DE2223376B2 - Schutzschaltungsanordnung für einen Schalttransistor im induktiven Lastkreis - Google Patents

Description

eines Hilfs-Transistors, die zur Kollektor-Emitter- Ein Schaltransistor, der in einem mit Induktivitäten

Strecke des Schalttransistors parallel geschaltet ist, io behafteten Lastkreis angeordnet ist, wird beim An- und und aus einer Steuereinrichtung, welche an die Abschalten durch Eingabe bzw. Wegi.ahme seines Basis des Hilfs-Transistors angeschlossen ist und Basisstroms besonderen Beanspruchungen unterworfen, diesen in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung Speziell beim Abschalten können Überspannungen an der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttran- entstehen, welche zu seiner Zerstörung führen. Die in sistors steuert, dadurch ge kenn zeich- 15 den Induktivitäten des abzuschaltenden Lastkreises net, daß ah Steuereinrichtung (C, R') derart gespeicherte magnetische Energie führt nämlich wähbemessen ist, daß sie in Abhängigkeit vom zeit- rend des Abschaltvorgangs zu einer hohen Energielichen Verlauf des Spannungsanstiegs an der KoI- dichte in seiner Sperrschicht. Sind die Induktivitäten lektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors (T) ein besonders groß und/oder verläuft der Abschaltvorgang Steuersignal an die Basis (B) des Hilfs-Transistors ao besonders schnell, so kann eine maximal zulässige (H) abgibt. Energiedichte überschritten werden, was zum soge-

2. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, nannten Durchbruch zweiter Art führt. Für spezielle dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung Schalttransistoren hoher Leistung wird daher ein (C, R') aus der Serienschaltung eines Konden- maximaler Energiebetrag £«» angegeben, den dieser sators (C) mit einem Ladewiderstand (R') besteht, 35 Schalttransistor noch abzuschalten veirnag. Dieser welche zwischen die Basis (B) des Hilfs-Transistor maximale Energiebetrag E,_b ist durch E,_b = 0,5 L_Tm- (H) und den äußeren Anschluß des Widerstands \_Tm* gegeben, worin L_Tm den maximal zulässigen (R) der Reihenschaltung (R, H) geschaltet ist. Wert der Induktivität L und I_Tm den maximal zuläs-

3. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 2, _si_gen Wert des Lasturoms It bedeutet, gekennzeichnet durch die zusätzliche Anwendung 30 Um die beim Abschalten auftretende Energiedichte der bekannten Ausgestaltung, daß zur Spannungs- i_n dei Sperrschicht unterhalb des für den Schalttranbegrenzung der Serienschaltung des Kondensators sistor maximal zulässigen Wertes zu erhalten, werden (C) mit dem Ladewiderstand (R') eine Zenerdiode Schalttransistoren verwendet, welche hinsichtlich ihrer (ri) parallel geschaltet ist, deren Zenerspannung so Leistung für den Abschaltvorgang ausgelegt und somit gewählt ist, daß der Hilfs-Transistor (H) bei An- 35 für den Nennbetrieb bei eingeschaltetem Laststrom liegen dieses Spannungswertes an seiner Basis (B) überdimensioniert sind. Gegenüber dem Anwendungsvoll durchgeschaltet ist. [all, j_n dem im Lastkreis eine rein ohmsche Last vor-

4. Schutzschaltungsanordnung nacii einem der handcn ist, ergibt sich für den Fall eines mit Induk-Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Ver- tivitäten behafteten Lastkreises eine erheblich verminwendung in einem aus Schalttransistoren (7"3 bis *o derte Ausnutzbarkeit des Schalttransistors.

TS) aufgebauten und an eine Gleichspannungs- Weiterhin zeigt sich, daß man bei einem Schaltquelle (P₀', N₀') angeschlossenen Wechselrichter (HO transistor in einem induktiven Lastkreis dann, wenn (Fig- ⁴) die maximal zulässige Energie E,_b abgeschaltet werden

5. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 4, _son_{( e}j_ne ralativ große Abschaltzeit zulassen muß, um dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschal- 45 gefährliche Oberspannungen zu verhindern. Dies be· tungsanordnung (S 1) über jeweils eine in Durchlaß- deutet, daß die Sperrspannung während des Abschaltrichtung des Hilfs-Transistors (Hl) gepolte Diode Vorganges nur langsam ansteigen darf. Besonders («3, «4, π 5) an all diejenigen Schalttransistoren nachteilig ist das bei Schalttransistoren in Wechselns, TA, TS) des Wechselrichters (W) geschaltet richtem. Beim langsamen Anstieg der Sperrspannung ist, die an dessen positive Eingangsklemme (P₀) 50 kommutiert dort der Laststrom nur entsprechend angeschlossen sind (Fig. 4). langsam auf den nächsten Schalttransistor. Lange

6. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 4 Kommutierungszeiten stehen aber einem Wechselrich- oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutz- terbetrieb bei höheren Frequenzen entgegen, schaltungsanordnung (Sl) über jeweils eine in ß_ej der eingangs genannten Schutzschaltungsanord-Durchlaßrichtungde* Hilfs-Transistors (/f2)gepol- 55 _nung< die aus der Zeitschrift NTZ, 1961, Heft 12, te Diode («6, «7, n8) an all diejenigen Schalt- § 506, bekannt ist, ist als Steuereinrichtung an der transistoren (7*6, TT, Γ8) des Wechselrichters (HO Basis des Hilfs-Transistors eine Begrenzerdiode kleiner geschaltet ist, die an dessen negative Eingangs- Leistung vorgesehen. Ihre Durchbruchsspannung liegt klemme (JV₀) angeschlossen sind (Fig. 4). _noch _unter derjenigen des Schalttransistors, aber

⁶⁰ oberhalb der maximal vorhandenen Nutzsignalampli-

tude. Die Basis des Hilfs-Transistors erhält beim Überschreiten der Durchbruchsspannung ein Steuersignal.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschal- Diese Schutzschaltungsanordnung schützt den Schaltungsanordnung für einen Schalttransistor, der zum transistor beim Abschalten gegen Überspannung, be-An- und Abschalten des Lasistromes in einem induk- ⁶S grenzt also Spannungsspitzen, kann es aber nicht vertiven Lastkreis angeordnet ist, bestehend aus einer hindern, daß in der Sperrschicht des Schalttransistors Reihenschaltung aus einem Widerstand und aus der hohe Energiedichten auftreten, die zum Durchbruch Kollektor-Emitter-Strecke eines Hilfs-Transistors, die zweiter Art führen.

Folgende Schutzmaßnahmen zur Vermeidung einer unzulässigen Beanspruchung eines Schalttransistors aind noch bekanntgeworden:

1. Eine parallel zur Kollektor-Emitttr-Strecke des Schalttransistors geschaltete Zenerdiode (deutsche Auslegeschrift 1 080 215, Fig. 1) schützt zwar beim Abschalten gegen Überspannung, bringt den Schalttransistor aber dennocL kurzzeitig in den kritischen Bereich des Durchbruchs zweiter Art. Die Anwendung einer Zenerdiode i£t auch infolge ihrer geringen Verlustleistung auf Lastkreise geringerer Leistung beschränkt

2. Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des

des Schalttransistors parallel geschaltet ist.

Eine Ausführung der Schutzschaltungsanordnung ist dadurch gegeben, daß die Steuereinrichtung aus der Serienschaltung eines Kondensators mit einem Ladewiderstand besteht, welche zwischen die Steuerelektrode des Hilfs-Transistors und den Kollektor des Schalttransistors geschaltet ist. Der Ladewiderstand kann dabei unter Umständen aHein durch die Zuleitungen des Kondensators gegeben sein. Weiterhin kann in bekannter Weise der Serienschaitung des Kondensators mit dem Ladewiderstand eine Zenerdiode parallel geschaltet sein, deren Zenerspannung so ge-

=t-w :„_t Λα« H(»_r Hilfs-Transistor bei Anliegen dieses an seiner Steuerelektrode voll durch-

Art nicht auftritt. Dieses Kombinationen verlangern aber die Abschaltzeit recht erheblich. Emem Betrieb bei höheren Abschaltfrequenzen bzw. einem Wechselrichterbetrieb mit höheren Ausgangsfrequenzen steht das Auftreten hoher Verfchfebungssuöme entgegen. Im Kondensator muß beim Abschalten die gesamte magnetische Energie

Die angege _Schalttransistoren einsetzen,

*<> sich mi .™™'_md^_ktiven Lastkreis angeordnet sind,

die_^m ^f_n ^m _m ^mS_hstromsteller. Ihr Vortede komz. B. b^einem O ^ ^^ _{wenn Μ} ^₁

men^ J^och ^Deso Schalttransistoren aufge-

Schalttransistoren e _{Gleichspannungsqu}dle ange-

»5 ^^Wechselrichters verwendet wird Prinz,-

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mit Schalttransistoren (Zeitschrift eine

Honen uaucrvciium*., xu...*....— rirhtnne des Hiltstransisiui» b-h""- -----

sistor sollte aber spannungsmäß.g gut ausgenutzt 35 _d ^c£"^g _cn ^de _s ^S _chalttransi_storen des Wechselnder, gewerden, schakef ist die an dessen positive ^Jgg^S

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für einen ^^^^^Ά^Ά^^

Schalttransistor, der zum An- und Abschalten des ^Αη^η^^ρ ._{n DurchlaB ich}tung des

Laststroms in einem induktiven Lastkreis angeordnet 4<> schaltung «Π _{Diode an M} ^,ejemgen

^^^^!^"^^^^^Ά^ SÄSSSin ⁶de^Ps Wechselrichters geschaht ist

seut werden kann, so daO *«*«***<&?? höheren Aosganptrequenjen als bisher üblich beme ^taA5

thermischen

und bis

ϋ· thermische

„,„„„ng ausgenuul werden

daß se in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Spannungsanstiegs an der KoHektor.Em.tter-Strecke des Schalttransistors ein Steuersignal an d.e Basis des Hilfs-Transistors abgibt. .

Diese Schutzschaltungsanordnung ist sowohl bei

einem pnp- als auch bei ^W**f«™££ ,, einsetzbar. Der in Reihe mit dem Hilfs-Trans.stör geschaltete Widerstand kann dabei ein ohmscher oder ein spannungsabhängiger Widerstand sem und a steuerbarer Hilfs-Transistor kann sowohl e.n npn-ale

auch ein ^^^^"JS^SSiS

^^^C _höhere;Strombelastung etwa um ^ sich aus einer ^^ _{g gsfe}

den ™aor ^^ ^ ^_{n Ejngatz m Wechsc}inch-

_darüber hinaus sehr kurze Kommutie-J£_{icht Die} Schutzschaltungsanordnung S^SÄitie^Ufe»betete.^lcte istsomitaifsko ^ _We^_8drichtere„_egange-

Jen jJb^a«⁸ zu ^ ^ _{Betrieb von tran}.

JjKSÜ^ Wechselrichtern bei hoher Ausgangs»«^ο™«™ _{h h Ausga}ngsleistung möglich. AuSungsbeispiele der Erfindung werden an Hand

i?TSiSÄS^^ einen

ni?TSiSÄS^^ einen

^{sLttransistor mit einem npn}-^{Hilfstranslstor>}

Fig. 2 eine entsprechende Schutzschaltungsanord- Schalttransistors T. Auch hier ist eine Zenerdiode η

nung für einen Schalttransistor mit einem pnp- vorgesehen.

Hilfstransistqr, Fig. 3 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung den

Fig. 3 den Spannungs- und Stromverlauf beim Verlauf der Transistorspannung Ut und des Tran-

Abschalten des Schalttransistors und 5 sistorstroms It in Abhängigkeit von der Zeit t beim

Fig. 4 einen Wechselrichter mit zwei Schutzschal- Abschalten eines Schalttransistors Γ in einer Schutztungen gemäß Fig. 1. schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 oder 2.

In Fig. 1 ist ein npn-Schaittransistor Γ dargestellt, Bis zu einem Zeitpunkt r₀ fließe über den Schaltdessen Kollektor mit einer positiven Eingangsklemme/* transistor T laut Voraussetzung der für diesen Typ und dessen Emitter über eine Last, die aus einer Induk- io maximal zulässige Transistorstrom /n». Dieser ist tivität L und einem ohmschen Arbeitswiderstand Ra betragsmäßig gleich dem Laststrom la. Die Transistorbesteht, mit einer negativen Eingangsklemme N ver- spannung Ut zwischen Kollektor K und Emitter E bunden ist. An Stelle eines einzigen Schalttransistors T ist praktisch Null. Zum Zeitpunkt I₀ wird nun das können auch mehrere Schalttransistoren vorgesehen Steuersignal an der Basis des Schalttransistors T abgesein, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Zwi- 15 schaltet. Ohne Schutzschaltung würde die Transistorsch6n den Eingangsklemmen P und N liegt eine Speise- spannung Ut auf einen (nicht gezeigten) Spannungsgleichspannung IZ₀. Der Schalttransistor T ist durch wert Ut₀ springen, der durch die Beziehung U — ein Steuersignal an seiner Basis voll durchgesteuert. —L_ad/r/di gegeben ist, wobei L_a den Wert der Induk-Über ihn möge als Laststrom la der für den betreffen- tivität L und d/r/df die zeitliche Änderung des Lastden ""rensistortyp maixmal zulässige Transistorstrom »o und Transistorstroms It bedeutet. Der Transistor- Ιτη fließen. strom It würde nach dem in Fig. 3 gestrichelt einge-

Der Kollektor-Emitter-Strecke K-E des Schalt- zeichneten Kurvenverlauf Ιτο noch einige Zeit lang transistors T ist eine Schutzschaltungsanordnung bis zum Zeitpunkt f₄ weiterfließen. Der Schalttranparallel geschaltet. Diese wirkt wie ein spannungs- sistor T hätte zu jedem Zeitpunkt t zwischen den i abhängiger Widerstand. Sie besteht aus der Reihen- 45 Zeitpunkten t₀ und /₄ eine Verlustleistung /WO auf- | schaltung eines Widerstands R mit einem steuerbaren zunehmen, welche sich aus dem Produkt /WO = i Hilfs-Transistor H und einer Steuereinrichtung für LVo(O /ro(O ergibt. Die zwischen den Zeitpunkten I den Hilfs-Transistor //. Der Widerstand R hat die t₀ und /₄ im Schalttransistor T in Wärme umgesetzte | Abschaltverluste aufzunehmen. Er kann rein ohmsch Energie E₀ berechnet sich durch Integration der Ver- oder spannungsabhängig sein. Sein Wert muß kleiner 30 lustleistung P_vo{t). j oder gleich acm Wert R_a = UJhm sein. Als Hilfs- 1st die in Fig. 1 oder 2 gezeigte Schutzschaltungs- ! Transistor H wird in der Darstellung ein npn-Tran- anordnung vorhanden, so ergibt sich nach Abschalten sistor verwendet. Der Widerstand R ist zwischen dessen des Schalttransistors T zum Zeitpunkt f₀ ein Anstieg Kollektor und die positive Eingangsklemme P ge- der Transistorspannung Ut, welche zum Zeitpunkt J_x schaltet. Bei Wahl eines npn-Transisiors ist ein Ver- 35 groß genug ist, um die Schwellspannung der Basistauschen der gezeigten Reihenfolge von Hilfs-Tran- Emitter-Strecke des Hilfs-Transistors H zu überwin- | sistor H und Widerstand R nicht möglich. den. Vom Zeitpunkt I₁ an fließt ein Verschiebungs-

Der in Durchlaßrichtung des Schalttransistors T strom über den Ladewiderstand R' und den Konden-

gepolte Hilfs-Transistcr H wird von einer selbsttätigen sator C in die Basis B des Hilfs-Transistors H. Dieser

Steuereinrichtung gesteuert, welche an die Basis B des 40 wird dadurch vom Zeitpunkt J₁ an in zunehmendem

Hilfs-Transistors H angeschlossen ist. Die Steuerein- Maße durchgesteuert. Somit kann ein zunehmender

richtung ist so ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit Anteil des Laststroms /_a über den Widerstand R und

vom Spannungsanstieg zwischen Kollektor K und den Hilfs-Transistor H fließen. Der Transistorstrom

Emitter E des Schalttransistors T einen Strom in die It nimmt, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, demzufolge

Basis B des Hilfstransistors H liefert. Solange also der 45 immer mehr ab, bis er zum Zeitpunkt /₃ den Wert

Schalttransistor T maximalen Laststrom /r_m oder It = O erreicht hat. Bei geeigneter Wahl der Kapazität

einen geringeren Laststrom führt, ist die Steuerein- des Kondensators C läßt sich der in Fig. 3 dargestellte

richtung nicht im Eingriff, und der Hilfstransistor H rein ohmsche Abschaltverlauf für Transistorstrom It

ist gesperrt. und Transistorspannung Ut erzielen. Ein beträcht-

Gemäß Fig. 1 besteht die Steuereinrichtung aus der 50 licher Anteil der vor dem Abschalten in der Induk-

Serienschaltung eines Kondensators C mit einem Lade- tivität L gespeicherten magnetischen Energie wird im

widerstand R'. Als Ladewiderstand R' kann oftmals Zeitraum (J₃-J₁) im Widerstand R in Wärme umgesetzt,

schon der Widerstand der Zuleitungen zum Konden- Die im Schalttransistor Tin Wärme umgesetzte Energie

satbr C genügen. Im eingezeichneten Fall, also bei ist somit beträchtlich geringer als der angegebene

Verwendung eines npn-Hilfs-Transistors //, ist die 55 Wert £₀.

Serienschaltung zwischen der positiven Eingangs- Zur Spannungsbegrenzung am Schalttransistor T ist

klemme P und der Basis B des npn-Hilfs-Transitors H in bekannter Weise die Zenerdiode η vorgesehen. Sie

angeordnet. Dieser Serienschaltung kann noch eine sorgt also dafür, daß alle an dem Schalttransistor T

Zenerdiode η parallel geschaltet sein. auftretenden Oberspannungen abgebaut werden und

Fig. 2 zeigt die entsprechende Schutzschaltung, 60 nicht zur Zerstörung des Schalttransistors T führen, wenn als Hilfs-Transistor H ein pnp-Transistor einge- Ihre Zenerspannung U_r ist so gewählt, daß der Hilfssetzt wird. Dessen Emitter ist direkt an die positive Transistor H durch Flutung der Zenerdiode an seiner Eingangsklemme P geschaltet Der Widerstand R Basis B voll durchgeschaltet ist. Erreicht "nach Oberbefindet sich zwischen dem Emitter E des npn-Schalt- schreiten der Speisespannung U₀ die Transistorspantransistors T und dem Kollektor des pnp-Hilfstran- 65 nung Ut die Zenerspannung U₁, wird der Hilfssistors H. Die Serienschaltung des Kondensators C und Transistor H so weit durchgesteuert, daß an ihm und des Ladewiderstandes /{'liegt hier zwischen der Basis B am Widerstand R gerade die Summenspannung U_z des pnp-Hilfs-Transistors H und dem Emitter E des abfällt. Während eines Abschaltvorganges kommutiert

fiis or 7'auf die Reihenschaltung aus Widerstand Λ Π H is-Transistor //. und der Schalttians.sUr 7 w rd stromlos. Die Zencrsnannung U_t si el ι.nur so Cm Sch.llln.nsi.tor T an,^te aud, J^r IJJh Transistor // stromlos geworden ¹⁵V. ^nschlttlicna lieet an der Kolleklor-Emitler-Strecke A-£ Schalttransistors Γ die Spe^chspa« ^o Da bei Flutung der Zenerdiode λ und Uurenscraiwi

£feiÄÄ=5£

7«. /, _{in ρ} , _dargestcl,_{t lsl Die}

^hL*allung Sl, bestehend aus den Bau- ^ , _{R{ Cl Λ}', _und „i, _ist fur diejenigen

^_{ttrBnsirtoren r3§ 74} und " vor«^· ^ „_{ber k dne (mcht} dargestellte) Dros-α _{ve £}. _angsklemme /» ange-

^ £ ^ _{igt die} zwe.te SchuU-

bestehend aus den Bauelementen //2,

von der maximalen Spannung be, vollem _Sch^_trans._Stor

der

r_zigt sich, daß auch bei auftretenden nungen der weitaus größte Teil der

Ene5.e in den Widerstand R verlagert der Schalttransistor runzulässig hohen

gen nicht ausgesetzt wird.

In Fig. 4 ist ein Wechselrichter W dngUsseitig an eine positive und «"«"g^Ä gXklemme P₀ bzw. N_n und ausgang se.t.g an emen Sduktiven Drehstromverbraucher nut teiMPhwm_ eingängen Jl\ S', T angeschlossen ,st Die E.ngangs klemmen ^₀ und N₀ können z. B. von «ne Battene oder einem Gleichrichter gespeist^seinjDer ,nduMrje Verbraucher kann eine ^«Mdmaschije sein, «e z. B. auch über einen Transformator an den Ausgang 5es Wechselrichters angeschlosseη ^ De^Wed«g

richter W besteht aus sechs ^"""⁸¹JS einer TS in Drehstrombruckenschattung. jeweus

_a5 „^r _oder/₆, _Γ7, Γ8 ist somit die Reihenschaltung des Tugeiöiigen Widerstands Rl bzw. Ä 2, des zugehörigen _HJ_[s._Tra ^B _{nsistors wl bzw}. //₂ nut angeschlossener Steuereinrichtung und einer Diode n3n4, ns> Dzw. _{n6 Λ%} „₈ parallel geschaltet. Die Dioden «3 bis n8 ^j_n' Durchlaßrichtung der Hilfs-Transistoren »1 s ^ _{Fluflrichtung des betre fen}den Schalt-

_{r3 bis r8 gepolt}. Beis_P1elswe.se gibt es _{Abschalten des} npn-Schalttransistors Γ3 eine _{hrende Verbindung von der} pos.WenEm_k,_{emme p über den} widerstand Jl. den HU^ « £ ^, _{und djc Diode} „₃ zum Phasenemgang Verbindung übernimmt beim Abschalten ^. _{Schalttransjstors r3 einen} beträchthchen Anteil

des Laststroms.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 -■;... zur KoUektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors V Patentansprüche: parallel geschaltet ist, und aus einer Steuereinrichtung, welche an die Basis des Hilfs-Traosistors angeschlossen

1. Schutzschaltungsanordnung für einen Schalt- ist und diesen in Abhängigkeit von der Höhe der transistor, der zum An- und Abschalten des Last- 5 Spannungan der KoUektor-Emitter-Strecke des Schaltstromes in einem induktiven Lastkreis angeordnet transistors steuert. Eine solche Schutzschaltungsanordist, bestehend aus einer Reihenschaltung aus einem nung ist aus der Zeitschrift NTZ, 1961, Heft 12, Widerstand und aus der Kollektor-Emitter-Strecke S. 606, Bild 3, bekannt.