DE10035387B4

DE10035387B4 - Stromschaltanordnung

Info

Publication number: DE10035387B4
Application number: DE2000135387
Authority: DE
Inventors: Ilia Dr. Zverev
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: DE10035387A1

Abstract

Stromschaltanordnung (1), insbesondere Stromrichter, zum gesteuerten Schalten eines an einem Stromeingangsbereich (2) bereitgestellten elektrischen Stroms (I) zu einem Stromausgangsbereich (3) hin,
– mit einem Steueranschluss (4), an den eine Ansteuerspannung (U_Anst) anlegbar ist,
– mit einer ersten feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung (10) zwischen Stromeingangsbereich (2) und Stromausgangsbereich (3),
– mit einer Schutzeinrichtung (5),
– wobei der Steueranschluss (4a) der ersten Halbleiterschalteinrichtung (10) über eine Steuerleitung (4b) und über die Schutzeinrichtung (5) mit dem Steueranschluss (4) der Stromschaltanordnung (1) verbunden ist,
– wobei die Schutzeinrichtung (5) einen Eingangsanschluss (11), einen Ausgangsanschluss (12) und einen Steueranschluss (13) aufweist,
– wobei die Schutzeinrichtung (5) eine Diode (Z1) aufweist, die zwischen dem Eingangs- (11) und dem Ausgangsanschluss (12) der Schutzeinrichtung (5) derart angeordnet ist, dass sie leitet, wenn die Halbleiterschalteinrichtung (10) durch die Ansteuerspannung (U_Anst) im normalen Betrieb ohne Kurzschluss eingeschaltet wird,
– wobei die Schutzeinrichtung (5) eine zweite...

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromschaltanordnung.
Bei elektronischen Energiewandlern werden bestimmte Größen oder Parameter der elektrischen Energie von einer Eingangsseite durch entsprechende Schalt- und Umformvorgänge in ausgangsseitige Formen dieser elektrischen Größen oder Parameter umgewandelt. Bei den Wandlern kann es sich, insbesondere im Bereich der Leistungselektronik, um sogenannte Transformatoren im weitesten Sinne, um Stromrichter oder dergleichen handeln. All diesen elektronischen Energiewandlungseinrichtungen ist gemein, daß sie eine Stromschaltanordnung, insbesondere einen Stromrichter oder dergleichen, zum gesteuerten Schalten eines von einem Stromeingangsbereich bereitgestellten elektrischen Stroms zu einem Stromausgangsbereich hin aufweisen. Ferner ist mindestens eine feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung vorgesehen, welche im wesentlichen durch ein an einen Steueranschluß der Halbleiterschalteinrichtung anlegbares elektrisches Potential steuerbar schaltbar ausgebildet ist.
Durch das Anlegen eines elektrischen Potentials an den Steueranschluß der Halbleiterschalteinrichtung wird ein dem Stromeingangsbereich zuzuführender elektrischer Strom oder eine entsprechende andere elektrische Größe dem Stromausgangsbereich oder dem Ausgangsbereich für die entsprechende elektrische Größe steuerbar schaltbar zugeführt.
In einem Fehlerfall, bei welchem im Stromausgangsbereich selbst oder zwischen dem Stromausgangsbereich und dem Stromeingangsbereich eine Kurzschlußsituation auftritt, sind es in der Regel gerade die Halbleiterschalteinrichtungen, welche erhöhten Belastungen ausgesetzt sind und welche demzufolge als erste Bauelemente einer Stromschaltanordnung beschädigt oder zerstört werden können.

Aus diesem Grund ist beim Stand der Technik in der Regel mindestens eine Schutzeinrichtung zum Schutz der Halbleiterschalteinrichtung vorgesehen, welche zumindest zur Steuerung des elektrischen Potentials am Steueranschluß der Halbleiterschalteinrichtung ausgebildet ist. Durch die Beeinflussung des elektrischen Potentials am Steueranschluß der Halbleiterschalteinrichtung im Fehlerfall kann das Durchschalten eines überhöhten Kurzschlußstroms und/oder das Aufrechterhalten eines derartigen Kurzschlußstroms zumindest teilweise geregelt beendet und/oder verhindert werden, um eine thermische und/oder elektrische Überlastung der Halbleiterschalteinrichtung zu begrenzen oder zu vermeiden. Dies ist um so wichtiger, weil beim Kurzschluß in einer Stromschaltanordnung, insbesondere bei einer Anordnung mit einem Gleichspannungszwischenkreis, die volle Zwischenkreisspannung im eingeschalteten Zustand der Halbleiterschaltanordnung letztlich zwischen deren Eingang und Ausgang anliegt.

Zwar sind Schutzschaltungen für Stromschaltanordnungen im Stand der Technik bekannt, durch welche die thermische und/oder elektrische Überlastung der Halbleiterschalteinrichtungen in einer Stromschaltanordnung zumindest teilweise vermieden werden können. Diese bekannten Schutzeinrichtungen sind jedoch nicht für sämtliche Kurzschlußfälle und die damit verbundenen Strom- und/oder Spannungsüberhöhungen im Schaltkreis und für deren zeitliches Verhalten ausgelegt. Zum anderen bestehen diese bekannten Schutzeinrichtungen in der Regel aus einem separaten Schaltkreis, insbesondere einen zusätzlichen IC, welcher im Bereich der Steuerleitungseinrichtung und/oder im Bereich der Steuereinrichtung oder Treiberstufe für die Halbleiterschalteinrichtung ausgebildet ist. Ferner müssen bekannte Schutzeinrichtungen häufig hochspannungstaugliche Spannungsbegrenzungseinrichtungen aufweisen. Aufgrund der Auslegung dieser bekannten Schutzeinrichtungen nehmen diese bei der Anwendung einen erheblichen Platzbedarf in Anspruch und bedeuten darüber hinaus einen produktionstechnischen Mehraufwand.

Aus der DE 39 36 544 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Leistungs-MOSFET bekannt. Dabei würde zum Erfassen eines Kurzschlusses eines mit einem Leistungs-MOSFET in Reihe geschalteten Lastelements die Drain-Sourcespannung mit einer Referenzspannung verglichen. Beim Übersteigen eines vorgegebenen Werts wird ein zwischen dem Gate- und dem Sourceanschluss liegender Schalter des Leistungs-MOSFET leitend gesteuert, so dass die Gate-Sourcekapazität des Leistungs-MOSFET entladen wird. Andererseits wird über den Schalter ein steuerbarer Widerstand zwischen einem Treiber und dem Gateanschluss zu einem höheren Widerstandswert hin gesteuert, so dass zusätzlich der Ladestrom für die Gate-Sourcekapazität verringert wird. Dadurch wird ein sanftes Abschalten des Leistungs-MOSFET bewirkt.

Aus der US 5,724,218 A ist ein Leistungstransistor mit einem Kurzschlussschutz bekannt. Dabei wird eine Schaltkreisanordnung angegeben, bei welcher erste und zweite Anschlüsse mit einem Lastpfad des Leistungstransistors verbunden sind und bei welcher ein dritter Anschluss mit einem Steueranschluss des Leistungstransistors verbunden ist. Des Weiteren ist ein weiterer Transistor mit einem Lastpfad zwischen den zweiten und dritten Anschlüssen vorgesehen und besitzt seinerseits einen Steueranschluss. Eine Stromsensoranordnung zum Detektieren eines durch den Leistungstransistor fließenden Stroms ist ebenfalls vorgesehen, wobei die Stromsensoranordnung eine Ausgangsseite besitzt, welche mit dem Steueranschluss des weiteren Transistors verbunden ist. Dies dient dazu, den weiteren Transistor einzuschalten, sobald ein bestimmter kritischer Wert des durch den Leistungstransistor fließenden Stroms überschritten wird. Schließlich ist eine Spannungssensoranordnung vorgesehen zum Detektieren einer Spannungsänderung entlang des Lastpfads des Leistungstransistors, wobei die Spannungssensoranordnung eine Ausgangsseite aufweist, die mit dem Steueranschluss des weiteren Transistors verbunden ist. Dadurch wird das Potential am Steueranschluss des weiteren Transistors gemäß der detektierten Spannungsänderung variiert.

Aus der JP 0 2130951 A ist eine Kurzschlussschutzschaltung für ein Halbleiterelement bekannt, welche dazu dient, einen Schutztransistor einzuschalten, wenn zwischen einem Kollektor und einem Emitter ein Kurzschlussstrom fließt, wobei dadurch bewirkt wird, dass die Gatespannung durch den Gatewiderstand und durch einen Teilungswiderstand geteilt wird.

Die US 5,844,760 A beschreibt eine gesteuerte Halbleitereinrichtung mit einer isolierten Gatestruktur sowie eine Kurzschlussschutzschaltung dafür. Die Kurzschlussschutzschaltung weist einen Steueranschluss, erste und zweite Schaltelemente, einen Verzweigungsschaltkreis, eine Einrichtung zum Reduzieren eines Treibersignals der ersten Schalteinrichtung sowie eine Einrichtung zum Deaktivieren eines Entladungsschaltelements auf. Der Hauptschaltkreis wird dadurch geschützt, dass die am isolierten Gate anliegende Spannung abgesenkt wird über den Gatewiderstand und über einen niedrigen Einschaltwiderstand eines vorgesehenen Feldeffekttransistors, während der Feldeffekttransistor selbst eingeschaltet bleibt.

Die US 5,173,848 A zeigt eine Motorsteuerung mit bimodalen Abschaltschaltkreisen. Es wird dort eine pulsbreitenmodulierte Steuerung zum Anpassen der Stärke und der Frequenz einer einem Motor zugeführten Leistung vorgesehen. Dabei werden Maßnahmen ergriffen, bestimmte Fehlerfälle in der Steuerung oder im Motor selbst aufzuspüren. Des Weiteren werden durch die dort vorgesehenen Maßnahmen schnelle Änderungen in der Stromstärke vermieden, um ein so genanntes Overshootverhalten und die damit verbundenen Spannungsspitzen zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromschaltanordnung zu schaffen, bei welcher die vorgesehene feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung für jeden Fall eines Kurzschlusses auf besonders zuverlässige und gleichwohl einfache Art und Weise geschützt werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Stromschaltanordnung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird eine Stromschaltanordnung geschaffen, insbesondere ein Stromrichter, zum gesteuerten Schalten eines an einem Stromeingangsbereich bereitgestellten elektrischen Stroms zu einem Stromausgangsbereich in, mit einem Steueranschluss, an den eine Ansteuerspannung anlegbar ist, mit einer ersten feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung zwischen Stromeingangsbereich und Stromausgangsbereich, mit einer Schutzeinrichtung, wobei der Steueranschluss der ersten Halbleiterschalteinrichtung über eine Steuerleitung und über die Schutzeinrichtung mit dem Steueranschluss der Stromschaltanordnung verbunden ist, wobei die Schutzeinrichtung einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Steueranschluss aufweist, wobei die Schutzeinrichtung eine Diode aufweist, die zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss der Schutzeinrichtung derart angeordnet ist, dass sie leitet, wenn die Halbleiterschalteinrichtung durch die Ansteuerspannung im normalen Betrieb ohne Kurzschluss eingeschaltet wird, wobei die Schutzeinrichtung eine zweite feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung aufweist, die mit dem Eingangsanschluss, mit dem Ausgangsanschluss und mit dem Steueranschluss der Schutzeinrichtung verbunden ist und in Serie in der Steuerleitung angeordnet ist, wobei in der Schutzeinrichtung eine erste Steuerimpedanz als hochohmiger Widerstand oder als Stromquelleneinrichtung parallel dazu mit dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss der Schutzeinrichtung verbunden angeordnet ist, wobei die Schutzeinrichtung eine zweite Steuereingangsimpedanz aufweist, welche mit dem Eingangsanschluss und mit dem Steueranschluss der Schutzeinrichtung verbunden ist, wobei die Schutzeinrichtung eine dritte Steuereingangsimpedanz aufweist, welche mit dem Steueranschluss und mit dem Ausgangsanschluss der Schutzeinrichtung verbunden ist, mit einer Abtasteinrichtung zum Detektieren eines Kurzschlusses, die mit dem Steueranschluss der Schutzeinrichtung verbunden ist, wobei die Abtasteinrichtung ein dynamisches Einschalten der zweiten Halbleiterschalteinrichtung verhindert, wenn die erste Halbleiterschalteinrichtung während eines Kurzschlusses durch die Ansteuerspannung abgeschaltet wird, so dass die dann in der Steuerleitung wirksame erste Steuerimpedanz ein langsames Abschalten der ersten Halbleiterschalteinrichtung bewirkt.

Es ist also unter anderem vorgesehen, daß durch die Schutzeinrichtung, insbesondere im Fall eines Kurzschlusses im Stromausgangsbereich, steuerbar eine zusätzliche Steuereingangsimpedanz in den Steuerkreis, insbesondere in den Bereich des Steuereingangs, der Halbleiterschalteinrichtung zuschaltbar ist und daß durch die zusätzliche Steuereingangsimpedanz der Halbleiterschalteinrichtung diese auf definierte Art und Weise, insbesondere im Kurzschlußfall, abschaltbar ist.

Es ist somit ein Aspekt, durch die Schutzeinrichtung für die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere im Fehlerfall oder Kurzschlußfall, in den Bereich des Steuereingangs oder der Steuerleitung zusätzlich zu der ohnehin vorhandenen Steuereingangsimpedanz steuerbar eine zusätzliche Steuereingangsimpedanz zu schalten, durch welche, gerade im Kurzschlußfall, die Halbleiterschalteinrichtung auf definierte Art und Weise abgeschaltet oder definiert von einem eingeschalteten in einen ausgeschalteten Zustand überführt werden kann. Durch das definierte Abschalten kann die Fallgeschwindigkeit oder Abfallrate des Stromes im Stromausgangsbereich oder Stromausgangsanschluß der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung bzw. deren Verringerung in der Zeit auf definierte Art und Weise gesteuert werden, um zum Beispiel Spannungsüberhöhungen aufgrund parasitärer Induktivitäten zu reduzieren und somit eine Beschädigung der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung zu vermeiden.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hierbei die Notwendigkeit eines zusätzlichen ICs zur steuerbaren Schaltung der zusätzlichen Steuereingangsimpedanz vermieden. Vielmehr wird erfindungsgemäß eine inhärente Steuerung direkt im Bereich der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung der Steuereingangsimpedanz vorgesehen, welche ohne Hochspannungsbauelemente auskommt und somit für alle feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtungen der Stromschaltanordnung auf platzsparende und somit einfache und gleichwohl zuverlässige Art und Weise realisiert werden kann.

Darüber hinaus wird durch das gesteuerte Schalten der Steuereingangsimpedanz die im Bereich der Steuerleitungseinrichtung gegenüber dem Stromausgangsbereich zu realisierende Stromstärke derart klein gehalten, daß die Bauelemente der Schutzeinrichtung entsprechend klein ausgelegt werden können. Es findet somit eine Trennung oder Entkoppelung der Schutzeinrichtung von der den Steuereingang der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung steuernden Treiberstufe und/oder Steuereinrichtung statt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung weist die Halbleiterschalteinrichtung jeweils einen Stromeingangsanschluß und einen Stromausgangsanschluß zusätzlich zum Steueranschluß auf. Ferner sind die Anschlüsse über eine Stromeingangsleitungseinrichtung, eine Stromausgangsleitungseinrichtung bzw. eine Steuerleitungseinrichtung mit dem Stromeingangsbereich, dem Stromausgangsbereich bzw. einem Steuerbereich jeweils verbindbar. Dadurch wird die jeweilige Verbindung zum energieliefernden Bereich, zur Last bzw. zur steuernden Einheit hergestellt.

Besonders vorteilhaft gestaltet sich der Betrieb der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung, wenn die Halbleiterschalteinrichtung im wesentlichen durch eine zwischen dem Steueranschluß und dem Stromausgangsanschluß anlegbare elektrische Potentialdifferenz steuerbar schaltbar ausgebildet ist. Dann nämlich kann auf besonders einfache Art und Weise durch geeignete Variation des dem Steueranschluß zu beaufschlagenden elektrischen Potentials die Größe und Art und Weise des vom Stromeingangsbereich zum Stromausgangsbereich hin zu übertragenden elektrischen Stroms realisiert werden.

Zur Realisierung des Schutzkonzeptes ist es bei einer weiteren Fortbildung der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung vorgesehen, daß die Schutzeinrichtung jeweils im wesentlichen in der Steuerleitungseinrichtung und/oder zumindest mit der Stromausgangsleitungseinrichtung verbindbar ausgebildet ist. Dies gewährleistet auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise den Schutz der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung, weil durch Zwischenschaltung oder Vorschaltung der Schutzeinrichtung vor dem Steueranschluß bzw. in Verbindung mit der Kontaktierung zum Stromausgangsbereich zum Schutz die Steuerung des Steueranschlusses der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung und damit eine entsprechende Begrenzung der zu übertragenden elektrischen Größen und der thermischen Belastung im Bereich der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung erreicht werden kann.

Als besonders geeignet gestaltet sich die Schutzeinrichtung, wenn diese jeweils zumindest zur Steuerung der elektrischen Potentialdifferenz zwischen Steueranschluß und Stromausgangs anschluß der Halbleiterschalteinrichtung ausgebildet ist. Es ist nämlich in vielen Fällen die Potentialdifferenz zwischen Steueranschluß und Stromausgangsanschluß, welche den das Bauteil der Halbleiterschalteinrichtung belastenden elektrischen Strom regelt oder steuert.

Besonders einfach läßt sich die erfindungsgemäße Stromschaltanordnung realisieren, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Halbleiterschalteinrichtung jeweils einen IGBT und/oder einen Feldeffekttransistor (FET) oder dergleichen aufweist und/oder jeweils als solcher ausgebildet ist.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Stromeingangsanschluß mit einem Kollektorbereich bzw. Drainbereich, der Stromausgangsanschluß mit einem Emitterbereich bzw. einem Sourcebereich und der Steueranschluß mit einem Gatebereich der Halbleiterschalteinrichtung verbunden ist.

Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung ist es vorgesehen, daß die Schutzeinrichtung eine steuerbar betätigbare Schutzschalteinrichtung mit einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß in Serie in der Steuerleitungseinrichtung angeordnet aufweist. Ferner ist dabei vorgesehen, daß die zusätzliche Steuereingangsimpedanz parallel dazu mit dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluß der Schutzschalteinrichtung verbunden angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird bewirkt, daß durch die steuerbare Schutzschalteinrichtung in Parallelschaltung zur zusätzlichen Steuereingangsimpedanz im durchgeschalteten Zustand der Schutzschalteinrichtung die zusätzliche Steuereingangsimpedanz umgangen wird und somit ausschließlich die natürliche inhärente Steuereingangsimpedanz – zum Beispiel der Gatewiderstand des Gateanschlusses – im Schaltkreis wirkt, während im ausgeschalteten Zustand der Schutzschalteinrichtung der Durchgang der Schutzschalteinrichtung relativ hochohmig wird und somit die zusätzliche Steuereingangsimpedanz in Parallelschaltung dazu ihre Wirkung entfaltet. Da durch kann mittels der Schutzschalteinrichtung zwischen der natürlichen inhärenten, relativ niederohmigen Steuereingangsimpedanz (R_GATE) und der relativ hochohmigen, aber nicht strikt isolierenden zusätzlichen Steuereingangsimpedanz gewählt werden, um die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung auf definierte und vorbestimmte Art und Weise über den hochohmigen Steueranschluß abzuschalten.

Vorteilhafterweise ist die zusätzliche Steuereingangsimpedanz im wesentlichen als, insbesondere relativ hochohmiger, Ohmscher Widerstand oder als Stromquelleneinrichtung oder dergleichen ausgebildet.

Besonders einfach läßt sich die Schutzschalteinrichtung realisieren, wenn diese als Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere als IGBT, Feldeffekttransistor oder dergleichen, ausgebildet ist und/oder ein solches Bauelement enthält. Diese Bauelemente lassen sich ohne große Leistungsaufnahme ansteuern und in unmittelbarer Nähe als inhärenter oder integraler Bestandteil im Bereich der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung realisieren.

Zur Steuerung der Schutzschalteinrichtung weist diese vorteilhafterweise einen Steueranschluß auf. Gegebenenfalls sind der Eingangsanschluß, der Ausgangsanschluß und der Steueranschluß der Schutzschalteinrichtung jeweils an einem Kollektor- oder Drainbereich, an einem Emitter- oder Sourcebereich bzw. an einem Gatebereich der Schutzschalteinrichtung ausgebildet oder mit diesem jeweils verbunden oder verbindbar. Auf diese Weise läßt sich besonders einfach der Schaltmechanismus unter Verwendung eines IGBTs oder FETs aufbauen.

Zur Steuerung der Schutzschalteinrichtung und damit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Schutzkonzeptes ist es vorgesehen, daß der Eingangsanschluß, der Ausgangsanschluß und der Steueranschluß der Schutzschalteinrichtung jeweils an einem Kollektor- oder Drainbereich, an einem Emitter- oder Sourcebereich bzw. an einem Gatebereich der Schutzschalteinrichtung ausgebildet, verbunden oder verbindbar sind.

Zur Steuerung der Schutzschalteinrichtung ist eine Abtasteinrichtung vorgesehen, welche zum Erfassen des geschalteten und im Stromausgangsbereich fließenden Stroms oder einer dafür repräsentativen, insbesondere elektrischen, Größe ausgebildet ist und durch welche ein Schaltsignal generierbar und dem Steuereingang der Schutzschalteinrichtung zuführbar ist. Durch diese Maßnahme wird auf vorteilhafte Art und Weise eine Überwachung des zwischen dem Stromeingangsbereich und dem Stromausgangsbereich fließenden elektrischen Stroms realisiert, so daß im Falle eines Kurzschlusses hinreichend rasch auf eine Stromüberhöhung angesprochen werden kann, um auf definierte Art und Weise über die zusätzliche Steuereingangsimpedanz, insbesondere über den zusätzlichen Gatewiderstand, die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung unter Vermeidung von Spannungsüberhöhungen aufgrund von parasitären Induktivitäten definiert abzuschalten.

Besonders zuverlässig läßt sich die Schutzeinrichtung dadurch realisieren, daß gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung die Schutzeinrichtung eine zweite und/oder eine dritte Steuereingangsimpedanz aufweist, welche mit dem Eingangsanschluß und dem Steueranschluß bzw. mit dem Steueranschluß und dem Ausgangsanschluß der Schutzschalteinrichtung verbunden sind. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß beim Ausschalten der Schutzschalteinrichtung im Fehlerfall die Kapazität zwischen Eingangsanschluß und Steueranschluß der Schutzschalteinrichtung – zum Beispiel die Kollektor-Gate-Kapazität eines IGBT – bzw. die Kapazität zwischen Steueranschluß und Ausgangsanschluß der Schutzschalteinrichtung – zum Beispiel die Kollektor-Gate-Kapazität eines IGBT – über die entsprechenden parallelgeschalteten zusätzlichen Steuereingangsimpedanzen als Entladewiderstände derart zeitlich verzögert oder langsam genug entladen werden, daß diese Kapazitäten über die Entladewiderstände ihre Spannung noch eine Weile auf einem Niveau halten, so daß die Schutzschalteinrichtung für eine gewisse Zeitspanne noch eingeschaltet bleibt. Dadurch wird ein abruptes Abschalten im Fehlerfall mit den dann möglicherweise einhergehenden Spannungsüberhöhungen über parasitäre Induktivitäten vermieden.

Es ist dabei von weiterem Vorteil, wenn die drei zusätzlichen Steuereingangsimpedanzen als Ohmsche Widerstände ausgebildet sind und sich ihre Werte R1:R2:R3 etwa wie 1:24:4 verhalten.

Im Vergleich zur natürlichen oder inhärenten Eingangsimpedanz R_GATE der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere im Hinblick auf einen natürlichen Gatewiderstand eines IGBT, ist es vorteilhaft, daß gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung die erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz einen Wert von etwa 1 kΩ aufweist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung näher erläutert.
In dieser zeigt:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer bekannten Ausführungsform einer Stromschaltanordnung,
2 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung,
3A–C drei Graphen bezüglich der zeitlichen Verläufe bestimmter elektrischer Größen, welche die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung verdeutlichen, und
4 ein schematisches Blockdiagramm einer Stromschaltanordnung aus dem Stand der Technik.
Bevor auf verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung im Detail eingegangen wird, sollen zunächst das Verhalten einer feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung in einer Stromschaltanordnung aus dem Stand der Technik im Kurzschlußfall sowie einige Aspekte bekannter Schutzeinrichtungen erläutert werden.
In 4 ist in Form eines im wesentlichen schematischen Blockdiagramms eine Stromschaltanordnung 40 aus dem Stand der Technik dargestellt. In dieser bekannten Stromschaltanordnung 40 ist eine feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 in Form eines Insulated-Gate-Bipolar-Thyristors oder IGBTs 42 vorgesehen, durch welchen von einem Stromeingangsbereich 2 bereitgestellter elektrischer Strom I_C einem Stromausgangsbereich 3 steuerbar schaltbar bereitgestellt werden kann. Dazu sind der Kollektor C und der Emitter E des IGBTs 42 über einen Stromeingangsanschluß 2a und einen Stromausgangsanschluß 3a mittels einer Stromeingangsleitung 2b bzw. einer Stromausgangsleitung 3b mit dem Stromeingangsbereich 2 bzw. dem Stromaungangsbereich 3 verbunden. Zur Steuerung der Schaltfunktion ist das Gate G des IGBTs 42 über eine Steuerleitungseinrichtung 4b mit der Steuer-/Treiberstufe 41 der bekannten Stromschaltanordnung 40 verbunden. In der Steuerleitung 4b ist noch in schematischer Art und Weise der inhärente oder natürliche Gatewiderstand R_GATE des Gates G des IGBTs 42 dargestellt.
Die Steuer-/Treiberstufe 41 der bekannten Stromschaltanordnung 40 weist in sich integriert die eigentliche Steuer/Treibereinrichtung 44 und eine entsprechende Schutzeinrichtung 45 zum Schutz der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 bzw. des IGBTs 42 auf. Über Leitungen 2c und 3c ist die Steuer-/Treiberstufe 41 über die Stromeingangsleitungseinrichtung 2b bzw. die Stromausgangsleitungseinrichtung 3b mit dem Stromeingangsbereich 2 bzw. dem Stromausgangsbereich 3 verbunden.
Im Betrieb der bekannten Stromschaltanordnung 40 wird über die Steuer-/Treiberstufe 41 die elektrische Potentialdifferenz U_GE zwischen dem Gate G und dem Emitter E des IGBTs 42 derart eingestellt, daß die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E des IGBTs 42 und somit der vom Stromeingangsbereich 2 zum Stromaungangsbereich 3 fließende Kollektorstrom I_C auf gewünschte Art und Weise steuerbar sind.
Aufgabe der Steuer-/Treiberstufe 41 ist es, einen Steuerimpuls zu generieren und dem Steueranschluß 4a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, also dem Gate G des IGBTs 42 zuzuführen, um dort ein Umschalten des leistungselektronischen Schalters, also des IGBTs 42 in einen eingeschalteten Zustuand zu bewirken. Dabei muß die Steuer/Treiberstufe 41 so ausgelegt sein, daß das Umsetzen des Steuerimpulses in ein entsprechendes Umschalten für jeden Betriebsfall der Stromschalteinrichtung 41 und insbesondere des Stromrichters gewährleistet ist.
Um die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 überhaupt zu schalten, ist ein gewisses Maß an Energie für die Umladung der Eingangskapazität des Gates G des IGBTs 42 bzw. im allgemeinen der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 notwendig. Diese Energie kann in Abhängigkeit von der Größe der Eingangskapazität des Gates G relativ groß sein, besonders dann, wenn es sich um Schalteinrichtungen für größere Ströme handelt. Vorteil der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtungen 10 ist aber ihre relativ niedrige mittlere Ansteuerleistung, welche hauptsächlich für die Energie während des kurzzeitigen Umschaltvorgangs, also mithin des Umladens der Eingangskapazität, verbraucht wird.
Grundsätzlich hat das Vorsehen einer Schutzeinheit – also der Schutzeinheit 45 im Ausführungsbeispiel aus dem Stand der Technik gemäß 4 – das Ziel, einer Zerstörung der aktiven und passiven Komponenten einer Stromschaltanordnung, insbesondere eines Stromrichters, entgegenzuwirken. Die feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtungen, vor allem die IGBTs und die FETs, werden im Fehlerfall, insbesondere bei einem Kurzschluß, als erste beschädigt. Durch einen zuverlässigen Schutz dieser Leistungshalbleiter können auch die passiven Komponenten der Stromschaltanordnung oder des Stromrichters geschützt werden.
Ein Fehlerfall liegt immer dann vor, wenn der zulässige Betriebsbereich der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, welcher jeweils vom Hersteller definiert wird, überschritten wird. Dabei ist der maximal zulässige Kollektorstrom I_C in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE als Belastung mit Dauergleichstrom oder als Belastung mit Stromimpulsen unterschiedlicher Breite bei spezifizierten Tastverhältnissen gegeben. Innerhalb bestimmter Bereiche sind sämtliche Wertekombinationen von Kollektorstrom I_C und Kollektor-Emitter-Spannung U_CE erlaubt, solange z. B. eine vorgegebene maximal zulässige Sperrschichttemperatur der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 nicht überschritten wird. Wird einer dieser Grenzwerte aber überschritten, so kann dies zu einer Beschädigung bis hin zur Zerstörung oder zu remanenten Veränderungen, zum Beispiel Ermüdungserscheinungen, der feldgesteuerten Halbleiterschaltungseinrichtung führen, insbesondere auch dann, wenn nicht sämtliche andere Grenzwerte für weitere elektrische Parameter ausgenutzt und überschritten werden.
Als Fehlerarten kommen Übertemperaturen, Überspannungen und Fehlerströme in Frage. Im Bereich der Behandlung von Fehlerströmen kommt dem Auftreten eines Kurzschlußstroms besondere Bedeutung zu. Ein Kurzschlußstrom wird durch einen sehr stei len Kollektorstromanstieg charakterisiert. Dabei entsättigt sich der IGBT, und die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE steigt.
Man unterscheidet einen Zweigkurzschluß, welcher Folge einer defekten feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung oder eines Ansteuerfehlers ist, und einen Lastkurzschluß, welcher Folge des Versagens einer Isolation im Stromausgangsbereich ist oder auch durch menschliches Versagen verursacht sein kann. In beiden Fällen liegt, bei einem Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, welcher hier im folgenden betrachtet werden soll, die volle Zwischenkreisspannung U_Z zwischen dem Eingangsanschluß 2a und dem Ausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 an, und folglich fließt der Fehlerstrom durch den Zwischenkreis.
Bei einem derartigen Kurzschluß muß unterschieden werden zwischen einem Kurzschluß, der bereits vor dem Einschalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 vorliegt (Kurzschluß I) und einem Kurzschluß der Last, welcher erst auftritt, nachdem die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 bereits im eingeschalteten oder durchgeschalteten Zustand vorliegt (Kurzschluß II).
Beim Kurzschluß I liegt der den Kurzschluß verursachende Fehler bereits vor dem Einschalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 vor, so daß die gesamte Zwischenkreisspannung U_Z zwischen dem Eingangsanschluß 2a, also dem Kollektor C des IGBTs 42, und dem Ausgangsanschluß 3a, also dem Emitter E des IGBTs 42, anliegt: U_CE = U_Z.
Mit dem Einschalten des IGBTs 42 über eine am Steueranschluß 4a des IGBTs 42 angelegte Gate-Emitter-Spannung U_GE steigt auch der Kollektorstrom I_C. Der differentielle Kollektorstromanstieg dI_C/dt wird aber während des Einschaltvorgangs durch die entsprechend angelegte Gate-Emitter-Spannung U_GE begrenzt. Demgemäß stellt sich dann auch der Kollektorstrom I_C als Kurzschlußstrom auf einen stationären Wert ein, wel cher sich aus der Ausgangskennlinie der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, also etwa des IGBTs 42, für die jeweilige Gate-Emitter-Spannung U_GE, welche oft +15 V beträgt, ergibt. Dabei kommt es zu keinem nennenswerten dynamischen Überstrom oberhalb des einregelnden stationären Wertes des Kollektorstroms oder Kurzschlußstroms I_C.
Beim externen Abschalten des Kurzschlußstroms kommt es dann aufgrund von Gegeninduktionen auf der Grundlage im Schaltkreis vorhandener parasitärer Induktivitäten zu einer dynamischen Überspannung, welche dem Absinken des Kollektorstroms I_C entgegenwirkt und welche aufgrund der Höhe des abzuschaltenden Kollektorstroms I_C ein Vielfaches der unter regulären Bedingungen auftreten Schaltüberspannung betragen kann.
Problematischer als diese Kurzschlüsse vom Typ I sind Kurzschlüsse vom Typ II, bei welchen die Last zu einem Zeitpunkt kurzgeschlossen wird, bei welchem sich die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10, also etwa der IGBT 42, im eingeschalteten und also gesättigten Zustand befindet.
Das Verhalten eines typischen IGBTs 42 im Zusammenhang mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Stromschalteinrichtung 40 wird nun unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C im Detail erläutert. In den 3A bis 3C sind Graphen der zeitlichen Verläufe der Spannung zwischen Steueranschluß 4a und Stromausgangsanschluß 3a, also die Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42, des geschalteten Stroms, also des Kollektorstroms I_C des IGBTs 42, bzw. der diesen Strom treibenden Spannung zwischen dem Stromeingangsanschluß 2a und dem Stromausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschaltungseinrichtung 10, also der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42, in den Spuren T0, T2 bzw. T3 für identische Zeitachsen dargestellt. Die Ordinaten sind jeweils in relativen Einheiten angegeben.
Bis zum Zeitpunkt t₀ ist die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 eingeschaltet, und die Stromschaltanordnung 40 läuft im Nominalbetrieb, so daß der Kollektorstrom I_C einem Nominalstrom I_N entspricht.
Zum Zeitpunkt t₀ findet der Kurzschluß II statt, was im Zeitraum von t₀ bis t₁ mit einem entsprechenden rapiden Anstieg des Kollektorstroms I_C auf einen Spitzenwert I°_C,SC,peak einhergeht. Dieser Kollektorstromanstieg ergibt sich aufgrund der Höhe der im Zwischenkreis vorliegenden Spannung U_Z, welche im wesentlichen mit der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBT 42 übereinstimmt, und der im Kurzschlußkreis vorhandenen parasitären Induktivitäten. Die in dieser Zeitspanne auftretenden hohen Stromdichten im IGBT 42 können zur Zerstörung oder zur Beschädigung der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, führen, insbesondere dann, wenn während dieser Phase der IGBT 42 ausgeschaltet würde. Ursache für die Zerstörung oder Beschädigung können die Prozesse des sogenannten Latch-Up oder des dynamischen Avalanche sein.
Obwohl für lange Zeiten t während des Kurzschlusses – also insbesondere für Zeiten t ≧ t₂ – ein konstanter Kurzschlußstrom I°_C/SC/stat die Folge ist, führt die mit dem Ansteigen des Kollektorstroms I_C einhergehende Entsättigung der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere also des IGBTs, bei welcher die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE – siehe 3C – im Zeitintervall von t₀ bis t₁ ansteigt, einen Verschiebestrom, welcher über die Kapazität zwischen Eingangsanschluß 2a und Steueranschluß 4a, nämlich der Kollektor-Gate-Kapazität oder Miller-Kapazität, in die Kapazität zwischen Steueranschluß 4a und Stromausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, nämlich der Gate-Emitter-Kapazität des IGBTs 42, eingekoppelt wird. Aufgrund dieses Effekts der Rückwirkung oder Einkopplung wird die Spannung zwischen Steueranschluß 4a und Stromausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, also die Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 auf einen Wert U°_GE,SC,peak angehoben, wie das in der 3A für die Zeitspanne zwischen t₀ bis t₁ gezeigt ist, wodurch sich in folge eben nicht sofort der konstante Kurzschluß-Kollektorstrom I°_C/SC/stat einstellt, sondern ein Kurzschlußüberstrom I°_C,SC,peak die Folge ist, wie das in 3B für den Zeitpunkt t₁ ersichtlich ist.
Für Zeiten nach t₁ fällt der Kollektorstrom I_C von seinem dynamischen Überstrom I°_C,SC,peak auf seinen stationären Wert I°_C/SC/stat. Aufgrund der parasitären Induktivitäten im Schaltkreis führt das zu entsprechenden dynamischen Spannungsabfällen, die sich zum Beispiel in einen Überspannungswert U°_GE,SC,peak der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42 bemerkbar machen. Diese Überspannung U°_GE,SC,peak kann die Durchbruchspannung des IGBTs überschreiten und dann zu dessen Zerstörung oder Beschädigung führen. Die Anhebung der Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 und somit die Höhe des dynamischen Überstroms I°_C,SC,peak sind von der Entsättigungsgeschwindigkeit, d.h. vom Abfallen dU_CE/dt der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42 abhängig. Bei niederinduktiven Schaltkreisen führt dieser Kurzschluß II aufgrund der schnellen Entsättigung bei verschwindender parasitärer Induktivität zu sehr hohen dynamischen Kurzschlußüberströmen I°_C,SC,peak. Zur Minimierung der Strom- und Spannungsspitzen muß daher die Gate-Emitter-Spannung U_GE während des Zeitintervalls zwischen t₀ und t₁ begrenzt werden.
Im dritten Zeitintervall zwischen t₂ und t₃ hat der Kollektorstrom I_C des IGBTs 42 den Wert des stationären Kurzschlußstromes I°_C/SC/stat erreicht, wie das in 3B in der Spur 32 gezeigt ist. In dieser Phase des Kurzschlusses II ist die Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 ebenfalls auf ihrem stationären Wert, nämlich U°_GE,N, abgefallen. Dies entspricht der Steuerspannung zum Einschalten des IGBTs 42.
Die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE entspricht der im Zwischenkreis anliegenden Zwischenkreisspannung U_Z, wie das in 3C in der Spur T4 gezeigt ist. Der stationäre Kurzschlußstrom I°_C/SC/stat wird dabei durch das Übertragungsverhalten, nämlich die Steilheit, des IGBTs 42 sowie durch die Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 bestimmt. Ferner hat auch die Sperrschichttemperatur des IGBTs 42 Einfluß auf den Wert des Kurzschlußstromes I°_C/SC/stat. Dieser ist im allgemeinen sehr viel größer als der nominale Strom I_N unter regulären Betriebsbedingungen, und es gilt zum Beispiel I°_C/SC/stat = 8-10 × I_N.
Während dieser Phase zwischen den Zeitpunkten t₂ bis t₃ ist die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere also der IGBT 42, hohen Verlustleistungen ausgesetzt, wodurch im Bauteil eine Übertemperatur erzeugt werden kann. Zur Vermeidung der thermischen Zerstörung der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 bzw. des IGBTs 42 muß die Dauer des Kurzschlusses entsprechend begrenzt werden, so daß die maximal zulässige Sperrschichttemperatur nicht überschritten wird. Typische Kurzschlußzeiten, d.h. Zeitintervalle von t₀ bis t₃, betragen etwa 10 μs.
Zum Zeitpunkt t₄ wird der Kurzschluß II zwischen dem Stromeingangsbereich 2 und dem Stromausgangsbereich 3 bzw. im Stromausgangsbereich 3 beendet.
Wie in 3B in Spur T2 gezeigt ist, fällt der Kollektorstrom I_C von seinem stationären Wert I°_C/SC/stat innerhalb kurzer Zeit auf Null ab. Aufgrund der im Schaltkreis vorhandenen parasitären Induktivitäten entsteht eine diesem Stromabfall entgegenwirkende Gegeninduktionsspannung zwischen dem Stromeingangsanschluß 2a und Stromausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, also zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E des IGBTs 42, dies führt für Zeiten kurz nach dem Zeitpunkt t₄ zu einer Spannungsüberhöhung U°_CE,SC,off der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE. Diese kann ein Vielfaches der beim regulären Ausschalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, auftretenden Überspannung betragen.
Bisherige bekannte Maßnahmen zum Schutz der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, verwenden häufig eine sogenannte aktive Überspannungsbegrenzung, welche die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42 zu jedem Zeitpunkt begrenzt. Dabei wird die Energie der sogenannten Überspannungsspitze häufig mit Hilfe eines spannungsbegrenzenden Elements – zum Beispiel eines Zener-Elements – zur Reduktion der Kollektorstromfallgeschwindigkeit durch eine Aufsteuerung des IGBTs 42 genutzt.
Dabei wird durch Absenken des Kollektorstroms I_C eine Spannungsüberhöhung im Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung U_CE erzeugt, welche dann gegebenenfalls eine Avalancheerzeugung im Zener-Element beim Überschreiten dessen Durchbruchspannung verursacht. Das dann leitende Zener-Element führt der Kapazität zwischen Steueranschluß 4a und Stromausgangsanschluß 3a der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, also der Gate-Emitter-Kapazität des IGBTs 42, den durch das Zener-Element fließenden Strom zu und lädt diese auf. Dadurch steigt die Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 an, wodurch die Leitfähigkeit des IGBTs 42 erhöht wird. Dies wirkt der Fallgeschwindigkeit des Kollektorstroms I_C entgegen, was folglich zu einer Verminderung der Spannungsüberhöhung führt.
Der durch das Zener-Element fließende Strom, der die Gate-Emitter-Kapazität des IGBTs 42 auflädt, muß den durch die Steuer-/Treiberstufe 41 rückfließenden Strom, sowie gegebenenfalls den beim Vorhandensein einer Strombegrenzung auftretenden Begrenzungsstrom, kompensieren. Der zur Kompensation des Ansteuerstroms benötigte Strom ergibt sich dabei aus der inhärenten Eingangsimpedanz, nämlich aus dem Gatewiderstand R_GATE des IGBTs 42, und der Differenz aus den am leitfähigen Zener-Element anliegenden Spannung U_GE und der Ansteuerspan nung U_Anst. Dies maßgebliche Spannungsdifferenz ist aber während des zweiten Intervalls zwischen dem Zeitpunkt t₁ und t₂ relativ gering, da sie dort im wesentlichen durch das Aufladen der Miller-Kapazität des IGBTs 42 verursacht wird. Deshalb kann der Strom durch das leitende Zener-Element den Ansteuerstrom I_Anst ohne Probleme ausgleichen oder kompensieren.
Problematisch wird es jedoch beim Ausschalten des IGBTs zum Zeitpunkt t₄ über den niederohmigen Gatewiderstand R_GATE und gegen eine negative Ansteuerspannung U_Anst. Dann nämlich kann die Gate-Emitter-Spannung U_GE schon negativ sein, wenn die Überspannungsspitze auftritt. Um die Spannungsüberhöhung dann beim Ausschalten zu vermindern oder zu reduzieren, muß die Gate-Emitter-Spannung U_GE auf einen Wert angehoben werden, der der Ausgangskennlinie zum Leiten des momentanen Kollektorstroms I_C entspricht. Auf der dann vorliegenden großen Spannungsdifferenz zwischen der Ansteuerspannung U_Anst und der Gate-Emitter-Spannung U_GE des IGBTs 42 ist der Ansteuerstrom I_Anst welcher zurück zur Steuer-/Treiberstufe 41 fließt, sehr groß. Demzufolge muß der vorhandene Strom durch das Zener-Element diesen hohen Strom kompensieren, was zu einer Überlastung des Zener-Elements führen kann. Dies ist ein maßgeblicher Nachteil der beim Stand der Technik vorgesehenen Schutzmechanismen.
Ferner ist die Spannung über das Zener-Element von der Größe des durch das Zener-Element fließenden Stroms abhängig. Die Spannung über das Zener-Element steigt mit dem durch das Zener-Element fließenden Strom an, wodurch sich ebenfalls die Kollektor-Emitter-Spannung U_CE des IGBTs 42 erhöht. Der Strom des Zener-Elements kann zwar mit Hilfe eines zusätzlichen aktiven Bauelements verstärkt werden. Bei dieser Anordnung fließt jedoch der durch das Zener-Element fließende Strom hauptsächlich durch einen im aktiven Bereich betriebenen Hilfstransistor, welcher beim Durchbruch des Zener-Elements eingeschaltet wird. Das Zener-Element führt dabei nur denje nigen Strom, welcher zum Einschalten des Hilfstransistors notwendig ist.
Zwar ist der Einsatz eines derartigen Zener-Elements für einen zeitlich uneingeschränkten Schutz der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere des IGBTs 42, gegen Überspannungen möglich, und es kann durch die entsprechende Wahl des Schalttransistors oder Hilfstransistors im Bereich des Zener-Elements auf eine der jeweiligen feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, oder des IGBTs 42, optimal angepaßte Wirkung erzeugt werden. Aber es ist eine Integration der so ausgebildeten Schutzeinheit zusammen mit der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, vorzugsweise in einem Gehäuse nur schwer realisierbar, da die Zener-Elemente Hochspannungs-Bauelemente aufweisen, die ihrerseits einen hohen Platzbedarf einnehmen und sich deshalb einer Integration in einem Gehäuse widersetzen. Dies ist ein weiterer maßgeblicher Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Schutzkonzepte und Stromschaltanordnungen.
1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform einer bekannten Stromschaltanordnung 1. Die mit der Ausführungsform aus dem Stand der Technik gemäß 4 identischen Komponenten und Strukturen sind mit denselben Bezugszeichen versehen und haben die gleiche Bedeutung und elementare Funktion. Die detaillierte Erörterung dieser Komponenten wird an dieser Stelle deshalb nicht wiederholt.
Der grundlegende Unterschied zwischen der Ausführungsform 40 aus dem Stand der Technik gemäß 4 und der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung 1 besteht darin, daß die bei der Erfindung vorgesehene Schutzeinrichtung 5 zum Schutz der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, welche in der Ausführungsform der 1 ebenfalls als IGBT mit Gate G, Kollektor C und Emitter E ausgebildet ist, von der Steuer-/Treiberstufe 4 getrennt ausgebildet ist. Sie kann erfindungsgemäß als inhärenter oder integraler Bestandteil der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 aufgefaßt und in diese integriert ausgebildet werden. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil die Verbindung zwischen Schutzeinrichtung 5 und Stromeingangsleitungseinrichtung 2b über die Leitung 2c hier nicht notwendig, mithin also optional ist und weil die Schutzeinrichtung 5 bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform keine platzraubenden Hochspannungsbauelemente aufweist.
Aufgrund der Ansteuerspannung U_Anst, welche an die Steuer-/Treiberstufe 4 zurückgeführt wird, wird ein entsprechendes Ansteuersignal über die Steuerleitungseinrichtung 4b mit der inhärenten Steuereingangsimpedanz R_GATE an den Steueranschluß 4a, welcher mit dem Gate G der als IGBT ausgebildeten feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 verbunden ist, zugeführt. Je nach Betriebsbedingung, welche über die Leitung 3c abgetastet und detektiert wird, wird durch die Schutzeinrichtung 5 im Fehlerfall ein definiertes Abschalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 über ein entsprechendes definiertes Zuschalten zusätzlicher Steuereingangsimpedanzen R1, R2, R3 bewirkt, wodurch Strom-/Spannungsüberhöhungen im Bereich der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, 42 verhindert werden.
2 zeigt etwas detaillierter ebenfalls teilweise in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromschaltanordnung 1.
Bei dieser Anordnung 1 ist zwischen einem Stromeingangsbereich 2 und einem Stromausgangsbereich 3 eine als IGBT 42 dargestellte und ausgebildete Halbleiterschalteinrichtung 10 mit einem Eingangsanschluß 2a, einem Ausgangsanschluß 3a sowie einem Steueranschluß 4a vorgesehen, welche mit einem Kollektorbereich C, einem Emitterbereich E bzw. einem Gatebereich G der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, insbesondere des IGBTs 42, verbunden sind. Entsprechend sind eine Eingangsleitungseinrichtung 2b, eine Ausgangsleitungseinrichtung 3b sowie eine Steuerleitungseinrichtung 4b zur Verbindung der Anschlüsse 2a, 3a und 4a mit dem Eingangsbereich 2, dem Ausgangsbereich 3 bzw. dem Steuerbereich 4 ausgebildet.
Die Steuer-/Treiberstufe oder Steuerbereich 4 beaufschlagt die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10 bzw. deren Steuereingang 4a über die Steuerleitungseinrichtung 4b und die darin vorgesehene inhärente oder natürliche Steuereingangsimpedanz R_GATE sowie über die Leitungseinrichtung 3c und die Stromausgangsleitungseinrichtung 3b mit einer entsprechenden Ansteuerspannung U_Anst.
Im Bereich der Steuerleitungseinrichtung 4b ist in Kontakt mit der Stromausgangsleitung 3b die Schutzeinrichtung 5 ausgebildet, welche als wesentliches Element die Schutzschalteinrichtung M1 sowie parallel dazu die zusätzliche Steuereingangsimpedanz R1, hier als Ohmscher Widerstand dargestellt, aufweist. Die Schutzschalteinrichtung weist einen Eingangsanschluß 11, einen Ausgangsanschluß 12 sowie einen Steueranschluß 13 auf, wobei letzterer mit einer Abtasteinrichtung 20 zum Abtasten des vom Stromeingangsbereich 2 zum Stromausgangsbereich 3 hin fließenden Stroms, nämlich des Kollektorstroms I_C, oder einer dafür repräsentativen elektrischen Größe ausgebildet ist.
Die maßgebliche zusätzliche Steuereingangsimpedanz R1 ist parallel zur Schutzschalteinrichtung M1 geschaltet, indem diese erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz R1 mit ihrem einen Anschluß mit dem Eingangsanschluß 11 der Schutzschalteinrichtung M1 und mit ihrem anderen Anschluß mit dem Ausgangsanschluß 12 der Schutzschalteinrichtung M1 verbunden ist.
Im eingeschalteten Zustand wird somit als effektive Eingangsimpedanz nur die inhärente oder natürliche Eingangsimpe danz R_GATE, nämlich der Gatewiderstand des IGBT 10, wirksam, weil die Schutzschalteinrichtung M1 im eingeschalteten Zustand leitend ist. Im ausgeschalteten Zustand der Schutzschalteinrichtung M1 wird dagegen die Summe der Eingangsimpedanzen R_GATE und R1 wirksam, weil die Schutzschalteinrichtung M1 im ausgeschalteten Zustand isolierend wirkt.
Es sind ferner eine zweite und eine dritte zusätzliche Steuereingangsimpedanz R1 und R2 vorgesehen, wobei die zweite zusätzliche Steuereingangsimpedanz R2 mit ihrem einen Ende mit dem Eingangsanschluß 11 und mit ihrem anderen Ende mit dem Steueranschluß 13 der Schutzschalteinrichtung M1 verbunden ist und die dritte zusätzliche Steuereingangsimpedanz R3 mit ihrem einen Anschluß mit dem Steueranschluß 13 und mit ihrem anderen Anschluß mit dem Ausgangsanschluß 12 der Schutzschalteinrichtung M1 verbunden ist.
Der Eingangsanschluß 11, der Ausgangsanschluß 12, sowie der Steueranschluß 13 sind mit dem Sourcebereich S1, dem Drainbereich D1, bzw. dem Gatebereich G1 der als MOSFET ausgebildeten Schutzschalteinrichtung M1 verbunden.
Zur Steuerung der Schutzschalteinrichtung M1 ist zwischen deren Steueranschluß 13 mit dem daran angekoppelten Gatebereich G1 und der Stromausgangsleitungseinrichtung 3b eine entsprechende Abtasteinrichtung 20 mit einem Spannungsteilerelement 25 vorgesehen. Die Abtasteinrichtung 20 besteht maßgeblich aus einer feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung M2, die in 2 als MOSFET dargestellt ist, und deren Steuereingang 23, welcher mit dem entsprechenden Gatebereich G2 verbunden ist, über den Spannungsteiler 25 angesteuert wird. Der Ausgangsanschluß 22, welcher mit dem Drainbereich D2 der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung M2 verbunden ist, ist seinerseits mit dem Steuereingang 13 der Schutzschalteinrichtung M1 verbunden.
Die zusätzlichen Steuereingangsimpedanzen R1, R2 und R3 haben in etwa die Werte 1 kΩ, 24 kΩ bzw. 4,3 kΩ. Dagegen besitzt die inhärente oder natürliche Steuereingangsimpedanz oder der entsprechende Gatewiderstand R1 einen Wert von etwa 10 Ω.
Durch die Anordnung der Schutzschalteinrichtung M1 wird die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung 10, nämlich der IGBT 42, durch die relativ große Impedanz, nämlich die erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz R1, im Gatekreis auf definierte Art und Weise abgeschaltet oder ausgeschaltet. Dies führt zu einer Verringerung der Änderungsrate dI_C/dt des Kollektorstroms I_C. Dadurch kann die Spannungsüberhöhung der Gate-Emitter-Spannung U_GE um einen Betrag ΔU_GE,peak auf U¹ _GE,peak deutlich gesenkt werden, wie das für das erste Zeitintervall zwischen t₀ bis t₁ in 3A im Vergleich der Spuren 30 und 31 deutlich wird.
Unter regulären Bedingungen, d.h. im normalen Betrieb ohne Kurzschluß, wird das Verhalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10 aus dem Ausführungsbeispiel der 2 durch die inhärente oder natürliche Gateimpedanz R_GATE und durch die Ansteuerspannung U_Anst der Steuer-/Treiberstufe 4 bestimmt. Ein positiver Gatestrom zum Einschalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, nämlich des IGBTs 42, fließt über die parasitäre Diode Z1 der Schutzschalteinrichtung M1, wobei die Entladung der Kapazität zwischen Gate und Emitter über die dynamisch eingeschaltete Schutzschalteinrichtung M1 erfolgt.
Im Fall eines Kurzschlusses, welcher über die Abtasteinrichtung 20 detektiert wird, wird die feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung M2 der Abtasteinrichtung 20 über die von den Widerständen R4 und R5 sowie der Diode Z3 gebildete Sense-Widerstandseinrichtung 25 dynamisch eingeschaltet. Ein dynamisches Einschalten der Schutzschalteinrichtung M1 erfolgt dadurch nicht.
Die Kapazität zwischen Gate G und Emitter E der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, 42 wird über die Reihenschaltung der Widerstände R1 und R_GATE entladen. Das bedeutet, daß das Schaltverhalten der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, 42 im wesentlichen nur durch den hochohmigen Widerstand R1 bestimmt wird, zumal dann, wenn, wie in dem vorliegenden Fall, R1 = 1 kΩ und R_GATE = 10 Ω gewählt sind.
Insbesondere für den Fall, daß R1 sehr groß gewählt wird – R1 → ∞ – ist die Schutzeinrichtung 5 von der Steuer/Treiberstufe 4 im wesentlichen entkoppelt.
Beim Ausschalten im Fehlerfall wird die Kapazität zwischen Emitter E und Gate G der Halbleiterschalteinrichtung 10 über den Entladewiderstand R1 derart langsam entladen, daß beim Abschalten oder Ausschalten die Spannung solange oberhalb eines bestimmten Niveaus angehoben bleibt, so daß trotz des Abschaltens 10 noch eingeschaltet bleibt und erst allmählich in den abgeschalteten Zustand übergeht. Durch dieses langsame Abschalten von 10 und folglich durch das langsamere Abschalten des Kurzschlußstroms, also des Kollektorstroms I_C, kommt es nur zu einer relativ kleinen Überspannung U¹ _CE,SC,off zwischen Kollektor C und Emitter E der feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung 10, wie das aus einem Vergleich der Spuren 34 und 35 in der 3C hervorgeht. Diese Überspannung ist mit dem Fall des Ausschaltens beim regulären Betrieb vergleichbar.

Claims

Stromschaltanordnung (1), insbesondere Stromrichter, zum gesteuerten Schalten eines an einem Stromeingangsbereich (2) bereitgestellten elektrischen Stroms (I) zu einem Stromausgangsbereich (3) hin, – mit einem Steueranschluss (4), an den eine Ansteuerspannung (U_Anst) anlegbar ist, – mit einer ersten feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung (10) zwischen Stromeingangsbereich (2) und Stromausgangsbereich (3), – mit einer Schutzeinrichtung (5), – wobei der Steueranschluss (4a) der ersten Halbleiterschalteinrichtung (10) über eine Steuerleitung (4b) und über die Schutzeinrichtung (5) mit dem Steueranschluss (4) der Stromschaltanordnung (1) verbunden ist, – wobei die Schutzeinrichtung (5) einen Eingangsanschluss (11), einen Ausgangsanschluss (12) und einen Steueranschluss (13) aufweist, – wobei die Schutzeinrichtung (5) eine Diode (Z1) aufweist, die zwischen dem Eingangs- (11) und dem Ausgangsanschluss (12) der Schutzeinrichtung (5) derart angeordnet ist, dass sie leitet, wenn die Halbleiterschalteinrichtung (10) durch die Ansteuerspannung (U_Anst) im normalen Betrieb ohne Kurzschluss eingeschaltet wird, – wobei die Schutzeinrichtung (5) eine zweite feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung (M₁) aufweist, die mit dem Eingangsanschluss (11), mit dem Ausgangsanschluss (12) und mit dem Steueranschluss (13) der Schutzeinrichtung (5) verbunden ist und in Serie in der Steuerleitung (4b) angeordnet ist, – wobei in der Schutzeinrichtung (5) eine erste Steuerimpedanz (R1) als hochohmiger Widerstand oder als Stromquelleneinrichtung parallel dazu mit dem Eingangs- (11) und dem Ausgangsanschluss (12) der Schutzeinrichtung (5) verbunden angeordnet ist, – wobei die Schutzeinrichtung (5) eine zweite Steuereingangsimpedanz (R2) aufweist, welche mit dem Eingangsanschluss (11) und mit dem Steueranschluss (13) der Schutzeinrichtung (5) verbunden ist, – wobei die Schutzeinrichtung (5) eine dritte Steuereingangsimpedanz (R3) aufweist, welche mit dem Steueranschluss (13) und mit dem Ausgangsanschluss (12) der Schutzeinrichtung (5) verbunden ist, – mit einer Abtasteinrichtung (20) zum Detektieren eines Kurzschlusses, die mit dem Steueranschluss (13) der Schutzeinrichtung (5) verbunden ist, – wobei die Abtasteinrichtung (20) ein dynamisches Einschalten der zweiten Halbleiterschalteinrichtung (M1) verhindert, wenn die erste Halbleiterschalteinrichtung (10) während eines Kurzschlusses durch die Ansteuerspannung (U_Anst) abgeschaltet wird, so dass die dann in der Steuerleitung (4b) wirksame erste Steuerimpedanz (R1) ein langsames Abschalten der ersten Halbleiterschalteinrichtung (10) bewirkt.
Stromschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Halbleiterschalteinrichtung (10) jeweils einen Stromeingangsanschluss (2a) und einen Stromausgangsanschluss (3a) zusätzlich zum Steueranschluss (4a) aufweist und – dass die Anschlüsse (2a, 3a, 4a) über eine Stromeingangsleitungseinrichtung (2b), Stromausgangsleitungseinrichtung (3b) und eine Steuerleitungseinrichtung (4b) mit dem Stromeingangsbereich (2), dem Stromausgangsbereich (3) bzw. einem Steuerbereich (4) jeweils verbindbar sind.
Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalteinrichtung (10) jeweils einen IGBT oder einen Feldeffekttransistor (FET) aufweist oder jeweils als solcher ausgebildet ist.
Stromschaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromeingangsanschluss (2a) mit einem Kollektorbereich (C) bzw. Drainbereich (D), der Stromausgangsanschluss (3a) mit einem Emitterbereich (E) bzw. einem Sourcebereich (S) und der Steueranschluss (4a) mit einem Gatebereich (G) der Halbleiterschalteinrichtung (10) verbunden ist.
Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschalteinrichtung (M1) jeweils als feldgesteuerte Halbleiterschalteinrichtung, insbesondere als IGBT oder als Feldeffekttransistor ausgebildet ist.
Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung (20) zum Erfassen des geschalteten und im Stromausgangsbereich (3) fließenden Stroms (I_C) oder einer dafür repräsentativen, insbesondere elektrischen, Größe ausgebildet ist, und durch welche ein Schaltsignal generierbar und dem Steuereingang (13) der Schutzschalteinrichtung (M1) zuführbar ist.
Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Steuereingangsimpedanzen (R1, R2, R3) als ohmsche Widerstände ausgebildet sind, deren Werte sich insbesondere etwa wie R1:R2:R3 = 1:24:4 verhalten.
Stromschaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zusätzliche Steuereingangsimpedanz (R1) einen Wert von etwa 1 kΩ besitzt.