WO1990015242A1 - Halbleiterschalter, insbesondere als hochspannungs-zündschalter für brennkraftmaschinen - Google Patents

Halbleiterschalter, insbesondere als hochspannungs-zündschalter für brennkraftmaschinen Download PDF

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WO1990015242A1
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Manfred Vogel
Werner Herden
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression

Definitions

  • Semiconductor switch in particular as a high-voltage ignition switch for internal combustion engines
  • the invention relates to a semiconductor switch, in particular as an ignition voltage switch for applying an ignition voltage to a spark plug of an internal combustion engine, with a cascade circuit formed by semiconductor components for switching an operating voltage to a consumer, according to the preamble of the main claim.
  • connection elements In the case of semiconductor high-voltage switches, it is known to carry out a cascade connection (series connection) of semiconductor components, so that the dielectric strength is ensured.
  • connection elements are implemented by relatively complex RC networks. An uneven voltage distribution that occurs as a result of specimen controls and due to the inevitable stray capacities is thus avoided.
  • the circuit elements result in a relatively complex and expensive circuit structure.
  • the device according to the invention with the features mentioned in the main claim has the advantage that no circuit elements have to be used and nevertheless a largely symmetrical voltage distribution is realized. This significantly reduces the circuitry and there are no additional voltage control losses.
  • the cascaded semiconductor components connected in series each have a junction capacitance and the between Any connection made by two semiconductor components forms a corresponding (parasitic) earth capacitance due to the electrical field distribution present there. These capacitances known per se are unavoidable and therefore have nothing in common with the wiring elements known from the prior art. They are used for the symmetrical voltage distribution of the semiconductor switch according to the invention, since they cause a displacement current due to a voltage increase in the operating voltage.
  • a breakdown current flowing through the semiconductor components before the conductive state is reached, relative to the displacement current is within the range i ver ⁇ i k ⁇ a ⁇ i ver , where i ver is the displacement current, i K is the breakover current and a is a factor , whose value is between 5 and 10.
  • i ver is the displacement current
  • i K is the breakover current
  • a is a factor , whose value is between 5 and 10.
  • Breakdown current is to be understood as the current of the semiconductor component which flows shortly before its conductive state is reached.
  • the breakover voltage assigned to the breakover current which corresponds to the ignition voltage which leads to the semiconductor being switched on, is present at the semiconductor component which is still in the blocked state. Accordingly, if there is an increase in voltage up to the ignition voltage, the semiconductor assumes its conductive state. Here, the previously flowing, small breakdown current changes into the forward current (operating current).
  • the limits of the tipping current result from the need that no semiconductor component of the cascade may switch through before the breakover voltage and thus the breakover current is reached on the output-side semiconductor component leading to the consumer.
  • the voltage increases up to the ignition voltage of the semiconductor components at which switching takes place. This is called “overhead ignition” if the ignition process takes place without additional control, triggering or the like. If, for example, the semiconductor component is a thyristor, there is an overhead ignition if, without driving the gate, the anode-cathode voltage is increased to the zero breakover voltage at which the semiconductor changes into its conductive state . In the semiconductor switch according to the invention, however, components with control connections can also be used, so that switching can be carried out by driving these control connections.
  • Each semiconductor component is preferably designed as a thyristor, photo thyristor or breakover diode.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated cascade of the high-voltage switch provided with semiconductor components with a connected consumer
  • Figure 2 is a diagram of the operating voltage
  • FIG. 3 shows a current / voltage diagram of a semiconductor component.
  • FIG. 1 shows a series connection of a plurality of thyristors T 1 to T n . These form a cascade 1 of the high-voltage switch 2 according to the invention. One end of the series circuit forms an input 3 and the other end forms an output 4 of the high-voltage switch 2.
  • a junction capacitance C 1 lies parallel to each thyristor T 1 to T n .
  • the size of the junction capacitance C 1 can be influenced within certain limits in semiconductor production. In practice it can be assumed that the junction capacitances C 1 of the thyristors T 1 to T n due to Variations in copies do not all have the same value.
  • the connections between two calf conductor components T 1 to T n are connected to a parasitic earth capacitance C 2 determined by the electrical field distribution.
  • C 2 a parasitic earth capacitance
  • the size of the individual earth's capacities C 2 can vary depending on the location within the cascade; with a symmetrical structure of the cascade 1, however, it is possible that all earth capacitances C 2 have approximately the same value.
  • junction capacitances C 1 and the earth capacitances C 2 are inevitable, parasitic capacitances, and therefore not additional circuit elements, as are known from the prior art. To illustrate this difference, a dashed representation has been chosen in FIG.
  • the operating voltage u O is applied to the input 3 of the cascade 1 and a consumer 5 is connected to the output 4.
  • the high-voltage switch 2 is preferably used as an ignition voltage switch for applying an ignition voltage to a spark plug of an internal combustion engine.
  • the operating voltage u o is the secondary voltage of an ignition coil and the consumer 5 is a spark plug Z K.
  • the respective gate 6 of the thyristors T 1 to T n is not wired in the illustrated embodiment. This means that the Thy Ristor T 1 to T n assume their conductive state when the anode-cathode voltage exceeds a certain limit value (zero breakover voltage) U K0 .
  • the gates 6 are activated, the ignition voltage of the thyristors T 1 to T n is dependent on the control current flowing in each case. In the following, however, the activation-free embodiment shown in FIG. 1 will be discussed.
  • FIG. 2 shows the voltage profile of the secondary voltage (operating voltage u o ) of an ignition coil (not shown).
  • the negative half wave has an edge with the voltage rise speed du o / dt.
  • FIG. 3 shows the current-voltage diagram of one of the thyristors T 1 to T n .
  • the pass quadrant of the diagram is shown.
  • U D With increasing anode-cathode voltage U D , the current initially hardly increases, but is limited to the blocking current I AK . If the breakover voltage u K is reached, the current suddenly rises to the breakover current i K and then jumps into the forward current I T. Since the gates 6 of the thyristor T 1 to T n are not activated (FIG. 1), the breakover voltage u K is the zero breakover voltage U K0 .
  • the high-voltage switch 2 works as follows:
  • the voltage curve indicated in FIG. 2 is applied to input 3 of cascade 1 by appropriate activation of the ignition coil (not shown). Accordingly, the negative half-wave runs into the circuit at a voltage change rate du o / dt, so that the thyristor T 1 appropriate junction capacitance C 1 charges and the current through the thyristor T 1 assumes the value of the breakover current i k .
  • the breakover current i k then flows to the thyristor T 2 and charges the existing junction capacitance C 1 and earth capacitance C 2 there.
  • the breakover current i k also occurs in the case of the thyristor T 2 .
  • This process is repeated in the subsequent thyristors T3 to T n , the current coming from the thyristor T n stage (T n-1 ) of the cascade 1 receiving a charge of the capacitors in parallel on the output side stage (thyristor T n ).
  • the total capacitance of the last stage is thus composed of the sum of the junction capacitance C 1 associated with the thyristor T n and the ground capacitance C 2 .
  • This total capacity is the largest capacity compared to the other stages of cascade 1, since there is no series connection of capacities in the last stage.
  • the voltage change rate du o / dt is applied to it, which leads to the formation of the displacement current i ver .
  • the sum of the breakover voltage u k of the individual semiconductors of the cascade 1 is set exactly as the sum breakover voltage, so that sample variations are not negatively noticeable.
  • the overall symmetrical voltage distribution without additional wiring elements leads to an almost simultaneous control of all tyristors T k to T n when the ignition voltage is reached.
  • junction capacitance C 1 and earth capacitance C 2 are 1 pF.
  • the voltage rise rate du o / dt is given as 1000 V / ⁇ s.
  • breakover current i k is in the range between 1 and 5 mA
  • an essentially symmetrical distribution of the cascade input voltage (operating voltage u o ) over the individual stages of the cascade 1 can be assumed.
  • measures familiar to the semiconductor expert must be taken that the breakover current i k is in the range between 1 and 5 mA.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter, insbesondere als Zündspannungsschalter zum Anlegen einer Zündspannung an eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine, mit einer von in Reihe liegenden Halbleiter-Bauelementen gebildeten Kaskadenschaltung zum Durchschalten einer Betriebsspannung an einen Verbraucher, wobei die Halbleiter-Bauelemente jeweils eine Sperrschichtkapazität aufweisen und die zwischen je zwei Halbleiter-Bauelementen bestehende Verbindung eine durch die elektrische Feldverteillung bestimmte, parasitäre Erdkapazität ausbildet. Für eine symmetrische Spannungsaufteilung ohne zusätzliche Beschaltungsglieder ist vorgesehen, daß ein vor Erreichen des leitenden Zustandes durch die Halbleiter-Bauelemente (T1 bis Tn) fließender Kippstrom (ik) relativ zu einem Verschiebestrom (iver) innerhalb des Bereichs iver<ik<a.iver liegt, wobei der Verschiebestrom (iver) durch einen Spannungsanstieg (duo/dt) der Betriebsspannung (uo) an den sich sukzessiv mit dem Durchschalten der Halbleiter-Bauelemente verändernden Sperrschicht- (C1) und Erdkapazitäten (C2) der Kaskadenschaltung hervorgerufen ist und der Faktor (a) einen Wert zwischen 5 und 10 aufweist.

Description

Halbleitersch alter, insbesondere als Hochspannungs- Zündschalter für Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter, insbesondere als Zündspannungsschalter zum Anlegen einer Zündspannung an eine Zündkerze einer Erennkraftmaschine, mit einer von Halbleiter-Bauelementen gebildeten Kaskadenschaltung zum Durchschalten einer Betriebsspannung an einen Verbraucher, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bei Halbleiter-Hochspannungsschaltern ist es bekannt, eine Kaskadenschaltung (Reihenschaltung) von Halbleiter-Bauelementen vorzunehmen, damit die Spannungsfestigkeit gewährleistet ist. Hierbei ist ein genaue Dimensionierung der zur vorzugsweise gleichmäßigen Spannungsaufteilung notwendigen Beschältungsglieder der Halbleiter-Bauelemente wichtig, da die Überschreitung der Sperrspannungs-Grenzwerte zur Zerstörung der Halbleiter führt. Die bekannten Beschal- tungsglieder sind durch relativ aufwendige R-C-Netzwerke realisiert. Eine infolge von Exemplarsteuerungen und durch die unvermeidbaren Streukapazitäten auftretende ungleiche Spannungsaufteilung ist somit vermieden. Durch die Beschaltungsglieder ergibt sich ein relativ aufwendiger und kostspieliger Schaltungsaufbau.
Aus der DE-OS 37 31 412 ist ein mit Fototransistoren bestückter Hochspannungsschalter bekannt, bei dem jedem Transistor ein Widerstand parallel geschaltet ist. Der so gebildete Spannungsteiler dient der gleichmäßigen Aufteilung der zu schaltenden Betriebsspannung. Neben den bereits erwähnten Nachteilen derartiger Beschaltungsglieder führt der durch den Spannungsteiler fließende Strom überdies zu unerwünschten Verlusten.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß keine Beschaltungsglieder eingesetzt werden müssen und dennoch eine weitestgehend symmetrische Spannungsaufteilung realisiert wird. Der Schaltungsaufwand wird hierdurch entscheidend verringert und es treten keine zusätzlichen Spannungssteuerverluste auf. Die in Reihe geschalteten Halbleiter-Bauelemente der Kaskadenschaltung weisen jeweils eine Sperrschichtkaoazität auf und die zwischen je zwei Halbleiter-Bauelementen bestehende Verbindung bildet durch die dort vorliegende elektrische Feldverteilung eine entsprechende (parasitäre) Erdkapazität aus. Diese an sich bekannten Kapazitäten sind unvermeidbar und haben daher nichts mit den aus dem Stand der Technik bekannten Beschaltungsgliedern gemeinsam. Sie werden für die symmetrische Spannungsaufteilung des erfindungsgemäßen Halbleiterschalters herangezogen, da sie durch einen Spannungsanstieg der Betriebsspannung einen Verschiebestrom hervorrufen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein vor Erreichen des leitenden Zustands durch die Halbleiterbauelemente fließender Kippstrom relativ zu dem Verschiebestrom innerhalb des Bereichs iver < ik < a · iver liegt, wobei iver der Verschiebestrom, iK der Kippstrom und a ein Faktor ist, dessen Wert etwa zwischen 5 und 10 liegt. Beim nacheinander erfolgenden Durchschalten der einzelnen in Reihe liegenden Halbleiter- Bauelemente verändern sich in entsprechender Weise sukzessiv die genannten Kapazitäten der Kaskadenschaltung. Für die Realisierung der erfindungsgemäßen Lehre bestehen mehrere Möglichkeiten, die jeweils für sich oder aber auch in Kombination eingesetzt werden können. Die wichtigste Möglichkeit besteht darin, die Größe des Kippstromes durch Wahl oder bei der Herstellung der Halbleiter-Bauelemente derart vorzugeben, daß die erfindungsgemäße Bedingung erfüllt ist. Eine Einflußnahme ist ferner durch die Einstellung der Sperrschichtkapazitat der eingesetzten Halbleiter gegeben. Überdies läßt sich durch den Aufbau der Kaskade in gewissen Grenzen die jeweilige Erdka pazität variieren. Schließlich wird der Verschiebestrom auch durch die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Betriebsspannung bestimmt, so daß hierüber eine Einflußnahme erfolgen kann. Die vorstehend genannten Größen sind daher derart aufeinander abzustimmen, daß die erfindungsgemäße Bedingung eingehalten wird. In der Praxis ist davon auszugehen, daß sowohl die Sperrschicht - als auch die Erdkapazität in relativ engen Grenzen festliegt. Auch ist die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Betriebsspannung zumeist durch äußere, nicht in Halbleiterschalter betreffende Umstände in engen Grenzen festgelegt. So wird die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit oftmals durch die Anforderungen des Verbrauchers festgelegt. Sofern also durch die äußeren Umstände die Spannungsanderungsgeschwindigkeit vorgegeben ist, kann hierüber keine Einflußnahme zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgen.
Als wesentliche Einflußnahme verbleibt daher -wie vorstehend schon erwähnt- die bauteilabhangige Vorgabe des Kippstromes. Unter "Kippstrom" ist derjenige Strom des Halbleiter-Bauelements zu verstehen, der kurz vor Erreichen seines leitenden Zustandes fließt. An dem sich noch im gesperrten Zustand befindlichen Halbleiter-Bauelement liegt die dem Kippstrom zugeordnete Kippspannung an, welche der Zündspannung entspricht, die zum Durchschalten des Halbleiters führt. Erfolgt demgemäß eine Spannungssteigerung bis zur Zündspannung, so nimmt der Halbleiter seinen leitenden Zustand ein. Dabei geht der zuvor fließende, kleine Kippstrom in den Durchlaßstrom (Betriebsstrom) über. Die Grenzen des Kippstromes ergeben sich nach der erfindungsgemäßen Lehre aus der Notwendigkeit, daß kein Halbleiter-Bauelement der Kaskade durchschalten darf, bevor am ausgangsseitigen, zum Verbraucher führenden Halbleiter-Bauelement die Kippspannung und somit der Kippstrom erreicht ist. Andererseits gilt, daß kurz vor dem Durchschalten eine zu hohe Uberkopplung vom Eingang der Kaskade zum Verbraucher vermieden werden soll, das heißt, am Verbraucher ist ein zu großer Spannungsaufbau und/oder eine zu große Verlustleistung unerwünscht.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß sich der Verschiebestrom aus der Sperrschichtkapazität C1 des ausgangs- seitig der Kaskade liegenden, zum Verbraucher führenden Kalbleiter-Bauelement und der Erdkapazität C2 nach der Beziehung iver = (C1 + C2)
Figure imgf000007_0001
ergibt.
Der Spannungsanstieg erfolgt bis zur Zündspannung der Halbleiter-Bauelemente, bei der ein Durchschalten stattfindet. Man nennt dieses "Über-Kopf-Zünden", wenn ohne zusätzliche Ansteuerung, Triggerung oder dergleichen der Zündvorgang erfolgt. Sofern es sich beispielsweise bei dem Halbleiter-Bauelement um einen Thyristor handelt, liegt eine Über-Kopf-Zündung vor, wenn ohne Ansteuerung des Gates die Anoden-Kathoden- Spannung bis auf die Nullkippspannung gesteigert wird, bei der der Halbleiter in seinen leitenden Zustand übergeht. Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter können jedoch auch Bauelemente mit Steueranschlüssen eingesetzt werden, so daß das Durchschalten durch Ansteuerung dieser Steueranschlüsse vorgenommen werden kann.
Vorzugsweise ist jedes Halbleiterbauelement als Thyristor, Foto-Thyristor oder Kippdiode ausgebildet.
Zeichnung
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der Figur näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematisch dargestellte Kaskade des mit Halbleiter-Bauelementen versehenen Hochspannungsschalters mit angeschlossenem Verbraucher,
Figur 2 ein Diagramm der Betriebsspannung und
Figur 3 ein Strom/Spannungs-Diagramm eines Halbleiter-Bauelements.
Die Figur 1 zeigt eine Reihenschaltung einer Vielzahl von Thyristor T1 bis Tn. Diese bilden eine Kaskade 1 des erfindungsgemäßen Hochspannungsschalters 2. Das eine Ende der Reihenschaltung bildet einen Eingang 3 und das andere Ende einen Ausgang 4 des Hochspannungsschalters 2. Parallel zu jedem Thyristor T1 bis Tn liegt eine Sperrschichtkapazität C1. Die Größe der Sperrschichtkapazität C1 kann in gewissen Grenzen bei der Halbleiterfertigung beeinflußt werden. In der Praxis ist davon auszugehen, daß die Sperrschichtkapazitäten C1 der Thyristoren T1 bis Tn aufgrund von Exemplarstreuungen nicht alle den gleichen Wert annehmen.
Die zwischen je zwei Kalbleiter-Bauelementen T1 bis Tn bestehenden Verbindungen sind an eine durch die elektrische Feldverteilung bestimmte, parasitäre Erdkapazität C2 angeschlossen. Je nach konstruktivem Aufbau der Kaskade 1 ist eine Einflußnahme in gewissen Grenzen auf die Größe dieser Erdkapazitäten C2 möglich. Insofern kann die Größe der einzelnen Erdkapazitäten C2 in Abhängigkeit von der Lage innerhalb der Kaskade variieren; bei einem symmetrischen Aufbau der Kaskade 1 ist jedoch möglich, daß alle Erdkapazitäten C2 etwa den gleichen Wert aufweisen.
Sowohl bei den Sperrschichtkapazitäten C1 als auch bei den Erdkapazitäten C2 handelt es sich um unvermeidbare, parasitäre Kapazitäten, also nicht um zusätzliche Beschaltungsglieder, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind. Zur Verdeutlichung dieses Unterschieds ist in der Figur 1 eine gestrichelte Darstellung gewählt.
An den Eingang 3 der Kaskade 1 wird die Betriebsspannung uO angelegt und an den Ausgang 4 ist ein Verbraucher 5 angeschlossen. Vorzugsweise wird der Hochspannungsschalter 2 als Zündspannungsschalter zum Anlegen einer Zündspannung an eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Insofern handelt es sich bei der Betriebsspannung uo um die Sekundärspannung einer Zündspule und bei dem Verbraucher 5 um eine Zündkerze ZK. Das jeweilige Gate 6 der Thyristoren T1 bis Tn ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht beschältet. Dieses bedeutet, daß die Thy ristor T1 bis Tn ihren leitenden Zustand einnehmen, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung einen bestimmten Grenzwert (Nullkippspannung) UK0 überschreitet. Sofern -nach einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel- eine Ansteuerung der Gates 6 erfolgt, liegt eine Abhängigkeit der Zündspannung der Thyristor T1 bis Tn von dem jeweils fließenden Steuerstrom vor. Im nachfolgenden soll jedoch auf die ansteuerungsfreie, in Figur 1 dargestellte Ausführungsform eingegangen werden.
In der Figur 2 ist der Spannungsverlauf der Sekundärspannung (Betriebsspannung uo) einer nicht dargestellten Zündspule gezeigt. Die negative Halbwelle weist eine Flanke mit der Spannungsahstiegsgeschwin- digkeit duo/dt auf.
Die Figur 3 zeigt das Strom-Spannungsdiagramm von einem der Thyristor T 1 bis Tn . Dargestellt ist der Durchlaß- bzw. Schaltquadrant des Diagramms. Mit steigender Anoden-Kathoden-Spannung UD nimmt der Strom zunächst kaum merklich zu, sondern ist auf den Blockierstrom IAK begrenzt. Wird die Kippspannung uK erreicht, so steigt der Strom schlagartig auf cen Kippstrom iK an und geht dann sprunghaft in den Durchlaßstrom IT über. Da die Gates 6 der Thyristor T1 bis Tn nicht angesteuert werden (Figur 1), handelt es sich bei der Kippspannung uK um die Nullkippspannung UK0.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, daß zur gleichmäßigen Verteilung der Sekuncarspannung (Betriebsspannung u0) über die Thyristoren T1 bis Tn ein vor Erreichen des leitenden Zustandes der Thyristoren T1 bis Tn fließender Kippstrom iκ relativ zu einem Verschiebestrom iver innerhalb des Bereichs iver < ik < a · iver liegt, wobei der Faktor a einen Wert etwa zwischen 0 und 10 annimmt. Die erfindungsgemäße Lehre stellt sicher, daß auch ohne zusätzliche Beschaltungsglieder und trotz Exemplarstreuungen der Halbleiter eine im wesentlichen gleichmäßige Spannungsaufteilung für die einzelnen Kaskadenelemente erfolgt, so daß die Spannungsfestigkeit der einzelnen Thyristor T1 bis Tn nicht überschritten wird.
Für den Verschiebestrom gilt die Beziehung
iver = (C1 + C2)
Figure imgf000011_0003
so daß sich die Beziehung (C1 + C2 ) < ik < a (C1 + C2 )
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0002
ergibt.
Der erfindungsgemäße Hochspannungsschalter 2 arbeitet folgendermaßen:
Durch entsprechende Ansteuerung der nicht dargestellten Zündspule wird der in der Figur 2 angegebene Spannungsverlauf an den Eingang 3 der Kaskade 1 angelegt. Demgemäß läuft die negative Halbwelle mit einer Spannungsänderungsgeschwindigkeit duo/dt in die Schaltung ein, so daß sich die dem Thyristor T1 zuge hörige Sperrschichtkapazität C1 auflädt und der Strom durch den Thyristor T1 den Wert des Kippstromes ik annimmt. Der Kippstrom ik fließt dann zum Thyristor T2 und lädt dort die vorhandene Sperrschichtkapazität C1 und Erdkapazität C2 auf. Auch beim Thyristor T2 stellt sich der Kippstrom ik ein. Dieser Vorgang wiederholt sich bei den nachfolgenden Thyristoren T3 bis Tn, wobei der aus dem Thyristor Tn vorgelagerten Stufe (Tn-1) der Kaskade 1 kommende Strom eine Aufladung der zueinander parallel liegenden Kapazitäten der ausgangsseitigen Stufe (Thyristor Tn) vernimmt. Die Gesamtkapazität der letzten Stufe setzt sich somit aus der Summe der dem Thyristor Tn zugehörigen Sperrschichtkapazität C1 und Erdkapazität C2 zusammen. Diese Gesamtkapazität ist gegenüber den anderen Stufen der Kaskade 1 die größte Kapazität, da in der letzten Stufe keine Reihenschaltung von Kapazitäten besteht. Sie wird mit der Spannungsänderungsgeschwin- digkeit duo/dt beaufschlagt, was zur Ausbildung des Verschiebestromes iver führt.
Insgesamt stellt sich als Summenkippspannung exakt die Summe der Einzelkippspannung uk der einzelnen Halbleiter der Kaskade 1 ein, so daß sich Exemplarstreuungen nicht negativ bemerkbar machen. Die insgesamt vorliegende, symmetrische Spannungsaufteilung ohne zusätzliche Beschaltungsglieder führt beim Erreichen der Zündspannung zu einem nahezu gleichzeitigen Durchsteuern sämtlicher Tyristoren Tk bis Tn.
Die Erfindung soll an einem Zahlenbeispiel näher verdeutlicht werden:
Es sei angenommen, daß die Summe aus Sperrschichtkapazität C1 und Erdkapazität C2 ein 1 pF beträgt. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit duo/dt wird mit 1000 V/μs vorgegeben. Für einen Faktor a = 5 ergibt sich dann ik > 1 mA ik < 5 mA
Sofern der Kippstrom ik also im Bereich zwischen 1 und 5 mA liegt, ist von einer im wesentlichen symmetrischen Aufteilung der Kaskadeneingangsspar nung (Betriebsspannung uo) über die einzelnen Stufen der Kaskade 1 auszugehen. Bei der Entwicklung der Halbleiter-Bauelemente für die im Beispiel behandelte Schaltungsanordnung sind also dem Halbleiter-Fachmann geläufige Maßnahmen zu treffen, daß der Kippstrom ik im Bereich zwischen 1 und 5 mA liegt.

Claims

Ansprüche
1. Halbleiterschalter, insbesondere als Züncspannungsschalter zum Anlegen einer Zündspannung an eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine, mit einer von in Reihe liegenden Halbleiter-Bauelementen gebildeten Kaskadenschaltung zum Durchschalten einer Betriebsspannung an einen Verbraucher, wobei die Halbleiter- Bauelemente jeweils eine Sperrschichtkapazität aufweisen und die zwischen je zwei Halbleiter-Bauelementen bestehende Verbindung eine durch die elektrische Feldverteilung bestimmte, parasitäre Erdkapazität ausbildet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein vor Erreichen des leitenden Zustandes durch die Halbleiter-Bauelemente (T1 bis Tn) fließender Kippstrom (ik) relativ zu einem Verschiebestrom (iver) innerhalb des Bereichs iver < ik < a iver liegt, wobei der Verschiebestrom (iver) durch einen Spannungsanstieg (duo/dt) der Betriebsspannung uo an den sich sukzessiv mit dem Durchschalten der Halbleiter-Bauelemente verändernden Sperrschicht- (C1) und Erdkapazitäten (C2) der Kaskadenschaltung hervorgerufen ist und der Faktor (a) einen Wert zwischen 5 und 10 aufweist.
2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Verschiebestrom (iver) aus der Sperrschichtkapazität (C1) des aus- gangsseitig der Kaskade (1) liegenden, zum Verbraucher (5) führenden Halbleiter-Bauelement (Tn) und der Erdkapazität (C2) nach der Beziehung iver = (C1 + C2) duo / dt bestimmt wird.
3. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Spannungsanstieg (duo/dt) bis zur ein Durchschalten bewirkenden Zündspannung ( Uκ0 ) der Halbleiter-Bauelemente (T1 bis Tn) erfolgt.
4. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Halbleiter-Bauelemente (T1 bis Tn) Steusranschlüsse (Gates 6) aufweisen und daß das Durchsteuern der Halbleiter-Bauelemente (T1 bis Tn) durch Ansteuerung der Steueranschlüsse (Gates 6) erfolgt.
5. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Aneprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kippstrom (ik ) bei der Herstellung je¬ des Halbleiter-Bauelements (T1 bis Tn) festgelegt wird.
6. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t, daß jedes Halbleiter-Bauelement (T1 bis T6) als Thyristor, Foto-Thyristor, Foto-IC oder Kipodiode ausgebildet ist.
PCT/DE1990/000123 1989-06-02 1990-02-23 Halbleiterschalter, insbesondere als hochspannungs-zündschalter für brennkraftmaschinen WO1990015242A1 (de)

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DE59005927T DE59005927D1 (de) 1989-06-02 1990-02-23 Halbleiterschalter, insbesondere als hochspannungs-zündschalter für brennkraftmaschinen.

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