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Dokumentenidentifikation DE10143487C2 24.07.2003
Titel Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement
Anmelder SiCED Electronics Development GmbH & Co. KG, 91052 Erlangen, DE
Erfinder Mitlehner, Heinz, Dr., 91080 Uttenreuth, DE;
Stephani, Dietrich, Dr., 91088 Bubenreuth, DE
Vertreter Berg, P., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80339 München
DE-Anmeldedatum 05.09.2001
DE-Aktenzeichen 10143487
Offenlegungstag 03.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.2003
IPC-Hauptklasse H02H 7/22
IPC-Nebenklasse H03K 17/082   H03K 17/687   H03K 17/78   H02H 7/20   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement mit einem ersten und zweiten Hauptanschluss sowie einem Steueranschluss.

Elektrische Betriebsmittel, wie beispielsweise ein Leistungsschaltkreis, ein elektrisches Gerät insbesondere in Form eines Motors oder einer Stromversorgung oder auch ein elektrischer Abzweig in einem Energieübertragungs- oder Verteilungsnetz, müssen im Störfall zuverlässig und schnell abgeschaltet werden können. Als Störfall ist hier beispielsweise eine länger andauernde Überlast oder ein Kurzschluss zu verstehen. Dann kann es zu einem unzulässig hohen Stromfluss kommen, der zur Zerstörung der genannten elektrischen Betriebsmittel führen könnte. Abschaltung bedeutet hierbei Trennung von der elektrischen Betriebsspannung, so dass es zu einer Unterbrechung des Stromkreislaufes kommt. Die Abschaltung kann mechanisch, elektromechanisch oder auch elektronisch erfolgen.

Üblicherweise erfolgt derzeit im Geräteschutz die Abschaltung mechanisch oder elektromechanisch mittels einer Sicherung, eines Trennschalters, eines Leistungsschalters, eines Schutzschalters oder eines passiven Strombegrenzers. Die im Geräteschutz erreichte schnellste Ansprechzeit dieser genannten mechanischen oder elektromechanischen Abschalteinrichtungen liegt in der Größenordnung von etwa 1 ms.

Auch in der Umrichtertechnik, mittels der elektrische Energie entsprechend dem Bedarf eines Verbrauchers insbesondere in der Frequenz umgeformt werden kann, besteht die Notwendigkeit, den Verbraucher von der Betriebsspannung abzuschalten. Im Normalbetrieb eines Umrichters erfolgt eine derartige Abschaltung im Wechselspiel mit einer Zuschaltung des Verbrauchers in sehr schneller zeitlicher Abfolge. Deshalb ist in der Umrichtertechnik die Verwendung einer Schalteinrichtung mit einer Ansprechzeit, die unter der für die mechanischen oder elektromechanischen Schalteinrichtungen genannten schnellsten Ansprechzeit liegt, üblich. Die Zu- und Abschaltung erfolgt deshalb heute üblicherweise elektronisch, d. h. mittels eines Halbleiter-Leistungsschaltelements. Auch bei einem Umrichter muss im Störfall eine Abschaltung erfolgen. Dazu wird der Laststrom, d. h. der Strom, der im eingeschalteten Zustand über das Halbleiter-Leistungsschaltelement fließt, mittels einer externen Überwachungseinheit erfasst. Im Falle eines durch eine Überlast oder einen Kurzschluss bedingten unzulässigen Stromanstiegs wird das Halbleiter- Leistungsschaltelement über einen Steueranschluss abgeschaltet. Dies wird beispielsweise in der WO 00/13280 A1 oder in der DE 199 13 455 A1 beschrieben.

Es gibt neuerdings auch Halbleiter-Leistungsschaltelemente, die eine Strommessfunktion integriert haben. Ein Beispiel hierfür ist ein sogenannter IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit integrierter Stromsensor-Funktion. Wie der US 5,200,878 zu entnehmen ist, wird auch beim Einsatz dieses speziellen Halbleiter-Leistungsbauelements im Falle eines detektierten unzulässig hohen Stroms das Halbleiter-Leistungsbauelement abgeschaltet und damit der Stromkreislauf unterbrochen.

Unter einem Leistungsschaltelement wird in diesem Zusammenhang ein Schaltelement verstanden, das für eine im ausgeschalteten Zustand maximal zulässige Sperrspannung in der Größenordnung zwischen einigen 100 V und einigen kV (200 V bis 5 kV) sowie im eingeschalteten Zustand für einen Nennstrom in der Größenordnung zwischen einigen Ampere und einigen kA (1 A bis 4 kA) ausgelegt ist.

Aus der DE 33 38 764 C2 und aus der US 4,721,869 sind jeweils Schalteinrichtungen mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement bekannt. In einem Parallelzweig zum Leistungsschaltelement ist jeweils ein Widerstand vorgesehen. Beim Überschreiten einer Grenzstromstärke in dem Parallelzweig wird das Leistungsschaltelement über eine Koppeleinheit in einen sicheren Zustand geschaltet.

Aus der DE 31 46 328 C2 ist es bekannt, Leuchtdioden in Reihe mit einer Stromquelle zu betreiben, deren Ausgangsstrom von einer an der Stromquelle anliegenden Stromquellenspannung abhängt und die ab einer Grenzspannung der Stromquellenspannung einen konstanten Maximalstrom liefert.

Gemäß der DE 196 38 619 A1 wird der Spannungsabfall am eingeschalteten Leistungsschaltelement ausgewertet, wobei die Kollektor-Emitter-Spannung über eine Entkoppeldiode erfasst wird. Dadurch wird bei hohen Spannungen eine hohe Verlustleistung aufgrund parallel zum Leistungsschaltelement geschalteter Widerstände vermieden.

Aus der DE 196 43 014 C1 ist der Einsatz einer Stromquelle parallel zum Leistungsschaltelement bekannt, um vor dem Einschalten des Leistungsschaltelements einen eventuellen Last- Kurzschluss zu detektieren.

Sowohl die im Geräteschutz als auch die in der Umrichtertechnik eingesetzten Schalteinrichtungen bieten allerdings keine Möglichkeit zur zuverlässigen Unterscheidung zwischen einem Überlaststrom und einem Kurzschlussstrom. Diese Unterscheidung ist beispielsweise dann von Bedeutung, wenn für beide Störfälle unterschiedliche Reaktionen in der Betriebsführung vorgesehen sind. Außerdem besteht bei den vorstehend genannten Schalteinrichtungen nach Abschalten des Stromes kein direktes Signal für eine Zustandsüberwachung des elektrischen Betriebsmittels oder der Schalteinrichtung selbst zur Verfügung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement anzugeben, mittels der eine Unterscheidung zwischen einem Überlast- und einem Kurzschluss-Fall möglich ist. Außerdem soll auch bei abgeschaltetem Leistungsschaltelement eine Zustandsüberwachung in einfacher Weise möglich sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schalteinrichtung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement, das einen ersten und einen zweiten Hauptanschluss sowie einen Steueranschluss aufweist, handelt es sich um eine Schalteinrichtung, welche weiterhin mindestens:

  • - einen Parallelzweig zwischen dem ersten und zweiten Hauptanschluss,
  • - eine in dem Parallelzweig angeordnete Stromquelle, deren Ausgangsstrom von einer an der Stromquelle anliegenden Stromquellenspannung abhängt und die ab einer Grenzspannung der Stromquellenspannung einen konstanten Maximalstrom liefert, und
  • - eine im Parallelzweig seriell zur Stromquelle angeordnete Koppeleinheit umfasst, die mit dem Steueranschluss verbunden ist und bei Überschreiten einer Grenzstromstärke im Parallelzweig das Leistungsschaltelement über den Steueranschluss in einen zumindest vorläufig sicheren Betriebszustand schaltet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein sicheres Abschalten des Leistungsschaltelements im Störfall mittels einer sehr einfachen schaltungstechnischen Zusatzmaßnahme ebenso erreicht werden kann wie die Möglichkeit zur Störfallunterscheidung und zur fortwährenden einfachen Zustandsüberwachung auch im abgeschalteten Zustand des Leistungsschaltelements.

Das Leistungsschaltelement ist ausgelegt, im geschlossenen Zustand (= Durchlasszustand) einen hohen Nennstrom, der insbesondere in der Größenordnung von einigen 100 A liegen kann, zu führen. Im offenen Schaltzustand (= Sperrzustand) kann das Leistungsschaltelement dagegen eine hohe Sperrspannung, insbesondere in einer Größenordnung von mindestens einigen 100 V, aufnehmen. Für diese beiden Betriebszustände ist das Leistungsschaltelement ausgelegt.

Problematisch ist ein sich im Störfall einstellender Zustand, bei dem sowohl ein hoher Strom über das Leistungsschaltelement fließt, als auch eine hohe Spannung am Leistungsschaltelement ansteht. Die dadurch resultierende hohe Verlustleistung kann dann zur Zerstörung des Leistungsschaltelements führen. Um dies und gleichzeitig auch eine vorsorgliche Überdimensionierung des Leistungsschaltelements zu verhindern, ist eine zusätzliche Sicherungsmaßnahme zur Vermeidung dieses Betriebszustandes vorgesehen.

Diese vorteilhafte und zugleich sehr einfache schaltungstechnische Maßnahme besteht im Wesentlichen darin, die spannungsgesteuerte Stromquelle und die auf den Steueranschluss wirkende Koppeleinheit parallel zum Leistungsschaltelement zu schalten. Günstig ist hierbei insbesondere, dass der Ausgangsstrom der Stromquelle bei dieser Beschaltung von der am Leistungsschaltelement anstehenden Spannung abhängt. Diese Abhängigkeit gilt jedoch nur bis zu einer bestimmten Grenzspannung, ab der die Stromquelle nur noch einen konstanten Maximalstrom liefert. Im Parallelzweig wird damit eine auch im Störfall wirksame Strombegrenzung erreicht.

Die spannungsgesteuerte Stromquelle kann aufgrund der beschriebenen strombegrenzenden Wirkung auch in einem Kurzschluss- oder Überlastfall nicht durch eine zu hohe Verlustleistung zerstört werden. Je niedriger der Maximalstrom der Stromquelle eingestellt wird, um so kleiner ist auch die im Störfall von der Stromquelle sicher zu beherrschende Verlustleistung.

In der Koppeleinheit wird an dem steigenden Ausgangsstrom der Stromquelle erkannt, dass sich ein für das geschlossene Leistungsschaltelement gefährlicher Betriebszustand anbahnt. Erreicht der Ausgangsstrom der Stromquelle einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise den Maximalwert der Stromquelle, wird das Leistungsschaltelement mittels einer durch die Koppeleinheit veranlassten Ansteuerung des Steueranschlusses in einen betriebssicheren oder in einen zumindest vorläufig sicheren Zustand gebracht. Dies bedeutet, dass der Stromfluss über das Leistungsschaltelement zumindest auf einen Wert begrenzt wird, der zu einer im Leistungsschaltelement mindestens für eine gewisse Übergangszeit sicher beherrschbaren Verlustleistung führt. Das Leistungsschaltelement kann aber auch komplett abgeschaltet werden (kein Stromfluss mehr).

Selbst im Fall der Komplettabschaltung des Leistungsschaltelements bleibt im Parallelzweig ein Stromfluss erhalten, der allerdings auf den Maximalstrom des Parallelzweigs begrenzt ist. Außerdem kann im Störfall eine am Parallelzweig und damit auch am Leistungsschaltelement anstehende Spannung ermittelt und ausgewertet werden. Insbesondere kann anhand dieser gemessenen Spannung ein Kurzschlussfall von einem Überlastfall unterschieden werden. Während im Kurzschlussfall nämlich die komplette Betriebsspannung am Parallelzweig ansteht, teilt sich die Betriebsspannung im Überlastfall auf den Parallelzweig und die Überlast auf. Beide Störfälle sind somit auch bei in einen zumindest vorläufig sicheren Betriebszustand verbrachten Leistungsschaltelement eindeutig voneinander zu unterscheiden.

Die am Parallelzweig anstehende Spannung stellt eine einfach zu erfassende, direkte Beobachtungsgröße für eine Zustandsüberwachung dar, die beim Stand der Technik im Fall einer Komplettabschaltung des Leistungsschaltelements aufgrund des fehlenden Parallelzweigs nicht zur Verfügung steht. Alternativ zu der am kompletten Parallelzweig anstehenden Spannung kann auch nur die an der Stromquelle anstehende Spannung erfasst und ausgewertet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schalteinrichtung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Für die Koppeleinheit gibt es unterschiedliche Ausgestaltungen, die sich hinsichtlich der Ansteuerung des Steueranschlusses und der als Folge bewirkten Strombegrenzung im Leistungsschaltelement unterscheiden. In einer ersten Ausgestaltung ist die Koppeleinheit ausgelegt zur kompletten Abschaltung des Leistungsschaltelements und damit zur Unterbrechung des Stromflusses über das Leistungsschaltelement. Bei einer zweiten Ausführungsform ist die Koppeleinheit dagegen nur zu einer Strombegrenzung, nicht jedoch zu einer kompletten Stromabschaltung, ausgelegt. Die Stromreduzierung ist dabei an die von dem Schaltelement beherrschbare maximale Verlustleistung angepasst.

Bevorzugt ist eine Variante, bei der eine zusätzliche Spannungsmesseinheit zur Erfassung der am Leistungsschaltelement und am Parallelzweig anliegenden Spannung vorgesehen ist. Dadurch wird eine für die Zustandsüberwachung wichtige direkte Beobachtungsgröße ermittelt. Insbesondere, wenn wie bei einer weiteren Ausführungsform der von der Spannungsmesseinheit ermittelte Spannungsmesswert einer zusätzlich vorgesehenen Kontrolleinheit zugeführt wird, kann diese direkte Beobachtungsgröße in eine Zustandserkennung mit einbezogen werden. Dies ist auch bei in den zumindest vorläufig sicheren Betriebszustand geschaltetem Leistungsschaltelement, insbesondere also auch bei komplett abgeschaltetem Leistungsschaltelement, möglich. In der Kontrolleinheit wird der Spannungsmesswert ausgewertet. Das Ergebnis kann vorzugsweise in die weitere Betriebsführung einfließen.

Dies geschieht bei einer günstigen Ausführungsform mittels eines zusätzlichen Schaltelements, das in Serie zu dem Leistungsschaltelement und dem Parallelzweig geschaltet ist. Die Kontrolleinheit kann bei dieser Ausführungsform in Abhängigkeit von der Auswertung des Spannungsmesswertes einen Ausschaltbefehl an das zusätzliche Schaltelement erteilen. Dadurch ist es möglich, das Leistungsschaltelement auf schnelle Schalthandlungen während des normalen Betriebszustandes und im Störfall auf ein schnelles Schalten in einen zumindest vorläufig betriebssicheren Zustand auszulegen.

Das Leistungsschaltelement ist in der Lage, den zumindest vorläufig betriebssicheren Zustand so lange zu halten, bis das zusätzliche Schaltelement den Stromkreis komplett und endgültig sicher unterbricht. Das zusätzliche Schaltelement kann folglich eine wesentlich langsamere Ansprechzeit als das Leistungsschaltelement aufweisen. Hierfür kommt beispielsweise ein mechanischer Leistungsschalter in Betracht.

Der von der Spannungsmesseinheit ermittelte Spannungsmesswert kann jedoch auch einem anderen elektrischen Betriebsmittel, wie beispielsweise einem Motorschalter oder einer Stromversorgung, zur Verfügung gestellt werden. In diesen anderen Betriebsmitteln wird dann eine ähnliche Auswertung wie in der Kontrolleinheit vorgenommen. Insbesondere hängen die abgeleiteten Maßnahmen von dem spezifischen Betriebsmittel ab.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Leistungsschaltelement als Halbleiter-Leistungsschaltelement ausgebildet ist. Ein solches Halbleiter-Leistungsschaltelement zeichnet sich vor allem durch eine sehr schnelle Ansprechzeit aus und ist damit auf für einen Anwendungsfall mit einer geforderten hohen Schaltfrequenz von beispielsweise einigen 10 kHz geeignet. Bevorzugt kommt als Halbleiter-Leistungsschaltelement ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein Sperrschicht- Feldeffekttransistor, zum Einsatz.

Gerade bei einer Forderung nach hoher Sperrspannung und hohem Nennstrom ist es günstig, wenn das Leistungsschaltelement auf Basis des Halbleiter-Materials Siliciumcarbid (SiC) hergestellt ist. SiC hat ein sehr hohes intrinsisches Sperrvermögen. Mit diesem Halbleitermaterial kann aber auch eine sehr schnelle Ansprechzeit erreicht werden.

Die Stromquelle ist bei einer bevorzugten Variante als über einen Quellenwiderstand rückgekoppelter selbstleitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor ausgebildet. Diese Variante lässt sich besonders einfach aufbauen, insbesondere weil auf einen einfachen Sperrschicht-Feldeffekttransistor mit geringen Leistungsansforderungen zurückgegriffen werden kann. Die Strombegrenzung kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Quellwiderstands erfolgen.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der innerhalb der Koppeleinheit die Verbindung zwischen dem Parallelzweig und dem Steueranschluss des Leistungsschaltelements potentialgetrennt ausgeführt ist. Besonders einfach lässt sich eine derartige potentialgetrennte Verbindung mittels eines Optokopplers herstellen. Alternativ kann jedoch beispielsweise auch ein Trenntransformator oder ein Piezowandler zum Einsatz kommen.

Günstigerweise werden das Leistungsschaltelement und die Stromquelle so ausgelegt, dass der von der Stromquelle lieferbare Maximalstrom deutlich niedriger ist als der Nennstrom des Leistungsschaltelements. Insbesondere liegt der der Maximalstrom nur in einer Größenordnung, die erforderlich ist, um eine in einem Optokoppler enthaltene Leuchtdiode zur Lichtemission anzuregen, oder in der Größenordnung des Stroms, der am Steueranschluss des Leistungsschaltelements fließt. Die zu führende Stromstärke bestimmt unter anderem auch die geometrische Größe, insbesondere die erforderliche Fläche, der für die Stromquelle und das Leistungsschaltelement eingesetzten Bauelemente. Aufgrund der deutlich niedrigeren zu führenden Stromstärke kann für die Stromquelle ein kleines und preiswertes Standard-Bauelement eingesetzt werden. Andererseits braucht das Leistungsschaltelement aufgrund der Sicherungs- Beschaltung im Parallelzweig nicht für die im Störfall maximal zu erwartende Verlustleistung, die sich aus der Betriebsspannung und der Kurzschlussstromstärke errechnet, ausgelegt werden. Dadurch reduzieren sich sowohl der Flächenbedarf als auch die Kosten des Leistungsschaltelements.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit einer an einer Betriebsspannung betriebenen Last sowie einer zwischengeschalteten Schalteinrichtung und

Fig. 2 eine Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Schalteinrichtung.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung 100 dargestellt, bei der eine Last 5 an einer Betriebsspannung UB betrieben wird.

Zwischen der nur schematisch angedeuteten Einspeisungsstelle der Betriebsspannung UB und die Last 5 ist eine Schaltungseinrichtung 200 geschaltet. Diese beinhaltet ein Leistungsschaltelement 10 sowie in einem parallel dazu angeordneten Parallelzweig 15 eine Reihenschaltung einer Stromquelle 20 und einer Koppeleinheit 30. Die Koppeleinheit 30 ist mit einem Steueranschluss 13 des Leistungsschaltelements 10 verbunden. Das Leistungsschaltelement 10 hat darüber hinaus einen ersten und zweiten Hauptanschluss 11 bzw. 12. Im eingeschalteten Zustand fließt über die Hauptanschlüsse 11 und 12 ein Strom I10 durch das Leistungsschaltelement 10. Das Leistungsschaltelement 10 ist ausgelegt für einen Nennstrom I10N, beispielsweise in Höhe von 100 A. Zwischen den beiden Hauptanschlüssen 11 und 12 fällt am Leistungsschaltelement 10 eine Spannung U10 ab. Das Leistungsschaltelement 10 ist weiterhin so ausgelegt, dass im Sperrzustand, d. h. im ausgeschalteten Zustand, zwischen den beiden Hauptanschlüssen 11 und 12 eine maximale Sperrspannung aufgenommen werden kann, die insbesondere höher ist als die Betriebsspannung UB.

Die Spannung U10 steht auch am Parallelzweig 15, der von einem Strom I15 durchflossen wird, an. Der Stromfluss im Parallelzweig wird dabei insbesondere durch eine an der Stromquelle 20 anstehende Quellspannung UQ bestimmt. Diese ist abgesehen von einem kleinen Spannungsabfall an der Koppeleinheit 30 identisch mit der Spannung U10. Die am Leistungsschaltelement 10 anstehende Spannung U10 bestimmt also auch den Strom I15 im Parallelzweig 15. Mit steigender Spannung U10 nimmt auch der Strom I15 zu. Dies gilt jedoch nur bis zu einem Maximalstrom I15M, auf den der Ausgangsstrom der Stromquelle 20 begrenzt ist.

Der Parallelzweig 15 stellt eine Sicherungsbeschaltung des Schaltelements 10 dar, die im Störfall, d. h. im Kurzschlussfall oder im Überlastfall, für eine Umschaltung des Leistungsschaltelements 10 in einen sicheren Betriebszustand sorgt. Dadurch soll eine unzulässig hohe Verlustleistung und eine gegebenenfalls daraus resultierende Zerstörung des Leistungsschaltelementes 10 verhindert werden.

Die Umschaltung des Schaltelements 10 erfolgt durch die Koppeleinheit 30, sobald der Strom I15 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Dieser Grenzwert kann beispielsweise auch erst der von der Stromquelle 20 maximal gelieferte Ausgangsstrom I15M sein. Ein niedrigerer Grenzwert ist jedoch grundsätzlich ebenso gut möglich. Die Koppeleinheit 30 bewirkt je nach Auslegung entweder eine Strombegrenzung im Schaltelement 10 oder eine komplette Abschaltung des Schaltelements 10.

Auch im Falle einer kompletten Abschaltung des Schaltelements 10 ist über den Parallelzweig 15 weiterhin ein allerdings durch die Stromquelle 20 auf den Maximalstrom I15M begrenzter Stromfluss über die Schalteinrichtung 200 gewährleistet. Damit stellt sich je nach Art und Weise des Störfalls (Kurzschluss oder Überlast) eine spezifische Spannung U10 am offenen Leistungsschaltelement 10 und damit auch am Parallelzweig 15 ein. Nur im Kurzschlussfall ist die sich einstellende Spannung U10 gleich der Betriebsspannung UB. Im Überlastfall kommt es zu einer für den Grad der Überlastung charakteristischen Aufteilung der Betriebsspannung UB auf die Last 5 und die Schalteinrichtung 200. Mit der Spannung U10 steht also im Störfall eine direkte Beobachtungsgröße für eine Zustandserkennung zur Verfügung. Diese Möglichkeit bieten andere bekannte Schalteinrichtungen nicht.

Zur Erfassung der direkten Beobachtungsgröße ist eine Spannungsmesseinheit 40 parallel zum Leistungsschaltelement 10 geschaltet. Anhand eines von der Spannungsmesseinheit 40 ermittelten Spannungsmesswerts M für die Spannung U10 wird in einer Kontrolleinheit 50 eine Auswertung, insbesondere eine Zustandsüberwachung der Schalteinrichtung 200 sowie der kompletten Schaltanordnung 100, vorgenommen. Je nach Ergebnis dieser Zustandsüberwachung werden in der Kontrolleinheit 50 weitere Maßnahmen zur Betriebsführung angestoßen. Insbesondere kann auch eine endgültig sichere Trennung der Last 5 von der Betriebsspannung UB mittels eines zusätzlichen Schaltelements 60, das über die Kontrolleinheit 50 angesteuert wird, veranlasst werden. Das Schaltelement 60 ist beispielsweise als elektromechanischer Leistungsschalter ausgebildet. Andere Schaltelemente, wie z. B. ein mechanischer Trennschalter, sind ebenfalls möglich.

Da die Schaltungsanordnung 100 bereits über die Umschaltung des Leistungsschaltelements 10 in einen zumindest vorläufig betriebssicheren Zustand geschaltet worden ist, kann die Ansprechzeit des zusätzlichen Schaltelements 60 einen verhältnismäßig hohen Wert annehmen, beispielsweise mehr als 1 ms. Das Schaltelement 10 wird dagegen über die Sicherungs-Beschaltung im Parallelzweig 15 binnen einer sehr kurzen Zeitspanne, beispielsweise innerhalb von 10 µs, in den vorläufig betriebssicheren Zustand geschaltet. Unter vorläufig betriebssicher ist hierbei ein Zustand zu verstehen, den das Schaltelement 10 eine gewisse Zeit lang, aber gegebenenfalls nicht beliebig lange einnehmen kann, ohne zerstört zu werden.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Schalteinrichtung 201 zum Einsatz in der Schaltungsanordnung 100 von Fig. 1 dargestellt. Das Schaltelement 10 beinhaltet als wesentliche Komponente einen selbstleitenden Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1. Besonders geeignet ist hierbei ein aus Siliciumcarbid (SiC) aufgebauter Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1. Der grundsätzliche interne Aufbau des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T1 aus SiC kann dabei einer der in der US 6,034,385 oder in der DE 198 33 214 C1 beschriebenen Strukturen entsprechen. Ein anderer Aufbau ist jedoch ebenfalls grundsätzlich möglich.

Das Schaltelement 10 hat in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 eine parallel zu dem Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 geschaltete und in Rückwärtsrichtung gepolte Schutzdiode D1. Sie schützt den Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 beim Betrieb in Rückwärtsrichtung vor Zerstörung. Die Schutzdiode D1 kann entweder als gesonderte externe Diode oder auch als im Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 integriert vorhandene Body-Diode ausgebildet sein. Bei einem Anwendungsfall in der Umrichtertechnik kann die Schutzdiode D1 auch als Freilaufdiode ausgeführt sein. Sowohl der Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 als auch die Schutzdiode D1 sind für eine Sperrspannung ausgelegt, die größer als die Betriebsspannung UB ist.

Die Stromquelle 20 ist im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 als ein über einen Quellwiderstand R2 zurückgekoppelter selbstleitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor T2 ausgebildet. Durch den Quellwiderstand R2 wird der Arbeitspunkt des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T2 über die Rückwirkung auf den Gate-Anschluss des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T2 festgelegt. Es ergibt sich aufgrund des Sättigungsverhaltens des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T2 eine Kennlinie mit Strombegrenzung. Der Maximalstrom I15M wird dann durch die Charakteristik des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T2 und den Wert des Quellwiderstands R2 bestimmt. Auch der Sperrschicht-Feldeffekttransistor T2 weist eine Sperrspannung auf, die größer als die Betriebsspannung UB ist.

Bei geschlossenem Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 (= Durchlasszustand) fällt im normalen Betriebszustand sowohl am Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 als auch am Sperrschicht-Feldeffekttransistor T2 nur eine geringe Durchlassspannung ab. Diese Spannung ist so niedrig, dass es in dem Parallelzweig 15 zu keinem nennenswerten Stromfluss kommt. Steigt jedoch die am Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 anstehende Spannung U10 und damit auch die Stromquellenspannung UQ infolge eines Störfalls an, fließt auch in dem Parallelzweig ein zunehmender Strom I15. Dessen Wert steigt so lange an, bis er schließlich den durch die Sättigung des Feldeffekt-Sperrschichttransistors T2 bedingten Maximalwert I15M erreicht hat. Ab einem bestimmten Grenzwert, im vorliegenden Fall bei Erreichen des Maximalstroms I15M, wird ein in der Koppeleinheit 30 vorgesehener Optokoppler 31 angeregt. Der über eine Leuchtdiode L3 fließende Maximalstrom I15M ruft eine Lichtemission hervor und führt zu einer Aufsteuerung eines mit dem Steueranschluss 13 verbundenen Standard-Niedervolttransistors T3. Der Niedervolttransistor T3 ist als Phototransistor ausgebildet. Bei aufgesteuertem Niedervolttransistor T3 steht eine Hilfsspannung UH einer Hilfsspannungsquelle 32 an dem Steueranschluss 13 an, wodurch der Sperrschicht- Feldeffekttransistor T1 abgeschaltet wird. Ein zusätzlich zwischen dem Steueranschluss 13 und dem zweiten Hauptanschluss 12 vorgesehener Koppelwiderstand R3 bewirkt am Steueranschluss 13 bei aufgesteuertem und bei sperrendem Niedervolttransistor T3 eine definierte Potentialeinstellung.

Die in Fig. 2 gezeigte Schalteinrichtung 201 hat den Vorteil, dass für ein Zurückschalten des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T1 in den eingeschalteten Zustand kein externes Steuersignal, beispielsweise in Form eines Rücksetz- Signals, erforderlich ist. Geht nämlich aufgrund einer nachlassenden Überlastung auch die am Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 abfallende Spannung U10 und damit verbunden die Quellenspannung UQ zurück, so reduziert sich auch der im Parallelzweig 15 fließende Strom I15. Damit sinkt der Strom I15 unter den Grenzwert, ab dem die Leuchtdiode L3 Licht emittiert und den Niedervolttransistor T3 aufsteuert. Als Folge fällt der Niedervolttransistor T3 in den Sperrzustand zurück und trennt die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Hilfsspannungsquelle 32 und dem Steueranschluss 13, so dass der Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 wieder in seinen leitenden Zustand geschaltet wird.

Die Beschaltung im Parallelzweig 15 stellt somit eine robuste und in weiten Grenzen einstellbare elektronische Sicherung für das Leistungsschaltelement 10 dar. Die Schalteinrichtung 201 ist darüber hinaus in sehr kompakter Weise zu realisieren. Insbesondere können die beiden Sperrschicht-Feldeffekttransistoren T1 und T2 auch auf demselben Halbleitersubstrat, beispielsweise auf einem SiC-Substrat, realisiert werden. Die gegebenenfalls erforderliche Potentialtrennung kann in diesem Fall durch einen Isolationsgraben erreicht werden. Weitgehende Einstellungsmöglichkeiten ergeben sich auch für die Art und Weise der Ansteuerung des Sperrschicht-Feldeffekttransistors T1 mittels der Koppeleinheit 30. Durch geeignete Wahl der Hilfsspannung UH, des Niedervolttransistors T3 und des Koppelwiderstandes R3 kann der Sperrschicht-Feldeffekttransistor T1 im Störfall komplett abgeschaltet oder je nach Bedarf auch nur in seinem Stromfluss begrenzt werden. Der Wert, auf den der Strom I10 dann gegebenenfalls begrenzt wird, lässt sich ebenfalls durch die bereits genannten Parameter einstellen.


Anspruch[de]
  1. 1. Schalteinrichtung mit einem gegen Überlast gesicherten Leistungsschaltelement (10), das einen ersten und zweiten Hauptanschluss (11, 12) sowie einen Steueranschluss (13) aufweist, welche Schaltungseinrichtung weiterhin mindestens

    einen Parallelzweig (15) zwischen dem ersten und zweiten Hauptanschluss (11, 12),

    eine in dem Parallelzweig (15) angeordnete Stromquelle (20), deren Ausgangsstrom (I15) von einer an der Stromquelle (20) anliegenden Stromquellenspannung (UQ) abhängt und die ab einer Grenzspannung der Stromquellenspannung (UQ) einen konstanten Maximalstrom (I15M) liefert, und

    eine im Parallelzweig (15) seriell zur Stromquelle (20) angeordnete Koppeleinheit (30), die mit dem Steueranschluss (13) verbunden ist und bei Überschreiten einer Grenzstromstärke im Parallelzweig (15) das Leistungsschaltelement (10) über den Steueranschluss (13) in einen zumindest vorläufig sicheren Betriebszustand schaltet,

    umfasst.
  2. 2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Koppeleinheit (30) zur Abschaltung des Leistungsschaltelements (10) ausgebildet ist.
  3. 3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Koppeleinheit (30) zur Begrenzung des durch das Leistungsschaltelement (10) fließenden Stroms (I10) ausgebildet ist.
  4. 4. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Spannungsmesseinheit (40) vorgesehen ist, die einen Spannungsmesswert (M) für die am Leistungsschaltelement (10) und am Parallelzweig (15) anliegende Spannung (U10) erfasst.
  5. 5. Schalteinrichtung nach Anspruch 4, bei der eine Kontrolleinheit (50) vorgesehen ist, die mit der Spannungsmesseinheit (40) verbunden ist.
  6. 6. Schalteinrichtung nach Anspruch 5, bei der die Kontrolleinheit (50) bei in zumindest vorläufig sicheren Betriebszustand geschaltetem Leistungsschaltelement (10) anhand des Spannungsmesswertes (M) eine Zustandsüberwachung durchführt.
  7. 7. Schalteinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Kontrolleinheit (50) mit einem zusätzlichen Schaltelement (60), das dem Leistungsschaltelement (10) und dem Parallelzweig (15) vorgeschaltet ist, verbunden ist und zu einer von einer durchgeführten Zustandserkennung abhängigen Ansteuerung des zusätzlichen Schaltelements (60) ausgebildet ist.
  8. 8. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Leistungsschaltelement (10) ein Halbleiter-Leistungsschaltelement (T1) ist.
  9. 9. Schalteinrichtung nach Anspruch 8, bei der das Halbleiter- Leistungsschaltelement (T1) ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ist.
  10. 10. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stromquelle (20) als über einen Quellenwiderstand (R2) rückgekoppelter selbstleitender Sperrschicht- Feldeffekttransistor (T2) ausgebildet ist.
  11. 11. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Koppeleinheit (30) eine potentialgetrennte Verbindung zwischen dem Anschluss an den Parallelzweig (15) und dem Anschluss zum Steueranschluss (13) beinhaltet.
  12. 12. Schalteinrichtung nach Anspruch 11, bei der die potentialgetrennte Verbindung als Optokoppler (31) ausgebildet ist.
  13. 13. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stromquelle (20) für einen Maximalstrom (I15M). ausgelegt ist, der niedriger ist als ein Nennstrom (I10N) des Leistungsschaltelements (10).






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