Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz einer aus einem Versorgungsnetz zu betreibenden Einheit gegen Überspannungen mit einem Eingang mit erstem und zweitem Eingangsanschluss, die mit dem Versorgungsnetz In Verbindung stehen, und einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss, an denen die zu schützende Einheit anschließbar ist, sowie mit einer Schutzschaltung, die zwischen erstem und zweitem

Eingangsanschluss vorgesehen ist, um die an ihr anliegende Spannung zu begrenzen _» gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1»

Aus der EP 0431 215 AI ist ein Verfahren und eine Anordnung zum Schutz eines abschaltbaren Thyristors vor unzulässiger Überspannung vorbekannt. Gemäß der dortigen Lehre wird die Anodenspannung des abschaltbaren

Thyristors in Bezug auf seine Kathodenspannung überwacht und bei Überschreitung eines vorbestimmten Grenzwertes ein Steuersignal generiert, wodurch die am Gate des abschaltbaren Thyristors angeschaltete negative

Spannungsquelle abgeschaltet und der abschaltbare Thyristor mittels des

Einschaltkreises eingeschaltet wird. Auf diese Weise sind abschaltbare

Thyristoren vor unzulässiger Überspannung schützbar.

Die DE 103 38921 AI offenbart eine Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Stoßspannungen. Der dortigen Aufgabenstellung liegt das Problem zugrunde, Geräte gegen Stoßspannungen, die z.B. durch Blitzschlag auf einem

Spannungsnetz entstehen, zu schützen.

Die diesbezüglich vorgesehene Schutzschaltung umfasst neben einer

Begrenzungsvorrichtung eine Schalteranordnung. Die Schalteranordnung umfasst ein Schaltelement und eine Ansteuerungsschaltung für das

Schaltelement, wobei, um eine ausreichend präzise Dimensionierung

sicherzustellen, das Schaltelement als Halbleiterbauelement ausgebildet ist. Die Schaltervorrichtung und die Begrenzungsvorrichtung sind seriell

angeordnet und so ausgelegt, dass bei einem vorgebbaren ersten

Auslösekriterium die Schaltervorrichtung leitend wird und bei einem

vorgegebenen zweiten Auslösekriterium sperrt.

Als Begrenzungsvorrichtung wird ein Varistor und/oder ein ohmscher

Widerstand und/oder eine Zenerdiode eingesetzt. Das Schaltelement ist beispielsweise als Triac und/oder Diac oder als Thyristor oder aber IGBT

(Insolated Gate Bipolar Transistor) ausgeführt.

Allen Ausführungsformen gemäß DE 103 38921 AI ist gemeinsam, dass das begrenzende Element als Varistor, Widerstand oder Zenerdiode zu realisieren ist.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Schaltungsanordnung zum Schutz einer aus einem Versorgungsnetz zu betreibenden Einheit gegen Überspannungen anzugeben, welche über ein sehr schnelles, sicheres und reproduzierbares Ansprechverhalten verfügt und die in einfacher Weise mit überschaubaren Kosten realisierbar sowie in elektronischen Baugruppen integrierbar ist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Schaltungsanordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird von dem Grundgedanken

ausgegangen, einen Leistungshalbleiter als Überspannungsbegrenzendes Element unmittelbar einzusetzen und hierbei den Leistungshalbleiter im

Clampingmodus zu betreiben. Erfindungsgemäß wird der eingesetzte

Leistungshalbleiter über eine Reihenschaltung aus z.B. einem Diac oder einer Thyristordiode und einer TVS bzw. Zenerdiode angesteuert.

Der Halbleiter selbst ist dabei im Querzweig vorgesehen, wobei die

Ansteuerschaltung bezogen auf den Leistungshalbleiter lediglich der

Überspannungserkennung und der Aktivierung des Halbleiters dient. Der eingesetzte Leistungshalbleiter wird damit sowohl als schaltendes als auch als eigentlich begrenzendes Element genutzt und realisiert in diesem Sinne ein« Doppelfunktion.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Schutzschaltung über eine mit dem Eingang in Verbindung stehende Diodenbrücke gespeist, so dass negative, aber auch positive Überspannungsimpulse bzw. entsprechende Stoßströme erkenn- und ableitbar sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist dem Leistungshalbleiter zum Zweck der Stromaufteilung ein Thyristor parallel geschalten.

Zwischen der Kathode des Thyristors und dem Emitter des Leistungshalbleiters kann noch ein Löschkondensator vorgesehen sein.

Zum Zweck der Spannungsbegrenzung wird demnach der Leistungshalbleiter passiv gesteuert und ausschließlich im Clampingmodus betrieben. Das

Clampingelement besteht aus einer Reihenschaltung von einem Diac und einem Zenerelement, wobei die Summe der Zener- und der Diac-Spannung die

Clampingspannung ergibt. Diese wird knapp über die maximale netzfrequente Spannung, die einige Sekunden anliegen kann, d.h. die sogenannte TOV- Spannung, gelegt. Somit wird der Schutzpegel auf seinen minimal möglichen Wert einstellbar. Die ansonsten übliche Auslegung von 90% unterhalb der maximalen Spannung des Leistungshalbleiters muss nicht eingehalten werden.

Im Fall eines Auftretens einer Überspannung ergibt sich eine Clampingspannung von U _c i _am p = U _G + U _d iac + U zener -

Nach Überschreiten der Durchbruchspannung, z.B. nach ca. 1 ps wird der Diac leitend und es bricht die Clampingspannung zusammen. Damit ergibt sich

Uclamp ~ U G + U _lener .

Wenn die Zenerspannung genau auf die Netzspannung gelegt wird, ergibt sich ein deutlich reduzierter Energieumsatz während des Ableitvorgangs im

Leistungshalbleiter.

Mit der erwähnten Parallelschaltung des Thyristors ist eine weitere Erhöhung der Stoßstromtragfähigkeit möglich . In diesem Fall übernimmt der Leistungshalbleiter, insbesondere ein IGBT den Stoßstrom im Clampingmodus, bis der Thyristor zündet.

Danach übernim mt der Thyristor wegen seiner niedrigeren Durchlassspannung den vollen Stoßstrom.

Der erwähnte, mit dem Thyristor in Reihe geschaltete Kondensator lädt sich bis auf die Netzspannung auf. Hierdurch wird der Haltestrom des Thyristors unterschritten und dieser sperrt.

Weiterhin kann ausgestaltend der Kondensator zur Impulsauswertung genutzt werden . Je nachdem, wie weit dieser nach dem Überspannungsimpuls eine Ladung aufweist, kann ein Rückschluss auf die Energiemenge des Impulses gezogen werden.

Die Erfindung geht also von einer Schaltungsanordnung zum Schutz einer aus einem Versorgungsnetz zu betreibenden Einheit gegen Überspannungen mit einem Eingang mit erstem und zweitem Eingangsanschluss aus, die mit dem Versorgungsnetz in Verbindung stehen. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Ausgangs- anschluss auf, an denen die zu schützende Einheit anschließbar ist. Weiterhin ist eine Schutzschaltung vorgesehen, die zwischen erstem und zweitem

Eingangsanschluss befindlich ist, um die an ihr anliegende Spannung zu begrenzen .

Erfindungsgemäß weist die Schutzschaltung einen Leistungshalbleiter, insbesondere einen IGBT auf, wobei zwischen Kollektor und Gate des

Leistungshalbleiters eine Reihenschaltung aus einem Diac, d . h. einer

Zweirichtungsdiode, und einem Zenerelement angeschlossen ist, wobei die Summe der Zener- und der Diac-Spannung eine Clampingspannung für den Leistungshalbleiter ergibt, welche oberhalb der Spannung des Versorgungsnetzes liegt und den Schutzpegel definiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Schutzschaltung über eine Diodenbrücke gespeist. Hierdurch kann ein Leistungshalbleiter- Bauelement eingespart werden, indem die relevante Überspannung bzw. ein auftretender Stoßstrom gleichgerichtet wird und zur Ansteuerung des

(einzigen) Leistungshalbleiters Anwendung findet.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, wonach dem Leistungshalbleiter zur

Stromaufteilung bzw. zur Stromübernahme ein Thyristor parallel geschalten ist, wird die Anode des Thyristors am Kollektor und die Kathode des Thyristors am Emitter des Leistungshalbleiters angeschlossen, wobei das Gate des

Thyristors mit dem Gate des Leistungshalbleiters in Verbindung steht,

Der Löschkondensator wird zweckmäßigerweise zwischen der Kathode des

Thyristors und dem Emitter des Leistungshalbleiters geschalten.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipschaltung zum Schutz einer Einheit gegen Überspannungen mit einem IG BT als Leistungshalbleiter;

Fig. 2 eine Ausführungsform der Schutzschaltung, die über eine mit dem

Eingang in Verbindung stehende Diodenbrücke gespeist wird, und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Schutzschaltung mit einem dem

Leistungshalbleiter parallel geschalteten Thyristor.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, besteht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung .zum Schutz einer aus einem Versorgungsnetz zu betreibenden

Einheit gegen Überspannungen aus einem Leistungshalbleiter, beispielsweise oder bevorzugt einem IG BT.

Der Leistungshalbleiter weist zwischen seinem Kollektor und seinem Gate eine Reihenschaltung aus einem Diac (Zweirichtungsdiode) und einem Zenerelement ZE auf, wobei die Summe der Zener- und der Diac-Spannung eine Clamping- spannung für den Leistungshalbleiter IGBT ergibt, welche oberhalb der

Spannung des Versorgungsnetzes liegt und den Schutzpegel definiert. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig, 2 ist wiederum ein Diac D2 mit einem Zenerelement Di in Reihe geschalten, wobei diese Reihenschaltung zwischen dem Gate und dem Kollektor eines Halbleiterschalters HS liegt. Die Ansteuerschaltung umfasst bei dieser Ausführungsform noch einen Widerstand Ri zwischen Gate und Emitter des Halbleiterschalters HS. Der Widerstand Ri dient der Entstörung des Gates, aber auch zum Entladen und damit zum

Abschalten des Transistors nach einem Überspannungsereignis,

Zusätzlich ist eine Diodenbrücke DB vorhanden, so dass negative und positive Überspannungsimpulse verarbeitbar sind. Das Versorgungsnetz ist in den Fig, 2 und 3 mit dem Bezugszeichen 1 und die gegen Überspannung zu schützende Einheit mit dem Bezugszeichen 2 (Verbraucher) gekennzeichnet.

Bei der Darstellung nach Fig. 3 liegt eine Ansteuerschaltung analog derjenigen nach Fig. 2 vor, wiederum umfassend einen Diac D2 sowie ein Zenerelement Dl und einen Halbleiterschalter HS.

Dem Leistungshalbteiter HS ist ein Thyristor TH parallel geschalten.

Konkret ist die Anode des Thyristors TH am Kollektor und die Kathode des Thyristors TH am Emitter des Leistungshaibleiters HS angeschlossen, wobei das Gate des Thyristors TH mit dem Gate des Leistungshaibleiters HS in

Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist zwischen der Kathode des Thyristors TH und dem Emitter des Leistungshaibleiters HS noch ein Löschkondensator Cl vorgesehen.

Bei dieser Ausführungsform dient der geciampte Halbleiterschalter,

insbesondere ausgeführt als IG BT, als Triggereinheit für den Thyristor, wobei der Kondensator Cl eine Löschung des Thyristors bewirkt.

Gleichzeitig kann der Kondensator Cl als Impulsauswerteeinheit herangezogen werden. Diesbezüglich besteht die Möglichkeit, eine Spitzenwerterfassung des Impulses oder eine Ladungsintegration zur Ermittlung des Energieinhalts des Störimpulses vorzunehmen.