Derartige Halbleiter-Schaltelemente sind prinzipiell kurz- schlußfest. Mit anderen Worten : Sie begrenzen einen mög- licherweise auftretenden Kurzschlußstrom auf Werte von typischerweise dem fünf-bis zehnfachen ihres Nennstroms. Der Betrieb im Kurzschluß ist in der Regel aber nur fur eine kur- ze Zeitspanne von z. B. 10 us zulässig. Um eine Zerstörung des Halbleiter-Schaltelements im Falle eines Kurzschlusses zu vermeiden, muß daher im Falle eines Kurzschlusses die Ver- bindungsstrecke hochohmig gesteuert werden. Hierfür ist eine schnelle Erfassung des Kurzschlusses unbedingt erforderlich.

An eine Kurzschlußerfassung sind folgende Forderungen zu stellen : -Kurzschlußströme und Überströme im Halbleiter-Schaltele- ment müssen schnell und sicher erkannt werden.

-Die Kurzschlußerkennung muß in allen Betriebsbereichen, insbesondere auch bei Schwingungen während der Entsatti- gung des Halbleiter-Schaltelements, störunempfindlich sein.

-Während betriebsmäßiger Schaltvorgänge, insbesondere wäh- rend des Einschaltvorgangs, darf kein ungewolltes Aus- lösen einer Überstromabschaltung erfolgen.

Zum Schutz des Halbleiter-Schaltelements sind mehrere Schuts- verfahren bekannt.

So ist beispielsweise bekannt, über Stromsensoren innerhalb des Halbleiter-Schaltelements direkt den durch das Halblei- ter-Schaltelement fließenden Strom zu messen. Nachteilig hierbei ist, daß ein zusätzlicher Stromsensor innerhalb des Halbleiter-Schaltelements erforderlich ist. Darüber hinaus ist eine Berücksichtigung des Temperaturverhaltens des Halb- leiter-Schaltelements bei dieser Lösung nur mit großem Auf- wand möglich.

Es ist ferner bekannt, über Auskoppeldioden eine über den Schaltanschlüssen abfallende Schaltelementspannung zu erfas- sen und mit einem Spannungsgrenzwert zu vergleichen. Eine Ab- schaltung des Halbleiter-Schaltelements folgt bei Überschrei- ten des Spannungsgrenzwerts. Auch bei diesem Verfahren kann aber eine Temperaturabhängigkeit der Schaltelementspannung nicht oder nur mit großem Aufwand berücksichtigt werden.

Darüber hinaus tritt für einen gewissen Zeitraum beim Ein- schalten des Halbleiter-Schaltelements eine höhere Schaltele- mentspannung auf (dynamische Sättigung). Es ist zwar möglich, während des Einschaltvorgangs die Überstromerfassung zu sper- ren. Insbesondere bei langsam schaltenden Hochvolt-Schaltele- menten (Sperrspannungen über 3 kV) liegt die erforderliche Ausblendzeit aber über der zulässigen Kurzschlußzeit. Daher ergibt sich in diesem Fall, daß entweder ein sicherer Betrieb des Halbleiter-Schaltelements nicht mehr vollständig möglich ist oder der maximal einschaltbare Strom beschränkt werden muß.

Schließlich ist es auch noch bekannt, den Spannungsgrenzwert entsprechend dem Einschaltverhalten des Halbleiter-Schaltele- ments nachzuführen. Dies ist aber sehr aufwendig. Darüber hinaus ist eine Anpassung an das jeweilige Halbleiter-Schalt- element erforderlich. Auch ist eine Temperaturabhängigkeit des Einschaltverhaltens nur schwer berücksichtigbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schutzverfahren und eine hiermit korrespondierende Schutz- schaltung zur Verfügung zu stellen, mittels derer auf einfa- che und zuverlässige Weise ein sicherer Betrieb des Halblei- ter-Schaltelements möglich ist.

Die Aufgabe wird für das Schutzverfahren dadurch gelöst, daß ein Anstieg einer über den Schaltanschlüssen abfallenden Schaltelementspannung erfaßt wird und die Verbindungsstrecke hochohmig gesteuert wird, wenn der Anstieg einen Anstiegs- grenzwert überschreitet.

Für die Schutzschaltung wird die Aufgabe dadurch gelöst, -daß mit den Schaltanschlüssen eine Spannungsanstiegs- erkennungschaltung zum Erfassen eines Anstiegs einer über den Schaltanschlüssen abfallenden Schaltelementspannung verbunden ist, -daß mit der Spannungsanstiegserkennungschaltung über eine Verbindungsleitung ein Trennsignalgeber zum Ausgeben ei- nes Trennsignals bei Überschreiten eines Anstiegsgrenz- werts durch den Anstieg verbunden ist und -daß der Trennsignalgeber mit « em Steueranschluß verbunden ist.

Um zu verhindern, daß kurzfristige Störungen bereits ein Ab- schalten des Halbleiter-Schaltelements bewirken, ist dem Trennungssignalgeber vorzugsweise ein Glättungselement zuge- ordnet. Der Anstieg wird also geglättet.

Wenn der Spannungsanstiegserkennungschaltung ein Anstiegsver- stärker nachgeordnet ist, ergibt sich ein stabileres Ein- gangssignal für den Trennsignalgeber. Es wird also der An- stieg mit einem Anstiegsverstärkungsfaktor gewichtet.

Wenn dem Anstiegsverstärker ein Vorzeichenerkenner für den Anstieg zugeordnet ist und der Vorzeichenerkenner zur Vorgabe eines vorzeichenspezifischen Wichtungsfaktors mit dem An- stiegsverstärker verbunden ist, ist es möglich Spannungsan- stiege stärker zu wichten als Spannungsabfälle. Tnsbesondere kann ein Spannungsanstieg fünf bis zehn Mal so stark gewich- tet werden wie ein Spannungsabfall.

Die Schutzschaltung arbeitet noch zuverlässiger, wenn mit den Schaltanschlüssen auch eine Spannungserkennungschaltung zum Erfassen der Schaltelementspannung verbunden ist und die Spannungserkennungschaltung mit der Verbindungsleitung ver- bunden ist. Es werden also auch die Schaltelementspannung überwacht und die Verbindungsstrecke hochohmig gesteuert, wenn ein mit der Schaltelementspannung korrespondierendes Meßsignal einen Spannungsgrenzwert überschreitet.

Dabei kann wahlweise die Spannungserkennungsschaltung vor oder hinter dem Anstiegsverstärker mit der Verbindungsleitung verbunden sein. Hiermit korrespondierend können der Anstieg und das Meßsignal vor oder nach dem Verstärken des Anstiegs addiert werden.

Wenn zwischen der Spannungserkennungschaltung und der Verbin- dungsleitung ein Spannungsverstärker angeordnet ist, kann das Meßsignal vor dem Addieren mit einem eigenen Spannungsver- stärkungsfaktor gewichtet werden.

Wenn zwischen der Spannungsanstiegserkennungschaltung und dem Trennsignalgeber ein Schalter angeordnet ist, der mit einem Ansteuerelement für den Steueranschluß verbunden ist, so daß der Schalter bei Ausgeben eines Verbindungssignals für eine

Ausblendzeit öffenbar ist, ist es möglich, einen-z. B. auf- grund parasitårer Effekte-unmittelbar nach Beginn eines Einschaltvorgangs auftretenden Spannungsanstieg, der aus- nahmsweise tolerierbar ist, auszublenden. Es ist also gewähr- leistet, daß das Abschalten des Halbleiter-Schaltelements nur dann erfolgt, wenn der Anstieg den Spannungsanstiegsgrenzwert nach einer Ausblendzeit nach dem Einschalten des Halbleiter- Schaltelements überschreitet.

Wenn dem Schalter eine Diode parallel gegengeschaltet ist, werden bei einem Absinken des Anstiegs unter Null, wie er bei einem normalen Einschaltvorgang auftritt, der Anstieg und das Meßsignal addiert. Hierdurch erfolgt eine selbsttätige Anpas- sung der Abschaltkriterien an den Einschaltvorgang.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt in Prinzipdarstellung die einzige Fig. 1 ein Halbleiter-Schaltelement mit einer Schutzschal- tung.

Gemäß Fig. 1 weist ein steuerbares, nicht einrastendes Halb- leiter-Schaltelement 1 zwei Schaltanschlüsse 2,3 und einen Steueranschluß 4 auf. Das Halbleiter-Schaltelement 1 ist ge- mäß Fig. 1 als IGBT ausgebildet. Es könnte aber auch als MOSFET oder als Bipolar-Transistor ausgebildet sein. Der Steueranschluß 4 ist von einem Ansteuerelement 5 ansteuerbar.

Je nach Ansteuerung durch das Ansteuerelement 5 wird eine zwischen den Schaltanschlüssen 2,3 liegende Verbindungs- strecke 1'niederohmig bzw. hochohmig gesteuert.

Wenn die Verbindungsstrecke 1'durch entsprechendes Ansteuern des Steueranschlusses 4 niederohmig gesteuert ist, fließt ein Strom I durch eine Last 5. Der Strom I wird durch den ohm- schen Widerstand der Last 6 begrenzt. Zwischen den Schalt-

anschlüssen 2,3 fällt dabei eine Schaltelementspannung Us ab.

Wenn aber in der Last 6 ein Kurzschluß auftritt, bricht der ohmsche Widerstand der Last 6 zusammen. Eine über der Last < abfallende Lastspannung UL bricht daher ebenfalls zusammen.

Der Strom I steigt mit einer Steilheit an, die durch eine wirksame Induktivität der Last 6 bestimmt ist, bis das Halb- leiter-Schaltelement 1 Spannung aufnimmt (Entsättigung) und den Strom I begrenzt. Ohne weitere Maßnahmen, insbesondere das Abschalten des Halbleiter-Schaltelements 1, würde dieses aber durch den Strom I binnen kurzer Zeit zerstört werden.

Um eine Zerstörung des Halbleiter-Schaltelements 1 zu verhin- dern, ist eine Spannungsanstiegserkennungsschaltung 7 mit den Schaltanschlüssen 2,3 verbunden. Die Spannungsanstiegserken- nungssc-altung besteht im einfachsten Fall aus einem Konden- sator 8 und einem Widerstand 9. Mittels der Spannungsan- stiegserkennungsschaltung 7 wird ein Anstieg der Schaltele- mentspannung Us erfaßt. Die Spannungsanstiegserkennungsschal- tung 7-st über eine Verbindungsleitung mit einem Trennsig- nalgeber 10 verbunden. Der Trennsignalgeber 10 ist-gemäß Ausführungsbeispiel über das Ansteuerelement 5-mit dem Steuera-schluß 4 verbunden. Der Trennsignalgeber 10 gibt ein Trennsignal für das Halbleiter-Schaltelement 1 an den Steuer- anschluß 4 aus, wenn der Anstieg einen Anstiegsgrenzwert überschreitet. Die Verbindungsstrecke 1'wird in diesem Fall also hochohmig gesteuert, das Halbleiter-Schaltelement 1 ab- geschaltet.

Um zu verhindern, daß kurzzeitige cransiente Störungen wie sie insbesondere beim Schalten des Halbleiter-Schaltelements 1 oder bei Lastwechseln auftreten, zu einem versehentlichen Abschalten des Halbleiter-Schaltelements 1 führen, ist dem Trennungssignalgeber 10 ein Glättungselement 11 vorgeordnet.

Mittels des Glättungselements 11 wird der Anstieg geglättet.

Das Glättungselement 11 ist gemäß Ausführungsbeispiel als

PT1-Glied ausgebildet. Es weist eine maximale Ansprechzeit T1 von 10 bis 20 us auf.

Der Spannungsanstiegserkennungsschaltung 7 ist ein Anstiegs- verstärker 12 nachgeordnet. Diesem ist ein Vorzeichenerkenner 13 zugeordnet. Der Vorzeichenerkenner 13 ist mit dem An- stiegsverstärker 12 verbunden. Mittels des Vorzeichenerken- ners 13 ist dem Anstiegsverstärker 12 je nachdem, ob der An- stieg größer oder kleiner Null ist (die Schaltelementspannung Us also steigt oder sinkt), ein großer Anstiegsverstärkungs- faktor k+ oder ein kleiner Anstiegsverstärkungsfaktor k-vor- gebbar. Der Anstieg wird von dem Anstiegsverstärker 12 also gewichtet, wobei das Wichten des Anstiegs vorzeichenspezi- fisch erfolgt. Der bei einem Anstieg über Null vorgegebene Anstiegsverstärkungsfaktor k+ ist dabei größer als der bei einem Anstieg unter Null vorgegebene Anstiegsverstärkungsfak- tor k-. Typischerweise liegt das Verhältnis der Anstiegsver- stärkungsfaktoren k+, k-zwischen 5 und 10. Aufgrund des stärkeren Wichtens eines Anstiegs (im Gegensatz zu einem Ab- fall) wird im Ergebnis erreicht, daß bei einem Anstieg das Glättungselement 11 mit einer wirksamen Ansprechzeit T1 rea- giert, die deutlich unter 10 us liegt.

Um einen Kurzschluß auch bei einem sehr langsamen Ansteigen der Schaltelementspannung Us, wie es beispielsweise bei einer angeschlossenen Induktivität auftreten könnte, rechtzeitig zu erfassen, ist mit den Schaltanschlüssen 2,3 eine Spannungs- erkennungsschaltung 14 verbunden. Mittels der Spannungserken- nungsschaltung 14 wird die Schaltelementspannung Us erfaßt und überwacht. Die Spannungserkennungsschaltung 14 ist mit der Verbindungsleitung verbunden. Somit wird das Halbleiter- Schaltelement IL auch dann abgeschaltet, wenn die Schaltele- mentspannung Us bzw. ein mit ihr korrespondierendes Meßsignal einen Spannungsgrenzwert aberschreitet.

Gemäß Ausführungsbeispiel ist die Spannungserkennungsschal- tung 14 als von der Spannungsanstiegserkennungsschaltung 7

getrennte Schaltung realisiert, die hinter dem Anstiegsver- stärker 12 mit der Verbindungsleitung verbunden ist. Zwischen der Spannungserkennungsschaltung 14 und der Verbindungslei- tung ist dabei ein Spannungsverstärker 15 angeordnet. Der An- stieg und das Meßsignal werden also erst nach dem Verstärken des Anstiegs addiert. Aufgrund des Spannungsverstärkers 15 ist es dabei möglich, das Meßsignal vor dem Addieren mit ei- nem eigenen Spannungsverstärkungsfaktor k zu wichten.

Alternativ könnte eine Spannungserkennungsschaltung aber bei- spielsweise auch in die Spannungsanstiegserkennungsschaltung 7 mit integriert werden. In diesem Fall wäre die Spannungser- kennungsschaltung vor dem Anstiegsverstärker 12 mit der Ver- bindungsleitung verbunden. Der Anstieg und das Meßsignal wur- den in diesem Fall selbstverständlich vor dem Verstärken des Anstiegs addiert werden. Eine einfache Möglichkeit zur Reali- sierung einer derartigen Spannungserkennungsschaltung bestün- de beispielsweise darin, dem Kondensator 8 einen Widerstand parallelzuschalten. Ein derartiger Widerstand ist in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet.

Beim Niederohmigsteuern der Verbindungsstrecke 1'kann-z. B. aufgrund parasitärer Effekte-während einer kurzen Zeitspan- ne nach Beginn eines Einschaltvorgangs ein relativ großer Spannungsanstieg erfolgen, der dennoch nicht auf einen Kurz- schluß zurückzuführen ist. Ein derartiger Anstieg muß von der Schutzschaltung toleriert werden. Zwischen der Spannungsan- stiegserkennungsschaltung 7 und dem Trennsignalgeber 10 ist daher ein Schalter 16 angeordnet. Der Schalter 16 ist mit dem Ansteuerelement 5 über einen Impulsgeber 17 verbunden.

Beim Ansteuern des Steueranschlusses 4 gibt das Ansteuerele- ment 5 gleichzeitig ein Startsignal an den Impulsgeber 17 aus. Dieser steuert daher während einer Ausblendzeit T den Schalter 16 an, so daß dieser während der Ausblendzeit T ge- öffnet wird, wenn das Ansteuerelement 5 ein Verbindungssignal an den Steueranschluß 4 ausgibt. Hierdurch ist die Spannungs-

anstiegserkennungsschaltung 7 von dem Trennsignalgeber 10 ab- gekoppelt. Sie wird erst nach der Ausblendzeit T wieder mit dem Trennsignalgeber 10 verbunden. Ein wahrend der Ausblend- zeit T nach dem Verbinden der Schaltanschlüsse 2,3 auftre- tender Anstieg bleibt daher ohne Auswirkung auf das Schalt ~ verhalten des Halbleiter-Schaltelements 1. Ein Abschalten des Halbleiter-Schaltelements 1 erfolgt nur danr., wenn der An- stieg den Anstiegsgrenzwert auch nach der Ausblendzeit T noch überschreitet. Die Ausblendzeit T ist erheblich kleiner als die Ansprechzeit T1 des Glättungselements 11. Sie liegt typisch im Bereich zwischen 1 und 5 us, z. B. bei 2 us.

Wenn große Ströme I geschaltet werden sollen, muß das Halb- leiter-Schaltelement 1 langsam eingeschaltet werden. Dadurch sinkt die Schaltelementspannung Us nur langsam ab. Allein die Spannungserkennungsschaltung 14 würde in einem solchen Fall eine unzulässige Überspannung melden, welche über das Glät- tungselement 11 und den Trennsignalgeber 10 ein Abschalten des Halbleiter-Schaltelements 1 auslösen würde. Andererseits sinkt während des Niederohmigsteuerns der Verbindungsstrecke 1'die Schaltelementspannung Us kontinuierlich ab. Um ein un- gewolltes Abschalten des Halbleiter-Schaltelements 1 aufgrund einer scheinbar überhöhten Schaltelementspannung Us zu ver- hindern, ist dem Schalter 16 daher eine Diode 18 parallel ge- gengeschaltet. Hierdurch wird bei einem Absinken der Schalt- elementspannung Ug, also bei einem Absinken des Anstiegs un- ter Null, der Anstieg (der kleiner als Null-st) auf die Schaltelementspannung Us aufaddiert. Somit erfolgt im Ergeb- nis ein Anheben des Spannungsgrenzwertes. Es erfolgt also eine Selbstanpassung der Schutzschaltung an das aktuelle Schaltverhalten des Halbleiter-Schaltelements 1.

Abschließend sei noch erwähnt, daß die Schutzschaltung eine Rücksetzsteuerung 19 aufweist. Diese ist erforderlich, um eine Selbstblockierung der Schutzschaltung zu verhindern, wenn die Verbindungsstrecke l'hochohmig gesteuert ist. Die Rücksetzsteuerung 19 wird ebenfalls vom Ansteuerelement 5 an- gesteuert.