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Die Erfindung betrifft das Gebiet elektronischer Schaltungen und insbesondere eine Torschaltung, die mit dem Gate einer Leistungsvorrichtung verbunden ist.
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JP 2002-353795 offenbart eine Torschaltung, die mit dem Gate einer Leistungsvorrichtung verbunden ist. Wenn durch die Leistungsvorrichtung ein Überstrom fließt, bewirkt diese Torschaltung, dass ein Teil der Gate-Versorgungsspannung über ein resistives Element abfällt. Dies dient dazu, die tatsächlich an das Gate der Leistungsvorrichtung angelegte Spannung zu verringern, wodurch der Überstrom in der Vorrichtung verringert wird.
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Um den Überstrom in der Leistungsvorrichtung schnell zu verringern, ist es wünschenswert, den Widerstandswert des obigen resistiven Elements zu verringern. Es wird angemerkt, dass die Leistungsvorrichtung nach Verringern des Überstroms ausgeschaltet wird. Allerdings wird die Leistungsvorrichtung in der in der obigen Patentveröffentlichung offenbarten Torschaltung unter Verwendung eines resistiven Elements mit einem verhältnismäßig niedrigen Widerstandswert, das mit ihrem Gate verbunden ist, ausgeschaltet. Dies führt zu einer schnellen Verringerungsrate des Stroms (di/dt) in der Leistungsvorrichtung, wobei festgestellt worden ist, dass dies in einigen Fällen eine Stoßspannung verursacht.
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US 2008/0304197 A1 beschreibt eine Treiberschaltung für ein spannungsgesteuertes Element mit einem resistiven Gate-Element, das an einem Ende mit dem Gate einer Leistungsvorrichtung verbunden ist, einer Einschaltvorrichtung, die zwischen eine Leistungsversorgung und das andere Ende des resistiven Gate-Elements geschaltet ist, einem ersten resistiven Element, einer ersten Schaltvorrichtung, die an einem Ende mit dem anderen Ende des ersten resistiven Elements verbunden ist, einem zweiten resistiven Element, einer zweiten Schaltvorrichtung, die an einem Ende mit dem anderen Ende des zweiten resistiven Elements verbunden ist, einem Überstrom-Unterdrückungsmittel zum Einschalten der ersten Schaltvorrichtung gerade dann, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung einen vorgegebenen Wert erreicht, und einem Ausschaltverzögerungsmittel, um die zweite Schaltvorrichtung einzuschalten, um die Leistungsvorrichtung auszuschalten, nachdem das Überstrom-Unterdrückungsmittel die erste Schaltvorrichtung eingeschaltet hat.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme zu lösen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Torschaltung zu schaffen, die einen in einer Leistungsvorrichtung fließenden Überstrom schnell verringern kann, die aber die Leistungsvorrichtung dennoch ausschalten kann, während eine langsame Verringerungsrate des Stroms (di/dt) in der Vorrichtung aufrechterhalten wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Torschaltung nach Anspruch 1 bzw. nach Anspruch 3. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung enthält eine Torschaltung ein resistives Gate-Element, das an einem Ende mit dem Gate einer Leistungsvorrichtung verbunden ist, eine Einschaltvorrichtung, die zwischen eine Leistungsversorgung und das andere Ende des resistiven Gate-Elements geschaltet ist, ein erstes resistives Element, das an einem Ende mit dem Gate verbunden ist, eine erste Schaltvorrichtung, die an einem Ende mit dem anderen Ende des ersten resistiven Elements und an dem anderen Ende mit Masse verbunden ist, ein zweites resistives Element, das an einem Ende mit dem Gate verbunden ist und das einen höheren Widerstandswert als das erste resistive Element aufweist, eine zweite Schaltvorrichtung, die an einem Ende mit dem anderen Ende des zweiten resistiven Elements und an dem anderen Ende mit Masse verbunden ist, ein Überstrom-Unterdrückungsmittel zum Einschalten der ersten Schaltvorrichtung gerade dann, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung einen vorgegebenen Wert erreicht, und ein Ausschaltverzögerungsmittel, um die Einschaltvorrichtung und die erste Schaltvorrichtung auszuschalten und um die zweite Schaltvorrichtung einzuschalten, um die Leistungsvorrichtung auszuschalten, nachdem das Überstrom-Unterdrückungsmittel die erste Schaltvorrichtung eingeschaltet hat.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung enthält eine Torschaltung eine Parallelschaltung eines ersten resistiven Gate-Elements und eines zweiten resistiven Gate-Elements, die zwischen eine Leistungsversorgung und das Gate einer Leistungsvorrichtung geschaltet sind, wobei das zweite resistive Gate-Element einen höheren Widerstandswert als das erste resistive Gate-Element aufweist, eine erste Einschaltvorrichtung, um das Anlegen einer Spannung über das erste resistive Gate-Element an das Gate zuzulassen bzw. zu verhindern; eine zweite Einschaltvorrichtung, um das Anlegen einer Spannung über das zweite resistive Gate-Element an das Gate zuzulassen bzw. zu verhindern, ein resistives Element, das an einem Ende mit dem Gate verbunden ist, eine Schaltvorrichtung, die an einem Ende mit dem anderen Ende des resistiven Elements und an dem anderen Ende mit Masse verbunden ist, ein Mittel zum Einschalten der ersten Einschaltvorrichtung und der zweiten Einschaltvorrichtung zum Einschalten der Leistungsvorrichtung, ein Mittel, um die erste Einschaltvorrichtung auszuschalten und die zweite Einschaltvorrichtung in einem eingeschalteten Zustand zu halten, wenn die Leistungsvorrichtung in einem stationären eingeschalteten Zustand gehalten wird, ein Überstrom-Unterdrückungsmittel zum Einschalten der Schaltvorrichtung gerade dann, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung einen vorgegebenen Wert erreicht, und ein Ausschaltverzögerungsmittel, um die zweite Einschaltvorrichtung auszuschalten und die Schaltvorrichtung in einem eingeschalteten Zustand zu halten, um die Leistungsvorrichtung auszuschalten, nachdem das Überstrom-Unterdrückungsmittel die Schaltvorrichtung eingeschaltet hat.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
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1 einen Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 einen Zeitablaufplan des Signalpegels an jedem Anschluss usw. der integrierten Controllerschaltung der ersten Ausführungsform;
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3 ein Diagramm des Kollektorstroms und des Emitterabtaststroms (durchgezogene Linien) der Leistungsvorrichtung, wenn sie mit der Torschaltung der ersten Ausführungsform verbunden ist;
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4 einen Stromlaufplan einer Torschaltung, die mit einem Stromtransformator zum Erfassen eines Überstroms einer Leistungsvorrichtung versehen ist;
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5 einen Stromlaufplan einer Torschaltung, in der die erste Schaltvorrichtung ein Bipolartransistor ist;
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6 einen Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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7 einen Stromlaufplan einer Abwandlung der Torschaltung der zweiten Ausführungsform;
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8 einen Zeitablaufplan des Betriebs der Abwandlung der Torschaltung der zweiten Ausführungsform;
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9 einen Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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10 einen Zeitablaufplan des Signalpegels bei jedem Anschluss usw. der integrierten Controllerschaltung der dritten Ausführungsform;
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11 einen Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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12 einen Zeitablaufplan des Betriebs der Torschaltung der vierten Ausführungsform;
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13 einen Stromlaufplan einer Abwandlung der Torschaltung der vierten Ausführungsform;
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14 einen Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der Erfindung; und
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15 einen Stromlaufplan einer Abwandlung der Torschaltung der fünften Ausführungsform.
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Erste Ausführungsform
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1 ist ein Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Torschaltung enthält eine Normalbetriebsschaltung 10, eine Schutzschaltung 12 und eine integrierte Controllerschaltung 14. Die Torschaltung steuert die an das Gate einer Leistungsvorrichtung Q1 angelegte Spannung. Es wird angemerkt, dass die Leistungsvorrichtung Q1 mit einem Emitterabtastanschluss ausgestattet ist. Mit dem Emitterabtastanschluss ist ein Stromerfassungs-Nebenschlusswiderstand R1 verbunden. Die Normalbetriebsschaltung 10, die Schutzschaltung 12 und die integrierte Controllerschaltung 14 werden ausführlich beschrieben.
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Die Normalbetriebsschaltung 10 enthält ein resistives Gate-Element R2, das mit dem Gate verbunden ist. Mit dem resistiven Gate-Element R2 ist eine Einschaltvorrichtung Q2 verbunden. Die Einschaltvorrichtung Q2 ist zwischen die Leistungsversorgung V1 und das resistive Gate-Element R2 geschaltet. Das heißt, diese Einschaltvorrichtung Q2 wird dafür verwendet, das Anlegen einer Spannung über das resistive Gate-Element R2 an das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 zuzulassen bzw. zu verhindern. Das resistive Gate-Element R2 weist einen Widerstandswert auf, der niedrig genug ist, damit der Verlust in dem Element klein ist, wenn die Leistungsvorrichtung Q1 eingeschaltet wird.
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Außerdem enthält die Normalbetriebsschaltung 10 ein resistives Gate-Element R3, das mit dem Gate der Leistungsvorrichtung Q1 verbunden ist. Mit dem resistiven Gate-Element R3 ist eine Ausschaltvorrichtung Q3 verbunden. Die Ausschaltvorrichtung Q3 und das resistive Gate-Element R3 werden zum Ausschalten der Leistungsvorrichtung Q1 verwendet.
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Die Schutzschaltung 12 enthält ein erstes resistives Element R4, das an einem Ende mit dem Gate der Leistungsvorrichtung Q1 verbunden ist. Der Widerstandswert des ersten resistiven Elements R4 ist gleich dem des resistiven Gate-Elements R2. Ein Ende einer ersten Schaltvorrichtung Q4 ist mit dem anderen Ende des ersten resistiven Elements R4 verbunden. Das andere Ende der ersten Schaltvorrichtung Q4 ist mit Masse verbunden. Ein Ende einer Schaltvorrichtung bezieht sich in dieser Beschreibung entweder auf die Source oder auf den Drain der Vorrichtung, während sich das andere Ende der Schaltvorrichtung auf das andere der Source und des Drains der Vorrichtung bezieht.
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Außerdem enthält die Schutzschaltung 12 eine Diode D1, deren Anode mit dem Emitterabtastanschluss der Leistungsvorrichtung Q1 verbunden ist. Die Katode der Diode D1 ist mit einem Ende eines resistiven Elements R5 verbunden. Das andere Ende des resistiven Elements R5 ist mit einem Ende eines Kondensators C1 verbunden. Das eine Ende des Kondensators C1 ist außerdem mit dem Gate der ersten Schaltvorrichtung Q4 verbunden. Das andere Ende des Kondensators C1 ist mit Masse verbunden. Der Kondensator C1 ist derart beschaffen, dass die erste Schaltvorrichtung Q4 durch die geladene Spannung auf dem Kondensator C1 gerade eingeschaltet wird, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 einen vorgegebenen Wert erreicht. Das heißt, der Kondensator C1 wirkt als ein Überstrom-Unterdrückungsmittel, das die erste Schaltvorrichtung Q4 einschaltet, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 den vorgegebenen Wert erreicht.
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Ferner enthält die Schutzschaltung 12 ein zweites resistives Element R6, das an einem Ende mit dem Gate der Leistungsvorrichtung Q1 verbunden ist und das einen höheren Widerstandswert als das erste resistive Element R4 aufweist. Das andere Ende des zweiten resistiven Elements R6 ist mit einem Ende einer zweiten Schaltvorrichtung Q5 verbunden. Das andere Ende der zweiten Schaltvorrichtung Q5 ist mit Masse verbunden. Ferner ist die Katode einer Diode D2 mit einem Ende der zweiten Schaltvorrichtung Q5 verbunden. Die Anode der Diode D2 ist mit einem Ende des Kondensators C1 und somit mit dem Gate der ersten Schaltvorrichtung Q4 verbunden. Die Diode D2 wird zum Entladen der auf dem Kondensator C1 angesammelten Ladung verwendet.
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Die integrierte Controllerschaltung 14 weist einen ersten Anschluss OUT1 zum Ausgeben eines Signals zum Steuern des Einund Ausschaltens der Einschaltvorrichtung Q2 auf. Außerdem weist die integrierte Controllerschaltung 14 einen zweiten Anschluss OUT2 und einen dritten Anschluss OUT3 zum Ein- und Ausschalten der Ausschaltvorrichtung Q3 bzw. der zweiten Schaltvorrichtung Q5 auf. Ferner weist die integrierte Controllerschaltung 14 außerdem einen Anschluss SC zum Erfassen des Emitterabtaststroms der Leistungsvorrichtung Q1 auf. Es wird angemerkt, dass das ”Torsignal” in 1 ein Toransteuersignal bezeichnet, das von außen an die integrierte Controllerschaltung 14 angelegt wird. Ferner bezeichnet ”Störungssignal” ein Fehlersignal, das von der integrierten Controllerschaltung 14 ausgegeben wird, wenn ein Überstrom erfasst worden ist.
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Es wird nun der Betrieb der Torschaltung der ersten Ausführungsform beschrieben. 2 ist ein Zeitablaufplan des Signalpegels an jedem Anschluss usw. der integrierten Controllerschaltung 14 der ersten Ausführungsform. Zunächst wird anhand der Zeitdauer vom Zeitpunkt T1 bis zum Zeitpunkt T2 in 2 der Normalbetrieb der Torschaltung beschrieben. In 2 gibt T1 einen Zeitpunkt an, zu dem die Leistungsvorrichtung Q1 eingeschaltet wird, und gibt T2 einen Zeitpunkt an, zu dem die Leistungsvorrichtung Q1 ausgeschaltet wird. Genauer wird ein Signal zum Einschalten der Einschaltvorrichtung Q2 von dem ersten Anschluss OUT1 der integrierten Controllerschaltung 14 zu dem Gate der Einschaltvorrichtung Q2 zugeführt, um die Einschaltvorrichtung Q2 einzuschalten, wenn die Leistungsvorrichtung Q1 bei T1 eingeschaltet wird. Dieses Signal schaltet die Einschaltvorrichtung Q2 ein, wobei im Ergebnis eine Spannung von der Leistungsversorgung V1 über das resistive Gate-Element R2 an das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 angelegt wird. Wenn die Leistungsvorrichtung Q1 zum Zeitpunkt T2 ausgeschaltet werden soll, wird andererseits ein Signal von dem zweiten Anschluss OUT2 zu dem Gate der Ausschaltvorrichtung Q3 zugeführt, um die Ausschaltvorrichtung Q3 einzuschalten, so dass das resistive Gate-Element R3 zwischen das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 und Masse geschaltet wird.
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Anhand der Zeitdauer vom Zeitpunkt T3 bis zum Zeitpunkt T4 in 2 wird nun der Betrieb der Torschaltung beschrieben, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Wenn die Leistungsvorrichtung Q1 in ihrem eingeschalteten Zustand ist, kann es geschehen, dass wegen eines Zweigkurzschlusses usw. ein Überstrom durch die Leistungsvorrichtung Q1 fließt. Wenn ein Überstrom in der Leistungsvorrichtung Q1 fließt, nimmt der Emitterabtaststrom von der Leistungsvorrichtung Q1 zu, wodurch der Kondensator C1 geladen wird. Wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 einen vorgegebenen Wert erreicht, wird die erste Schaltvorrichtung Q4 durch die geladene Spannung auf dem Kondensator C1 eingeschaltet. Im Ergebnis fällt ein Teil der Gate-Versorgungsspannung von der Leistungsversorgung V1 über das erste resistive Element R4 ab (d. h., die Gate-Versorgungsspannung wird über die Reihenschaltung des resistiven Gate-Elements R2 und des ersten resistiven Elements R4 angelegt), was dazu führt, dass eine verringerte Spannung an das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 angelegt wird. Da der Widerstandswert des ersten resistiven Elements R4 gleich dem des resistiven Gate-Elements R2 ist, ist die Spannung über das erste resistive Element R4 halb so groß wie die Gate-Versorgungsspannung. Es wird angemerkt, dass die Gate-Spannung der Leistungsvorrichtung Q1, wenn diese in ihren eingeschalteten Zustand ist, normalerweise im Wesentlichen gleich der Gate-Versorgungsspannung von der Leistungsversorgung V1 ist.
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Zum Zeitpunkt T4, einige Zeit, nachdem die erste Schaltvorrichtung Q4 eingeschaltet worden ist, erfasst die integrierte Controllerschaltung 14 durch Abtasten der Spannung an dem Anschluss SC den durch die Leistungsvorrichtung Q1 fließenden Überstrom und wirkt so, dass sie den Strom verringert. Genauer schaltet die integrierte Controllerschaltung 14 die Signalzufuhr zu dem ersten Anschluss OUT1 ab, um die Einschaltvorrichtung Q2 auszuschalten, und gibt sie über den dritten Anschluss OUT3 ein Signal zum Einschalten der zweiten Schaltvorrichtung Q5 aus. Da das Gate der ersten Schaltvorrichtung Q4 über die Diode D2 mit dem Drain der zweiten Schaltvorrichtung Q5 verbunden ist, führt das Einschalten der zweiten Schaltvorrichtung Q5 zum Ausschalten der ersten Schaltvorrichtung Q4. Im Ergebnis werden zum Zeitpunkt T4 die Einschaltvorrichtung Q2 und die erste Schaltvorrichtung Q4 ausgeschaltet und wird zu diesem Zeitpunkt die zweite Schaltvorrichtung Q5 eingeschaltet. Das heißt, dass nach dem Zeitpunkt T4 die Leistungsvorrichtung Q1 allmählich ausgeschaltet wird, da ihr Gate über das zweite resistive Element R6, das einen höheren Widerstandswert als das erste resistive Element R4 aufweist, mit Masse verbunden ist. Somit wirkt die integrierte Controllerschaltung 14 als ein Ausschaltverzögerungsmittel, um die Leistungsvorrichtung Q1 unter Verwendung des zweiten resistiven Elements R6 mit einem hohen Widerstandswert allmählich auszuschalten.
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Es wird angemerkt, dass die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt T3 und dem Zeitpunkt T4 üblicherweise näherungsweise einige Nanosekunden beträgt. Das heißt, nachdem der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 zum Zeitpunkt T3 einen vorgegebenen Wert erreicht hat, dauert es einige Nanosekunden, bis die integrierte Controllerschaltung 14 die interne Verarbeitung initiiert und eine Antwort erzeugt.
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Somit schaltet die Torschaltung der ersten Ausführungsform die erste Schaltvorrichtung Q4 gerade dann ein, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 einen vorgegebenen Wert erreicht. Im Ergebnis fällt ein Teil der Gate-Versorgungsspannung von der Leistungsversorgung V1 über das erste resistive Element R4 ab (d. h., die Gate-Versorgungsspannung wird über die Reihenschaltung des resistiven Gate-Elements R2 und des ersten resistiven Elements R4 angelegt), was zu einer schnellen Verringerung des Überstroms in der Leistungsvorrichtung Q1 führt. Ferner wird die Leistungsvorrichtung Q1 durch das oben beschriebene Ausschaltverzögerungsmittel, das das zweite resistive Element R6 mit einem höheren Widerstandswert als das erste resistive Element R4 verwendet, allmählich ausgeschaltet, nachdem der Überstrom in der Leistungsvorrichtung Q1 somit verringert worden ist. Somit wird das zweite resistive Element R6 nur dazu verwendet, die Leistungsvorrichtung Q1 allmählich auszuschalten, nachdem der Überstrom in der Leistungsvorrichtung Q1 auf einen bestimmten Pegel verringert worden ist. Somit kann der Widerstandswert des zweiten resistiven Elements R6 unabhängig als hoch gewählt werden, was es ermöglicht, die Leistungsvorrichtung Q1 auszuschalten, während eine niedrige Verringerungsrate des Stroms (di/dt) in der Vorrichtung aufrechterhalten wird und dadurch Stoßspannungen unterdrückt werden.
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3 ist ein Diagramm, das den Kollektorstrom und den Emitterabtaststrom (durch durchgezogene Linien angegeben) der Leistungsvorrichtung Q1 zeigt, wenn sie mit der Torschaltung der ersten Ausführungsform verbunden ist. Wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 einen vorgegebenen Wert erreicht, erreicht der Emitterabtaststrom (ISENSE) einen entsprechenden Wert, der durch die Torschaltung erfasst wird. Bei dieser Erfassung schaltet die Torschaltung die erste Schaltvorrichtung Q4 ein, was zur schnellen Verringerung des Überstroms in der Leistungsvorrichtung führt. Nachfolgend wird die zweite Schaltvorrichtung Q5 eingeschaltet und wird die erste Schaltvorrichtung Q4 ausgeschaltet, so dass die Leistungsvorrichtung Q1 unter Verwendung des zweiten resistiven Elements R6, das einen hohen Widerstandswert aufweist, allmählich ausgeschaltet wird (d. h., der Betrieb der Leistungsvorrichtung Q1 wird welch abgeschaltet). Es wird angemerkt, dass die Strichlinie in 3 den Kollektorstrom der Leistungsvorrichtung Q1 angibt, wenn die Vorrichtung unter Verwendung des ersten resistiven Elements R4 mit einem niedrigeren Widerstandswert als das zweite resistive Element R6 ausgeschaltet wird.
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Obwohl in der ersten Ausführungsform das Überstromerfassungsmittel in der Leistungsvorrichtung den Emitterabtaststrom abtastet, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf dieses bestimmte Überstromerfassungsmittel beschränkt. Zum Beispiel ist es möglich, einen Stromsensor wie etwa einen Stromtransformator zu verwenden, der extern an die Leistungsvorrichtung angeschlossen ist. 4 ist ein Stromlaufplan einer Torschaltung, die mit einem Stromtransformator 16 zum Erfassen eines Überstroms in der Leistungsvorrichtung versehen ist. Somit beseitigt die Verwendung eines mit der Leistungsvorrichtung verbundenen externen Stromsensors die Notwendigkeit eines chipintegrierten Stromsensors in der Vorrichtung. Es wird angemerkt, dass die Bauelemente in 4, die jenen in 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Ferner sind in den folgenden Stromlaufplänen einander entsprechende Bauelemente ebenfalls mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Obwohl die erste Schaltvorrichtung Q4 in der ersten Ausführungsform ein MOS-Transistor ist, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diesen besonderen Transistortyp beschränkt. Die erste Schaltvorrichtung Q4 kann ein Bipolartransistor sein. 5 ist ein Stromlaufplan einer Torschaltung, in der die erste Schaltvorrichtung ein Bipolartransistor 18 ist.
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Obwohl der Widerstandswert des ersten resistiven Elements R4 in der ersten Ausführungsform gleich dem des resistiven Gate-Elements R2 ist, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese besondere Ausführungsform beschränkt. Die Erfindung erfordert lediglich, dass der Widerstandswert des ersten resistiven Elements R4 klein genug ist, damit die Spannung über das erste resistive Element R4, d. h. die Gate-Spannung der Leistungsvorrichtung, verhältnismäßig niedrig ist, wenn die erste Schaltvorrichtung Q4 eingeschaltet wird, nachdem der Strom in der Leistungsvorrichtung einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Es wird angemerkt, dass die Spannung über das erste resistive Element R4, d. h. die Gate-Spannung der Leistungsvorrichtung, wenn die erste Schaltvorrichtung Q4 eingeschaltet wird, durch den folgenden Ausdruck dargestellt ist: R4·V1/(R4 + R2), wobei V1 die Gate-Versorgungsspannung, R4 der Widerstandswert des ersten resistiven Elements und R2 der Widerstandswert des resistiven Gate-Elements ist.
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Zweite Ausführungsform
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6 ist ein Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die folgende Beschreibung dieser Torschaltung ist hauptsächlich auf die Unterschiede gegenüber der Torschaltung der ersten Ausführungsform gerichtet. Das Ausschaltverzögerungsmittel der Torschaltung der zweiten Ausführungsform ist durch diskrete Bauelemente gebildet. Das heißt, diese Torschaltung unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform dadurch, dass die integrierte Controllerschaltung durch diskrete Bauelemente ersetzt ist.
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Die Torschaltung der zweiten Ausführungsform enthält einen Differenzverstärker 20. Der Differenzverstärker 20 verstärkt die Differenz zwischen der Emitterabtastspannung der Leistungsvorrichtung Q1 und der Ausgangsspannung der Leistungsversorgung V2. Der Ausgang des Differenzverstärkers 20 ist ein Eingang in eine Flipflop-Schaltung 22. Eine Ausgabe der Flipflop-Schaltung 22 wird in einen Eingang eines UND-Gatters 24 eingegeben. Der andere Eingang des UND-Gatters 24 empfängt das Tor-Ansteuersignal (Torsignal). Der Ausgang des UND-Gatters 24 wird für die Ein-aus-Steuerung der Einschaltvorrichtung Q2 verwendet. Die Ausgabe des UND-Gatters 24 wird über ein NICHT-Gatter 26 in einen Eingang eines UND-Gatters 28 eingegebenen. Der andere Eingang des UND-Gatters 28 empfängt eine Ausgabe der Flipflop-Schaltung 22. Die Ausgabe des UND-Gatters 28 wird für die Ein-aus-Steuerung der Ausschaltvorrichtung Q3 verwendet. Die zweite Schaltvorrichtung Q5 wird durch die Ausgabe des NICHT-Gatters gesteuert.
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Die Signalpegel in dieser Torschaltung, die diskrete Bauelemente verwendet, können ebenfalls durch den Zeitablaufplan aus 2 dargestellt werden. Da diese Torschaltung die Schaltvorrichtungen unter Verwendung diskreter Bauelemente anstelle einer integrierte Controllerschaltung steuert, ist der internen Verarbeitung der integrierten Controllerschaltung aber keine Verzögerung zugeordnet, was zu einer Zunahme der Ansprechgeschwindigkeit der Torschaltung führt. Genauer ist die Zeitdauer zwischen den in 2 gezeigten Zeitpunkten T3 und T4 in dieser Torschaltung kürzer als in der Torschaltung der ersten Ausführungsform.
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7 ist ein Stromlaufplan einer Abwandlung der Torschaltung der zweiten Ausführungsform. Diese Torschaltung unterscheidet sich von der der zweiten Ausführungsform dadurch, dass ein Ausgang der Flipflop-Schaltung 22 mit dem Gate der zweiten Schaltvorrichtung Q5 verbunden ist. 8 ist ein Zeitablaufplan, der den Betrieb jeder Schaltvorrichtung in dieser Torschaltung zeigt. Die zweite Schaltvorrichtung Q5 wird zum Zeitpunkt T1 eingeschaltet (siehe 8), wenn die Leistungsvorrichtung Q1 ausgeschaltet werden soll, nachdem ein Überstrom in der Leistungsvorrichtung Q1 erfasst worden ist. Somit besitzt diese Torschaltung dieselben Vorteile wie die Torschaltung der zweiten Ausführungsform.
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Die Torschaltung der zweiten Ausführungsform lässt wenigstens dieselben oder entsprechende Abwandlungen zu, wie sie an der Torschaltung der ersten Ausführungsform vorgenommen werden können.
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Dritte Ausführungsform
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9 ist ein Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Torschaltung sind zwischen der Leistungsversorgung V1 und dem Gate der Leistungsvorrichtung Q1 zwei Widerstände parallelgeschaltet. Genauer sind diese Widerstände ein erstes resistives Gate-Element R2 und ein zweites resistives Gate-Element R7 mit einem höheren Widerstandswert als das erste resistive Gate-Element R2. Mit dem ersten resistiven Gate-Element R2 ist eine erste Einschaltvorrichtung Q2 verbunden. Die erste Einschaltvorrichtung Q2 wird dazu verwendet, das Anlegen einer Spannung über das erste resistive Gate-Element an das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 zuzulassen bzw. zu verhindern. Andererseits ist mit dem zweiten resistiven Gate-Element R7 eine zweite Einschaltvorrichtung Q7 verbunden. Die zweite Einschaltvorrichtung Q7 wird dazu verwendet, das Anlegen einer Spannung über das zweite resistive Gate-Element R7 an das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 zuzulassen bzw. zu verhindern.
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Ein Ende eines resistiven Elements R8 ist mit dem Gate der Leistungsvorrichtung Q1 verbunden. Der Widerstandswert des resistiven Elements R8 ist gleich dem des zweiten resistiven Elements R7. Das andere Ende des resistiven Elements R8 ist mit einem Ende einer Schaltvorrichtung Q4 verbunden. Das andere Ende der Schaltvorrichtung Q4 ist mit Masse verbunden. Ein Ende des Kondensators C1, ein resistives Element R9 und die Katode eine Diode D3 sind mit dem Gate der Schaltvorrichtung Q4 verbunden. Die Anode der Diode D3 ist mit einem dritten Anschluss OUT3 einer integrierten Controllerschaltung 50 verbunden.
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Es wird nun der Betrieb der Torschaltung der dritten Ausführungsform beschrieben. 10 ist ein Zeitablaufplan, der den Signalpegel bei jedem Anschluss usw. der integrierten Controllerschaltung 50 der dritten Ausführungsform zeigt. Zunächst wird anhand der Zeitdauer vom Zeitpunkt T1 bis zum Zeitpunkt T3 in 10 der Normalbetrieb der Torschaltung beschrieben. In 10 gibt T1 einen Zeitpunkt an, zu dem die Leistungsvorrichtung Q1 eingeschaltet wird, und gibt T3 einen Zeitpunkt an, zu dem die Leistungsvorrichtung Q1 ausgeschaltet wird. Ferner gibt T2 einen Zeitpunkt zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T3 (d. h. einen Zeitpunkt T2, zu dem die Leistungsvorrichtung Q1 eingeschaltet ist) an. Wenn die Leistungsvorrichtung Q1 bei T1 eingeschaltet wird, werden von einem ersten Anschluss OUT1 bzw. von einem vierten Anschluss OUT4 der integrierten Controllerschaltung 50 Signale zum Einschalten der ersten Einschaltvorrichtung Q2 und der zweiten Einschaltvorrichtung Q7 an die Gates der jeweiligen Einschaltvorrichtungen angelegt. Diese Signale schalten die erste und die zweite Einschaltvorrichtung Q2 und Q7 ein, wobei im Ergebnis eine Spannung von der Leistungsversorgung V1 über das erste und das zweite resistive Gate-Element R2 und R7, die parallelgeschaltet sind, an das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 angelegt wird. Somit wirkt die integrierte Controllerschaltung 50 so, dass sie die erste Einschaltvorrichtung Q2 und die zweite Einschaltvorrichtung Q7 einschaltet, um die Leistungsvorrichtung Q1 einzuschalten.
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Zum Zeitpunkt T2, einige Zeit nachdem die Leistungsvorrichtung Q1 eingeschaltet worden ist, schaltet die integrierte Controllerschaltung 50 die Signalzufuhr zu dem ersten Anschluss OUT1 aus, um die erste Einschaltvorrichtung Q2 auszuschalten. Das heißt, wenn die Leistungsvorrichtung in ihrem stationären eingeschalteten Zustand ist, wirkt die integrierte Controllerschaltung 50 so, dass die erste Einschaltvorrichtung Q2 ausgeschaltet ist und dass die zweite Einschaltvorrichtung Q7 eingeschaltet ist. In diesem stationären Zustand der Leistungsvorrichtung Q1 wird die Gate-Spannung nur über das zweite resistive Gate-Element R7 an das Gate angelegt. Wenn die Leistungsvorrichtung Q1 zum Zeitpunkt T3 ausgeschaltet wird, wird die Ausschaltvorrichtung Q3 eingeschaltet, so dass das resistive Gate-Element R3 zwischen das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 und Masse geschaltet wird.
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Anhand der Zeitdauer vom Zeitpunkt T4 bis zum Zeitpunkt T5 in 10 wird nun der Betrieb der Torschaltung beschrieben, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Wenn die Leistungsvorrichtung Q1 in ihrem eingeschalteten Zustand ist, kann es geschehen, dass wegen eines Zweigkurzschlusses usw. ein Überstrom durch die Leistungsvorrichtung Q1 fließt. Wenn ein Überstrom in der Leistungsvorrichtung Q1 fließt, wird der Kondensator C1 geladen. Wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 einen vorgegebenen Wert erreicht, wird die Schaltvorrichtung Q4 durch die geladene Spannung auf dem Kondensator C1 eingeschaltet. Im Ergebnis fällt ein Teil der Gate-Versorgungsspannung von der Leistungsversorgung V1 über das resistive Element R8 ab (d. h., die Gate-Versorgungsspannung wird über die Reihenschaltung des zweiten resistiven Gate-Elements R7 und des resistiven Elements R8 angelegt), was dazu führt, dass eine verringerte Spannung an das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 angelegt wird. Da der Widerstandswert des resistiven Elements R8 gleich dem des zweiten resistiven Gate-Elements R7 ist, ist die Spannung über das resistive Element R8 halb so groß wie die Gate-Versorgungsspannung. Es wird angemerkt, dass die Gate-Spannung der Leistungsvorrichtung Q1, wenn sie in ihrem eingeschalteten Zustand ist, normalerweise im Wesentlichen gleich der Gate-Versorgungsspannung von der Leistungsversorgung V1 ist.
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Während der Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten T4 und T5 ist die Schaltvorrichtung Q4 eingeschaltet. Der Grund dafür ist, dass die Torschaltung den Kondensator C1 enthält, der als ein Überstrom-Unterdrückungsmittel dient, um die Schaltvorrichtung Q4 gerade dann einzuschalten, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung einen vorgegebenen Wert erreicht. Während der Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt T4 und dem Zeitpunkt T5 wird von dem dritten Anschluss OUT3 kein Signal zum Einschalten der Schaltvorrichtung Q4 ausgegeben.
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Zum Zeitpunkt T5, einige Zeit, nachdem die Schaltvorrichtung Q4 eingeschaltet worden ist, erfasst die integrierte Controllerschaltung 50 durch Abtasten der Spannung an dem Anschluss SC einen in der Leistungsvorrichtung fließenden Überstrom und führt ein Signal zu, um die Schaltvorrichtung Q4 in ihrem eingeschalteten Zustand zu halten, und schaltet gleichzeitig das der zweiten Einschaltvorrichtung Q7 zugeführte Signal aus. Im Ergebnis wird die Leistungsvorrichtung Q1 unter Verwendung des resistiven Elements R8, das zwischen das Gate der Leistungsvorrichtung Q1 und Masse geschaltet ist, allmählich ausgeschaltet. Somit wirkt die integrierte Controllerschaltung 50 in diesem Fall als ein Ausschaltverzögerungsmittel.
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Die Torschaltung der dritten Ausführungsform schaltet die Leistungsvorrichtung Q1 durch Anlegen einer Spannung an ihr Gate über zwei parallelgeschaltete Widerstände (d. h. das erste resistive Gate-Element R2 und das zweite resistive Gate-Element R7) ein, was zu einem verringerten Einschaltverlust führt. Ferner wird die Schaltvorrichtung Q4 eingeschaltet, wenn der Strom in der Leistungsvorrichtung Q1 einen vorgegebenen Wert erreicht, was zu einer schnellen Verringerung des Überstroms in der Leistungsvorrichtung Q1 führt.
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Es wird angemerkt, dass der Widerstandswert des zweiten resistiven Gate-Elements R7 höher als der des ersten resistiven Gate-Elements R2 gewählt wird. Somit kann der Widerstandswert des resistiven Elements R8, der gleich dem Widerstandswert des zweiten resistiven Gate-Elements R7 gewählt wird, verhältnismäßig hoch sein. Im Ergebnis kann die Leistungsvorrichtung Q1 unter Verwendung des resistiven Elements R8 mit einem verhältnismäßig hohen Widerstandswert allmählich ausgeschaltet werden, nachdem der Überstrom in der Leistungsvorrichtung Q1 verringert worden ist. Das heißt, dass es möglich ist, die Leistungsvorrichtung Q1 auszuschalten, während in der Vorrichtung eine niedrige Verringerungsrate des Stroms (di/dt) aufrechterhalten wird.
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Die Torschaltung der dritten Ausführungsform lässt wenigstens dieselben oder entsprechende Abwandlungen zu, wie sie an der Torschaltung der ersten Ausführungsform vorgenommen werden können. Zum Beispiel kann das Überstrom-Unterdrückungsmittel (d. h. der Kondensator C1) zum Einschalten der Schaltvorrichtung Q4 durch einen Strom von einem mit der Leistungsvorrichtung Q1 verbundenen Stromsensor geladen werden. Ferner kann die Schaltvorrichtung Q4 ein Bipolartransistor sein.
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Vierte Ausführungsform
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11 ist ein Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Das Ausschaltverzögerungsmittel zum Ausschalten der Leistungsvorrichtung Q1 in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform ist durch diskrete Bauelemente gebildet. Das heißt, diese Torschaltung unterscheidet sich von der der dritten Ausführungsform dadurch, dass die integrierte Controllerschaltung 50 durch diskrete Bauelemente ersetzt ist. Es wird angemerkt, dass eine Torschaltung, die anstelle einer integrierten Controllerschaltung diskrete Bauelemente enthält, oben in Verbindung mit der zweiten Ausführungsform und anhand von 6 beschrieben wurde. Die folgende Beschreibung diskreter Bauelemente der Torschaltung der vierten Ausführungsform ist hauptsächlich auf die Unterschiede gegenüber den in 6 gezeigten diskreten Bauelementen gerichtet.
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Anhand von 11 ist ein Ausgang der Flipflop-Schaltung 22 mit der Anode einer Diode D3 verbunden. Die Flipflop-Schaltung 22 führt dem Gate der Schaltvorrichtung Q4 ein Signal derart zu, dass die Schaltvorrichtung Q4, auch nachdem die auf dem Kondensator C1 angesammelte Ladung über das resistive Element R9 entladen worden ist, in ihrem eingeschalteten Zustand bleibt.
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Die Torschaltung der vierten Ausführungsform enthält eine Einmalimpulsschaltung 60. Die Einmalimpulsschaltung 60 wird für die Ein-aus-Steuerung der ersten Einschaltvorrichtung Q2 verwendet. 12 ist ein Zeitablaufplan, der den Betrieb der Torschaltung der vierten Ausführungsform zeigt. Abgesehen davon, dass die Schaltvorrichtung Q4 nur dann eingeschaltet wird, wenn die Leistungsvorrichtung Q1 ausgeschaltet werden soll, nachdem ein Überstrom in der Leistungsvorrichtung Q1 erfasst worden ist, ist dieser Zeitablaufplan im Wesentlichen ähnlich dem in 10 gezeigten.
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13 ist ein Stromlaufplan einer Abwandlung der Torschaltung der vierten Ausführungsform. Die in 13 gezeigte Torschaltung unterscheidet sich von der in 11 gezeigten vierten Ausführungsform dadurch, dass die Diode D3 weggelassen ist und dass das resistive Element R9 einen höheren Widerstandswert aufweist, um die Entladezeitkonstante des Kondensators C1 zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Einschaltdauer der Schaltvorrichtung Q4 verlängert werden, was die Notwendigkeit der Flipflop-Schaltung 22 zum Zuführen eines Signals, um die Schaltvorrichtung Q4 in ihrem eingeschalteten Zustand zu halten, beseitigt.
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Es wird angemerkt, dass die Torschaltung der vierten Ausführungsform wenigstens dieselben oder entsprechende Abwandlungen zulässt, wie sie an der Torschaltung der ersten Ausführungsform vorgenommen werden können.
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Fünfte Ausführungsform
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14 ist ein Stromlaufplan einer Torschaltung in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Die Torschaltung der fünften Ausführungsform unterscheidet sich von der der dritten Ausführungsform dadurch, dass sie eine Schaltvorrichtung Q8 enthält. Der Drain der Schaltvorrichtung Q8 ist zwischen den vierten Anschluss OUT4 und das Gate der zweiten Einschaltvorrichtung Q7 geschaltet. Die Source der Schaltvorrichtung Q8 ist geerdet. Das Gate der Schaltvorrichtung Q8 ist mit der Katode der Diode D3 verbunden und wird durch die Ausgabe von dem dritten Anschluss OUT3 gesteuert.
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Wegen der internen Verarbeitung der integrierten Controllerschaltung 50 kann es geschehen, dass die Torschaltung die Signalzufuhr zu dem vierten Anschluss OUT4 und dadurch die zweite Einschaltvorrichtung Q7 erst eine Zeit, nachdem von dem dritten Anschluss OUT3 ein Signal, um die Schaltvorrichtung Q4 in ihrem eingeschalteten Zustand zu halten, ausgegeben worden ist, ausschaltet. Das heißt, das Ausschalten der Signalzufuhr zu dem vierten Anschluss OUT4 kann in Bezug auf die Signalausgabe von dem dritten Anschluss OUT3 verzögert sein. In diesem Fall kann die zweite Einschaltvorrichtung Q7 nicht schnell ausgeschaltet werden und dadurch die Leistungsvorrichtung Q7 nicht schnell ausgeschaltet werden.
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Die Torschaltung der fünften Ausführungsform löst dieses Problem. Genauer wird die zweite Einschaltvorrichtung Q7 in Reaktion auf das von dem dritten Anschluss OUT3 ausgegebene Signal ausgeschaltet, bevor die Signalzufuhr zu dem vierten Anschluss OUT4 abgeschaltet wird, wenn ein Überstrom in der Leistungsvorrichtung Q1 fließt. Das heißt, falls ein Überstrom durch die Leistungsvorrichtung Q1 fließt, wird von dem dritten Anschluss OUT3 ein Signal, um die Schaltvorrichtung Q4 in ihren eingeschalteten Zustand zu halten, ausgegeben und an das Gate der Schaltvorrichtung Q8 angelegt, um die Schaltvorrichtung Q8 einzuschalten und dadurch die zweite Einschaltvorrichtung Q7 auszuschalten. Somit wirkt die Schaltvorrichtung Q8 dadurch, dass sie von der integrierten Controllerschaltung 50 das Signal, um die Schaltvorrichtung Q4 in ihren eingeschalteten Zustand zu halten, empfängt, als ein schnelles Ausschaltmittel zum Ausschalten der zweiten Einschaltvorrichtung Q7. Auf diese Weise kann die zweite Einschaltvorrichtung Q7 durch die Schaltvorrichtung Q8 schnell ausgeschaltet werden.
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15 ist ein Stromlaufplan einer Abwandlung der Torschaltung der fünften Ausführungsform. Die in 15 gezeigte Torschaltung unterscheidet sich von der der in 14 gezeigten fünften Ausführungsform dadurch, dass die Diode D3 weggelassen ist und dass das resistive Element R9 einen höheren Widerstandswert aufweist, um die Entladezeitkonstante des Kondensators C1 zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Einschaltdauer der Schaltvorrichtung Q4 verlängert werden, was die Notwendigkeit, dass die integrierte Controllerschaltung 50 ein Signal zuführt, um die Schaltvorrichtung Q4 in ihrem eingeschalteten Zustand zu halten, beseitigt. Außerdem lässt die Torschaltung der fünften Ausführungsform wenigstens dieselben oder entsprechende Abwandlungen zu, wie sie an der Torschaltung der ersten Ausführungsform vorgenommen werden können.
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Wenn in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Überstrom durch eine Leistungsvorrichtung fließt, fällt ein Teil der Gate-Versorgungsspannung über ein mit dem Gate der Vorrichtung verbundenes resistives Element ab, um die Gate-Spannung zu verringern und dadurch den Überstrom schnell zu verringern. Ferner wird die Leistungsvorrichtung nach Verringern des Überstroms in der Leistungsvorrichtung unter Verwendung eines resistiven Elements mit einem verhältnismäßig hohen Widerstandswert, das mit ihrem Gate verbunden ist, ausgeschaltet, was es ermöglicht, die Leistungsvorrichtung auszuschalten, während eine niedrige Verringerungsrate des Stroms (di/dt) in der Vorrichtung aufrechterhalten wird.
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Die gesamte Offenbarung der
JP 2011-051502 , eingereicht am 9. März 2011, einschließlich Beschreibung, Ansprüchen, Zeichnungen und Zusammenfassung, auf der die Priorität der vorliegenden Anmeldung beruht, ist hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt.
