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, an dem 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, wobei die Schutzschaltung einen Leistungshalbleiter aufweist, gemäß der Lehre der nebengeordneten

Ansprüche 1, 2, 3 und 5,

Aus der EP 0 431 215 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 Grenzwerts ein Steuersignal generiert, wodurch die am Gate des abschaltbaren Thyristors angeschaltete negative Spannungsquelle abgeschaltet und der Thyristor mitteis eines Einschaltkreises eingeschaltet wird.

Die DE 103 38 921 AI zeigt eine Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Stoßspannungen. Gemäß der dortigen Aufgabenstellung liegt das Problem zugrunde, Geräte gegen Stoßspannungen, die z.B. durch Blitzschlag auf einem Spannungsnetz entstehen, zu schützen. Die vorgesehene

Schutzschaltung umfasst neben einer Begrenzungsvorrichtung eine

Schalteranordnung. Die Schalteranordnung umfasst ein Schaltelement und eine Änsteuerurtgsschaltung 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 zweiten Auslösekriterium sperrt. Aus der DE 10 2010 054 402 AI ist eine Schaltung zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers gegen Überspannungen vorbekannt, wobei zur Erhöhung der Begrenzungsspannung eine zweite Zenerdiode zu einem Shunt- Regler in Reihe geschalten ist, Die zweite Zenerdiode erhöht die übliche Referenzspannung um ihre Durchbruchspannung.

Zum Stand der Technik ist noch auf die EP 2 340 593 Bl zu verweisen, die eine mehrstufige Überspannungsschutzschaltung offenbart, welche sich automatisch auf die anliegende Betriebsspannung einstellen kann. Beim unzulässigen Überschreiten der Betriebsspannung erfolgt eine Begrenzung des Spannungspegels. Bei der diesbezüglich vorbekannten Lösung wird beim Vorliegen einer transienten Überspannung ein dort vorhandener Transistor steilheitsabhängig über einen Hochpass eingeschaltet. Hierzu ist ein

Längswiderstand erforderlich, um einen entsprechenden Spannungsabfall zur Steuerung des Transistors zu generieren .

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 auf der Basis einer Schutzschaltung mit Leistungshalbleitern und einem diesbezüglich Clamping-Betrieb des Leistungshalbleiters in der Lage ist, in einfacher Weise Anpassungen des Schutzpegels sowohl abgestuft als auch stufenlos in passiver oder aktiver Weise zu ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt jeweils durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1, 2, 3 und 5, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.

Die Erfindungslehre geht davon aus, dass durch die Variation der

Zenerspannung eines an sich bekannten Clampingelements bei einem

Leistungshalbleiter, insbesondere einem IGBT, der als Überspannungsbegrenzendes Element eingesetzt wird, der jeweilige Schutzpegel definierbar ist.

Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die Schutzschaltung einen Leistungshalbleiter, wobei zwischen Kollektor und Gate des Leistungshalbleiters mindestens ein Zenerelement, z.B. eine TVS-Diode, angeschlossen ist, wobei die Zenerspannung eine Clampingspannung für den Leistungs- Halbleiter ergibt. Erfindungsgemäß sind bei dieser Ausführungsform mehrere Zenerelemente in Reihe geschalten, wobei je nach Momentanwert der

Spannung des Versorgungsnetzes mindestens eines der Zenerelemente in den leitenden Zustand übergeht und hiermit eine automatische Anpassung des Schutzpegels erfolgen kann.

Im Fall einer Überspannung mit einer Steilheit, die die eingestellte Ansprechsteilheit übersteigt, steigt die Spannung über dem Widerstand R2 an und es wird der Leistungshalbleiter IG BT aufgesteuert. Die erläuterte Ausführungsform stellt eine Kombination von steilheitsabhängigen Ansprechen mit statischer Schutzpegelanpassung dar.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Zenerelement Bestandteil eines zwischen Gate und Kollektor des Leistungshalbleiters angeschlossenen Linearreglers, welcher der Spannung des Versorgungsnetzes folgt, um den Schutzpegel auf dem Spannungspegel der Netzspannung zu halten .

Dem Spannungsregler wird gezielt eine Trägheit im Sinne einer Totzeit implementiert, um eine Signalanpassung bei schnellen transienten

Überspannungen zu blockieren . Stattdessen fließt ein Strom in Richtung des Gates des Leistungshalbleiters und steuert diesen an .

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist eine Gruppe von, dem Zenerelement parallel zuschaltbaren, weiteren Zenerelementen vorgesehen, welche von einer Treibereinheit aktivierbar sind . Die Treibereinheit steht jeweils mit dem Eingang eines Transistorschalters in Verbindung, dem jeweifs eines der weiteren Zenerelemente ausgangsseitig zugeordnet ist.

Bei dieser Ausführungsform wird die Treibereinheit von einem Mikrokontroller angesteuert, welcher den Momentanwert der Spannung des

Versorgungsnetzes bestimmt und über die Treibereinheit den jeweils geeigneten Transistorschaiter zur Schutzpegelanpassung ansteuert bzw.

aktiviert.

Bei der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lehre weist die Schutzschaltung ebenfalls einen Leistungshalbleiter auf, wobei zwischen Kollektor und Gate des Leistungshalbleiters ein Digital-Analog-Wandler angeordnet ist, dessen digitaler Eingang mit dem Ausgang eines Mikrokontrollers in Virbindung steht. Am Mikrokontrolier ist eingangsseitig eine Verbindung zum Versorgungsnetz geschaffen, wobei über den analogen Ausgang des Digital -Ana log-Wandlers der Schutzpegel der Schaltung

vorgebbar ist.

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

Hierbei zeigen ;

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der ersten Ausführungsform der Erfindung mit mehreren in Reihe geschatteten Zenerelementen TVS1 bis TVSn im Sinne einer elektronischen Stufenschaltung;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer schaltungsseitigen Ausführungsform mit einem Linearregler als steuerbarer Spannungsquelle zur Einstellung des Schutzpegels;

Fig . 3 eine Prinzipdarstell ung einer Schaltungsanordnung gemäß der dritten

Ausführungsform der Erfindung, wobei einem ersten Zenerelement weitere Zenerelemente parallel zuschaltbar sind, wobei diese weiteren Zenerelemente über eine Treibereinheit aktiviert werden können und diesbezüglich Thyristorschalter vorgesehen sind, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild der vierten Ausführungsform der Erfindung mit einer aktiven stufenlosen Schutzpegelanpassung unter Nutzung eines Digital- Analog-Wandlers, welcher zwischen Gate und Kollektor des Leistungshalbleiters (IGBT) geschalten ist und dessen Digitaleingang mit einem Mikrokontrolier in Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform nach Fig . 1 umfasst die Schutzschaltung einen Leistungshalbleiter IGBT. Zwischen Kollektor und Gate des IGBT sind mehrere Zenerelemente TVS1 bis TVSn vorgesehen . An den Knotenpunkten der

Reihenschaltung sind schaltungstechnische Mittel vorgesehen, um je nach aktuellem Momentanwert der Netzspannung eines oder mehrere der

Zenerelemente TVS1 bis TVSn leitend werden zu lassen, um somit den

Schutzpegel zu bestimmen . Die Schutzschaltung wird wie auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen über eine mit dem Eingang L; N in Verbindung stehende Diodenbrücke DB gespeist, so dass negative und positive

Überspannungsimpulse erkenn- und ableitbar sind. Ebenfalls ist bei allen Ausführungsformen der Leistungshalbleiter IGST als aktives

Überspannungsschutzelement ausgestaltet.

Es kommt demnach zu einem steilheitsabhängigen Ansprechen _. , wobei eine statische Schutzpegelanpassung bei der Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehen ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird der Schutzpegel durch eine steuerbare Spannungsquelle SQ eingestellt. Die steuerbare Spannungsquelle ist, wie in der Detaildarstellung nach Fig. 2 gezeigt, bevorzugt als

Linearregler ausbildbar, dessen Ausgang mit dem Zenerelement TVS in

Verbindung steht.

Der zwischen Kollektor und Gate angeschlossene Linearregler folgt der Spannung des Netzes L; N, so dass der Schutzpegel immer auf dem Pegel der

Netzspannung liegt. Eine Aktivierung dieser Schaltung erfolgt bei transienten Spannungsänderungen . Über den Regler wird gezielt eine Totzeit implementiert, um eine Signalanpassung bei schnellen transienten Überspannungen zu blockieren. Vielmehr fließt stattdessen ein Strom in Richtung des Gates des Leistungshalbleiters, um diesen anzusteuern.

Die Darstellungen nach den Fig . 3 und 4 zeigen die Möglichkeit, durch Einsatz eines intelligenten Treibers, insbesondere unter Nutzung eines Mikro- kontrollers pC, den Schutzpegel an die aktuelle Netzspannung anzupassen, indem jeweils das Zenerelement bzw. dessen Eigenschaften variiert werden . Dies ist durch die in der Fig . 3 gezeigte erste Variante und durch die in der Fig . 4 zweite Variante möglich.

Bei der Variante nach Fig. 3 bestimmt der Mikrokontroller pC den Momentanwert der Netzspannung L; N und schaltet eines der Zenerelemente TVS1; TVS 2; TVSn zwischen Kollektor und Gate des IGBT. Beispielhafte Schutzpegel sind durch die Spannungsangaben neben den Elementen TVS1 bis TVSn angedeutet. Das Schalten der jeweiligen Elemente TVS1 bis TVSn erfolgt mittels Transistoren Tl bis Tn, deren Basis jeweils mit dem Ausgang des Mikrokontrollers pC und einer entsprechenden, auch i n den Mikrokontroller integrierbaren Treibereinheit in Verbindung steht.

Die Funktionsweise gemäß der Darstellung nach Fig . 3 stellt sich wie folgt dar.

Wenn die Schaltungsanordnung am Netz liegt, ist zunächst der Schutzpegel auf den höchsten maximalen Wert, z. B. 1 kV voreingestellt. Nach der

Ermittlung des Momentanwerts der Netzspannung wird über den

Mikrokontroller Cu und den Treiber eine geeignete der Schutzstufen aktiviert. Wenn ein Überspannungsereignis auftritt, wird der Stoßstrom mit Hilfe des IG BT abgeleitet und danach wird die Schaltungsanordn ung wieder auf die höchste Schutzpegelstufe voreingestellt. Nach dem Überspannungsereignis wird erneut der Momentanwert der Netzspannung bestimmt und die

Schutzstufe an die Netzspannung angepasst.

Wenn keine Überspannungsereignisse auftreten und festgestellt wird, dass sich die Netzspannung langsam erhöht, z.B. 1 V/min, wird dies vom

Mikrokontroller erfasst und es wird der Schutzpegel dann entsprechend automatisch langsam erhöht oder erniedrigt.

Die vierte Ausführungsform gemäß der Darstellung nach Fig . 4 geht von dem Gedanken aus, zwischen Kollektor und Gate des IGBT einen Digital-Analog- Wandler DA zu schalten, welcher wiederum von einem Mikrokontroller angesteuert wird. Bei dieser Variante besteht die Möglichkeit, eine Reaktion und Anpassung des Schutzpegels ausschließlich auf der Basis der integrierten Netzspannung einzustellen und anzupassen .