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Dokumentenidentifikation DE10256057B3 19.05.2004
Titel Schaltungsanordnung zum Schutz eines Transistors gegen Überstrom und Überspannung
Anmelder Semikron Elektronik GmbH, 90431 Nürnberg, DE
Erfinder Nascimento, Jair do, 91077 Dormitz, DE;
Mühlhöfer, Alexander, 90439 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 30.11.2002
DE-Aktenzeichen 10256057
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.2004
IPC-Hauptklasse H02H 7/20
IPC-Nebenklasse H03K 17/082   
Zusammenfassung Es wird eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Transistors (Q) gegen Überspannung und Überstrom zur Vermeidung einer thermischen Zerstörung des Transistors vorgestellt. Hierbei ist die Basis (B) des Transistors mit einem Komparator (K), mit einer Versorgungsspannungsquelle (Ucc) und über einen Kondensator (C1) mit dem Grundpotential (GND) verbunden. Der Eingang (K+) des Komparators (K) ist mit der Anzapfung einer Spannungsteilerschaltung (R1, R2) zwischen der Steuerspannung (Uin) und dem Grundpotential (GND) verbunden. Der Eingang (K-) des Komparators (K) ist über die Anzapfung einer Spannungsteilerschaltung (R3, R4) mit der Versorgungsspannungsquelle (Ucc) verbunden, wobei der Widerstand (R4) mit dem Emitter des Transistors (Q) verbunden ist. Der Eingang (K-) des Komparators (K) ist weiterhin über einen Widerstand (R6) mit dem Kollektor (I) des Transistors (Q) verbunden, und der Emitter (O) des Transistors (Q) ist über einen Widerstand (R7) mit dem Grundpotential (GND) verbunden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Transistors gegen Überspannung und/oder Überstrom um eine thermische Zerstörung des Transistors zu vermeiden.

Transistoren, speziell einer Nennleistung von unter 10W und für Spannungen unter 60V, weisen nach dem Stand der Technik keine integrierte Schutzbeschaltung gegen an ihrem Eingang angelegte Spannung mit einem Spannungswert über dem für diesen Transistor zulässigen oder gegen einen Stromfluss zwischen Eingang und Ausgang über dem für den Transistor zulässigen auf. Beispielhaft wird im weiteren ein npn-Bipolartransistor betrachtet, wobei der Eingang der Kollektor, der Ausgang der Emitter und der Steuereingang die Basis ist.

Den Stand der Technik bilden Transistoren höherer Nennleistung mit im Gehäuse integrierten Schutzschaltungen wie beispielsweise die HITFET®-Reihe von Infineon. Hierin sind Schutzbeschaltungen gegen Überspannung oder zur Strombegrenzung integriert.

Weiterhin wird der Stand der Technik gebildet aus Schutzschaltungen zum Schutz eines Transistors vor Überstrom und Überspannung beispielhaft bekannt aus den Druckschriften DE 196 00 792 A1 oder DE 42 31 037 C2. Ebenso ist beispielhaft aus der DE 34 33 538 C2 eine Strombegrenzungsschaltung bekannt wobei hier Komparatoren mit Open-Kollektor-Ausgang eingesetzt werden.

Ausgangspunkt dieser Erfindung sind Schaltungsanordnungen (Treiber) beispielhaft in der DE 101 10 100 A1 beschrieben zur Ansteuerung von Leistungshalbleitermodulen. Derartige Schaltungsanordnungen weisen Schnittstellen zur Fehlermeldung an übergeordnete Steuereinheiten auf. Nach dem Stand der Technik, wie er beispielhaft dargelegt ist in U. Nicolai et al., „Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule", ISBN 3-932633-24-5, Seite 190 bis 196, werden derartige Schnittstellen zur Fehlerübertragung mittels eines Transistors in „Open-Kollektor-" Beschaltung realisiert: Hierbei wird der Steuereingang des Transistors mit einer Steuerspannung beaufschlagt, der Eingang, Kollektor, des Transistors bildet die Schnittstelle und der Ausgang, Emitter, ist mit dem Groundpotential verbunden. Die Schnittstelle ist über einen Widerstand, der in der Ansteuerschaltung lokalisiert ist mit einer Spannungsquelle innerhalb dieser verbunden. Zur Überwachung des Fehlersignals des Treibers wird von der Ansteuerung die Spannung am Eingang dieses Transistors bestimmt. Mit dieser Schaltungsanordnung ist nicht nur eine Detektion eines Fehlersignals, sondern auch eine Überwachung der Verbindungsleitung auf Leitungsunterbrechung implementiert.

Falls die Steuerspannung einen HIGH-Pegel aufweist, ist der Transistor leitend geschalten, wobei am, in der Ansteuerschaltung lokalisiertem, Widerstand bzw. am Eingang des Transistors nahezu Groundpotential anliegt und dies von der Ansteuerschaltung als „fehlerfrei" bewertet wird.

Falls diese Steuerspannung einen LOW-Pegel aufweist, ist der Transistor nicht leitend geschaltet, wobei am Eingang des Transistors bzw. am, in der Ansteuerschaltung lokalisierten, Widerstand nahezu die Spannung der ebenfalls innerhalb der Ansteuerschaltung lokalisierten Spannungsquelle anliegt. Dies wird als „fehlerbehaftet" von der Ansteuerschaltung bewertet. Dieser Fehler tritt ebenso auf, falls eine Leitungsunterbrechung in der Verbindungsleitung vorliegt.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass der Transistor durch eine zu hohe Spannung an seinem Eingang bzw. durch einen zu hohen Durchgangsstrom und damit einer zu hohen Verlustleistung zerstört werden kann und somit ein Teil der Funktionalität der Treiberschaltung nicht mehr gegeben ist. Ein Überstrom kann beispielhaft entstehen, falls der in der Ansteuerschaltung lokalisierte Widerstand zu klein ist oder falls der Ausgang der Treiberschaltung mit einer Spannungsquelle direkt verbunden wird.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Transistors gegen eine zu hohe Spannung an seinem Eingang und/oder gegen einen zu hohen Durchgangsstrom zwischen Eingang und Ausgang unter Verwendung einer geringen Zahl von Bauelementen vorzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin eine Schaltungsanordnung vorzustellen, die den Transistor schützt, indem ein Durchschalten bei zu hoher Spannung am Eingang verhindert wird und indem der Durchgangsstrom durch den Transistor auf einen geeigneten Wert begrenzt wird. Hierzu weist die Schaltung mindestens folgende Merkmale auf:

Der Steuereingang des zu schützenden Transistors ist mit dem „Open-Kollektor-"Ausgang eines Komparator verbunden sowie über einen Widerstand mit einer Versorgungsspannungsquelle und über einen Kondensator mit dem Groundpotential. Der obere Schwellwerteingang des Komparators ist mit die Anzapfung einer Spannungsteilerschaltung zwischen der Steuerspannung und dem Groundpotential verbunden. Der untere Schwellwerteingang des Komparators ist über die Anzapfung einer Spannungsteilerschaltung mit der Versorgungsspannungsquelle verbunden, wobei der Widerstand mit dem Ausgang des Transistors verbunden ist. Der untere Schwellwerteingang des Komparators ist weiterhin über einen Widerstand mit dem Eingang des Transistors verbunden. Der Ausgang des Transistors ist über einen Widerstand mit dem Groundpotential verbunden.

Spezielle Ausgestaltungen der erfinderischen Lösungen werden an Hand der 1 und 2 erläutert.

1 zeigt eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik.

2 zeigt eine Ausgestaltung der erfinderischen Schaltungsanordnung.

1 zeigt eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik. Hierbei ist der Steuereingang des Transistors (Q) über einen Spannungsteiler (R1, R2) zwischen der Steuerspannung (Uin) und dem Groundpotential (GND) verbunden. Der Ausgang (O), der Emitter, des Transistors (Q) ist mit dem Groundpotential (GND) verbunden. Der Eingang (1), der Kollektor, des Transistors (Q) bildet die Schnittstelle zu einer Ansteuereinheit (A) mit deren Spannungsquelle (Ua) er über den Widerstand (Ra) verbunden ist. Liegt die Steuerspannung (Uin) auf HIGH- Pegel, ist der Transistor (Q) durchgeschaltet und am Widerstand (Ra) liegt Groundpotential an. Die Steuereinheit wertet dies als fehlerfreie Funktion des Treibers aus. Liegt die Steuerspannung (Uin) auf LOW-Pegel, ist der Transistor (Q) gesperrt und an dessen Ausgang (I) bzw. am Widerstand (Ra) liegt das Potential (Ud) der Spannungsquelle (Ua) an. Dies wertet die Ansteuereinheit als fehlerbehaftetes Signal. Dieser Fehler kann einerseits einen Fehler des Treibers beschrieben durch einen LOW-Pegel der Steuerspannung (Uin) oder einen Kabeldefekt des Verbindungskabels zwischen dem Eingang (I) des Transistors (Q) und dem Widerstand (Ra) der Ansteuereinheit bedeuten.

2 zeigt eine Ausgestaltung der erfinderischen Schaltungsanordnung. Zur Dimensionierung der Schaltung sei auf folgende Tabelle verwiesen:

Die Funktionen der Schaltung bei verschiedenen Parametern werden im Weiteren erläutert. Funktionsbeschreibung unter folgenden Annahmen: Die Spannung (Ua) der Ansteuerschaltung (A) liegt innerhalb der Toleranzen, der Widerstand (Ra) liegt ebenfalls innerhalb der Toleranzen, die Steuerspannung (Uin) liegt auf HIGH-Pegel, signalisiert also fehlerfreien Betrieb des Treibers.

Unter diesen Voraussetzungen ist die Spannung am oberen Steuereingang (K+ ≈ 400mV), gebildet mittels des Spannungsteilers bestehend aus den Widerständen (R1, R2), des Komparators (K) größer als diejenige am unteren Steuereingang (K– ≈ 150mV). Somit ist der Ausgang des Komparators spannungslos. Der Steuereingang (B) des Transistors (Q) wird über den Widerstand (R5) von der Spannungsquelle (Vcc) mit Strom versorgt, der Transistor ist durchgeschaltet. Somit ist die Spannung am Punkt (Ud ≈ 300mV) annährend gleich dem Groundpotential, da der Spannungsabfall über dem Widerstand (R7) und dem Innenwiderstand des Transistors (Q) sehr gering ist verglichen zum Spannungsabfall über dem Widerstand (Ra).

Funktionsbeschreibung unter folgenden Annahmen: Die Spannung (Ua) der Ansteuerschaltung (A) liegt innerhalb der Toleranzen, der Widerstand (Ra) liegt ebenfalls innerhalb der Toleranzen, die Steuerspannung (Uin) liegt auf LOW-Pegel, signalisiert also fehlerbehafteten Betrieb des Treibers.

Unter diesen Voraussetzungen ist die Spannung am oberen Steuereingang (K+ ≈ 0V) des Komparators (K) kleiner als diejenige am unteren Steuereingang (K– > 150mV) gespeist aus der Spannungsquelle (Ucc) über den Widerstand (R3), um hier einen undefinierten Zustand, mit (K– ≈ 0V) zu vermeiden. Somit liegt der Ausgang des Komparators (K) auf Groundpotential und dadurch liegt der Steuereingang (B) des Transistors (Q) ebenfalls auf Groundpotential, der Transistor ist somit nicht leitend. Damit ist die Spannung am Punkt (Ud Ua) annährend gleich der Spannung der Spannungsquelle (Ua).

Funktionsbeschreibung unter folgenden Annahmen: Die Spannung am Eingang (I) des Transistors (Q) liegt oberhalb des Maximalwertes, die Steuerspannung (Uin) liegt auf HIGH-Pegel, signalisiert also fehlerfreien Betrieb des Treibers.

Das Potential am unteren Steuereingang (K–) des Komparators (K) ist über die Widerstände (R6, Ra) mit der Spannungsquelle (Ua) verbunden. Ist nun die Spannung am Eingang des Transistors (Q) zu hoch, steigt auch die Spannung an dem unteren Steuereingang (K-) des Komparators (K). Sobald der Spannungswert am unteren Steuereingang einen Wert größer desjenigen am oberen Steuereingang (K- > K+) erreicht kippt der Komparator und der Ausgang liegt auf Groundpotential. Dadurch liegt auch der Steuereingang (B) des Transistors (Q) ebenfalls auf Groundpotential und der Transistor ist nichtleitend und somit vor Zerstörung geschützt.

Funktionsbeschreibung unter folgenden Annahmen: Der Durchgangsstrom durch den Transistors (Q) steigt über den Maximalwert, beispielhaft durch einen zu klein dimensionierten Widerstand (Ra), die Steuerspannung (Uin) liegt auf HIGH-Pegel, signalisiert also fehlerfreien Betrieb des Treibers.

Bei steigendem Strom durch den Transistor (Q) steigt die Spannung am unteren Steuereingang (K–) des Komparators (K). Somit erreicht auch hier der untere Steuereingang einen höheren Spannungswert als der obere Steuereingang (K– > K+). Dadurch kippt der Komparator und der Ausgang des Komparators (K) sowie der Steuereingang (B) des Transistors (Q) liegen auf Groundpotential, somit ist der Transistor nicht leitend. Durch das Ausschalten des Transistors (Q) sinkt der Spannungswert am unteren Steuereingang (K–) des Komparators wieder, der Komparator kippt erneut und der Transistor wird nach oben beschriebenen Mechanismus wieder durchgeschaltet. Es stellt sich ein zyklischer Wechsel zwischen den beiden Schaltzuständen des Transistor ein, dessen Tastverhältnis durch den Kondensator (C1) beeinflusst ist. Somit wird der Transistor (Q) wirksam vor einem zu hohen Durchgangsstrom geschützt.


Anspruch[de]
  1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines Transistors (Q) gegen Überprüfung und/oder Überstrom, wobei der Steuereingang (B) des Transistors mit dem Open-Kollektor-Ausgang eines Komparators (K), über einen Widerstand (R5) mit einer Versorgungsspannungsquelle (Ucc) und über einen Kondensator (C1) mit dem Groundpotential (GND) verbunden ist,

    der obere Schwellwerteingang (K+) des Komparators (K) ist mit der Anzapfung einer Spannungsteilerschaltung (R1, R2) zwischen der Steuerspannung (Uin) und dem Groundpotential (GND) verbunden,

    der untere Schwellwerteingang (K–) des Komparators (K) ist über die Anzapfung einer weiteren Spannungsteilerschaltung (R3, R4) mit der Versorgungsspannungsquelle (Ucc) und mit dem Ausgang (O) des Transistors (Q) verbunden,

    weiterhin ist der untere Schwellwerteingang (K–) des Komparators (K) über einen Widerstand (R6) mit dem Eingang (1) des Transistors (Q) verbunden, und der Ausgang (O) des Transistors (O) ist über einen Widerstand (R7) mit dem Groundpotential (GND) verbunden.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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