DE10014641A1 - Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor Mode - Google Patents
Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor ModeInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter (2), der zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter (4, 6) in der Topologie "Common Kollektor Mode" aufweist. Erfindungsgemäß ist die aktive Überspannungsschutzvorrichtung ein Diodennetzwerk (14), das derart mit den zugänglichen Anschlüssen (G1, G2, E1, E2) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) in Common Kollektor Mode verknüpft ist, dass für jeden der beiden Halbleiterschalter (4, 6) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) in Common Kollektor Mode die Funktion einer Spannungsklemmschaltung erfüllt ist. Somit erhält man eine aufwandsarme und preiswerte aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter (2) in Common Kollektor Mode.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine aktive Überspannungs
schutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschal
ter, der zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter in
der Topologie "Common Kollektor Mode" aufweist.
Ein derartiger bidirektionaler Leistungsschalter ist aus der
Veröffentlichung "Novel Solutions for Protection of Matrix
Converter to Three Phase Induction Machine", abgedruckt im
Tagungsband "IEEE Industry Applications Society Annual Mee
ting", New Orleans, Louisiana, Oktober 5-9, 1997, Seiten 1447
bis 1454, bekannt. Das Schaltbild eines bidirektionalen
Schalters 2 in der Topologie "Common Kollektor Mode" ist in
der Fig. 1 näher dargestellt. Die Fig. 2 zeigt zum Vergleich
einen bidirektionalen Leistungsschalter 2 in der Topologie
"Common Emitter Mode", der ebenfalls aus der bereits erwähn
ten Veröffentlichung bekannt ist. Diese beiden direktionalen
Leistungsschalter 2 weisen jeweils zwei Halbleiterschalter 4
und 6 auf, die antiseriell geschaltet sind. In der Fig. 1 sind
diese beiden Halbleiterschalter 4 und 6 derart antiseriell
geschaltet, dass die beiden Kollektor-Anschlüsse miteinander
elektrisch leitend verbunden sind. Deshalb wird diese antise
rielle Schaltung der beiden Halbleiterschalter 4 und 6 auch
als Common Kollektor Mode bezeichnet. In der Fig. 2 sind die
beiden Halbleiterschalter 4 und 6 derart antiseriell geschal
ten, dass deren Emitter-Anschlüsse elektrisch leitend verbun
den sind. Gemäß der Verknüpfung der Emitter-Anschlüsse wird
diese Verschaltung als Common Emitter Mode bezeichnet. Als
Halbleiterschalter 4 und 6 werden Insulated Gate Bipolar
Transistoren (IGBT) verwendet, die jeweils eine Reverse-Diode
aufweisen. An den zugänglichen Anschlüssen des bidirektiona
len Leistungsschalters 2 kann man die interne Topologie er
kennen. Beim bidirektionalen Leistungsschalter in der Topologie
"Common Kollektor Mode" gemäß Fig. 1, sind am Leistungs
schalter 2 die Anschlüsse E1, E2, G1 und G2 zugänglich. Im
Gegensatz dazu sind beim direktionalen Leistungsschalter 2 in
der Topologie "Common Emitter Mode" gemäß Fig. 2 die Anschlüs
se C1, C2, G1 und G2 zugänglich.
Gemäß der zuvor genannten Veröffentlichung werden bidirektio
nale Leistungsschalter 2 bei einem Matrixumrichter verwendet.
Bei einem Matrixumrichter handelt es sich um einen selbstge
führten Direktumrichter. Dieser selbstgeführte Direktumrich
ter ist ein Spannungszwischenkreisumrichter ohne Zwischen
kreis. Im Matrixumrichter sind die bidirektionalen Leistungs
schalter in einer 3 × 3-Schaltermatrix angeordnet. Durch diese
Anordnung der bidirektionalen Leistungsschalter werden drei
Eingangsphasen mit drei Ausgangsphasen verbunden. Durch die
Ansteuerung der Halbleiterschalter bzw. des Halbleiterschal
ters der Leistungsschalter 2 der 3 × 3-Schaltermatrix wird je
weils ein Strompfad in bidirektionaler Weise, d. h., vom Ein
gang zum Ausgang und umgekehrt, durchgeschaltet. Eine Phase
des Matrixumrichters ist eine Anordnung von drei bidirektio
nalen Leistungsschalter, die eine Verbindung von den drei
Netzphasen zu einer Ausgangsphase herstellt. An den Eingangs-
Anschlüssen des Matrixumrichters ist außerdem ein LC-Filter
angeschlossen, das eingangsseitig mit einem Drehstromnetz
verknüpft ist. Dieses LC-Filter, das auch als Eingangsfilter
bezeichnet wird, hält pulsfrequente Oberschwingungen vom Netz
fern. Die Größe dieses Filters hängt von der Pulsfrequenz des
Matrixumrichters ab. Dieser selbstgeführte Direktumrichter
bietet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rück
speisefähig ist, und durch eine entsprechend ausgeprägte
Steuerung sinusförmige Netzströme erreicht.
Neben den bereits erwähnten Ausführungsformen des bidirektio
nalen Leistungsschalters gibt es auch noch eine dritte Aus
führungsform, die ebenfalls der bereits zitierten Veröffent
lichung entnehmbar ist. Bei dieser dritten Ausführungsform
handelt es sich um einen Halbleiterschalter, der in einer Di
odenbrücke integriert ist.
Da der Matrixumrichter keine passiven Freilaufkreise besitzt,
wie ein Spannungszwischenkreisumrichter, treten insbesondere
im Fall einer aufgrund eines NOT-AUS generierten Impulssperre
(Abschalten der Ansteuerimpulse aller Halbleiterschalter)
aufgrund der im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten hohe
Sperrspannungen an den Halbleiterschaltern auf. Diese Über
spannungen können auch in Folge einer falsch eingeleiteten
Kommutierungssequenz oder durch Ausfall der Ansteuerung von
bidirektionalen Leistungsschalter auftreten. In diesen ge
nannten Fällen wird jedes Mal der Ausgangsstromkreis unter
brochen. Die Unterbrechung des Ausgangsstromkreises in Ver
bindung mit den im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten ver
ursacht die Überspannungen, die die Zerstörung der Halblei
terschalter zur Folge haben können.
Aus der bereits genannten Veröffentlichung "Novel Solutions
for Protection of Matrix Converter to Three Phase Induction
Machine" ist eine Überspannungsschutzvorrichtung bekannt.
Diese Überspannungsschutzvorrichtung weist zwei 6-pulsige Di
odenbrücken auf, die gleichspannungsseitig mittels eines Kon
densators miteinander verknüpft sind. Wechselspannungsseitig
ist die eine 6-pulsige Diodenbrücke mit den Eingangsanschlüs
sen des Matrixumrichters verbunden. Die andere Diodenbrücke
ist wechselspannungsseitig mit den Ausgangs-Anschlüssen des
Matrixumrichters verbunden. Elektrisch parallel zum Kondensa
tor ist ein Widerstand geschaltet, der den Kondensator ent
lädt. An den Eingangs-Anschlüssen des Matrixumrichters ist
außerdem ein LC-Filter angeschlossen, das eingangsseitig mit
einem Drehstromnetz verknüpft ist. Dieses LC-Filter, das auch
als Eingangsfilter bezeichnet wird, hält pulsfrequente Ober
schwingungen vom Netz fern. Die Größe dieses Filters hängt
von der Pulsfrequenz des Matrixumrichters ab.
Auftretende Überspannungen werden durch die Diodenbrücken
gleichgerichtet und auf den Kondensator gegeben. Dieser Kon
densator nimmt somit die Kommutierungsenergie auf. Für diese
Überspannungsschutzvorrichtung, die auch Gegenstand des US-
Patents 4,697,230 ist, wird eine Vorladeschaltung für den
Kondensator benötigt. Diese Vorladeschaltung wird benötigt,
damit beim Einschalten des Matrixumrichters keine Überspan
nung von doppelter Netzspannung auftreten. Ohne Vorladung
entstehen ebenso hohe Spitzenströme, die von den Dioden der
Diodenbrücke geführt werden müssen. Der Widerstand ist so di
mensioniert, dass der Kondensator um eine vorbestimmte Ener
giemenge entladen wird. Diese Energiemenge ist abhängig von
einer vorbestimmten Differenz der Netzspannung zur Kondensa
torspannung.
Aus der Veröffentlichung "Performance of a two Steps
Commutated Matrix Converter for AC-Variable-Speed Drives",
abgedruckt in dem Tagungsband EPE '99, Lausanne, September
1999, Seiten 1 bis 9, ist ebenfalls eine Überspannungsschutz
vorrichtung bekannt, die zwei 6-pulsige Diodenbrücken aufwei
sen. Jeder dieser beiden Diodenbrücken weist Gleichspannungs
seitig einen Kondensator auf. Diese beiden Kondensatoren sind
elektrisch parallel geschaltet. Eine Zenerdiode und ein Puls
widerstand sind elektrisch parallel zu diesen beiden Konden
satoren geschaltet, mit denen die Spannung der Kondensatoren
auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird. Außerdem weist
jeder bidirektionaler Leistungsschalter einen Varistor und
eine antiseriell geschaltete Zenerdiode auf, mit denen die
Überspannungen am bidirektionalen Leistungsschalter begrenzt
werden.
In der Veröffentlichung "A Matrix Converter without Reactive
Clamp Elements for an Induction Motor Drive System", von
Herrn Axel Schuster, abgedruckt in IEEE, 1998, Seiten 714 bis
720, ist als Überspannungsschutzvorrichtung mehrere Varisto
ren vorgesehen. Jedem Halbleiterschalter jedes bidirektiona
len Leistungsschalters der 3 × 3-Schaltermatrix ist ein Varistor
elektrisch parallel geschaltet. Diese 18 Varistoren
schützen die 18 Halbleiterschalter der neun bidirektionalen
Leistungsschalter vor Überspannungen.
Bei der Verwendung dieser Überspannungsschutzeinrichtung muss
beim bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor
Mode der Verbindungspunkt der beiden Kollektor-Anschlüsse der
beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter herausge
führt sein. Es ist auch möglich, dass der bidirektionale
Leistungsschalter aus einzelnen Halbleiterbauelementen aufge
baut ist. Erst wenn die Kollektoranschlüsse bzw. deren Ver
bindungspunkt zugänglich sind, können jedem Halbleiterschal
ter eines bidirektionalen Leistungsschalters ein Varistor
elektrisch parallel geschaltet werden.
In der Veröffentlichung "Theory and Design of a 30-hp Matrix
Converter", abgedruckt in IEEE Transactions on Industry
Applications", Band 28, Heft 3, Mai/Juni 1992, Seiten 546 bis
551, wird als Überspannungsschutzvorrichtung eines bidirekti
onalen Leistungsschalters eine RCD-Beschaltung für den in ei
ner Diodenbrücke integrierten Transistor verwendet. Die im
Kondensator der RCD-Beschaltung gespeiste Energie wird norma
lerweise im Widerstand der RCD-Beschaltung in Wärme umge
setzt. Diese RCD-Beschaltung wird auch als snubber circuit
bezeichnet. Die gespeicherte Energie kann auch zur Energie
versorgung der Ansteuerung der Halbleiterschalter verwendet
werden. Diese Überspannungsschutzvorrichtung ist weniger ge
eignet für einen bidirektionalen Leistungsschalter gemäß der
Fig. 1 oder 2. Außerdem benötigt diese Überspannungsschutzvor
richtung Bauvolumen, wobei die Höhe dieses Bauvolumens von
der Kommutierungsenergie abhängig ist.
Aus der Veröffentlichung "Beschaltung von SIPMOS-Transisto
ren", abgedruckt in der "Siemens-Components", Band 22, Heft
4, 1984, Seiten 157 bis 159, ist eine Spannungsklemmschaltung
bekannt. Diese Spannungsklemmschaltung ist in Fig. 3 bei einem
Halbleiterschalter 4 näher dargestellt und ist mit 8 gekennzeichnet.
Diese Spannungsklemmschaltung 8 besteht aus einer
Zenerdiode 10, insbesondere eine Hochspannungs-Zenerdiode,
die auch als Transildiode bezeichnet wird, und einer Entkopp
lungsdiode 12. Diese Spannungsklemmschaltung 8 ist zwischen
Kollektor-Anschluss C und Gate-Anschluss G des Halbleiter
schalters 4 geschaltet. Als Halbleiterschalter 4 ist ein
Insulated Gate Bipolare Transistor (IGBT) mit einer Reverse-
Diode vorgesehen. Die Entkopplungsdiode 12 trennt die Span
nungsklemmschaltung 8 vom Gate-Anschluss G des Halbleiter
schalters 4 beim eingeschalteten Halbleiterschalter 4 ab. So
bald im gesperrten Zustand des Halbleiterschalters 4 seine
Kollektor-Emitter-Spannung die Summe aus Z-Spannung der Tran
sildiode 10, der Schwellenspannung der Entkopplungsdiode 12
und der Gate-Emitter-Schwellenspannung überschreitet, wird
der Halbleiterschalter 4 selbsttätig angesteuert. Somit wird
eine auftretende Überspannung am Halbleiterschalter 4 aktiv
von diesem begrenzt, wobei jedoch im Halbleiterschalter 4 und
in der Transildiode 10 Verluste auftreten.
Diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung kann direkt bei
einem bidirektionalen Leistungsschalter in der Topologie
"Common Emitter Mode" (Fig. 2) verwendet werden. Das heißt,
jedem der beiden Halbleiterschalter 4 und 6 des bidirektiona
len Leistungsschalters 2 im Common Emitter Mode wird eine
Spannungsklemmschaltung 8 elektrisch parallel zur Kollektor-
Gate-Strecke geschaltet. Dies kann auch ohne großen Aufwand
realisiert werden, da die benötigten Anschlüsse Kollektor-
Anschluss C und Gate-Anschluss G zugänglich sind.
Eine Verwendung dieser bekannten Spannungsklemmschaltung 8
bei einem bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kol
lektor Mode ist ohne weiteres nicht möglich. Damit dies mög
lich wird, muss der Common-Kollektor-Anschluss aus dem bidi
rektionalen Leistungsschalters 2 herausgeführt sein. Dies be
dingt eine Sonderbauform des bidirektionalen Leistungsschal
ters, der ggf. kundenspezifisch hergestellt werden muss. Eine
Abweichung von Standardbauelementen verteuert ein Produkt am
Markt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine aktive
Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen
Leistungsschalter in Common Kollektor Mode anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des un
abhängigen Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.
Dadurch, dass dem bidirektionalen Leistungsschalter in Common
Kollektor Mode ein Diodennetzwerk zugeordnet ist, dass derart
mit den zugänglichen Gate- und Emitter-Anschlüssen des bidi
rektionalen Leistungsschalters verknüpft ist, das für jeden
seiner beiden Halbleiterschalter die Funktion einer Span
nungsklemmschaltung erfüllt ist, wird eine entstehende Über
spannung nicht mehr von der Überspannungsschutzvorrichtung
aufgenommen, sondern aktiv von einem der beiden Halbleiter
schalter des bidirektionalen Leistungsschalters begrenzt.
Welche der beiden Halbleiterschalter des bidirektionalen
Leistungsschalters selbsttätig angesteuert wird, hängt von
der Polarität des am bidirektionalen Leistungsschalters an
stehenden Sperrspannung ab. Durch das Diodennetzwerk als Be
schaltung eines bidirektionalen Leistungsschalters in Common
Kollektor Mode, erhält man eine aktive Überspannungsschutz
vorrichtung für einen derartigen Leistungsschalter.
Bei einer zweiten unabhängigen Lösung weist die Überspan
nungsschutzvorrichtung eine Spannungsmessvorrichtung, zwei
Spannungsvergleichs-Einrichtungen und zwei Entkopplungsdioden
auf. Die Spannungsmessvorrichtung ist elektrisch mit den
Emitter-Anschlüssen des bidirektionalen Leistungsschalters in
Common Kollektor Mode verbunden, deren beiden Ausgänge je
weils mit einem Ist-Eingang der beiden Spannungsvergleichs-
Einrichtungen verknüpft sind. Ausgangsseitig ist jede Span
nungsvergleichs-Einrichtung mittels der Entkopplungsdiode
mittels einer Treiberstufe mit einem Gate-Anschluss des bidirektionalen
Leistungsschalters verknüpft. Am Sollwert-Eingang
jedes Spannungsvergleichs-Einrichtung steht ein vorbestimmter
Sollwert an. Ist der ermittelte Istwert größer oder gleich
dem vorbestimmten Sollwert, wird der zugehörige Halbleiter
schalter des bidirektionalen Leistungsschalters in Common
Kollektor Mode angesteuert, so dass dieser Halbleiterschalter
die auftretende Überspannung aktiv begrenzen kann.
Bei einer ersten Ausführungsform des Diodennetzwerkes weist
dieses Netzwerk zwei Zener- und zwei Entkopplungsdioden auf.
Jeweils eine Zenerdiode und eine Entkopplungsdiode sind ano
denseitig miteinander elektrisch leitend verbunden. Jede die
ser Reihenschaltungen ist mit einem Gate-Anschluss und einem
Emitter-Anschluss jeweils eines Halbleiterschalters des bidi
rektionalen Leistungsschalters verknüpft. Somit bildet jede
Reihenschaltung eine bekannte Spannungsklemmschaltung, die
jedoch nicht elektrisch zur Kollektor-Gate-Strecke eines
Halbleiterschalters geschaltet ist. Diese beiden Spannungs
klemmschaltungen sind überkreuz mit den zugänglichen An
schlüssen des bidirektionalen Leistungsschalters in Common
Kollektor Mode verbunden.
Bei einer zweiten Ausführungsform des Diodennetzwerkes weist
dieses Netzwerk ebenfalls zwei Zener- und zwei Entkopplungs
dioden auf, wobei jeweils eine Zener- und eine Entkopplungs
diode kathodenseitig miteinander verknüpft sind. Diese Ver
knüpfungspunkte sind jeweils mit einem Gate-Anschluss des bi
direktionalen Leistungsschalters verbunden. Diese beiden Rei
henschaltungen sind derart elektrisch miteinander verknüpft,
dass die beiden Zenerdioden anodenseitig elektrisch leitend
verbunden sind. Die zugehörigen Entkopplungsdioden sind ano
denseitig jeweils mit einem Emitter-Anschluss des bidirektio
nalen Leistungsschalters verbunden. Gegenüber der ersten Aus
führungsform müssen die Entkopplungsdioden keine hochsperren
den Dioden sein.
Bei einer vorteilhaften zweiten Ausführungsform sind jeweils
zwischen den Verknüpfungspunkten der Reihenschaltungen und
den Gate-Anschlüssen des bidirektionalen Leistungsschalters
in Common Kollektor Mode eine Treiberstufe geschaltet. Da
durch wird die Strombelastung jeder Zenerdiode sehr verrin
gert.
Bei einer dritten Ausführungsform des Diodennetzwerkes weist
dieses Netzwerk zwei Entkopplungsdioden und eine in einer Di
odenbrücke integrierte Zenerdiode auf. Diese Diodenbrücke ist
mit seinen freien Anschlüssen mit den Gate-Anschlüssen des
bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode
elektrisch leitend verbunden. Die Entkopplungsdioden sind in
Sperrrichtung jeweils elektrisch parallel zu einer Gate-Emit
ter-Strecke eines Halbleiterschalters des bidirektionalen
Leistungsschalters in Common Kollektor Mode geschaltet. Durch
diese Ausgestaltung des Diodennetzwerkes wird nur noch eine
Zenerdiode, insbesondere eine hochsperrende Zenerdiode, benö
tigt, wodurch sich der Aufwand und die Kosten der aktiven
Überspannungsschutzvorrichtung wesentlich reduziert.
Bei einer vierten Ausführungsform des Diodennetzwerkes weist
dieses Netzwerk vier Dioden und eine Zenerdiode auf. Anoden
seitig ist diese Zenerdiode mit den Anoden zweier Dioden ver
knüpft, die ihrerseits mit den Gate-Anschlüssen des bidirek
tionalen Leistungsschalters verbunden sind. Kathodenseitig
ist die Zenerdiode mit den Kathoden zweier Dioden verbunden,
die ihrerseits mit den Emitter-Anschlüssen des bidirektiona
len Leistungsschalters verknüpft sind. Bei dieser Ausfüh
rungsform des Diodennetzwerkes wird nicht nur eine hochsper
rende Zenerdiode eingespart, sondern auch zwei Entkopplungs
dioden. Somit hat sich der Aufwand für eine aktive Überspan
nungsschutzvorrichtung eines bidirektionalen Leistungsschal
ters in Common Kollektor Mode weiter vereinfacht.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen
aktiven Überspannungsschutzvorrichtung schema
tisch veranschaulicht sind.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungs
schalters in Common Kollektor Mode, die
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungs
schalters in Common Emitter Mode, in der
Fig. 3 ist eine Spannungsklemmschaltung für einen Halblei
terschalter dargestellt, die
Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform des Diodennetzwerkes
der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvor
richtung, wobei in der
Fig. 5 eine vorteilhafte Variante dieses Diodennetzwerkes
nach Fig. 4 dargestellt ist, die
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Diodennetzwer
kes der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungs
schutzvorrichtung, wobei in den
Fig. 7-9 eine vorteilhafte Variante dieser zweiten Ausfüh
rungsform dargestellt sind, die
Fig. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform, wobei die
Fig. 11 eine vierte Ausführungsform des Diodennetzwerkes der
erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrich
tung darstellt, und die
Fig. 12 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä
ßen Überspannungsschutzvorrichtung.
Die Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform des Diodennetzwer
kes 14 der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvor
richtung. Dieses Diodennetzwerk 14 weist zwei Zenerdioden 16
und 18 und zwei Entkopplungsdioden 20 und 22 auf. Die Zener
diode 16 ist anodenseitig mit der Anode der Entkopplungsdiode
20 elektrisch leitend verbunden. Die Zenerdiode 18 und die
Entkopplungsdiode 22 sind ebenfalls anodenseitig miteinander
elektrisch leitend verbunden. Die beiden Reihenschaltungen 24
und 26 sind überkreuz mit den zugänglichen Anschlüssen E1,
E2, G1, G2 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 elekt
risch leitend verknüpft. Das heißt, die Reihenschaltung 24
verbindet den Anschluss E1 mit den Anschluss G2 des bidirek
tionalen Leistungsschalters 2, wobei die Reihenschaltung 26
den Anschluss E2 mit den Anschluss G1 verbindet.
Wenn im ausgeschalteten Zustand dieses bidirektionalen Leis
tungsschalters 2 in Common Kollektor Mode, das heißt, die
beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter 4 und 6
sind gesperrt, eine Überspannung auftritt, wird entweder der
Halbleiterschalter 4 oder 6 des bidirektionalen Leistungs
schalters 2 angesteuert, sobald der Wert der Überspannung den
Summenwert der Z-Spannung der Zenerdiode 16 oder 18, der
Schwellenspannung der Entkopplungsdiode 20 oder 22 und der
Gate-Emitter-Schwellenspannung des Halbleiterschalters 6 oder
4 überschreitet. Welcher Halbleiterschalter des bidirektiona
len Leistungsschalters 2 angesteuert wird, hängt von der Po
larität des am bidirektionalen Leistungsschalters 2 anstehen
den Sperrspannung ab. Damit wird eine am bidirektionalen
Leistungsschalters 2 in Common Kollektor Mode anstehende
Sperrspannung aktiv auf einen vorbestimmten Wert begrenzt.
Somit tritt am bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common
Kollektor Mode keine Überspannung mehr auf. Das Diodennetz
werk 14, das bei dieser Ausführungsform hochsperrende Dioden
aufweist wird in den beiden Ansteuerschaltungen integriert.
Somit wird kein zusätzliches Bauvolumen beansprucht.
In der Fig. 5 ist eine vorteilhafte Variante des Diodennetz
werkes 14 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung darge
stellt. Anstelle der Dioden 16, 20 und 18, 22 der Reihen
schaltungen 24 und 26 ist jeweils eine bidirektionale hoch
sperrende Zenerdiode 28 bzw. 30 vorgesehen. Diese bidirektio
nale hochsperrende Zenerdiode 28 bzw. 30 wird auch als bidi
rektionale Transildiode bezeichnet. Dadurch, dass anstelle
von zwei Dioden 16, 20 bzw. 18, 22 jeweils eine bidirektiona
le hochsperrende Zenerdiode 28 bzw. 30 verwendet wird, spart
man am Einbauplatz.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Diodennetz
werkes 14 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung. Dieses
Diodennetzwerk 14 weist ebenfalls zwei hochsperrende Zenerdi
oden 16 und 18, die auch als Transildioden bezeichnet werden,
und zwei niedersperrende Entkopplungsdioden 32 und 34 auf.
Die beiden Transildioden 16 und 18 sind zwischen den beiden
zugänglichen Anschlüssen G1 und G2 des bidirektionalen Leis
tungsschalters 2 in Common Kollektor Mode antiseriell ge
schaltet. Die niedersperrende Entkopplungsdiode 32 ist in
Sperrrichtung elektrisch parallel zu den Anschlüssen G1 und
E1 geschaltet, wogegen die niedersperrende Entkopplungsdiode
34 in Sperrrichtung elektrisch parallel zu den Anschlüssen G2
und E2 geschaltet ist.
Diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung funktioniert fol
gendermaßen:
Am bidirektionalen Leistungsschalter 2 in Common Kollektor
Mode tritt an den Anschlüssen E1, E2 eine für den Halbleiter
schalter 6 relevante Überspannung auf, d. h. der Kollektor des
Halbleiterschalters 6 ist positiv gegen Emitter. Bei einer
derartigen auftretenden Überspannung sind die Entkopplungsdi
oden 32 und die Transildiode 18 in Durchlassrichtung und die
Transildiode 16 und die Entkopplungsdiode 34 in Sperrrichtung
gepolt. Diese Spannung erhöht sich im Störfall auf einen
Wert, bei dem die Transildiode 16 in den Durchbruch geht
(entsprechend seiner Zenerspannung), und einen Strom zur Auf
ladung des Gates des Halbleiterschalters 6 durchlässt. Bei
genügend hoher Steuerspannung geht der Halbleiter 6 in den
aktiven Bereich und begrenzt dadurch einen weiteren Span
nungsanstieg. Falls eine für den Halbleiterschalter 4 rele
vante Überspannung ansteht (Kollektor positiv gegenüber Emit
ter vom Halbleiterschalter 4) funktioniert die Schaltung ana
log.
In der Fig. 7 ist eine erste Variante des Diodennetzwerks 14
gemäß Fig. 6 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung für
einen bidirektionalen Leistungsschalter 2 in Common Kollektor
Mode näher dargestellt. Diese Variante unterscheidet sich von
der Ausführungsform gemäß Fig. 6 dadurch, dass die kathodenmä
ßigen Verbindungen 36 und 38 der Dioden 16, 32 und der Dioden
18, 34 nicht direkt mit den Gate-Anschlüssen G1 und G2 des
bidirektionalen Leistungsschalters 2 verbunden sind, sondern
jeweils mit einem Eingang einer Treiberstufe 40 und 42 der
Halbleiterschalter 4 und 6 des bidirektionalen Leistungs
schalters 2. Jede Treiberstufe 40, 42 ist Bestandteil jeweils
einer nicht näher dargestellten Ansteuereinrichtung des Halb
leiterschalters 4 bzw. 6. An der Funktionsfähigkeit hat sich
gar nichts geändert, sondern lediglich an der Strombelastung
der Dioden 16, 18, 32 und 34 des Diodennetzwerkes 14. Da bei
dieser Variante des Diodennetzwerkes 14 der Gatestrom nicht
von den Dioden 32, 16 bzw. 34, 18 geführt werden muss, können
leistungsmäßig geringer dimensionierte Bauelemente verwendet
werden, die preiswerter ausfallen. Der benötigte Gatestrom
wird von der Treiberstufe 40 bzw. 42 generiert.
In der Fig. 8 ist eine weitere Variante der zweiten Ausfüh
rungsform des Diodennetzwerkes 14 der aktiven Überspannungs
schutzvorrichtung des bidirektionalen Leistungsschalters 2 in
Common Kollektor Mode dargestellt. Diese Variante unterschei
det sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 6 dadurch, dass
anstelle der niedersperrenden Entkopplungsdioden 32 und 34
jeweils Zenerdioden 44 und 46 mit niedriger Zenerspannung,
beispielsweise 16 V, verwendet werden. Dadurch, dass als Ent
kopplungsdiode 32 bzw. 34 jeweils eine Zenerdiode 44 bzw. 46
verwendet wird, erfüllt die Entkopplungsdiode gleichzeitig
eine zweite Funktion. Diese zweite Funktion ist die Begren
zung der Gate-Emitter-Spannung des Halbleiterschaltes 4 bzw.
6 auf einem vorbestimmten Wert.
Die Fig. 9 zeigt eine weitere Variante der zweiten Ausfüh
rungsform des Diodennetzwerkes 14 der aktiven Überspannungs
schutzvorrichtung, wobei gegenüber der Variante gemäß Fig. 8
anstelle der beiden antiseriell geschalteten Transildioden 16
und 18 zwischen den beiden Anschlüssen G1 und G2 des bidirek
tionalen Leistungsschalters 2 eine bidirektionale Transildi
ode 46 verwendet wird. Dieses Diodennetzwerk 14 ist wie in
der Fig. 7 vor den Treiberstufen 40 und 42 der Halbleiter
schalter 4 und 6 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 an
geordnet. Diese Variante des Diodennetzwerkes 14 kann jedoch
wie in den Fig. 6 bzw. 8 auch direkt mit den zugänglichen An
schlüssen G1, G2, E1, E2 des bidirektionalen Leistungsschal
ters 2 in Common Kollektor Mode verbunden werden.
Die Fig. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform des Diodennetz
werkes 14 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung für ei
nen bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common Kollektor
Mode. Dieses Diodennetzwerk 14 weist zwei Entkopplungsdioden
32 und 34 und eine Transildiode 16 auf, die in einer Dioden
brücke 48 eingebettet ist. Die freien Enden dieser Diodenbrü
cke 48 sind mit den Anschlüssen G1 und G2 der bidirektionalen
Leistungsschalter 2 elektrisch leitend verbunden. Die Ver
schaltung der Entkopplungsdioden 32 und 34 ist gleich der
Entkopplungsdioden 32 und 34 der zweiten Ausführungsform des
Diodennetzwerkes 14 gemäß Fig. 6. Der Unterschied zur Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 6 besteht darin, dass anstelle zweier an
tiseriell geschalteter Transildioden 16, 18 eine in einer Di
odenbrücke 48 eingebettete Transildiode 16 verwendet wird.
Dabei ist die Transildiode 16 anodenseitig mit den Anoden
zweier Dioden 50, 52 der Diodenbrücke 48 verknüpft, die ih
rerseits kathodenseitig mit den Anschlüssen G1 und G2 des bi
direktionalen Leistungsschalters 2 verbunden sind. Kathoden
seitig ist die Transildiode 16 mit den Kathoden zweier weite
rer Dioden 54, 56 der Diodenbrücke 48 verbunden, die ihrer
seits anodenseitig mit den Anschlüssen G1 und G2 des bidirek
tionalen Leistungsschalters 2 verknüpft sind. Diese Ausfüh
rungsform des Diodennetzwerkes 14 weist die minimalste Anzahl
von Hochspannungs-Zenerdioden auf.
In der Fig. 11 ist eine vierte Ausführungsform des Diodennetz
werkes 14 der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung für einen
bidirektionalen Leistungsschalter 2 in Common Kollektor
Mode dargestellt. Diese Ausführungsform weist gegenüber der
Ausführungsform gemäß Fig. 10 keine Entkopplungsdioden 32 und
34 mehr auf. Dazu sind die weiteren Dioden 54 und 56 der Dio
denbrücke 48 anodenseitig nicht mehr mit den Anschlüssen G1
und G2, sondern mit den Anschlüssen E1 und E2 des bidirektio
nalen Leistungsschalters 2 elektrisch leitend verbunden. So
mit hat sich die Anzahl der Dioden des Diodennetzwerkes 14
weiter verringert, wobei nur eine Transildiode 16 für einen
bidirektionalen Leistungsschalters 2 in Common Kollektor Mode
benötigt wird.
Anstelle des Diodennetzwerkes 14 kann die aktive Überspan
nungsschutzvorrichtung des bidirektionalen Leistungsschalters
2 in Common Kollektor Mode auch eine Spannungsmesseinrichtung
58, zwei Spannungsvergleichs-Einrichtung 60 und 62 und zwei
Entkopplungsdioden 64 und 66 aufweisen. Die Spannungsmessein
richtung 58 besteht aus drei elektrisch in Reihe geschalteter
Widerstände 68, 70, 72, von denen nur der Widerstand 70 als
Hochspannungs-Widerstand ausgeführt ist. Diese Spannungsmess
einrichtung 58 ist elektrisch parallel zu den Anschlüssen E1
und E2 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 geschaltet.
Die Verbindungspunkte 74 und 76 der Widerstände 68, 70 und
70, 72 bilden jeweils einen Ausgang der Spannungsmesseinrich
tung 58, an denen jeweils ein Spannungs-Istwert des Halblei
terschalters 4 bzw. 6 abgegriffen werden kann. Diese Ausgänge
74 und 76 der Spannungsmesseinrichtung 58 sind jeweils mit
einem Istwert-Eingang der Spannungsvergleichs-Einrichtung 60
und 62 verbunden. Am Sollwert-Eingang dieser Spannungsver
gleichs-Einrichtungen 60 und 62 steht jeweils ein vorbestimm
ter Spannungs-Sollwert Uref4 bzw. Uref6 an. Ausgangsseitig ist
die Spannungsvergleichs-Einrichtung 60 bzw. 62 mittels der
Entkopplungsdiode 64 bzw. 66 mit einem Eingang der Treiber
stufe 40 bzw. 42 der nicht näher dargestellten Ansteuerschal
tung des Halbleiterschalters 4 bzw. 6 des bidirektionalen
Leistungsschalters 2 elektrisch leitend verbunden. Sobald der
ermittelte Spannungs-Istwert des Halbleiterschalters 4 oder 6
größer oder gleich dem vorbestimmten Spannungs-Sollwert Uref4
oder Uref6 ist, wird die korrespondierende Treiberstufe 40
oder 42 angesteuert, so dass ein Strom zur Aufladung des Ga
tes des Halbleiterschalters 4 oder 6 generiert wird. Bei ge
nügend hoher Steuerspannung geht der Halbleiterschalter 4 o
der 6 in den aktiven Bereich und begrenzt dadurch einen wei
teren Spannungsanstieg. Diese aktive Überspannungsschutzvor
richtung wird vorteilhafterweise bei einem bidirektionalen
Leistungsschalters 2 großer Leistung verwendet.
Claims (10)
1. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirekti
onalen Leistungsschalter (2), der zwei antiseriell geschalte
te Halbleiterschalter (4, 6) in der Topologie "Common Kollek
tor Mode" aufweist, wobei diese Überspannungsschutzvorrich
tung ein Diodennetzwerk (14) ist, das derart mit den beiden
Gate- und Emitter-Anschlüssen (G1, G2, E1, E2) des bidirektiona
len Leistungsschalters (2) verknüpft ist, dass für jeden der
beiden Halbleiterschaltern (4, 6) des bidirektionalen Leis
tungsschalters (2) die Funktion einer Spannungsklemmschaltung
erfüllt ist.
2. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wo
bei das Diodennetzwerk (14) zwei Zenerdioden (16, 18) und zwei
Entkopplungsdioden (20, 22) aufweist, wobei die Zenerdioden
(16, 18) kathodenseitig jeweils mit einem Emitter-Anschluss
(E1, E2) und die Entkopplungsdioden (20, 22) kathodenseitig je
weils mit einem Gate-Anschluss (G1, G2) des bidirektionalen
Leistungsschalters (2) verknüpft sind, und wobei eine Zener-
und eine Entkopplungsdiode (16, 20) anodenseitig derart ver
knüpft sind, dass jeweils ein Emitter-Anschluss (E1, E2) eines
Halbleiterschalters (4, 6) mit einem Gate-Anschluss (G2, G1)
des anderen Halbleiterschalters (6, 4) des bidirektionalen
Leistungsschalters (2) verbunden ist.
3. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wo
bei das Diodennetzwerk (14) zwei Zenerdioden (16, 18) und zwei
Entkopplungsdioden (32, 34) aufweist, wobei die Zenerdioden
(16, 18) anodenseitig miteinander und kathodenseitig jeweils
mit einem Gate-Anschluss (G1, G2) des bidirektionalen Leis
tungsschalters (2) verbunden sind und wobei die Entkopplungs
dioden (32, 34) kathodenseitig jeweils mit einem Gate-An
schluss (G1, G2) und anodenseitig jeweils mit einem Emitter-
Anschluss (E1, E2) des bidirektionalen Leistungsschalters (2)
verknüpft sind.
4. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 3, wo
bei zwischen dem Diodennetzwerk (14) und den Gate-Anschlüssen
(G1, G2) des bidirektionalen Leistungsschalters (2) jeweils
eine Treiberstufe (40, 42) derart angeschlossen ist, dass je
weils ein kathodenseitiger Verknüpfungspunkt (36, 38) einer
Zenerdiode (16, 18) und einer Entkopplungsdiode (32, 34) des
Diodennetzwerkes (14) mit einem Eingang einer Treiberstufe
(40, 42) verknüpft ist.
5. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, wo
bei das Diodennetzwerk (14) zwei Entkopplungsdioden (32, 34)
und eine in einer Diodenbrücke (48) verschalteten Zenerdiode
(16) aufweist, wobei jede Entkopplungsdiode (32, 34) anoden
seitig mit einem Emitter- und kathodenseitig mit einem Gate-
Anschluss (E1, E2, G1, G2) des bidirektionalen Leistungsschal
ters (2) verknüpft sind, wobei die Zenerdiode (16) anodensei
tig mit Anodenanschlüssen zweier Dioden (50, 52) der Dioden
brücke (48) und kathodenseitig mit Kathodenanschlüssen zweier
weiterer Dioden (54, 56) der Diodenbrücke (48) verbunden ist
und wobei die Diodenbrücke (48) mit seinen freien Enden je
weils mit einem Gate-Anschluss (G1, G2) des bidirektionalen
Leistungsschalters (2) verknüpft sind.
6. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1,
wobei das Diodennetzwerk (14) eine Zenerdiode (16) und vier
Dioden (50, 52, 54, 56) aufweist, wobei die Zenerdiode (16) ano
denseitig mit den Anodenanschlüssen zweier Dioden (50, 52)
verknüpft ist, die ihrerseits kathodenseitig jeweils mit ei
nem Gate-Anschluss (G1, G2) des bidirektionalen Leistungs
schalters (2) verbunden sind und wobei die Zenerdiode (16)
kathodenseitig mit den Kathodenanschlüssen zweier Dioden
(54, 56) verknüpft ist, die ihrerseits Anodenseitig jeweils
mit einem Emitter-Anschluss (E1, E2) des bidirektionalen Leis
tungsschalters (2) verbunden sind.
7. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirekti
onalen Leistungsschalter (2), der zwei antiseriell geschalte
te Halbleiterschalter (4, 6) in der Topologie "Common Kollek
tor Mode" aufweist, wobei diese Überspannungsschutzvorrich
tung eine Spannungsmesseinrichtung (58), zwei Spannungsver
gleichseinrichtungen (60, 62) und zwei Entkopplungsdioden
(64, 66) aufweist, wobei diese Spannungsmesseinrichtung (58)
elektrisch parallel zum bidirektionalen Leistungsschalter (2)
vorgeschaltet ist, wobei jeder Spannungsvergleichs-Einrich
tung (60, 62) eingangsseitig ein gemessener Spannungs-Istwert
und ein vorbestimmter Spannungs-Sollwert (Uref4, Uref6) zuge
führt ist, wobei jede Entkopplungsdiode (64, 66) anodenseitig
mit einem Ausgang einer Spannungsvergleichs-Einrichtung
(60, 62) und kathodenseitig mit einem Eingang einer Treiber
stufe (40, 42) der Halbleiterschalter (4, 6) verknüpft ist.
8. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 2, wo
bei anstelle zweier Dioden (16, 18) und zweier Entkopplungsdi
oden (20, 22) zwei bidirektionale Transildioden (28, 30) vorge
sehen sind, wobei jede bidirektionale Transildiode (28, 30)
mit einem Emitter-Anschluss (E1, E2) eines ersten Halbleiter
schalters (4, 6) und mit einem Gate-Anschluss (G2, G1) eines
zweiten Halbleiterschalters (6, 4) des bidirektionalen Leis
tungsschalters (2) verknüpft ist.
9. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 3 oder
4, wobei anstelle der beiden Entkopplungsdioden (32, 34) zwei
Zenerdioden (44, 46) mit niedriger Durchbruchspannung vorgese
hen sind.
10. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der An
sprüche 3, 4 oder 9, wobei anstelle zweier Zenerdioden
(16, 18) eine bidirektionale Transildiode (28) vorgesehen ist.
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Ipc: H03K 17/082 |
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D2 | Grant after examination | ||
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R409 | Internal rectification of the legal status completed | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20121002 |