NO323900B1 - Transientbeskyttelse - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en

fremgangsmåte og en krets for å beskytte en

felteffekttransistorenhet (1), benyttet som en

bryter, mot et transientstøt. I samsvar med

oppfinnelsen overvåkes spenningen (Uf) over

felteffekttransistorenheten (1) ved hjelp av en

spenningsovervåkningsenhet (3) spesielt når

felteffekttransistorenheten (1) er i ikke-ledende

tilstand, og når spenningen (U,) over

felteffekttransistorenheten (1) overskrider en

forhåndssatt terskelverdi, blir

felteffekttransistorenheten (1) svitsjet til ledende

tilstand ved hjelp av en spenningsnedsettingsenhet

(4), hvorved det transientstøtet forårsakes å

strømme gjennom en ledende

felteffekttransistorenhet (1).

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en transientbeskyttelse, spesielt en fremgangsmåte for å beskytte en felteffekttransistorenhet mot et transientstøt, i samsvar med den innledende del av krav 1. Den foreliggende oppfinnelsen vedrører også en krets for å beskytte en felteffekttransistorenhet mot et transientstøt, i samsvar med den innledende del av krav 2.

Et transientstøt er et overspennings- og/eller overstrømsstøt, hvis toppverdi kan overskride 500 volt og/éller 200 ampere, og i verste fall kan et transientstøt vare flere mikrosekunder. Det høye energiinnholdet for et slikt transientstøt kan lett ødelegge en felteffekttransistor.

Problemet nevnt ovenfor er spesielt utbredt ved felteffekttransistorer benyttet som brytere i dimmerløsninger. I disse tilfellene blir nettspenning eller annen AC-spenning forbundet til en side av felteffekttransistorenheten, og lasten blir tilsvarende forbundet til den andre siden av enheten. I denne sammenheng henvises til f.eks. finsk patentsøknad 945095. Laststrømmen flyter i kanalen mellom kollektor (dren, engelsk: drain) og emitter (kilde, engelsk: source) for en eller flere felteffekttransistorer, med kanalen sekvensielt svitsjet til ledende/ikke-ledende (dvs. åpne/lukkede) tilstander under halvperioden for AC-spenning, ved hjelp av en spenning anordnet til grinden (engelsk: the gate) for felteffekttransistoren. Slike transiente støt kan av og til nå dimmeren fra lysnettet. Slukking av en fluorescerende lampe kan også forårsake spenningsstøt. Transientstøt av tilstrekkelig størrelse kan ødelegge felteffekttransistorenheten.

Felteffekttransistorer (FET) er for tiden vanlig benyttet i ulike svitsj eløsninger. Vanligvis omfatter en felteffekttransistor et stort antall av små felteffekttransistorelementer (chips) bearbeidet på en enkel halvlederbrikke, anordnet for å operere sammen i parallell. Med dette arrangementet har svitsjeegenskapene og strømkapasiteten for en felteffekttransistor blitt betraktelig forbedret sammenlignet med de tidligere enkeltelement-felteffekttransistorene.

Et problem med disse felteffekttransistorene er likevel plutselige, effektfulle transientstøt, som kan ødelegge transistoren dersom de opptrer over transistoren mens den er i lukket tilstand (dvs. ikke-ledende tilstand). Essensielt starter destruksjonsprosessen med et lavinesammenbrudd i ett av elementene i felteffekttransistoren, og sprer seg derfra til andre elementer. Det er således dette flekk-lignende stedet i felteffekttransistoren som blir ødelagt, hvoretter felteffekttransistoren unnlater å virke korrekt.

Det finnes tidligere kjente komponenter og kretsløsninger for å beskytte en elektronisk krets eller komponent mot transientstøt. En av disse beskyttende komponentene er en transientabsorberende zener (TAZ), som blir forbundet over kretsen eller komponenten som skal beskyttes. Likevel gjenstår problemet at den karakteristiske spenningskurven for en slik zenerdiode øker relativt langsomt, hvorved zenerdioden ikke har tid til å reagere på et raskt transientstøt. Dette betyr at

■:. TAZ-en ikke virker som forutsatt, spesielt i forbindelse med en felteffekttransistor. Felteffekttransistoren blir ødelagt før zenerdioden érledende, og tillater transientstøtet å strømme gjennom FET-én.

Publikasjonen EP 528 668 viser en svitsjekrets for beskyttelse av halvledere slik som transistorer. Kretsen anvender en svitsj eanordning omfattende et antall. lavinetransistorer for å påtrykke elektrisk energi fra dennes kilde til en last som er i serie med denne.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en ny, forbedret fremgangsmåte for å beskytte en felteffekttransistor mot et transientstøt, spesielt i en svitsjeløsning. De ovenfor nevnte problemene kan løses ved hjelp av den foreliggende oppfinnelsen.

De kjennetegnende trekkene ved en fremgangsmåte i samsvar med oppfinnelsen er angitt i den kjennetegnende delen av krav 1. De kjennetegnende trekkene ved en krets i samsvar med oppfinnelsen er fremlagt i den kjennetegnende delen av krav 2. Videre er foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen angitt i de uselvstendige krav.

En fordel med oppfinnelsen er at transientbeskyttelse. av en felteffekttransistorenhet kan utføres enkelt og effektivt. Den foreliggende oppfinnelsen tillater en felteffekttransistorenhet å bli pålitelig beskyttet mot transientstøt slik at et transientstøt ikke ødelegger felteffekttransistorbryteren, f.eks. benyttet i dimmerløsninger.

Beskyttelsen i samsvar med oppfinnelsen tillater en felteffekttransistorenhet å

motstå hundrevis, til og med tusenvis, av tilfeldige transientstøt.

En fordel ved kretsen i samsvar med oppfinnelsen er at den bare krever få

elektroniske komponenter i tillegg. En ytterligere fordel er at beskyttelseskretsen kan anordnes på liten plass, og av denne grunn er den egnet for bruk spesielt med felteffekttransistorer anordnet som elektriske AC-effektstyringer i en dimmer.

I det følgende blir oppfinnelsen beskrevet i nærmere detalj med henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: figur 1 er et blokkdiagram av en krets anordnet i en dimmer i samsvar med oppfinnelsen, for å beskytte en felteffekttransistorenhet mot et transientstøt;

figur 2a er en illustrasjon av et transientstøt i likerettet nettspenning;

figur 2b er en illustrasjon av bølgeformen for en dimmerlastspenning;

figur 3 illustrerer en krets for å beskytte et par av felteffekttransistorer mot transientstøt, hvor kretsen er anordnet i en dimmer;

figur 4 . illustrerer en annen krets anordnet i en dimmer for å beskytte et félteffekttransistorpar mot et transientstøt, hvor kretsen også har en kortslutningsbeskyttelseskrets; og.

figur 5 illustrerer spenningsbølgeformer i en krets i samsvar med figur 4.

Figur 1 er en blbkkdiagramillustrasjon i en krets i samsvar med oppfinnelsen for å beskytte en felteffekttransistorenhet, spesielt en felteffekttransistorenhet som virker som en bryter, mot transientstøt. I dette tilfellet er transientstøtbeskyttelsen anordnet i forbindelse med dimmeren brukt som en lysstyriirgsenhet. Bryteren 1 omfatter en eller flere felteffekttransistorer. Likerettet vekselsperining Uy, figur 2a,

blir matet via bryteren 1 til lyslasten L fra lysnettet eller én annen AC-effektkilde. Bryteren 1 benyttes for å styre ÅC-effekten for lasten L. Lasten L blir forbundet til lysnettet ved tidspunktet t (fra starten av halvperioderi) for halvperioden T/2 for

lysnettspenningen Uy ved hjelp av styreenheten 2 for bryteren 1, slik at den elektriske effektutgangen til lasten L økes når tidspunktet t skrider frem, dvs. det bringes nærmere starten av halvperioden. Likeledes blir lasten L frakoblet fra lysnettet når t er ved slutten av halvperioden, når lysnettspenningen er 0. Figur 2b illustrerer bølgeformen for spenningen Ul over lasten L. Således er bryteren 1 i en ikke-ledende tilstand under intervallet 0, t og T/2, T/2+1, med bryteren på tilsvarende måte i ledende tilstand for resten av halvperiodene, dvs. intervallene t, T/2 og T/2+t, T.

Dersom det finnes et transientstøt i lysnettspenningen Uy i løpet av den tiden felteffekttransistorbryteren 1 er i ikke-ledende tilstand (dvs. under intervallet 0, t og T/2, T/2+t), vil støtet ødelegge bryteren 1. For å unngå dette er kretsen i figur 1 utstyrt med en transientbeskyttelseskrets i samsvar med oppfinnelsen. Beskyttelseskretsen omfatter en spenningsovervåkningsenhet (engelsk: voltage monitoring unit) 3 for å overvåke spenningen Uf over felteffekttransistoren 1 og for å iaktta det raskt økende transiente støtet (figur 2a), en spenningsnedsettingsenhet (engelsk: voltage lowering unit) 4 for å sette ned det raskt økende transiente støtet Utra og å sørge for at det virker som en felteffekttransistorstyrespenning Ug0. Denne styrespenningen brukes for å svitsje felteffekttransistoren til i det minste delvis ledende tilstand følgende det transiente støtet. Når det transiente støtet forhøyer spenningen Uf over felteffekttransistorbryteren 1 over en forhåndssatt terskelverdi Uk, svitsjes felteffekttransistorbryteren 1 til ikke-ledende tilstand, hvorved transientstøtet forårsakes å strømme gjennom felteffekttransistorbryteren 1. Med denne fremgangsmåten blir spenningen Uf over felteffekttransistoren 1 begrenset, og strømmen i lp over bryteren blir styrt. Således ødelegger ikke det transiente støtet en felteffekttransistor eller et antall av felteffekttransistorer i bryteren 1, men en stor andel av energien i transientstøtet forårsakes å strømme gjennom felteffekttransistorene i felteffekttransistorenheten 1 på en kontrollert måte. Terskelverdien Ur er definert i henhold til egenskapene for felteffekttransistorene i bryterenheten 1,

,. vesentlig i henhold til spenningstoleransen for felteffekttrairsistorenei ; ; bryterenhéten 1, som spesifisert av produsenten.

Figur 3 er et eksempel på en foretrukket transientbeskyttelseskrets i samsvar med

oppfinnelsen for å beskytte felteffekttransistorenheten 5 mot et transientstøt. I dette. tilfellet omfatter felteffekttransistorbryteren 5 to felteffekttransistorer 5 a, 5b, hvor

kollektor- (D) og emitter- (S) kanalene er forbundet ! serie på en tidligere, kjent måte. Den alminnelige svitsjestyringen av felteffekttransistorbryteren 5 utføres ved hjelp av en kontrollenhet 6 ved å lede kontrollsignalene til basene for felteffekttransistorene 5a, 5b (se figurene 2a, 2b). Lysnettspenningen Uv eller en annen AC-effektkilde forbindes til inngangsteminalen for felteffekttransistoren 5, og lasten L er tilsvarende forbundet til utgangsterminalen av bryteren 5. Spenningsovervåkningsenheten 7 er anordnet over felteffekttransistorbryteren 5, fra dens inngangsterminal til dens utgangsterminal, vanligvis mellom kollektorene (D) for felteffekttransistorene 5a, 5b.

Spenningsovervåkningsenheten 7 i figur 3 omfatter to dioder 7a, 7b forbundet i serie slik at de er ledende i motsatte retninger. Spenningen Uf over felteffekttransistorbryteren 5 blir overvåket fra mellom diodene 7a, 7b. I denne løsningen omfatter spenningsnedsettingskretsen 8 en zenerdiode 9. Zenerdioden er forbundet

mellom terminalen som befinner seg mellom diodene 7a, 7b for overvåkingsenheten 7 og det felles basepunktet G for felteffekttransistorene 5a, 5b for felteffekttransistorbryteren 5.1 tillegg er zenerdioden 9, sammen med basepunktet

G for felteffekttransistorene 5a, 5b, forbundet til jord ved hjelp av motstanden 10.

Transientbeskyttelseskretsen som illustrert i figur 3 for å beskytte felteffekt-transistorparet 5a, 5b i felteffekttransistorbryteren 5 fungerer som følger: Når det er et sterkt transientstøt i lysnettspenningen U som sammenfaller med et halvperiode-intervall hvor felteffekttransistorene 5 a, 5b benyttet som brytere er i ikke-ledende tilstand, forårsaker transientstøtet en sterk spenningsøkning både over bryteren 5 og i spenningsovervåkningsenheten 7. Dette betyr at spenningen Utra (se figur 2a) i det mellomliggende punktet dannet av de sammenkoblede katodene for diodene 7a, 7b, øker raskt og overskrider den forhåndssatte terskelverdien Uk, f.eks. 400 V. Spenningsnedsettingsenheten 8, dvs. zenerdioden 9, reagerer og reduserer den overskytende spenningen Utra detektert av overvåkingsenheten 7, fortrinnsvis til omlag en hundredel av den opprinnelige verdien, til en lav spenning som f.eks. 4V. Denne utgangsspenningen Ug0 for zenerdioden 9 er også egnet for direkte å styre felteffekttransistorene 5 a, 5 b for felteffekttransistorbryteren 5 slik at begge felteffekttransistorer blir svitsjet til ledende tilstand ved denne lave spenningen fra anoden for zenerdioden 9. Styrespenningen fra spenningsnedsettingsenheten 8, i dette tilfellet zenerdioden 9, er valgt slik at når det transiente støtet overskrider en bestemt grenseverdi, blir en styrespenning, tilstrekkelig for å åpne begge felteffekttransistorbryterne, ledet til basene for felteffekttransistorene 5a, 5b i

felteffekttransistorbryteren 5.1 denne løsningen blir terskelverdien Uk satt ved å velge en passende terskelspenning for zenerdioden 9.

Det skal bemerkes at spenningsovervåkningsenheten 7 reagerer svært raskt. Enheten kan følge raske transiente støt, slik at når et transientstøt overskrider spennings-terskelverdien Uk, kan felteffekttransistorene 5a, 5b i felteffekttransistorbryteren 5 øyeblikkelig bli svitsjet til ledende tilstand ved å lede en kontrollpuls via spenningsnedsettingsenheten 8 til basene G for felteffekttransistorene 5a, 5b. Således kan energien for et transient støt bli ført gjennom felteffekttransistorbryteren 5 uten å ødelegge felteffekttransistorer, spesielt felteffekttransistorelementer.

Når felteffekttransistorer benyttes som brytere, er det foretrukket å anordne en kortslutningsbeskyttelsesenhet sammen med dem. Dette er særlig tilfelle ved dimmeranvendelser. Figur 4 illustrerer en annen krets i samsvar med oppfinnelsen for å beskytte felteffekttransistorsvitsjeenheten mot transiente støt. Kretsen i figur 4 omfatter også en kortslutningsbeskyttelsesenhet.

I anvendelsen illustrert i figur 4 er deler som samsvarer med deler i figur 3 henvist

til med de samme tallene. Bryteren 5 omfatter et felteffekttransistorpar 5a, 5b. I

denne anvendelsen omfatter transientbeskyttelseskretsen en forsterker 11, hvis inngangsspenning er tilveiebrakt av zenerdioden 9 for spenningsnedsettingskretsen 8, i tillegg til overvåkingsenheten 7 og spenningsnedsettingsenheten 8. Forsterkeren II er videre forbundet via diodebroen 12 til den felles terminalen G for felteffekttransistorene 5a, 5b for felteffekttransistorbryteren 5.

Kortslutningsbeskyttelseskretsen omfatter en kortslutningsbeskyttelsesbryter 15, en kontrollenhet 16 for denne, og en laststrømmåleanordning 17. Strømmåle-anordningen 17 benyttes for å måle laststrømmen, og kontrollenheten 16 benyttes for å detektere en kortslutning (en plutselig sterk øking av strøm til lasten L, som overskrider den forhåndssatte strømgrenseverdien). Kortslutningsbeskyttelses-

bryteren 15 blir åpnet på basis av kortslutningsinformasjon fra kontrollenheten 16.

Denne styrer i sin tur kontrollgrinden (engelsk: the control gate) G for felteffekttransistorbryteren 5 og lukker felteffekttransistorbryteren 5, hvorved lasten L

frakobles strøm. Kortslutningsbeskyttelsesbryteren 15 er i denne anvendelsen en felteffekttransistor. Diodebroen 12 benyttes for å forbinde kontrollvirkningene av transientbeskyttelsen og kortslutningsbeskyttelsen til kontrollinngangen G for felteffekttransistorbryteren 5.

Transientbeskyttelseskretsen illustrert i figur 4 omfatter også en kontrollenhet 13

for å slå av kortslutningsbeskyttelsen. Denne kontrollenheten 13 styres av utgangsspenningen for spenningsnedsettingsenheten 8, dvs. zenerdioden 9, som er den samme spenningen som benyttes som inngang for forsterkeren 11.1 denne anvendelsen omfatter kontrollenheten 13 en bryter, slik som en felteffekttransistor 14, som styres av den lave spenningen fra zenerdioden 9 i spenningsnedsettings-

enheten 8. Kontrollenheten 13 og svitsjetransistoren 14 er i den illustrerte •. anvendelsen anordnet i kontrollinngangen for kortslutningsbeskyttelsesbryteren 15, . som også utgangen av den aktuelle kortslutningsbeskyttelsesenheten 16 er forbundet til. Forsinkelsen forårsaket av forsterkeren 11 benyttes for å svitsje kortslutningsbeskyttelsen av før felteffekttransistorenheten 5 svitsjes til ledende tilstand.

Virkemåten for en krets i samsvar méd oppfinnelsen under et transientstøt er

illustrert ved hjelp av spennings- og strømkurvene i figur 5. Forkortelsene som benyttes i figur 5 er som følger: Ordinaten i figuren er U (spenning), med t (tid) som

abscisse; Ug er grind-styrespenning for felteffekttransistorbryteren 5; Uf er spenningen over felteffekttransistorbryteren 5, mens i If er strømmen gjennom felteffekttransistorbryteren 5.1 det beskrevne eksempelet er felteffekttransistorbryteren 5 i lukket tilstand ved tidspunktet 0 (samme fase som i løpet av intervallene T/2, T/2+t i figur 1). Når det foreligger et plutselig transientstøt, starter spenningen Uf over felteffekttransistorbryteren 5 å øke, og dét gjør også strømmen

If; kortslutningsbeskyttelseskontrollenheten 16 detekterer strømmen If som overskrider den forhåndssatte kortslutnihgsgrenseverdien ved tidspunktet ti og

svitsjer kortslutningsbeskyttelsesbryteren 15 til ledende tilstand. Dette forårsaker at grindstyrespenningen Uq avtar til nær 0, bg felteffekttransistorbryteren 5 svitsjes til ikke-ledende tilstand, hvorved strømmen i If gjennom felteffekttransistorbryteren 5 opphører. Det transiente støtet forårsaker likevel at spenningen Uf øker. Når spenningen.Up når den forhåndssatte grenseverdien UFoik (f.eks. 400 V) ved t2, øker

utgangsspenningen for spenningsnedsettingsenheten 8, dvs. zenerdioden 9, tilstrekkelig til å forårsake at kontrollenheten 13 åpner bryteren 14. Som resultat av

dette elimineres kortslutningsbeskyttelsesenheten: Styrespenningen for bryteren 15 nedsettes ved f.eks. å jorde den, hvorved bryteren 15 er lukket. Spenningen Uf vil fortsatt øke, og vil ved T3 nå en annen grenseverdi, den forhåndssatte terskelverdien Ur (f.eks. 450 V), som forårsaker felteffekttransistorbryteren 5 å bli svitsjet av spenningsnedsettingsenheten 8 og forsterkeren 11 til i det minste delvis ledende tilstand: grindstyrespenningen Ug øker til en lav spenning på omlag 2 - 5 V. Strømmen If gjennom felteffekttransistorbryteren 5 øker raskt i løpet av intervallet T2-T3 fordi kortslutningsbeskyttelsen har blitt eliminert. Økningen i strøm kulminerer imidlertid nær t3, hvoretter det bare er en kontrollert, relativt konstant strøm lp gjennom felteffekttransistorbryteren 5. Spenningen Uf øker samtidig, men deselererende, som illustrert i figur 5, og den når en forhåndssatt spissverdi UFmax på omlag 500 V, som samsvarer med spissverdien av det transiente støtet, men er merkbart mindre enn støtet. Etter dette begynner spenningen Uf å avta. Når spenningen Uf avtar under grenseverdien UFoik ved t4, avtar utgangsspenningen for spenningsnedsettingsenheten 8, dvs. zenerdioden 9, til en verdi som ikke er tilstrekkelig til å styre kontrollenheten 13. Følgelig blir bryteren 14 lukket. Dette reaktiverer kortslutningsstrømbeskyttelsen: Bryteren 15 får sin styrespenning fra

kontrollenheten 16, og bryteren 15 åpnes. Grindkontrollspenningen Ug faller til.O, og bryteren 5 blir svitsjet til ikke-ledende, tilstand. Felteffekttransistorenheten 5 forblir i ikke-ledende tilstand, og spenningen Uf returnerer ikke til en lav spenningsverdi, men vedblir å følge (ved ts) inngangsspenningen, slik som likerettet lysnettspenning Uy for svitsj eenheten 5.

I det ovenstående har oppfinnelsen blitt beskrevet med henvisning til i hovedsak en foretrukket utførelsesform, men det er opplagt at mange endringer kan gjøres med oppfinnelsen innen rammen av oppfinnelsen slik den defineres ved de etterfølgende krav.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for. å beskytte en felteffekttransistorenhet (1;5), benyttet som en bryter, mot et transientstøt, hvor spenningen over felteffekttransistorenheten (1;5) blir overvåket spesielt når felteffekttransistorenheten (1;5) er i ikke-ledende tilstand for å detektere hvilke som helst transiente støt (Utra); karakterisert ved at når spenningen (Uf) over felteffekttransistorenheten (1;5) overskrider en forhåndssatt terskelverdi (Uk), blir felteffekttransistorenheten (1;5) svitsjet til i det minste delvis ledende tilstand følgende det transiente støtet (Utra) slik at spenningen (Uf) over felteffekttransistorenheten (1 ;5) er begrenset og strømmen (If) er kontrollert og det transiente støtet (Utra) forårsakes å strømme gjennom felteffekttransistorenheten (1 ;5) uten å ødelegge den. .

2. Krets for å beskytte en felteffekttransistorenhet, benyttet som en bryter, mot et transientstøt, hvilken krets omfatter en spenningsovervåkningsenhet (3; 7) for å overvåke spenningen (Uf) over felteffekttransistorenheten (1;5) for å detektere eventuelle transiente støt (Utra), karakterisert ved at kretsen videre omfatter en spennings-nedsettingskrets (4;8) for å sette ned spenningen forårsaket av det transiente støtet (Utra) til en styrespenning (Ug0) egnet for å åpne felteffekttransistorenheten (1;5) til i det minste delvis ledende tilstand følgende det transiente støtet (Utra), . slik at spenningen (Uf) over felteffekttransistorenheten (1 ;5) er begrenset og strømmen (If) er kontrollert og det transiente støtet (Utra) forårsakes å strømme gjennom felteffekttransistorenheten (1;5) uten å ødelegge den.

3 Krets i samsvar med krav 2, karakterisert ved at spenningsovervåkningsenheten (7) omfatter to dioder (7a, 7b) forbundet i serie slik at de er ledende i motsatte retninger, med spenningen over felteffekttransistorenheten (1;5) overvåket mellom diodene (7a, 7b).

4. Krets i samsvar med krav 2 eller 3, karakterisert ved at spenningsnedsettingsenheten (8) omfatter en zenerdiode (9).

5. Krets i samsvar med krav 2 eller 3, karakterisert ved at spenningsnedsettingsenheten (8) omfatter en zenerdiode (9) med et etterfølgende forsterkertrinn (11) for å styre felteffekttransistorenheten (5).

6. Krets i samsvar med et hvilket som helst av kravene 2 - 5, . karakterisert ved . at kretsen omfatter en kontrollenhet (13) for å . ■ svitsje kortslutningsbeskyttelsesenheten (15, 16) av før felteffekttransistorenheten (5) svitsjes til ledende tilstand.

7. Krets i samsvar med krav 6, karakterisert ved at kontrollenheten (13) omfatter en bryter, slik som en felteffekttransistor (14), som styres av utgangsspenningen fra spenningsnedsettingsenheten (8), spesielt en zenerdiode (9).