verfahren weist einen Schritt auf , in dem eine Spannung an die Schaltvorrichtung zum Schalten eines Hauptstrompfads angelegt wird, wobei die Schaltvorrichtung n in Reihe geschaltete Halbleiterschalteinheiten aufweist , wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist . Das Verfahren weist einen Schritt auf , in dem beim Auftreten der Überspannung der Strom von der Schaltvorrichtung zu den n Überspannungsableitern kommutiert , wobei parallel zu j e einer der n Halbleiterschalteinheiten in einer bi- j ektiven Zuordnung j eweils einer der n Überspannungsableiter geschaltet ist . Das Verfahren weist einen Schritt auf , in dem die Überspannung durch die n Überspannungsableiter reduziert wird, bis die parallel zu der Schaltvorrichtung geschaltete Spannungsbegrenzungsvorrichtung den Strom vollständig übernehmen kann, wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtung mindestens ein Überspannungsschutz-Bauelement und mindestens einen in Reihe zu dem mindestens einem Überspannungsschutz- Bauelement geschalteten Diac aufweist . Das Verfahren weist einen Schritt auf , in dem der Strom von den n Überspannungsableitern zu der Spannungsbegrenzungsvorrichtung kommutiert . Das Verfahren weist einen Schritt auf , in dem die Energie in der Spannungsbegrenzungsvorrichtung abgebaut wird, bis die Energie soweit abgebaut ist , dass der Strom durch die Spannungsbegrenzungsvorrichtung unter einen Haltestrom des Diac fällt ; Und das Verfahren weist einen Schritt auf , in dem der Strom von der Spannungsbegrenzungsvorrichtung zu dem Hauptstrompfad kommutiert .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens einer der n Halbleiterschalteinheiten durch eine Verschaltung von zwei oder mehr der folgenden Schaltbauelemente gebildet : Transistor, MOSFET , IGBT . Außerdem können auch folgende Schaltbauelemente verwendet werden : BJT , GTO, MCT , IGCT , SiC- Schalter, GaN-Schalter , oder j eder anderer Typ von Schaltelement auf HL-Basis , der geeignet sind, einen elektrischen Strom zu schalten, d . h . entweder durchzulassen oder zu sperren (BJT = Bipolar Junction Transistor ; GTO = gate turn-of f thyristor ; MCT = MOS Controlled Thyristor ; IGCT = integrated gate-commutated thyristor ) . Eine Halbleiterschalteinheit bildende Schaltbauelemente können seriell , parallel , antiseriell , antiparallel oder in einer Kombination daraus gekoppelt sein .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Überspannungsschutz-Bauelement ein Varistor, ein Gasableiter oder eine Funkenstrecke . Diese Überspannungsbauelemente zeichnen sich durch die Fähigkeit zur Absorption von großen Energiemengen aus . Allerdings ist ihr Ansprechverhalten, also die Fähigkeit zur schnellen Stromübernahme , begrenzt .
Ein Varistor, ein aus dem englischen Begri f f „variable resistor" gebildetes Kof ferwort , wird auch als VDR (= Voltage Dependent Resistor, d . h . spannungsabhängiger Widerstand) bezeichnet . Im Normalbetrieb ist sein elektrischer Widerstand sehr groß , während bei einer Überspannung sein Widerstand fast verzögerungs frei sehr klein wird . Ein verbreiteter Typ von Varistoren sind Metalloxid-Varistoren (= MOV) , bei denen das Widerstandsmaterial aus einem Metalloxid, z . B . Zinkoxid ( ZnO) oder Titandioxid ( Ti02 ) , hergestellt ist .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist mindestens einer der n Überspannungsableiter eine TVS-Diode oder mehrere in Reihe geschaltete TVS-Dioden auf . TVS-Dioden zeichnen sich durch eine deutlich schnellere Stromübernahmefähigkeit als Metalloxid-Varistoren aus . Allerdings sind die absorbierbaren Energiemengen deutlich kleiner als die von Metalloxid- Varistoren, bei gleichzeitig größerem Bauvolumen .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist über eine Teilmenge oder über alle der ein oder mehreren in Reihe geschalteten TVS-Dioden mindestens eines Überspannungsableiters ein Kondensator oder eine Reihenschaltung von einem Kondensator und einem Widerstandsbauelement geschaltet . Das Widerstandsbauelement , im Folgenden auch einfach als : „Widerstand" bezeichnet , ist ein Bauelement mit einem definierten elektrischen Widerstand R . Der Kondensator hat eine definierte elektrische Kapazität C . Der Kondensator hat den Vorteil , dass er das Schaltverhalten der TVS-Dioden verbessern kann . Durch den parallelen Kondensator wird die Kommutierung des Stroms auf die TVS-Diode verbessert , da der Kondensator den Spannungsanstieg über der TVS-Diode begrenzt . Das Widerstandsbauelement hat den Vorteil , dass es das Schwingverhalten der Elektronikanordnung verbessern kann, indem es z . B . unerwünschte Schwin- gungen, die in der Elektronikanordnung auf treten, dämpft . Die Reihenschaltung von einem Kondensator und einem Widerstandsbauelement bildet ein RC-Glied, das eine Begrenzung von elektromagnetischen Störungen bewirken kann .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Aus führungsbeispiele unter Zuhil fenahme der beiliegenden Zeichnung erläutert . Es zeigt j eweils schematisch und nicht maßstabsgetreu
Fig . 1 ein erstes Aus führungsbeispiel der Elektronikanordnung;
Fig . 2 ein zweites Aus führungsbeispiel der Elektronikanordnung, wobei der Überspannungsableiter eine TVS- Diode oder zwei oder mehr in Reihe geschaltete TVS- Dioden aufweist ;
Fig . 3 einen Stromkreis mit einer Elektronikanordnung, welche eine TVS-Diode aufweist ;
Fig . 4 ein weiteres Aus führungsbeispiel der Elektronikanordnung, wobei die Schaltervorrichtung zwei Halbleiterschalter aufweist ;
Fig . 5 ein weiteres Aus führungsbeispiel der Elektronikanordnung, wobei die Elektronikanordnung zusätzlich einen parallel geschalteten Kondensator aufweist ;
Fig . 6 ein weiteres Aus führungsbeispiel der Elektronikanordnung, wobei die Schaltervorrichtung zwei Halbleiterschalter und parallel dazu geschaltete Kondensatoren aufweist ;
Fig . 7 ein weiteres Aus führungsbeispiel der Elektronikanordnung, welches eine alternative Ausgestaltung zu dem in Fig . 6 gezeigten Aus führungsbeispiel darstellt ; Fig . 8 ein Flussdiagramm mit den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens ;
Fig . 9 ein Schaltgerät ;
Fig . 10 einen Stromkreis mit einer Elektronikanordnung, welche mindestens zwei TVS-Dioden aufweist ;
Fig . 11 einen Stromkreis mit einer Elektronikanordnung, welche mindestens zwei TVS-Dioden und ein parallel dazu geschaltetes RC-Glied aufweist ;
Fig . 12 ein weiteres Aus führungsbeispiel der Elektronikanordnung, wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtung eine Reihenschaltung von mindestens zwei Varistoren und mindestens zwei Diac aufweist ; und
Fig . 13 ein weiteres Aus führungsbeispiel der Elektronikanordnung, wobei die vier parallelen Strompfade j eweils mindestens ein entsprechendes Bauelement aufweisen .
Fig . 1 zeigt eine Elektronikanordnung 100 . Die Elektronikanordnung 100 weist zwei Anschlüsse 101 , 104 auf , nämlich einen ersten Anschluss 101 und einen zweiten Anschluss 104 , mit denen die Elektronikanordnung 100 in einen elektrischen Stromkreis geschaltet werden kann .
Die Elektronikanordnung 100 weist zwischen ihrem ersten Anschluss 101 und ihrem zweiten Anschluss 104 einen Hauptstrompfad 103 auf , in dem eine Schaltvorrichtung 102 zum Schalten des Hauptstrompfads 103 angeordnet ist . Dazu kann die Schaltvorrichtung 102 zwischen einem stromleitendenden Zustand und einem stromsperrenden Zustand wechseln . Dabei weist die Schaltvorrichtung 102 eine Halbleiterschalteinheit auf , welche zum Beispiel ein Transistor, ein MOSFET , ein Triac oder ein IGBT sein kann . Die Elektronikanordnung 100 weist außerdem zwischen ihrem ersten Anschluss 101 und ihrem zweiten Anschluss 104 einen parallel zu dem Hauptstrompfad 103 verlaufenden Parallelstrompfad 108 auf , in dem eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 angeordnet ist . Die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 weist ein Überspannungsschutz-Bauelement 107 und einen in Reihe zu dem Überspannungsschutz-Bauelement 107 geschalteten Diac 109 auf . Dabei kann das Überspannungsschutz-Bauelement 107 zum Beispiel ein Varistor, eine Suppressor-Diode , ein Gasableiter oder eine Funkenstrecke sein .
Die Elektronikanordnung 100 weist zudem zwischen ihrem ersten Anschluss 101 und ihrem zweiten Anschluss 104 einen parallel zu dem Hauptstrompfad 103 und parallel zu dem Parallelstrompfad 108 verlaufenden Bypassstrompfad 111 auf , in dem ein Überspannungsableiter 110 angeordnet ist . Dabei kann der Überspannungsableiter 110 eine oder mehrere in Reihe geschaltete TVS-Dioden sein .
Fig . 2 zeigt eine Elektronikanordnung 100 , die der in Fig . 1 gezeigten Elektronikanordnung 100 entspricht , wobei das Überspannungsschutz-Bauelement 107 als ein Varistor und der Überspannungsableiter 110 als n hintereinander geschaltete TVS- Dioden 112 . 1 , 112 . 2 , . . . , 112 . n ausgebildet ist , wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist .
Fig . 3 zeigt einen Stromkreis mit einer Elektronikanordnung 100 . Der Stromkreis weist eine Spannungsquelle 118 auf . Die Spannungsquelle 118 kann eine Gleichspannung ( DC ) oder eine Wechselspannung (AC ) bereitstellen . Ein erster Anschluss der Stromquelle 118 ist mittels eines elektrischen Leiters 113 mit einem ersten Anschluss 101 der Elektronikanordnung 100 , die gemäß der Fig . 2 ausgebildet ist , verbunden . Der zweite Anschluss 104 der Elektronikanordnung 100 ist mittels des elektrischen Leiters 113 mit einem elektrischen Verbraucher 119 , 120 , auch als : ( elektrische ) Last bezeichnet , verbunden, der durch einen elektrischen Widerstand 119 und eine Induktivität 120 symbolisiert ist . Durch die Schaltsymbole des elektrischen Widerstands 119 und der Induktivität 120 sind auch die ohmschen und induktiven Eigenschaften des elektrischen Leiters 113 des Stromkreises umfasst. Von dem elektrischen Verbraucher 119, 120 läuft der elektrische Leiter 113 zurück zur Stromquelle 118, wo der elektrische Leiter 113 mit einem zweiten Anschluss der Stromquelle 118 verbunden ist. Mit dem Begriff „Induktivität" werden induktive elektrische und elektronische Bauelemente des Stromkreises, z. B. Spulen, Leitungen oder Transformatoren, bezeichnet.
Die Elektronikanordnung 100 weist zwischen ihrem ersten Anschluss 101 und ihrem zweiten Anschluss 104 einen Hauptstrompfad 103, einen Parallelstrompfad 108 sowie einen Bypassstrompfad 111 auf, die parallel zueinander verlaufen.
Im Hauptstrompfad 103 ist eine Schaltervorrichtung 102, 102.1 angeordnet, die den Hauptstrompfad 103, der im Normalbetrieb des Stromkreises den Strompfad eines Laststroms, der von der Stromquelle 118 zum elektrischen Verbraucher 119, 120 fließt, bildet, geschaltet werden kann. Der stromführende Leiter 113 wird zum Leiten des Laststroms, eines Gleich- oder Wechselstroms, von der Spannungsquelle 118 zu der elektrischen Last 119, 120 verwendet. Der stromführende Leiter 113 kann dabei ein Phasenleiter eines ein- oder mehrphasigen Stromkreises sein. Zum Schalten des Laststroms kann die Schaltvorrichtung 102 durch von Extern der Schaltervorrichtung 102 zugeführte Schaltsignale in einen ersten Zustand, in dem die Schaltervorrichtung 102, 102.1 stromsperrend ist, oder in einen zweiten Zustand, in dem die Schaltervorrichtung 102, 102.1 stromleitend ist, geschaltet werden. In der vorliegenden Ausgestaltung ist die Schaltervorrichtung 102, 102.1 durch zwei gegeneinander verschaltete Transistoren 117 gebildet.
Die Elektronikanordnung 100 weist in dem Parallelstrompfad 108 eine Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 auf, welche eine Reihenschaltung 114 von einem Diac 109 und einem Varistor 107 aufweist. Die Elektronikanordnung 100 weist in dem Bypass- strompfad 111 einen Überspannungsableiter 110 auf , welcher eine bidirektionale TVS-Diode 112 . 1 aufweist .
Die Elektronikanordnung 100 dient dazu, den elektrischen Verbraucher 119 , 120 kontrolliert mit elektrischer Energie aus der Spannungsquelle 118 zu versorgen . Die Elektronikanordnung 100 kann dabei Bestandteil eines elektrischen Schaltgeräts sein . Ein Schaltgerät mit einer Schaltervorrichtung auf Halbleiterbasis kann elektrische Ströme sehr schnell ausschalten . Ströme müssen z . B . bei Kurzschlüssen ausgeschaltet werden . Beim Ausschaltvorgang entsteht an der Schaltervorrichtung 102 eine hohe Überspannung, die durch Überspannungsbegrenzungselemente auf ungefährliche Werte begrenzt werden müssen . Die Überspannungen werden dabei durch die in dem Stromkreis vorhandenen Induktivitäten verursacht .
Im Normal fall bei stromleitend geschalteter Schaltervorrichtung 102 fließt der Laststrom über den Hauptstrompfad 103 . Wird nun die Schaltervorrichtung 102 stromsperrend geschaltet , so entsteht im Stromkreis eine Überspannung, vor der die Schaltervorrichtung 102 , welche Halbleiter-Bauelemente wie Transistoren aufweist , die durch eine Überspannung leicht geschädigt werden können, geschützt werden muss .
Die parallel zur Schaltervorrichtung 102 geschaltete Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 wird bei Überschreitung einer durch die Bauteilauswahl definierbaren Spannungsschwelle leitend und begrenzt dadurch die Spannung, die an der Schaltervorrichtung 102 anliegt . Die Spannungsschwelle kann außer durch die Wahl des Diac 109 und des Varistors 107 auch durch weitere Bauteile des Stromkreises definierbar sein .
Dabei weist die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 außer dem Varistor 107 , der als Energieabsorber wirkt , in Reihe einen Diac 109 auf . Der wesentliche Vorteil dieser Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 ist , dass kein Ansteuersignal benötigt wird . Ein Diac wird leitend, sobald über ihm eine gewisse Spannung überschritten wird . Anders als bei einer TVS-Diode fällt über einem Diac nach Überschreiten seiner Zündspannung lediglich eine kleine Spannung ( abhängig vom Strom) < 10 V ab, vergleichbar mit einer Diodenkennlinie . Dementsprechend gering ist auch die umgesetzte Leistung, weshalb der wesentliche Anteil der abzubauenden Energie im Varistor 107 umgesetzt wird . Sobald die Energie im Stromkreis soweit abgebaut ist , dass der Strom durch die Reihenschaltung aus Diac 109 und Varistor 107 unter den Haltestrom ( ca . 500 bis 600 mA, j e nach Typ und Zündspannung) fällt , wird der Diac 109 wieder hochohmig und der Vorgang zur Spannungsbegrenzung bzw . zum Energieabbau ist beendet . Dabei kann das wesentliche Schutzelement anstelle des Varistors 107 eine Diode oder ein anderes , ähnlich wirkendes Überspannungsschutz-Bauelement , z . B . eine Suppressor-Diode , ein Gasableiter oder eine Funkenstrecke , sein .
Indem man die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 durch ein Überspannungsschutz-Bauelement 107 und einen in Reihe zu dem Überspannungsschutz-Bauelement 107 geschalteten Diac 109 ausbildet , gewinnt man einen weiteren Freiheitsgrad : die eigentliche Einsetzspannung des wesentlichen Schutzelements , d . h . des Überspannungsschutz-Bauelements 107 , wird um die Einsetzspannung des Diac 109 erweitert .
Zur Erhöhung der Performance weist die Elektronikanordnung 100 zusätzlich zur Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 ein weiteres Schutzelement auf : eine parallel zur Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 geschaltete TVS-Diode 112 . 1 . Dadurch können zusätzlich die Vorteile „stei fere Kennlinie" und „schnellere Ansprechzeit" der TVS-Diode 112 . 1 genutzt werden : die TVS-Diode 112 . 1 zeichnet sich durch eine deutlich schnellere Stromübernahmefähigkeit aus als die aus Varistor 107 und Diac 109 gebildete Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 . Im Detail stellt sich das wie folgt dar : zu Beginn des Kommutierungsvorgangs ( Laststrom kommutiert von der Schaltvorrichtung 102 in die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 ) entsteht eine kleine Spannungsspitze ; diese kommt aufgrund des internen Aufbaus des Varistors 107 zustande . Durch die zusätzliche Be- Schaltung mit der TVS-Diode 112.1 kann diese Spannungsspitze weiter reduziert werden, da die TVS-Diode 112.1 im ersten Moment einen Teil des Laststromes übernimmt, bis die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 den Laststrom dann vollständig übernimmt. Diese Zusatzbeschaltung mit der TVS-Diode 112.1 ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 einen Varistor aufweist, da Varistoren im Allgemeinen eine relativ langsame Stromübernahme zeigen.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektronikanordnung. Dabei weist die Schaltervorrichtung 102 im Hauptstrompfad 103 zwei seriell geschaltete Halbleiterschalter
102.1 und 102.2 auf. Im Parallelstrompfad 108 weist die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 einen Varistor 107 und einen in Reihe zu dem Varistor 107 geschalteten Diac 109 auf.
Im Bypassstrompfad 111 sind zwei Überspannungsableiter 110.1,
110.2 angeordnet, die jeweils parallel zu einem der zwei Halbleiterschalteinheiten 102.1, 102.2 geschaltet sind, in einer bi ektiven Zuordnung zwischen den Überspannungsableitern 110.1, 110.2 und den Halbleiterschalteinheiten 102.1, 102.2. Die Überspannungsableiter 110.1, 110.2 sind dabei jeweils als eine individuelle Anzahl von n hintereinander geschaltete TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n ausgebildet, wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist. Verglichen mit dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel können bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise unidirekti- onale TVS-Dioden eingesetzt werden.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektronikanordnung, die der in Fig. 2 gezeigten Elektronikanordnung 100 entspricht, wobei die Elektronikanordnung zusätzlich mindestens einen parallel geschalteten Kondensator 115 aufweist: Über eine Teilmenge 112.1, 112.2, ..., 112. m-1 der mehreren in Reihe geschalteten TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. m-1, 112. m, 112, m+1, ..., 112. n des Überspannungsableiters 110 ist ein Kondensator 115 oder eine Reihenschaltung von einem Kondensator 115 und einem Widerstandsbauelement 116 geschaltet. Der Kondensator 115 kann noch wesentlich schneller den Strom von der Halbleiterschalteinheit 102 übernehmen als die TVS- Dioden. Damit kann die Schaltgeschwindigkeit der Halbleiterschalteinheit 102 noch weiter gesteigert werden. Außerdem begrenzt der Kondensator 115 den Spannungsanstieg über der Halbleiterschalteinheit 192. Das optionale Widerstandsbauelement 116 dient zur Erzeugung eines bedampften Verhaltens und reduziert die Gefahr einer ungewollten Schwingungsanregung.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektronikanordnung. Dabei weist die Schaltervorrichtung 102 im Hauptstrompfad 103 zwei seriell geschaltete Halbleiterschalter
102.1 und 102.2 auf. Im Parallelstrompfad 108 weist die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 einen Varistor 107 und einen in Reihe zu dem Varistor 107 geschalteten Diac 109 auf.
Im Bypassstrompfad 111 sind zwei Überspannungsableiter 110.1,
110.2 angeordnet, die jeweils parallel zu einem der zwei Halbleiterschalteinheiten 102.1, 102.2 geschaltet sind, in einer bi ektiven Zuordnung zwischen den Überspannungsableitern 110.1, 110.2 und den Halbleiterschalteinheiten
102.1, 102.2. Die Überspannungsableiter 110.1, 110.2 sind dabei jeweils als eine individuelle Anzahl von n bzw. o hintereinander geschaltete TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n bzw.
112.1, 112.2, ..., 112.o ausgebildet, wobei n und o natürliche Zahlen ohne Null sind.
Parallel zu den Überspannungsableitern 110.1, 110.2 sind jeweils eine Reihenschaltung eines Kondensators 115.1 bzw.
115.2 und eines elektrischen Widerstands 116.1 bzw. 116.2 geschaltet .
Der Kondensator 115.1 bzw. 115.2 begrenzt den Spannungsanstieg über den Halbleiterschalteinheiten 102.1, 102.2. Je nach eingesetztem Halbleiter ist ein maximaler Spannungsanstieg spezifiziert, der nicht überschritten werden darf, um die Halbleiterschalteinheiten 102.1, 102.2 nicht zu schädi- gen. Der elektrischen Widerstand 116.1 bzw. 116.2 sorgt für die Dämpfung.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektronikanordnung, welches eine alternative Ausgestaltung zu dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel darstellt. Dabei entspricht das in Fig. 7 gezeigte Ausführungsbeispiel dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel, bis auf folgenden Unterschied: während bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel die Reihenschaltungen des Kondensators 115.1 bzw. 115.2 und des elektrischen Widerstands 116.1 bzw. 116.2 jeweils über sämtliche TVS-Dioden der zugeordneten Überspannungsableiter 110.1, 110.2 geschaltet sind, erstrecken sich bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel die Reihenschaltungen des Kondensators 115.1 bzw. 115.2 und des elektrischen Widerstands 116.1 bzw. 116.2 jeweils nur über eine Teilmenge der TVS-Dioden der zugeordneten Überspannungsableiter 110.1, 110.2.
So erstreckt sich die erste Reihenschaltung des Kondensators
115.1 und des elektrischen Widerstands 116.1 nur über eine Teilmenge von k-1 TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112, k-1 der n TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. k-1, 112. k, 112. k+1, ..., 112. n des zugeordneten Überspannungsableiters 110.1.
Und die zweite Reihenschaltung des Kondensators 115.2 und des elektrischen Widerstands 116.2 erstreckt sich lediglich über eine Teilmenge von h-1 TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112, h-1 der o TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. h-1, 112. h, 112. h+1, ..., 112.o des zugeordneten Überspannungsableiters 110.2. Die Kondensatoren 115.1 und 115.2 können noch wesentlich schneller den Strom von der Halbleiterschalteinheiten 102.1, 102.2 übernehmen als die TVS-Dioden 112. Damit kann die Schaltgeschwindigkeit der Halbleiterschalteinheiten 102.1, 102.2 noch weiter gesteigert werden. Außerdem begrenzen die Kondensatoren 115.1 und 115.2 den Spannungsanstieg über der Halbleiterschalteinheit 102. Die optionalen Widerstandsbauelemente
116.1 und 116.2 dienen zur Erzeugung eines bedämpften Verhal- tens und reduzieren die Gefahr einer ungewollten Schwingungsanregung .
Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm mit den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Begrenzen einer Überspannung mithilfe einer erfindungsgemäßen Elektronikanordnung.
In einem ersten Schritt 801 erfolgt ein Anlegen einer Spannung an die Schaltvorrichtung zum Schalten eines Hauptstrompfads, wobei die Schaltvorrichtung n in Reihe geschaltete Halbleiterschalteinheiten aufweist, wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist. Der Strom von der Stromquelle zu der elektrischen Last fließt entlang dem Hauptstrompfad durch die Schalt Vorrichtung .
Bei einem Ausschaltvorgang entsteht durch die in dem Stromkreis vorhandene Induktivität eine Überspannung an der Schalt Vorrichtung .
In einem zweiten Schritt 802 erfolgt, beim Auftreten der Überspannung, ein Kommutieren des Stroms von der Schaltvorrichtung 102 zu den n Überspannungsableitern 110, 110.1, 110.2, ..., 110. n wobei parallel zu je einem der n Halbleiterschalteinheiten 102.1, 102.2, ..., 102. n in einer bi- jektiven Zuordnung jeweils einer der n Überspannungsableiter 110, 110.1, 110.2, ..., 110. n geschaltet ist.
In einem dritten Schritt 803 erfolgt eine Reduktion der Überspannung durch die n Überspannungsableiter 110, 110.1, 110.2, ..., 110. n, bis die parallel zu der Schaltvorrichtung 102 geschaltete Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 den Strom vollständig übernehmen kann, wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 ein Überspannungsschutz-Bauelement 107 und einen in Reihe zu dem Überspannungsschutz-Bauelement 107 geschalteten Diac 109 aufweist. In einem vierten Schritt 804 erfolgt ein Kommutieren des Stroms von den n Überspannungsableitern 110 , 110 . 1 , 110 . 2 , . . . , 110 . n zu der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 .
Um zu verhindern, dass die bei einem Ausschaltvorgang entstehende Überspannung die maximale Sperrspannung der Schaltvorrichtung überschreitet , ist die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 parallel zur Schaltvorrichtung 102 geschaltet ; somit wird sichergestellt , dass die an der Schaltvorrichtung anliegende Spannung einen definierten Wert niemals überschreitet . Zum Beispiel kann die Spannungsbegrenzungsvorrichtung als ein Spannungsbegrenzungselement ausgebildet sein, welches bei Überschreitung einer durch die Wahl des Spannungsbegrenzungselements definierbaren Spannung, dem sogenannten Begrenzungswert , leitend wird und die an der Schaltvorrichtung anliegende Spannung somit nicht weiter ansteigen lässt .
Die in der Induktivität des Stromkreises zum Ausschaltzeitpunkt gespeicherte magnetische Energie muss während des Ausschaltvorgangs im Wesentlichen von der Spannungsbegrenzungsvorrichtung aufgenommen und in Wärme umgesetzt werden, ohne dass diese dabei überlastet werden . Damit hängt die Dimensionierung der Spannungsbegrenzungs Vorrichtung in erster Linie von der Größe der Induktivität und von der Größe des aus zuschaltenden Stroms in dem Stromkreis ab .
In einem fünften Schritt 805 erfolgt ein Abbau der Energie in der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 , bis die Energie soweit abgebaut ist , dass der Strom durch die Spannungsbegrenzungsvorrichtung ( 114 ) unter einen Haltestrom des Diac fällt .
In einem sechsten Schritt 806 erfolgt ein Kommutieren des Stroms von der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 zu dem Hauptstrompfad 103 .
Fig . 9 zeigt ein Schaltgerät 900 mit einer Elektronikanordnung 100 . Das Schaltgerät 900 weist zwei Anschlüsse 901 , 902 auf, nämlich einen ersten Anschluss 901 und einen zweiten Anschluss 902, mit denen das Schaltgerät 900 in einen elektrischen Stromkreis geschaltet werden kann.
Das Schaltgerät 900 weist zwischen seinem ersten Anschluss 901 und seinem zweiten Anschluss 902 eine erfindungsgemäße Elektronikanordnung 100 auf.
Der Stromkreis weist eine Spannungsquelle 118 auf. Die Spannungsquelle 118 kann eine Gleichspannung (DC) oder eine Wechselspannung (AC) bereitstellen . Ein erster Anschluss der Stromquelle 118 ist mittels eines elektrischen Leiters 113 mit dem ersten Anschluss 901 des Schaltgeräts 900 verbunden. Der zweite Anschluss 902 des Schaltgeräts 900 ist mittels des elektrischen Leiters 113 mit einem elektrischen Verbraucher 119, 120 verbunden, der durch einen elektrischen Widerstand 119 und eine Induktivität 120 symbolisiert ist. Von dem elektrischen Verbraucher 119, 120 läuft der elektrische Leiter 113 zurück zur Stromquelle 118, wo der elektrische Leiter 113 mit einem zweiten Anschluss der Stromquelle 118 verbunden ist .
Fig. 10 zeigt einen Stromkreis mit einer Elektronikanordnung 100, welche mindestens zwei TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n aufweist. Hinsichtlich der Beschreibung des Stromkreises wird auf den in Fig. 3 gezeigten Stromkreis verwiesen: der in Fig. 10 gezeigte Stromkreis unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Stromkreis ausschließlich in der Ausgestaltung des Überspannungsableiters 110. Während in dem in Fig. 3 gezeigten Stromkreis der Überspannungsableiter 110 als eine einzige TVS-Diode 112.1 ausgebildet ist, ist in dem in Fig. 10 gezeigten Stromkreis der Überspannungsableiter 110 als eine Reihenschaltung von zwei oder mehr TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n ausgebildet. Diese Ausgestaltung kann vor allem bei hohen Spannungen U von Vorteil sein, da sich die Spannung auf die n reihengeschalteten TVS-Dioden verteilt: jede einzelne TVS-Diode muss also nur eine geringere Spannung, z. B. U/n, aushalten können, kann also kostengünstiger als eine einzige TVS-Diode, die die gesamte Spannung U allein tragen können muss.
Die Ausgestaltung als eine Reihenschaltung von zwei oder mehr TVS-Dioden kann aber auch einfach sinnvoll oder sogar notwendig sein, da die maximalen Spannungen der Dioden bei verschiedenen Packagegrößen auch irgendwann begrenzt ist. Zum Beispielkönnen SMD-TVS-Dioden zum Einsatz kommen. Aufgrund von Größe und Gewicht sind diese Dioden dann auch in der Spannung nicht beliebig skalierbar, da auch Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden müssen, aber auch die mechanische Haltbarkeit auf der Platine noch gewährleistet werden muss. So gilt es z. B. in einem üblichen SMC-Gehäuse eine maximale Spannung von etwa 500 V; in diesem Fall kann die Reihenschaltung notwendig sein. Weiter teilt sich dann auch die Energie auf, wenn auch nur für die kleine Spannungsspitze, aber trotzdem sehr hoher Strom.
Fig. 11 zeigt einen Stromkreis mit einer Elektronikanordnung 100, welche mindestens zwei TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n und ein parallel dazu geschaltetes RC-Glied 115, 116, gebildet durch eine Reihenschaltung eines Kondensators 115 und eines Widerstands 116, aufweist. Hinsichtlich der Beschreibung des Stromkreises wird auf den in Fig. 10 gezeigten Stromkreis verwiesen: der in Fig. 11 gezeigte Stromkreis unterscheidet sich von dem in Fig. 10 gezeigten Stromkreis ausschließlich in dem zusätzlichen RC-Glied 115, 116. Der Kondensator 115 hat den Vorteil, dass er das Schaltverhalten der TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n verbessern kann. Durch den parallel zu den TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n geschalteten Kondensator 115 wird die Kommutierung des Stroms auf die TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n verbessert, da der Kondensator 115 den Spannungsanstieg über den TVS-Dioden 112.1, 112.2, ..., 112. n begrenzt. Das Widerstandsbauelement 116 hat den Vorteil, dass es das Schwingverhalten der Elektronikanordnung 100 verbessern kann, indem es z. B. unerwünschte Schwingungen, die in der Elektronikanordnung 100 auf treten, dämpft. Die Reihenschaltung aus einem Kondensator 115 und einem Widerstandsbauelement 116 bildet ein RC-Glied, das eine Begrenzung von elektromagnetischen Störungen bewirken kann.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektronikanordnung 100, wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 eine Reihenschaltung aus mindestens zwei Varistoren
107.1, 107.2, ..., 107. n und mindestens zwei Diac 109.1,
109.2, ..., 109. n aufweist. Hinsichtlich der Beschreibung der Elektronikanordnung 100 wird auf die in Fig. 1 gezeigte Elektronikanordnung verwiesen: die in Fig. 12 gezeigte Elektronikanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Elektronikanordnung ausschließlich in der Ausgestaltung der Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114. Während in der in Fig. 1 gezeigten Elektronikanordnung die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 durch eine Reihenschaltung eines einzigen Überspannungsschutz-Bauelements 107, z. B. in Form eines Varistors, und eines einzigen Diac 109 ausgebildet ist, ist in der in Fig. 12 gezeigten Elektronikanordnung die Spannungsbegrenzungsvorrichtung 114 als eine Reihenschaltung von zwei oder mehr Varistoren 107.1, 107.2, ..., 107. n und mindestens einem Diac 109.1, 109.2, ..., 109. n oder als eine Reihenschaltung von mindestens einem Varistor 107.1, 107.2, ..., 107. n und zwei oder mehr Diac 109.1, 109.2, ..., 109. n ausgebildet. Diese Ausgestaltung kann vor allem bei hohen Spannungen U von Vorteil sein, da sich die Spannung auf die n reihengeschalteten Bauelemente verteilt: jedes einzelne Bauelement (Varistor und Diac) muss also nur eine geringere Spannung aushalten können, ist also kostengünstiger als ein einziges Bauelement (Varistor und Diac) , das eine signifikant größere Spannung allein tragen können muss.
Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektronikanordnung 100, wobei die vier parallelen Strompfade 103, 108, 111, 130 jeweils mindestens ein entsprechendes Bauelement aufweisen. Die Klammer Symbole [...] neben den Bauelementen in den jeweiligen Strompfaden zeigen an, dass eine beliebige Anzahl von weiteren Baulementen in dem Strompfad an- geordnet werden kann . Fig . 13 veranschaulicht also die große Viel falt an Möglichkeiten, die dem Fachmann zur Verfügung steht , die Elektronikanordnung 100 auf seine Bedürfnisse hin zu designen . Der Fachmann kann durch die Wahl der Anzahl der Bauelemente in den einzelnen Strompfaden 103 , 108 , 111 , 130 und durch die Wahl der Eigenschaften der einzelnen Bauelemente das Verhalten der Elektronikanordnung 100 bestimmen, um einen Überspannungsschutz einer Halbleiter-Schaltvorrichtung 102 zu gewährleisten .

Claims

Patentansprüche
1. Elektronikanordnung (100) , aufweisend
- eine Schaltvorrichtung (102) zum Schalten eines Hauptstrompfads (103) , wobei die Schaltvorrichtung (102) n in Reihe geschaltete Halbleiterschalteinheiten (102.1, 102.2, ...,
102. n) aufweist, wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist,
- eine parallel zu der Schaltvorrichtung (102) geschaltete Spannungsbegrenzungsvorrichtung (114) , aufweisend mindestens ein Überspannungsschutz-Bauelement (107) und mindestens einen in Reihe zu dem mindestens einen Überspannungsschutz- Bauelement (107) geschalteten Diac (109) , und
- n Überspannungsableiter (110, 110.1, 110.2, ..., 110. n) , wobei parallel zu je einem der n Halbleiterschalteinheiten (102.1, 102.2, ..., 102. n) in einer bijektiven Zuordnung jeweils einer der n Überspannungsableiter (110, 110.1, 110.2, ..., 110. n) geschaltet ist.
2. Elektronikanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der n Halbleiterschalteinheiten (102.1, 102.2, ..., 102. n) durch eine Verschaltung von zwei oder mehr der folgenden Schaltbauelemente gebildet ist: Transistor, MOSFET, IGBT.
3. Elektronikanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Überspannungsschutz-Bauelement (107) ein Varistor, ein Gasableiter oder eine Funkenstrecke ist.
4. Elektronikanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der n Überspannungsableiter (110, 110.1, 110.2, ..., 110. n) eine TVS-Diode oder mehrere in Reihe geschaltete TVS-Dioden (112.1, 112.2, ..., 112. n, 112. o) aufweist .
5. Elektronikanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei über eine Teilmenge oder über alle der ein oder mehre- ren in Reihe geschalteten TVS-Dioden (112.1, 112.2, ..., 112. n, 112.o) mindestens eines Überspannungsableiters (110,
110.1, 110.2, ..., 110. n) ein Kondensator (115) oder eine Reihenschaltung von einem Kondensator (115) und einem Widerstandsbauelement (116) geschaltet ist.
6. Schaltgerät (900) mit einer Elektronikanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Verfahren zum Begrenzen einer Überspannung mithilfe einer Elektronikanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- Anlegen (801) einer Spannung an die Schaltvorrichtung (102) zum Schalten eines Hauptstrompfads (103) , wobei die Schaltvorrichtung (102) n in Reihe geschaltete Halbleiterschalteinheiten (102.1, 102.2, ..., 102. n) aufweist, wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist;
- Beim Auftreten der Überspannung, Kommutieren (802) des Stroms von der Schaltvorrichtung (102) zu den n Überspannungsableitern (110, 110.1, 110.2, ..., 110. n) , wobei parallel zu je einer der n Halbleiterschalteinheiten (102.1,
102.2, ..., 102. n) in einer bijektiven Zuordnung jeweils einer der n Überspannungsableiter (110, 110.1, 110.2, ..., 110. n) geschaltet ist;
- Reduktion (803) der Überspannung durch die n Überspannungsableiter (110, 110.1, 110.2, ..., 110. n) , bis die parallel zu der Schaltvorrichtung (102) geschaltete Spannungsbegrenzungsvorrichtung (114) , den Strom vollständig übernehmen kann, wobei die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (114) mindestens ein Überspannungsschutz-Bauelement (107) und mindestens einen in Reihe zu dem mindestens einem Überspannungsschutz-Bauelement (107) geschalteten Diac (109) aufweist;
- Kommutieren (804) des Stroms von den n Überspannungsableitern (110, 110.1, 110.2, ..., 110. n) zu der Spannungsbegrenzungsvorrichtung (114) ;
- Abbau (805) der Energie in der Spannungsbegrenzungsvorrichtung (114) , bis die Energie soweit abgebaut ist, dass der Strom durch die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (114) unter einen Haltestrom des Diac (109) fällt; und - Kommutieren (806) des Stroms von der Spannungsbegrenzungsvorrichtung (114) zu dem Hauptstrompfad (103) .
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