Schaltkreis sowie Verfahren zur Steuerung eines Leistungsschalters

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schaltkreis und insbesondere auf dessen Verwendung für Schaltgeräte in Niederspannungsanlagen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung zumindest eines Leistungsschalters zum Schalten einer Last, insbesondere einer induktiven Last.

Es ist wünschenswert, dass ein Schaltgerät in einer Niederspannungsanlage zusätzlich zum betriebsmäßigen Schalten auch einen Kurzschluss abschalten kann, insbesondere wenn ein Leistungsschalter eingesetzt werden soll. Da der Kurzschluss zu beliebigen Zeitpunkten auftreten kann und schnellstmöglich begrenzt und/oder abgeschaltet werden sollte, ist eine Abschaltung im nächsten Stromnulldurchgang ohne vorherige Begrenzung nicht ausreichend. Vielmehr muss unmittelbar zumin- dest eine Begrenzung des Stromes erfolgen.

Bei einem mechanischen Schaltgerät wird in der Regel durch einen Schaltlichtbogen eine Gegenspannung aufgebaut, die strombegrenzend wirkt. Beim nächsten Stromnulldurchgang ver- lischt der Lichtbogen bei entsprechender Auslegung der Lichtbogenkammer (Kühlung) . Bei einem elektronischen Schaltgerät, das keine sich öffnenden mechanischen Kontakte aufweist, fehlt dieser Schaltlichtbogen. Ein sofortiges Abschalten des Stroms ist nur möglich, wenn die in den Induktivitäten ge- speicherte Energie abgebaut werden kann. Auch wenn im Kurzschlussfall die Induktivität einer Last nicht wirkt, werden noch erhebliche Energiemengen in der Induktivität des speisenden Netzes gespeichert. Ein schnelles Abschalten würde

damit zu hohen Überspannungen führen und die Leistungshalbleiter zerstören.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders ge- eigneten Schaltkreis sowie ein besonders geeignetes Verfahren zur Steuerung zumindest eines Leistungsschalters zum Schalten einer Last anzugeben.

Bezüglich des Schaltkreises wird die genannte Aufgabe erfin- dungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Be- grenzung einer Überspannung zwar Varistoren, d. h. spannungsabhängige Widerstände oder RC-Beschaltungen eingesetzt werden könnten. Auch könnte das so genannte Clamping vorgenommen werden, bei dem die Leistungshalbleiter gerade soweit aufgesteuert werden, dass die Spannung noch unter dem maximalen Grenzwert bleibt. Hierbei wird jedoch die gespeicherte Energie in den Leistungshalbleitern abgebaut und belastet diese zusätzlich.

Erfindungsgemäß ist daher ein Schaltkreis vorgesehen, der zu- mindest einen Leistungsschalter zum Schalten einer Last aufweist. Unter Last wird hierbei insbesondere eine induktive Last, wie beispielsweise eine Spule, ein Elektromotor oder auch eine Leitungsinduktivität verstanden. Da beim Schalten von ohmschen oder kapazitiven Lasten auch in der Regel induk- tive Impedanzen eines speisenden Netzes in Erscheinung treten, ist die Erfindung auch bei solchen Lasten vorteilhaft einsetzbar.

Der Schaltkreis weist des Weiteren einen Widerstand auf, der vorzugsweise im Wesentlichen ohmsch ist, so dass die parasitäre Induktivität des reellen Widerstands vernachlässigt werden kann.

Ferner weist der Schaltkreis einen Thyristor oder einen Triac auf. Diese Halbleiterbauelemente sind dadurch charakterisiert, dass diese mittels einer Spannung am Gate gezündet werden müssen und im Anschluss an die Zündung selbsttätig im leitenden Zustand verbleiben.

Der Schaltkreis weist daher ein Mittel zur Zündung des Thyristors oder des Triacs in Abhängigkeit von einer über den zumindest einen Leistungsschalter abfallenden Spannung auf. Demzufolge sind die Mittel mit dem Leistungsschalter und mit dem Gate des Thyristors oder des Triacs wirkverbunden. Derartige Mittel sind bevorzugt ein oder mehrere elektrische Bauelemente, die mit dem Gate und dem Leistungsschalter verbunden sind.

In dem Schaltkreis sind der Widerstand und der Thyristor bzw. der Triac zur Überbrückung des zumindest einen Leistungsschalters verschaltet. Unter einer Überbrückung wird dabei verstanden, dass ein Strom in Abhängigkeit von bestimmten Schaltzuständen des Leistungsschalters und des Thyristors bzw. des Triacs über den Leistungsschalter oder den Thyristor bzw. den Triac fließen kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass der zumindest eine Leistungsschalter direkt mit der insbesondere induktiven Last verbunden ist. Des Weiteren ist der Schaltkreis vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass sowohl po-

sitive als auch negative Halbwellen eines Wechselstromes geschalten werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Leistungs- Schalter mit einer Steuerlogik verbunden. Eine Steuerlogik ist beispielsweise eine Gatterlogik, ein MikroController oder ein anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) , die jeweils mit gegebenenfalls erforderlichen Treiberelementen versehen sind. Die Zündung des Thyristors bzw. des Triacs durch das Mittel ist vorzugsweise unabhängig von der Steuerlogik und deren Steuersignale.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung dieses Aspektes ist die Steuerlogik dazu ausgebildet, den Leistungsschalter im Kurz- schlussfall zu sperren. Hierzu wird an den Leistungsschalter beispielsweise ein derartiges Potential angelegt, dass der Leistungsschalter hochohmig wird. Ein Kurzschlussfall ist dabei eine von normalen Betriebsbedingungen abweichende Fehlersituation, in der der Strom durch den Leistungsschalter einen zulässigen Grenzwert überschreitet. Vorzugsweise weist die Steuerlogik hierzu Messmittel zur Bestimmung des durch den Leistungsschalter fließenden Kurzschlussstromes auf. Derartige Messmittel können beispielsweise den Kurzschlussstrom anhand eines Spannungsabfalls an einem Widerstand oder an einem Innenwiderstand des Leistungsschalters detektieren.

Der Leistungsschalter ist zweckmäßigerweise ein Leistungshalbleiter. Vorteilhafte Varianten des Leistungshalbleiters sind ein Feldeffekttransistor (FET) oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) .

Eine bevorzugte Weiterbildung sieht eine Reihenschaltung des Widerstands und des Thyristors oder des Triacs vor, so dass

der Widerstand mit dem Thyristor beziehungsweise mit dem Tri- ac direkt leitend verbunden ist. Dabei können weitere Bauelemente vorgesehen sein, die an die Anschlüsse des Widerstands oder des Thyristors bzw. des Triacs, insbesondere auch an die Verbindung zwischen dem Widerstand und dem Thyristor oder Triac angeschlossen sind.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltungsvariante weist das Mittel einen Varistor auf, der mit dem Gate des Thyristors oder mit dem Gate des Triacs verbunden ist. Ein derartiger Varistor als spannungsabhängiges Bauelement ist bis zu einer Schwellspannung hochohmig und weist über die anliegende Schwellspannung hinaus einen signifikant niedrigeren Widerstand auf. Die Schwellspannung ist dabei vorzugsweise für den beschriebenen Kurzschlussfall ausgelegt, so dass für normale Betriebsspannungen der Thyristor oder der Triac nicht zündet. Hingegen führt die induktivitätsbedingte Induktionsspannung im Falle des plötzlichen Sperrens des Leistungsschalters im Kurzschlussfall zu einer über die Betriebsspannungen hinaus- gehenden Spannung, die über der Schwellspannung liegt. Hierdurch fließt ein signifikanter Strom durch den Varistor und somit in das Gate des Thyristors oder der Triacs, in Folge dessen dieser zündet.

Alternativ zu dem Varistor ist in einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsvariante als Mittel ein Diac vorgesehen, der mit dem Gate des Thyristors oder mit dem Gate des Triacs verbunden ist. Ein Diac weist dabei zum Varistor vergleichbare elektrische Eigenschaften auf und kann die Funktion zur Zün- düng des Gates des Thyristors oder des Triacs ebenfalls erfüllen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest zwei Leistungshalbleiter, insbesondere zwei MOSFETs (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) oder zwei IGBTs (In- sulated Gate Bipolar Transistor) , beispielsweise anti-seriell oder anti-parallel, angeordnet sind. Bevorzugt ist jeweils eine Freilaufdiode mit einem Quellenanschluss (Source) und einem Senkenanschluss (Drain) jeweils eines der Leistungshalbeiter verbunden. Derartige Freilaufdioden können dabei externe Dioden sein oder durch einen PN-Übergang (beispiels- weise Drain-Bulk) des Leistungshalbleiters gebildet werden.

Eine zweckmäßige Weiterbildung sieht vor, dass zwei Dioden mit dem Leistungsschalter und/oder mit dem Thyristor derart verbunden sind, dass im gezündeten Zustand des Thyristors ein Strom über zumindest eine der Dioden und zumindest teilweise über den Thyristor fließt. Die Dioden wirken im Falle eines Wechselstroms gleichrichtend, so dass ein Kurzschlussstrom unabhängig von der auftretenden Stromrichtung über den Thyristor fließt.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist der Widerstand derart bemessen, dass eine über diesem abfallende Spannung für den maximal möglichen Strom kleiner ist als eine Sperrspannung des zumindest einen Leistungsschalters. In die- sem Fall wird davon ausgegangen, dass der Spannungsabfall über dem Thyristor oder über dem Triac - und gegebenenfalls über den Dioden - klein ist gegenüber dem Spannungsabfall am Widerstand. Anderenfalls ist die Summe der Spannungsabfälle maßgebend, so dass diese Summe die maximale Sperrspannung des Leistungsschalters nicht überschreitet.

Ein anderer Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines zuvor beschriebenen Schaltkreises in einem Schaltgerät einer

Niederspannungsanlage. Diese Niederspannungsanlage kann dabei beispielsweise drei derartige Schaltkreise aufweisen, um einen Drehstrom zu steuern.

Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 16.

Das Verfahren dient zur Steuerung zumindest eines Leistungsschalters zum Schalten insbesondere induktiver Lasten. In diesem Verfahren wird zunächst ein Kurzschlussstrom detek- tiert, der durch den Leistungsschalter fließt. Nachfolgend wird der zumindest eine Leistungsschalter gesperrt, so dass eine über dem Leistungsschalter abfallende Spannung einen Thyristor oder einen Triac zündet, so dass der Leistungs- Schalter durch den gezündeten Thyristor bzw. durch den gezündeten Triac bis zum nächsten Nulldurchgang des Kurzschlussstromes überbrückt wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen ersten Schaltplanausschnitt einer ersten Ausgestaltungsvariante mit einem Thyristor, und FIG 2 einen zweiten Schaltplanausschnitt einer zweiten Ausgestaltungsvariante mit einem Triac.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In dem Ausführungsbeispiel der FIG 1 ist beispielhaft eine induktive Last X _L dargestellt. Dabei ist ein Strom durch diese . induktive Last X _L mittels zweier antiseriell geschalteter Leistungsschalter in Form der dargestellten MOS-FeId-

effekttransistoren (MOSFETs) Ml und M2 schaltbar. Die induktive Last X _L ist dabei mit einem Masseanschluss GND und der MOSFET Ml ist mit einem Außenleiter OC verbunden. Sind mehrere, beispielsweise drei, Außenleiter OC vorhanden, so kann der im Folgenden beschriebene Schaltkreis dreimal vorhanden sein, um jeweils einen Stromfluss vom Außenleiter OC über die induktive Last X _L auf die Masse GND schalten zu können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Strom durch die induktive Last X _L als Wechselstrom (AC-Netz) vorgesehen, so dass eine antiserielle Verschaltung der beiden MOSFETs Ml und M2 eine Steuerung oder Abschaltung des Stromes in beide Stromrichtungen des Wechselstromes ermöglicht ist. Zur Steuerung der MOSFETs Ml und M2 sind deren Gate-Eingänge mit einer Steuerlogik 1 verbunden.

Beispielsweise für Schaltgeräte in Niederspannungsanlagen müssen zusätzlich zum betriebsmäßigen Schalten durch die beiden MOSFETs Ml und M2 diese auch einen Kurzschluss abschalten können. Der Kurzschluss ist in FIG 1 als gezackter Pfeil sym- bolisch angedeutet. Da der Kurzschluss zu beliebigen Zeitpunkten innerhalb einer Periode auftreten kann und schnellstmöglich begrenzt oder abgeschalten werden muss, ist eine Abschaltung im nächsten Nulldurchgang des Stromes ohne vorherige Begrenzung des Kurzschlussstromes nicht ausreichend.

Ein sofortiges Abschalten des Stromes durch die MOSFETs Ml und M2 ist nur möglich, wenn die in Induktivitäten gespeicherte Energie abgebaut werden kann. Unter induktiver Last X _L ist dabei jede im Kurzschlussfall wirkende Induktivität zu verstehen, beispielsweise diejenige einer Lastspule oder eine Induktivität des speisenden Netzes, die vorliegend durch die induktive Last X _L zusammengefasst dargestellt ist. Dabei sind im Abschaltzeitpunkt noch erhebliche Energiemengen in den In-

duktivitäten X _L gespeichert. Ein schnelles Abschalten des Kurzschlussstromes würde in Folge hoher Überspannungen zur Zerstörung der MOSFETs Ml und/oder M2 führen.

Mit der Ausführungsvariante gemäß der FIG 1 wird erreicht, dass beim elektronischen Schaltkreis zunächst eine Strombegrenzung wirksam wird, um im nächsten Stromnulldurchgang den Stromkreis vom Außenleiter OC zum Masseanschluss GND zu unterbrechen. Die Strombegrenzung wird erreicht, indem aktiv eine Ersatzlast RL zugeschaltet wird, um den kurzschlussbedingten "Fort- oder Wegfall" der im normalen Betrieb wirkenden Last zumindest teilweise zu kompensieren. Die Ersatzlast RL muss den über diese fließenden Strom für längstens eine halbe Netzperiode tragen können, d. h. bei Netzen mit 50 Hz somit maximal 10 ms, so dass diese trotz der möglicherweise sehr hohen Stromstärken nur geringe Energiemengen aufnehmen muss .

Die MOSFETs Ml und M2 der FIG 1 weisen jeweils eine integ- rierte oder externe Freilaufdiode Dm und D _M2 auf. Wenn beide MOSFETs Ml und M2 im leitenden Zustand sind, kann der Strom vom Außenleiter OC über die MOSFETs Ml und M2 sowie über die induktive Last X _L zum Neutralleiter GND oder einen (nicht dargestellten) zweiten Außenleiter fließen. Hingegen ist im gesperrten Zustand der MOSFETs Ml und M2 der Stromkreis unterbrochen.

Zusätzlich weist der Schaltkreis zwei Dioden Dl, D2 und einen Thyristor Th sowie eine Ersatzlast RL und eine Zündungsein- richtung für den Thyristor aus den Bauteilen V3 und Rl auf. Diese Gesamtschaltung kann dabei aus Einzelbauelementen aufgebaut sein oder als so genannte "smart power"-Lösung auf einem Halbleiterchip integriert sein.

Im Kurzschlussfall nimmt der Strom sehr schnell große Werte an, so dass eine Kurzschlusserkennung in der Steuerlogik 1 die beiden MOSFETs Ml und M2 schnellstmöglich abschaltet. Die Kurzschlusserkennung selbst kann beispielsweise über die De- tektion eines Stromgrenzwertes oder über den Anstieg der Spannung über den MOSFETs Ml und/oder M2 durch Überschreiten des Sättigungsstromes der MOSFETs Ml, M2 erfolgen.

Verursacht durch das schnelle Abschalten und die Induktivitäten X _L im Stromkreis wird sich daraufhin eine hohe Spannung über zumindest einen der MOSFETs Ml oder M2 aufbauen, die die üblichen Betriebsspannungen deutlich übersteigt. Sobald diese Spannung die Schwellspannung des Zündvaristors V3 überschrei- tet, wird dieser niederohmig und der durchfließende Strom zündet den Thyristor Th. Damit kann der Strom über den Widerstand RL und eine der Dioden Dl oder D2 weiterfließen, wodurch die Überspannung begrenzt wird. Im nächsten Stromnulldurchgang wird der Strom durch den Thyristor Th automatisch abgeschaltet.

Durch die beiden Dioden Dl, D2 wird die Funktion unabhängig von der momentanen Netzpolarität sichergestellt. In der positiven Halbwelle (Außenleiter OC an positiver Spannung) fließt der Strom bei aktiver Schutzschaltung durch Dl, RL, Th und die Freilaufdiode D _M 2r bei negativer Halbwelle durch D2, RL, Th und die Freilaufdiode D _M i-

Der Thyristor Th muss - ebenso wie die Ersatzlast RL - den Strom nur für eine kurze Zeit führen. Somit sind für beide Elemente relativ kleine Bauteile nutzbar, die lediglich für eine halbe Netzperiode überlastfest sein müssen. Der Widerstand RL ist derart zu bemessen, dass dieser bei maximal mög-

lichem Strom (hier der Sättigungsstrom der MOSFETs Ml, M2) eine Spannung aufbaut, die kleiner als die Sperrspannung des MOSFETs Ml bzw. M2 ist.

Der Schaltkreis des Ausführungsbeispiels nach FIG 1 kann ohne (Schmelz-) Sicherung aufgebaut werden und einen Kurzschluss abschalten, so dass ein überlagerter Leistungsschalter nicht auslösen muss. Dazu ist ein für den Kurzschlussstrom ausgelegter Varistor oder ein für den Kurzschlussstrom ausgelegtes RC-Glied notwendig. Varistoren können zwar relativ hohe

Stossströme aufnehmen, dies aber nur begrenzt häufig. Ein RC- Glied das geeignet wäre, die Energie aus den Induktivitäten X _L aufzunehmen, erfordert eine große Kapazität. Ein aktives so genanntes "Clamping" mit Hilfe der Leistungstransistoren, bei dem die Leistungstransistoren gerade soweit aufgesteuert werden, dass die Spannung noch unter dem maximalen Grenzwert bleibt, erfordert eine erhebliche Überdimensionierung dieser Halbleiter. Hingegen müssen mit der aktiven Zuschaltung der Ersatzlast RL die MOSFETs Ml und M2 nur für den Normalbetrieb ausgelegt werden.

Gemäß der Ausführungsvariante nach FIG 2 ist anstelle des Thyristors ein Triac TR vorgesehen, der mit der Ersatzlast RL in Reihe geschaltet ist und im gezündeten Zustand die beiden MOSFETs Ml und M2 überbrückt. Als Zündkreis für den Triac TR sind ein Diac Di und gegebenenfalls ein Widerstand Rl vorgesehen. Der Triac TR kann dabei mit Zündströmen beider Polaritäten gezündet werden. Daher ist es im Prinzip für die Zündung des Triacs TR gleichgültig, welche momentane Netzpolari- tat im Kurzschlussfall vorliegt.