DE10040477A1 - Method and device for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker - Google Patents
Method and device for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breakerInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters. Dabei wird die Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters ausgenutzt. Bei dem Verfahren wird der zeitliche Verlauf einer an dem Leistungsschalter anliegenden Spannung beobachtet. Falls die Spannung einen vorgebbaren Spannungspegel überschreitet, wird ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert. The present invention relates to a method for Overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor Circuit breaker. The desaturation property of the circuit breaker is used. In the process, the temporal course of an applied to the circuit breaker Tension observed. If the voltage is a predefinable one Voltage level, an overcurrent or Short-circuit current detected.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters. Die Vorrichtung weist einen Komparator zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs einer an dem Leistungsschalter anliegenden Spannung mit einem vorgebbaren Spannungspegel und Mittel zur Detektion eines Überstroms oder Kurzschlussstroms, falls die Spannung den Spannungspegel überschreitet, auf.The invention also relates to a device for Overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor Circuit breaker using the Desaturation property of the circuit breaker. The Device has a comparator for comparing the temporal course of an applied to the circuit breaker Voltage with a predeterminable voltage level and means for Detection of an overcurrent or short circuit current if the Voltage exceeds the voltage level.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuerelement, für eine solche Vorrichtung. Auf dem Steuerelement ist ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist. Das Steuerelement ist insbesondere als ein Read-Only-Memory, ein Random-Access- Memory oder ein Flash-Memory ausgebildet.Finally, the invention relates to a control element for a such device. There is a program on the control stored on a computing device, in particular on a microprocessor that is executable. The control is especially as a read-only memory, a random access Memory or a flash memory trained.
Halbleiter-Leistungsschalter, wie z. B. Bipolar-Transistoren (BT) oder Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), müssen vor unzulässig hohen Strom- und Spannungsbeanspruchungen geschützt werden. Die zulässigen Strom- und Spannungsgrenzen werden von dem Hersteller des Leistungsschalters definiert als sog. sicherer Arbeitsbereich oder Safe Operating Area (Forward Biased Safe Operating Area, FBSOA bzw. Reverse Biased Safe Operating Area, RBSOA). Der sichere Arbeitsbereich gilt für den periodischen Betriebsfall des Leistungsschalters, bei dem der Leistungsschalter durch Anlegen eines geeigneten Steuersignals periodisch von dem hochohmigen Sperrzustand in den gesättigten Durchlasszustand und wieder in den Sperrzustand umgeschaltet wird. Im gesättigten Durchlasszustand hat der Leistungsschalter seine niedrigste Durchlassspannung von nur wenigen Volt erreicht.Semiconductor circuit breakers such. B. bipolar transistors (BT) or insulated gate bipolar transistors (IGBT) against impermissibly high current and voltage stresses to be protected. The permissible current and voltage limits are defined by the circuit breaker manufacturer as So-called safe working area or safe operating area (forward Biased Safe Operating Area, FBSOA or Reverse Biased Safe Operating Area, RBSOA). The safe work area applies to the periodic operation of the circuit breaker at which the circuit breaker by applying a suitable one Control signal periodically from the high impedance blocking state in the saturated pass state and back to the Locked state is switched. In the saturated The ON state of the circuit breaker is at its lowest Forward voltage of just a few volts reached.
Kurzzeitig können moderne Leistungsschalter auch einen hohen Überstrom bzw. Kurzschlussstrom führen und unter bestimmten Bedingungen auch abschalten. Bei einem hohen Überstrom bzw. Kurzschlussstrom kommt es zu einer Entsättigung des Halbleiter-Leistungsschalters, wodurch dessen Durchlassspannung auf den sehr hohen Pegel der an dem Leistungsschalter anliegenden Versorgungsspannung steigen kann. Die Kurzschlussstromamplitude bspw. von IGBTs kann aufgrund der Entsättigungseigenschaft von selbst auf Werte begrenzt werden, die jedoch das Fünf- bis Zehnfache des Nennstroms betragen können. Um eine thermische Überlastung und infolgedessen eine Zerstörung des Leistungsschalters zu vermeiden, muss der überhöhte Strom innerhalb einer sehr kurzen Zeit, die von dem Hersteller als die höchstzulässige Überstromdauer des Leistungsschalters angegeben wird, abgeschaltet werden. Dazu muss eine Ansteuerschaltung (sog. Gate Drive) des Halbleiter-Leistungsschalters in der Lage sein, den Überstrom- oder Kurschlussstromfall sicher zu erkennen und eine geeignete Abschaltung des Leistungsschalters vorzunehmen. Die höchstzulässige Überstromdauer liegt im Bereich von etwa 10 Mikrosekunden. In the short term, modern circuit breakers can also have a high one Carry overcurrent or short-circuit current and under certain Also switch off conditions. With a high overcurrent or Short circuit current leads to desaturation of the Semiconductor circuit breaker, making it Forward voltage to the very high level on the Circuit breakers present supply voltage rise can. The short-circuit current amplitude of IGBTs, for example due to the desaturation property by itself on values be limited, which, however, five to ten times the Nominal current. To thermal overload and as a result, destruction of the circuit breaker avoid the excessive current within a very short time by the manufacturer as the maximum allowable Overcurrent duration of the circuit breaker is specified, be switched off. To do this, a control circuit (so-called Gate Drive) of the semiconductor circuit breaker be sure of the overcurrent or short circuit current case recognize and a suitable disconnection of the circuit breaker make. The maximum permissible overcurrent duration is Range of about 10 microseconds.
Für eine unmittelbare Erfassung des Stroms in dem Halbleiter- Leistungsschalter wäre eine aufwendige Strommesseinrichtung erforderlich. Beim Stand der Technik wird deshalb zur Überstrom- oder Kurzschlusserkennung die Eigenschaft der Entsättigung des Halbleiter-Leistungsschalters ausgenutzt. Dieses Überwachungsverfahren hat den Vorteil, dass eine entsprechende Überwachungsvorrichtung sehr einfach zu realisieren ist und üblicherweise mit einer niedrigen Speisegleichspannung V_cc (typischerweise V_cc = 15 Volt) der Ansteuerschaltung betrieben werden kann.For an immediate detection of the current in the semiconductor Circuit breakers would be a complex current measuring device required. In the prior art, therefore Overcurrent or short circuit detection the property of Desaturation of the semiconductor circuit breaker used. This monitoring procedure has the advantage that a corresponding monitoring device very easy to is realized and usually with a low DC supply voltage V_cc (typically V_cc = 15 volts) Control circuit can be operated.
Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass Überströme oder Kurzschlussströme, die bereits während des Einschaltvorgangs auftreten, nicht immer rechtzeitig, d. h. innerhalb der höchstzulässigen Überstromdauer, erkannt werden können. Da bei einem Einschaltvorgang die Spannung an dem Leistungsschalter nur mit einer endlichen Geschwindigkeit abfallen kann, ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, einen Überstrom oder Kurzschlussstrom in einer Zeitspanne zu erkennen, in der die Spannung am Halbleiter-Leistungsschalter noch größer ist als der Spannungspegel. Dieser Nachteil kann in Kauf genommen werden, wenn die Einschaltvorgänge in einer deutlich kürzeren Zeitspanne abgeschlossen sind (z. B. t_ON < 5 Mikrosekunden) als es der höchstzulässigen Überstromdauer des Leistungsschalters entspricht. Die verbleibende Zeitspanne für die Abschaltung des Überstroms bzw. Kurzschlussstroms muss ausreichen, um den Leistungsschalter sicher abschalten zu können.A disadvantage of the known method is that overcurrents or short circuit currents already during the Switch-on occur, not always in time, d. H. within the maximum permissible overcurrent duration can. Since the voltage at the Circuit breakers only at a finite speed can fall off, it is not possible with this procedure an overcurrent or short circuit current in a period of time recognize in the voltage at the semiconductor circuit breaker is even greater than the voltage level. This disadvantage can be accepted if the switch-on operations in a significantly shorter period of time (e.g. t_ON <5 microseconds) than the maximum allowed Overcurrent duration of the circuit breaker corresponds. The Remaining time for the overcurrent to be switched off or short circuit current must be sufficient to the To be able to safely switch off the circuit breaker.
Mit zunehmendem Sperrvermögen der Leistungsschalter (z. B. bei Hochvolt-IGBTs) werden die Schaltvorgänge immer träger. So können die Einschaltvorgänge von Hochvolt-IGBTs sehr viel länger als die höchstzulässige Überstromdauer dauern. Das bedeutet, dass ein Überstrom oder ein Kurzschlussstrom mit dem konventionellen Verfahren zur Überwachung der Entsättigung nicht rechtzeitig erkannt werden kann. Ein sicherer Schutz von hochsperrenden Halbleiter-Leistungsschaltern ist damit nicht mehr möglich.With increasing blocking capacity of the circuit breakers (e.g. at High-voltage IGBTs), the switching operations are becoming sluggish. So high-voltage IGBTs can switch on a great deal take longer than the maximum permissible overcurrent duration. The means that an overcurrent or a short circuit current with the conventional methods for monitoring desaturation cannot be recognized in time. Safe protection from high-blocking semiconductor circuit breakers is not more is possible.
Es wäre denkbar, die Spannung an dem Halbleiter- Leistungsschalter bei einem wesentlich höheren Spannungspegel zu überwachen, so dass ein Überstrom oder Kurzschlussstrom frühzeitig, d. h. noch während des Einschaltvorgangs erkannt werden kann, bevor die Durchlasssättigungsspannung erreicht ist. Dies erfordert jedoch eine Referenz-Spannungsquelle mit entsprechend hoher Spannung verbunden mit dem Nachteil, dass schon beim Zuschalten der Steuerspannung gefährliche Berührungsspannungen im Leistungsteil auftreten. Zudem wird bei dem bekannten Überwachungsverfahren mit höherem Spannungspegel ein Überstrom, der während der Leitendzeit im stationären Durchlasszustand des Leistungsschalters auftreten kann, nicht erkannt, wenn die aufgrund des Entsättigungseffekts eintretende erhöhte Durchlassspannung nicht oder nicht rechtzeitig den hohen Überwachungspegel erreicht. Schließlich ist es bei den bekannten Überwachungsverfahren nachteilig, dass der Leistungsschalter bei einem erkannten Kurzschlussstrom zu schnell abgeschaltet wird. Da z. B. bei IGBTs die Kurzschlusstromamplitude unmittelbar nach Eintritt des Kurzschlussereignisses weitaus am größten ist, d. h. einen Maximalwert erreicht, erfolgt das Abschalten dann bei einer äußerst hohen Strom- und Spannungsbeanspruchung des Leistungsschalters.It would be conceivable to reduce the voltage on the semiconductor Circuit breaker at a much higher voltage level monitor so that an overcurrent or short circuit current early, d. H. recognized during the switch-on process can be reached before the forward saturation voltage is reached is. However, this requires using a reference voltage source correspondingly high voltage associated with the disadvantage that dangerous when switching on the control voltage Touch voltages occur in the power section. In addition, in the known monitoring method with higher Voltage level an overcurrent that during the leading time in circuit breaker in a steady state can not be recognized if the due to the Desaturation effect increasing forward voltage not or not in time the high monitoring level reached. After all, it is with the known Monitoring procedure disadvantageous that the circuit breaker switched off too quickly when a short-circuit current is detected becomes. Because e.g. B. in IGBTs the short-circuit current amplitude immediately after the short-circuit event occurred is greatest, d. H. reached a maximum value, this takes place Then turn off at an extremely high current and Voltage stress on the circuit breaker.
Aus den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überwachung eines Halbleiter-Leistungsschalters auf Überstrom oder Kurzschlussstrom dahingehend zu verbessern, dass Überströme bzw. Kurzschlussströme sicherer, zuverlässiger und schneller detektiert werden können.From the aforementioned disadvantages of the prior art the task of the present invention, monitoring of a semiconductor circuit breaker to overcurrent or Short-circuit current to improve that overcurrents or short-circuit currents safer, more reliable and faster can be detected.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ausgehend von dem Verfahren zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters der eingangs genannten Art vor, dass ein weiterer vorgebbarer Spannungspegel oberhalb des ersten Spannungspegels definiert wird und ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird, falls die Spannung nach einem Einschalten des Leistungsschalters den weiteren Spannungspegel nicht innerhalb einer vorgebbaren Zeitgrenze unterschreitet oder wieder überschreitet. The present invention proposes to achieve this object based on the method of overcurrent and Short circuit current protection of a semiconductor circuit breaker type mentioned above that another predeterminable Voltage level defined above the first voltage level and an overcurrent or short-circuit current is detected, if the voltage after switching on the Circuit breaker not within the further voltage level falls below a predefinable time limit or again exceeds.
Erfindungsgemäß wird also der Verlauf der an dem Halbleiter- Leistungsschalter anliegenden Spannung mit einem weiteren Spannungspegel verglichen. Der erste Spannungspegel dient zur Überwachung des Spannungsverlaufs nach Erreichen eines stationären Durchlasszustands (Sättigungszustands) des Leistungsschalters. Der weitere Spannungspegel wird zur Überwachung des Spannungsverlaufs während des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters eingesetzt.According to the invention, the profile of the semiconductor Circuit breaker applied voltage with another Voltage level compared. The first voltage level is used for Monitoring the voltage curve after reaching a steady state conduction (saturation state) of the Circuit breaker. The further voltage level becomes Monitoring the voltage curve during the Circuit breaker opening process used.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht bei einem Halbleiter- Leistungsschalter eine zuverlässige Detektion von Überströmen und Kurzschlussströmen sowohl während des Einschaltvorgangs als auch nach Erreichen des Sättigungszustands. Die beiden Spannungspegel können auf den ihnen jeweils zugeordneten Überwachungsbereich optimiert werden. Dadurch kann die Detektion von Überströmen und Kurzschlussströmen erheblich beschleunigt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Beschädigung oder Zerstörung eines Halbleiter- Leistungsschalters aufgrund einer zu hohen Temperaturbelastung in Folge von Überströmen oder Kurzschlussströmen sicher und zuverlässig verhindert.The proposed method enables a semiconductor Circuit breaker reliable detection of overcurrents and short-circuit currents both during the start-up process as well as after reaching the state of saturation. The two Voltage levels can be assigned to each of them Monitoring area can be optimized. This allows the Detection of overcurrents and short-circuit currents considerably be accelerated. With the method according to the invention damage or destruction of a semiconductor Circuit breaker due to excessive temperature load as a result of overcurrents or short circuit currents reliably prevented.
Die Halbleiter-Leistungsschalter, die mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens überwacht werden, können in beliebigen technischen Bereichen eingesetzt werden. Das Verfahren ist insbesondere für den Einsatz bei Halbleiter- Leistungsschaltern von Stromrichtern, vorzugweise von Wechselrichtern zur Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, geeignet.The semiconductor circuit breakers, which use the proposed procedure can be monitored in any technical areas. The The method is particularly suitable for use in semiconductor Circuit breakers of power converters, preferably from Inverters for converting direct current into alternating current, suitable.
Um den Halbleiter-Leistungsschalter vor Beschädigung oder Zerstörung zu bewahren, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass der Leistungsschalter abgeschaltet wird, falls ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird.To protect the semiconductor circuit breaker from damage or Preserving destruction is according to an advantageous Further development of the present invention proposed that the circuit breaker is turned off in the event of an overcurrent or short-circuit current is detected.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Leistungsschalter um eine vorgebbare Zeitspanne verzögert nach der Detektierung des Überstroms oder Kurzschlussstroms abgeschaltet wird. Durch die verzögerte Schutzabschaltung wird verhindert, dass im Kurzschlussfall ein sehr hoher Kurzschlussstrom mit einer damit verbundenen hohen Abschaltüberspannung abgeschaltet werden muss. Der Halbleiter-Leistungsschalter kann dadurch besonders stressarm abgeschaltet werden.According to a preferred embodiment of the present Invention it is proposed that the circuit breaker to a predeterminable period of time is delayed after the detection of the Overcurrent or short-circuit current is switched off. Through the Delayed protective shutdown prevents the Short circuit case a very high short circuit current with a associated high shutdown overvoltage switched off must become. The semiconductor circuit breaker can be switched off in a particularly stress-free manner.
Vorteilhafterweise wird die Zeitspanne, um die die Schutzabschaltung verzögert wird, so gewählt, dass in einem Kurzschlussfall der Kurzschlussstrom in dem Leistungsschalter seinen Maximalwert überschritten und einen wesentlich niedrigeren, etwa konstanten Wert erreicht hat. Das Plateau ist in der Regel nach einigen Mikrosekunden, noch vor Erreichen der höchstzulässigen Überstromdauer des Leistungsschalters, erreicht. Deshalb wird die Zeitspanne vorzugsweise kleiner als die höchstzulässige Überstromdauer des Leistungsschalters gewählt.The period of time by which the Protective shutdown is delayed, chosen so that in one Short circuit case the short circuit current in the circuit breaker exceeded its maximum value and significantly has reached a lower, approximately constant value. The plateau is usually before a few microseconds Reaching the maximum permissible overcurrent duration of the Circuit breaker reached. That is why the time span preferably less than the maximum permissible overcurrent duration of the circuit breaker selected.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der erste Spannungspegel größer als ein stationärer Wert der überwachten Spannung gewählt wird. Der zweite Spannungspegel wird vorteilhafterweise kleiner als die Einschaltspannung eines intakten Leistungsschalters gewählt.According to another advantageous development of the The present invention proposes that the first Voltage level greater than a stationary value of the monitored Voltage is selected. The second voltage level is advantageously less than the switch-on voltage of one intact circuit breaker selected.
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die vorgebbare Zeitgrenze, innerhalb der die beobachtete Spannung nach einem Einschalten des Leistungsschalters den weiteren Spannungspegel unterschritten haben muss, damit kein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird, kleiner als die höchstzulässige Überstromdauer des Leistungsschalters gewählt wird.According to yet another advantageous development of the The present invention proposes that the predeterminable Time limit within which the observed voltage after a Switching on the circuit breaker the further voltage level must have fallen below, so that no overcurrent or Short-circuit current is detected, less than that maximum permissible overcurrent duration of the circuit breaker selected becomes.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Vergleich der Spannung mit dem ersten Spannungspegel erst nach Verstreichen einer vorgebbaren Zeitdauer eingeleitet wird. Die Zeitdauer wird so gewählt, dass die beobachtete Spannung eines intakten Leistungsschalters mit Sicherheit den ersten Spannungspegel unterschritten und der Leistungsschalter nach Möglichkeit einen stationären Durchlasszustand erreicht hat. According to a further preferred embodiment of the The present invention proposes that the comparison only after the voltage with the first voltage level Lapse of a predetermined period of time is initiated. The The duration is chosen so that the observed voltage of a intact circuit breaker is certainly the first Voltage level fallen below and the circuit breaker after Possibility has reached a steady state.
Die Zeitdauer wird größer als die vorgebbare Zeitgrenze gewählt.The time period becomes longer than the predefinable time limit selected.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von der Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen weiteren Komparator zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Spannung mit einem weiteren vorgebbarer Spannungspegel aufweist, wobei die Mittel zur Detektion einen Überstrom oder Kurzschlussstrom detektieren, falls die Spannung nach einem Einschalten des Leistungsschalters den weiteren Spannungspegel nicht innerhalb einer vorgebbaren Zeitgrenze unterschreitet.As a further solution to the object of the present invention is based on the device for overcurrent and Short circuit current protection of a semiconductor circuit breaker initially suggested that the device another comparator for comparing the temporal Course of the tension with another predeterminable Has voltage level, the means for detection a Detect overcurrent or short circuit current if the Voltage after opening the circuit breaker further voltage level not within a predeterminable Falls below the time limit.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung Mittel zum Abschalten des Leistungsschalters, falls die Mittel zur Detektion einen Überstrom oder Kurzschlussstrom detektieren, aufweist.According to an advantageous development of the present Invention is proposed that the device means for Switch off the circuit breaker if the means for Detection detect an overcurrent or short circuit current, having.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Verzögerungsglied zur Verzögerung der Abschaltung des Leistungsschalters um eine vorgebbare Zeitspanne aufweist. According to a preferred embodiment of the present Invention it is proposed that the device Delay element for delaying the shutdown of the Circuit breaker has a predetermined period of time.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen Spannungsteiler aufweist, über den die an dem Leistungsschalter anliegende Spannung zum Vergleich mit dem weiteren Spannungspegel an den weiteren Komparator geführt ist. Der Spannungsteiler ist üblicherweise als ein ohmscher Spannungsteiler mit zwei Widerständen ausgebildet. An den beiden Widerständen liegt die volle an dem Leistungsschalter anliegende Spannung an. Zwischen den beiden Widerständen wird eine Teilspannung der anliegenden Spannung abgegriffen und an den weiteren Komparator geführt. Die Höhe der Teilspannung wird durch die Widerstandswerte der beiden Widerstände des Spannungsteilers bestimmt. Der weitere vorgebbare Spannungspegel ist an die Höhe der Teilspannung angepasst.According to a particularly advantageous development of the The present invention proposes that the Device has a voltage divider, through which the voltage applied to the circuit breaker for comparison with the further voltage level to the further comparator is. The voltage divider is usually considered an ohmic Voltage divider formed with two resistors. To the Both resistors are the full on the circuit breaker applied voltage. Between the two resistors tapped and applied a partial voltage of the applied voltage led the further comparator. The level of partial tension is determined by the resistance values of the two resistors of the Determines voltage divider. The further predefinable The voltage level is adapted to the level of the partial voltage.
Bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters wird zur Überwachung des Durchlasszustands bzw. der Sättigungsspannung des Halbleiter-Leistungsschalters mindestens eine Diode eingesetzt. Die Diode ist kathodenseitig unmittelbar mit dem hohen elektrischen Potential des Kollektoranschlusses des Halbleiter-Leistungsschalters verbunden und ist anodenseitig mit dem niedrigen Potential der Speisegleichspannung V_cc der Überwachungselektronik verbunden. Mit zunehmendem Sperrvermögen der Halbleiter- Leistungsschalter, das heute bis zu 6,5 kV betragen kann, müssen hierzu mehrere Hochvolt-Dioden in Reihe geschaltet werden, da das Sperrvermögen der dafür in Frage kommenden handelsüblichen Dioden weit geringer ist. Durch den Einsatz einer Dioden-Reihenschaltung ist jedoch keineswegs eine gleichmäßige Sperrspannungsaufteilung an die in Reihe geschalteten Dioden sichergestellt. Deshalb kann eine Zerstörung der Dioden nicht ausgeschlossen werden, selbst wenn die Summe der Nennsperrspannungswerte der einzelnen in Reihe geschalteten Dioden weit höher ist als die höchste am Kollektor des Halbleiter-Leistungsschalters auftretende Spitzenspannung. Deshalb wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass ein Widerstand des Spannungsteilers aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände besteht, wobei zwischen zwei der Widerstände ein Abgriff vorgesehen ist, über den die an dem Leistungsschalter anliegende Spannung zum Vergleich mit dem Spannungspegel über mindestens eine Diode an den Komparator geführt ist. Die Widerstandswerte der beiden Widerstände oberhalb und unterhalb des Abgriffs werden vorzugsweise so gewählt, dss das Sperrvermögen einer einzigen Diode ausreicht.In conventional devices for overcurrent and Short circuit current protection of a semiconductor circuit breaker taking advantage of the desaturation property of Circuit breaker is used to monitor the forward state or the saturation voltage of the semiconductor circuit breaker at least one diode used. The diode is on the cathode side immediately with the high electrical potential of the Collector connection of the semiconductor circuit breaker connected and is on the anode side with the low potential of the DC supply voltage V_cc of the monitoring electronics connected. With increasing blocking capacity of the semiconductor Circuit breakers, which can be up to 6.5 kV today, To do this, several high-voltage diodes must be connected in series because the blocking capacity of those in question commercial diodes is much lower. Because of the engagement a diode series connection is by no means one even reverse voltage distribution to the in series switched diodes ensured. Therefore one Destruction of the diodes cannot be ruled out even if the sum of the nominal reverse voltage values of the individual in series switched diodes is far higher than the highest at Collector of the semiconductor circuit breaker occurring Peak voltage. Therefore, according to a preferred Embodiment of the present invention proposed that a resistance of the voltage divider from a series connection several resistors, with between two of the Resistors a tap is provided, via which to the Circuit breaker applied voltage for comparison with the Voltage level via at least one diode to the comparator is led. The resistance values of the two resistors above and below the tap are preferably so chosen that the blocking capacity of a single diode is sufficient.
Vorteilhafterweise ist in Reihe mit einem anderen Widerstand des Spannungsteilers mindestens eine Diode angeordnet. Durch die mindestens eine Diode kann während der Durchlassphase des Halbleiter-Leistungsschalters der Teil des Spannungsteilers jenseits der Diode inaktiviert werden. In der Folge fließt über den inaktivierten Teil des Spannungsteilers kein parasitärer Messstrom, so dass sich eine höhere Messspannung ergibt. Die an dem Halbleiter-Leistungsschalger anliegende Spannung wird über einen Abgriff oberhalb des anderen Widerstands des Spannungsteilers an den weiteren Komparator geführt. Die Diode kann oberhalb oder unterhalb des anderen Widerstands angeordnet sein. Wenn die Diode oberhalb des anderen Widerstands angeordnet ist, kann der Abgriff oberhalb oder unterhalb der Diode angeordnet sein.Is advantageously in series with another resistor arranged at least one diode of the voltage divider. By the at least one diode can be switched on during the transmission phase Semiconductor circuit breaker the part of the voltage divider Be deactivated beyond the diode. As a result, flows over the deactivated part of the voltage divider parasitic measuring current, so that there is a higher measuring voltage results. The applied to the semiconductor power switch Tension is via one tap above the other Resistance of the voltage divider to the further comparator guided. The diode can be above or below the other Resistance can be arranged. If the diode is above the other resistance is arranged, the tap can be above or be arranged below the diode.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Diode als eine Zener (Z)- Diode ausgebildet. Alternativ kann die mindestens eine Diode auch als eine Reihenschaltung mehrerer herkömmlicher Dioden ausgebildet sein. Dabei entspricht die Summe der Flussspannungen der Dioden dem Schwellenspannungswert der Z- Diode.The at least one diode is preferably a zener (Z) Diode formed. Alternatively, the at least one diode also as a series connection of several conventional diodes be trained. The sum corresponds to the Forward voltages of the diodes the threshold voltage value of the Z- Diode.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass in Reihe mit einem anderen Widerstand des Spannungsteilers mindestens ein Halbleiter-Leistungsschalter angeordnet ist. Statt der in Reihe zu einem anderen Widerstand des Spannungsteilers angeordneten Diode kann also auch ein Schalttransistor oder ein beliebig anderer Halbleiter-Leistungsschalter vorgesehen werden. Während der Durchlassphase des zu überwachenden Halbleiter-Leistungsschalters kann der in Reihe zu dem anderen Widerstand des Spannungsteilers angeordnete Halbleiter- Leistungsschalters gesperrt werden. According to a further preferred embodiment of the The present invention proposes that in series with another resistance of the voltage divider at least one Semiconductor circuit breaker is arranged. Instead of in Row to another resistor of the voltage divider arranged diode can also be a switching transistor or any other semiconductor circuit breaker is provided become. During the pass phase of the monitored Semiconductor circuit breakers can be connected in series to the other Resistor of the voltage divider arranged semiconductor Circuit breaker are blocked.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Steuerelements, das für eine Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Steuerelement ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Steuerelement abgespeichertes Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Steuerelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Als Steuerelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein Read-Only- Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory.The realization of the method according to the invention in the form of a control element, that for a device for overcurrent and Short circuit current protection of a semiconductor circuit breaker taking advantage of the desaturation property of Circuit breaker is provided. It is on the Control stored a program on a Computing device, in particular on a microprocessor, executable and for executing the invention Process is suitable. In this case, the Invention by a stored on the control element Program realized so that this provided with the program Control in the same way the invention represents the procedure the program is capable of executing. In particular, an electrical control can be used Storage medium are used, e.g. a read-only Memory, a random access memory or a flash memory.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw.Other features, applications and advantages of the Invention result from the following description of Embodiments of the invention shown in the drawing are shown. Thereby form all described or presented features alone or in any combination the subject of the invention, regardless of its Summary in the claims or their Relationship and regardless of their wording or
Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:Representation in the description or in the drawing. It demonstrate:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters in einer bevorzugten Ausführungsform; Figure 1 shows an inventive device for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker using the desaturation property of the circuit breaker in a preferred embodiment.
Fig. 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters; Fig. 2 shows a known prior art device for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor power switch utilizing the Entsättigungseigenschaft the circuit breaker;
Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf von Spannung und Strom für einen intakten Halbleiter-Leistungsschalter während eines Einschalt- und Abschaltvorgangs; Fig. 3 is a time course of voltage and current for an intact semiconductor power switch during a turn-on and turn-off;
Fig. 4 einen Verlauf eines durch einen Halbleiter- Leistungsschalter fließenden Stroms; Fig. 4 is a curve of a current flowing through a semiconductor power switch current;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; Fig. 5 is a flow diagram of a method according to a preferred embodiment;
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters im Ausschnitt gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform; Fig. 6 shows an inventive device for overcurrent and short-circuit current protection of a solid state power switch in detail according to a further preferred embodiment;
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters im Ausschnitt gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform; und FIG. 7 shows an inventive device for overcurrent and short-circuit current protection of a solid state power switch in detail according to a still further preferred embodiment; and
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters im Ausschnitt gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Fig. 8 shows an inventive device for overcurrent and short-circuit current protection of a solid state power switch in detail according to yet another preferred embodiment.
Zur Erläuterung des Standes der Technik wird zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen. Halbleiter-Leistungsschalter 2, wie z. B. Bipolar-Transistoren (BT) oder Insulated-Gate-Bipolar- Transistoren (IGBT), müssen vor unzulässig hohen Strom- und Spannungsbeanspruchungen geschützt werden. Die zulässigen Strom- und Spannungsgrenzen werden von dem Hersteller des Leistungsschalters 2 definiert als sog. sicherer Arbeitsbereich oder Safe Operating Area (Forward Biased Safe Operating Area, FBSOA bzw. Reverse Biased Safe Operating Area, RBSOA). Der sichere Arbeitsbereich gilt für den periodischen Betriebsfall des Leistungsschalters 2, bei dem der Leistungsschalter 2 durch Anlegen eines geeigneten Steuersignals St periodisch von dem hochohmigen Sperrzustand ("0"; vgl. Fig. 3) in den gesättigten Durchlasszustand ("1"; vgl. Fig. 3) und wieder in den Sperrzustand umgeschaltet wird.To explain the prior art, reference is first made to FIG. 2. Semiconductor circuit breaker 2 , such as. B. bipolar transistors (BT) or insulated gate bipolar transistors (IGBT), must be protected against impermissibly high current and voltage stresses. The permissible current and voltage limits are defined by the manufacturer of the circuit breaker 2 as a so-called safe working area or safe operating area (Forward Biased Safe Operating Area, FBSOA or Reverse Biased Safe Operating Area, RBSOA). The safe working range applies to the periodic operation of the circuit breaker 2 , in which the circuit breaker 2 periodically switches from the high-impedance blocking state ("0"; cf. FIG. 3) to the saturated transmission state ("1"; cf. Fig. 3) and is switched back to the locked state.
Kurzzeitig können moderne Leistungsschalter 2 auch einen hohen Überstrom bzw. Kurzschlussstrom führen und unter bestimmten Bedingungen auch abschalten. Bei einem hohen Überstrom bzw. Kurzschlussstrom kommt es zu einer Entsättigung des Halbleiter-Leistungsschalters 2, wodurch dessen Durchlassspannung auf den sehr hohen Pegel der an dem Leistungsschalter 2 anliegenden Versorgungsspannung U_d steigen kann. Die Kurzschlussstromamplitude bspw. von IGBTs kann aufgrund der Entsättigungseigenschaft von selbst begrenzt werden. Die Werte, auf die die Kurzschlussstromamplitude begrenzt werden kann, können jedoch das Fünf- bis Zehnfache des Nennstroms betragen. Um eine thermische Überlastung und infolgedessen eine Zerstörung des Leistungsschalters 2 zu vermeiden, muss der überhöhte Strom innerhalb einer sehr kurzen Zeit, die von dem Hersteller als die höchstzulässige Überstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2 angegeben wird, abgeschaltet werden. Dazu muss eine Ansteuerschaltung 13 (sog. Gate Drive) für den Halbleiter-Leistungsschalters 2 in der Lage sein, den Überstrom- oder Kurschlussstromfall sicher zu erkennen und eine geeignete Abschaltung des Leistungsschalters 2 vorzunehmen. Die höchstzulässige Überstromdauer t_5 liegt im Bereich von etwa 10 Mikrosekunden. For a short time, modern circuit breakers 2 can also carry a high overcurrent or short-circuit current and can also trip under certain conditions. In the event of a high overcurrent or short-circuit current, the semiconductor circuit breaker 2 is desaturated, as a result of which its forward voltage can rise to the very high level of the supply voltage U_d present at the circuit breaker 2 . The short-circuit current amplitude, for example of IGBTs, can be limited by itself due to the desaturation property. However, the values to which the short-circuit current amplitude can be limited can be five to ten times the nominal current. In order to avoid thermal overload and consequently destruction of the circuit breaker 2 , the excessive current must be switched off within a very short time, which the manufacturer specifies as the maximum permissible overcurrent duration t_5 of the circuit breaker 2 . For this purpose, a control circuit 13 (so-called gate drive) for the semiconductor circuit breaker 2 must be able to reliably detect the overcurrent or short-circuit current case and carry out a suitable disconnection of the circuit breaker 2 . The maximum permissible overcurrent duration t_5 is in the range of approximately 10 microseconds.
Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 12 wird zur Überstrom- oder Kurzschlusserkennung die Eigenschaft der Entsättigung des Halbleiter-Leistungsschalters 2 ausgenutzt. Die Vorrichtung 12 weist einen Komparator 14 auf, in dem eine an dem Leistungsschalter 2 anliegende Spannung U_CE mit einem vorgebbaren Spannungspegel U_1 verglichen wird. Nach dem Einschalten des Leistungsschalters 2 erfolgt ein langsames Absinken der Spannung U_CE bis auf einen stationären Wert U_CE_stat, der unterhalb des Spannungspegels U_1 liegt. Der Vergleich des Spannungspegels U_1 mit der Spannung U_CE wird nach dem Verstreichen einer vorgebbaren Zeitdauer t_1 eingeleitet. Die Zeitdauer t_1 wird so gewählt, dass ein intakter Leistungsschalter 2 den Spannungspegel U_1 sicher unterschritten hat. Falls die Spannung U_CE den Spannungspegel U_1 nach Einleitung der Überwachung (t < t_1) überschreitet, wird ein Abschaltsignal OFF von dem Komparator 14 an eine Ansteuerschaltung 13 geleitet, die ein Abschalten des Halbleiter-Leistungsschalters 2 auslöst. Im Normalbetrieb wird der Leistungsschalter 2 über das Steuersignal St ein- und abgeschaltet.In a device 12 known from the prior art, the property of the desaturation of the semiconductor power switch 2 is used for overcurrent or short-circuit detection. The device 12 has a comparator 14 in which a voltage U_CE applied to the circuit breaker 2 is compared with a predeterminable voltage level U_1. After switching on the circuit breaker 2 , the voltage U_CE slowly drops to a stationary value U_CE_stat, which is below the voltage level U_1. The comparison of the voltage level U_1 with the voltage U_CE is initiated after the lapse of a predefinable time period t_1. The time period t_1 is selected such that an intact circuit breaker 2 has safely fallen below the voltage level U_1. If the voltage U_CE exceeds the voltage level U_1 after initiation of the monitoring (t <t_1), a shutdown signal OFF is sent from the comparator 14 to a control circuit 13 , which triggers a shutdown of the semiconductor power switch 2 . In normal operation, the circuit breaker 2 is switched on and off via the control signal St.
Dieses bekannte Überwachungsverfahren unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters 2 hat den Vorteil, dass die entsprechende Überwachungsvorrichtung 12 sehr einfach zu realisieren ist und üblicherweise mit einer niedrigen Speisegleichspannung V_cc (typischerweise V_cc = 15 Volt) der Ansteuerschaltung 13 betrieben werden kann. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass Überströme oder Kurzschlussströme, die bereits während des Einschaltvorgangs (t < t_1) auftreten, nicht immer rechtzeitig, d. h. innerhalb der höchstzulässigen Überstromdauer t_5, erkannt werden können. Da bei einem Einschaltvorgang die Spannung U_CE an dem Leistungsschalter 2 nur mit einer endlichen Geschwindigkeit abfallen kann, ist es mit dem bekannten Verfahren nicht möglich, einen Überstrom oder Kurzschlussstrom in einer Zeitspanne (t < t_1) zu erkennen, in der die Spannung U_CE am Halbleiter- Leistungsschalter 2 noch größer ist als der Spannungspegel U_1. Dieser Nachteil kann in Kauf genommen werden, wenn die Einschaltvorgänge in einer deutlich kürzeren Zeitspanne abgeschlossen sind (z. B. t_ON < 5 Mikrosekunden) als es der höchstzulässigen Überstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2 entspricht. Die verbleibende Zeitspanne DELTA t_SC für die Abschaltung des Überstroms bzw. Kurzschlussstroms (DELTA t_SC = t_5 - t_ON) muss ausreichen, um den Leistungsschalter 2 sicher abschalten zu können.This known monitoring method using the desaturation property of the circuit breaker 2 has the advantage that the corresponding monitoring device 12 is very easy to implement and can usually be operated with a low DC supply voltage V_cc (typically V_cc = 15 volts) of the control circuit 13 . A disadvantage of the known method is that overcurrents or short-circuit currents which already occur during the switch-on process (t <t_1) cannot always be detected in time, ie within the maximum permissible overcurrent duration t_5. Since the voltage U_CE at the circuit breaker 2 can only drop at a finite speed during a switch-on process, it is not possible with the known method to detect an overcurrent or short-circuit current in a time period (t <t_1) in which the voltage U_CE on the semiconductor - Circuit breaker 2 is even greater than the voltage level U_1. This disadvantage can be accepted if the switch-on operations are completed in a significantly shorter period of time (e.g. t_ON <5 microseconds) than the maximum permissible overcurrent duration t_5 of the circuit breaker 2 . The remaining time DELTA t_SC for switching off the overcurrent or short-circuit current (DELTA t_SC = t_5 - t_ON) must be sufficient to be able to safely switch off the circuit breaker 2 .
Mit zunehmendem Sperrvermögen der Leistungsschalter (z. B. bei Hochvolt-IGBTs) werden die Schaltvorgänge immer träger. So können die Einschaltvorgänge von Hochvolt-IGBTs sehr viel länger als t_ON = 10 Mikrosekunden dauern. Das bedeutet, dass ein Überstrom oder ein Kurzschlussstrom mit dem konventionellen Verfahren zur Überwachung der Entsättigung nicht rechtzeitig erkannt werden könnte. Ein sicherer Schutz von hochsperrenden Halbleiter-Leistungsschaltern 2 ist damit nicht mehr möglich.With the increasing blocking capacity of the circuit breakers (e.g. with high-voltage IGBTs), the switching processes become more sluggish. The switching on of high-voltage IGBTs can take a lot longer than t_ON = 10 microseconds. This means that an overcurrent or a short-circuit current could not be detected in time using the conventional desaturation monitoring method. Reliable protection of high-blocking semiconductor circuit breakers 2 is therefore no longer possible.
Deshalb wird erfindungsgemäß eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz des Halbleiter-Leistungsschalters 2 unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters 2 vorgeschlagen. Diese Vorrichtung 1 zeichnet sich durch zwei unterschiedliche Spannungspegel U_1 und U_2 aus, mit denen die Spannung U_CE verglichen wird. Die Vorrichtung 1 weist einen ersten Komparator 3 zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_CE mit einem ersten vorgebbaren Spannungspegel U_1 und einen zweiten Komparator 4 zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_CE mit einem zweiten vorgebbaren Spannungspegel U_2 auf. Die Spannung U_2 wird dem zweiten Komparator 4 über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R_1 und R_2 zugeführt, damit gefährliche Berührungsspannungen im Leistungsteil beim Zuschalten der Steuerspannung vermieden werden können. Die Ausgangssignale 5, 6 der Komparatoren 3, 4 werden an eine Logikschaltung 7 geführt und dort ausgewertet. Die Logikschaltung 7 dient zur Detektion eines Überstroms oder Kurzschlussstroms und erzeugt abhängig vom Zeitpunkt des Auftretens des Kurzschluss- oder Überstroms nach dem Einschalten ein verzögertes oder unverzögertes Abschaltsignal OFF, das an eine Ansteuerschaltung 8 geleitet wird, die ein Abschalten des Halbleiter-Leistungsschalters 2 auslöst. Das Abschaltsignal OFF wird unverzögert ausgelöst, wenn das Fehlerereignis innerhalb des Einschaltvorgangs (t_2 <= t <= t_1 in Fig. 3) auftritt bzw. erkannt wird. Es wird dagegen um einige Mikrosekunden (t_v = 3. . .5 Mikrosekunden, vgl. Fig. 4) verzögert ausgelöst, wenn das Fehlerereignis nach dem Zeitpunkt t_1 auftritt bzw. nachdem der zweite Komparator 4 angesprochen hat.Therefore, a device 1 shown in Fig. 1 is proposed for overcurrent and short-circuit current protection of the semiconductor power switch 2 by utilizing the Entsättigungseigenschaft of the power switch 2 according to the invention. This device 1 is characterized by two different voltage levels U_1 and U_2, with which the voltage U_CE is compared. The device 1 has a first comparator 3 for comparing the time profile of the voltage U_CE with a first specifiable voltage level U_1 and a second comparator 4 for comparing the temporal profile of the voltage U_CE with a second specifiable voltage level U_2. The voltage U_2 is fed to the second comparator 4 via a voltage divider with the resistors R_1 and R_2 so that dangerous contact voltages in the power section can be avoided when the control voltage is switched on. The output signals 5 , 6 of the comparators 3 , 4 are fed to a logic circuit 7 and evaluated there. The logic circuit 7 is used to detect an overcurrent or short-circuit current and, depending on the time of the occurrence of the short-circuit or overcurrent, generates a delayed or undelayed switch-off signal OFF which is passed on to a drive circuit 8 , which triggers a switch-off of the semiconductor power switch 2 . The switch-off signal OFF is triggered without delay if the error event occurs or is detected within the switch-on process (t_2 <= t <= t_1 in FIG. 3). On the other hand, it is triggered with a delay of a few microseconds (t_v = 3... 5 microseconds, see FIG. 4) if the error event occurs after the time t_1 or after the second comparator 4 has responded.
In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Vefahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Zur weiteren Verdeutlichung des Verfahrens sei auf den in Fig. 3 dargestellten Strom- und Spannungsverlauf verwiesen. Das Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 20 und wird durch Einschalten des Halbleiter-Leistungsschalters 2 eingeleitet. In einem anschließenden Abfrageblock 21 wird überprüft, ob eine seit dem Einschalten verstrichene Zeit t eine vorgebbare Zeitgrenze t_2 überschritten hat. Die Zeitgrenze t_2 ist kleiner als die höchstzulässige Überstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2 gewählt. In einem Abfrageblock 22 wird überprüft, ob die beobachtete Spannung U_CE den weiteren Spannungspegel U_2 unterschritten hat. Falls dies nicht der Fall ist, wird wieder zu dem Abfrageblock 21 verzweigt. Sobald die Spannung U_CE den weiteren Spannungspegel U_2 unterschritten hat, wird das Verfahren bei einem Abfrageblock 23 fortgesetzt.In Fig. 5, an inventive Vefahren is shown according to a preferred embodiment. To further clarify the method, reference is made to the current and voltage curve shown in FIG. 3. The method begins in a function block 20 and is initiated by switching on the semiconductor circuit breaker 2 . In a subsequent query block 21 , it is checked whether a time t that has elapsed since switching on has exceeded a predefinable time limit t_2. The time limit t_2 is selected to be less than the maximum permissible overcurrent duration t_5 of the circuit breaker 2 . A query block 22 checks whether the observed voltage U_CE has fallen below the further voltage level U_2. If this is not the case, the system branches back to the query block 21 . As soon as the voltage U_CE has fallen below the further voltage level U_2, the method is continued at a query block 23 .
In Abfrageblock 23 wird überprüft, ob seit dem Einschalten des Leistungsschalters 2 eine Zeit t größer als eine vorgebbare Zeitdauer t_1 verstrichen ist. Die Zeitdauer t_1 wird größer als die höchstzulässige Überstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2 gewählt. Die Zeitdauer t_1 wird insbesondere so gewählt, dass die Spannung U_CE eines intakten Leistungsschalters 2 innerhalb der Zeitdauer t_1 den Spannungspegel U_1 sicher unterschritten hat. Der Abfrageblock 23 wird so lange durchlaufen, bis die Zeitdauer t_1 verstrichen ist. Nach Ablauf der Zeitdauer t_1 ist bei einem intakten Leistungsschalter 2 der Einschaltvorgang abgeschlossen und die Spannung U_CE hat die Durchlasssättigungsspannung U_CE stat erreicht. Der Vergleich der Spannung U_CE mit einem ersten Spannungspegel U_1 (Abfrageblock 24) wird also durch den Abfrageblock 23 bis zum Verstreichen der Zeitdauer t_1 verzögert. Wird vor Erreichen der Zeitgrenze t_1 der Spannungspegel U_2 überschritten oder wurde dieser bis dahin noch nicht unterschritten (Abfrageblock 22), wird direkt und unverzögert auf einen Funktionsblock 28 verzweigt und damit der Leistungsschalter 2 unverzüglich abgeschaltet.In query block 23 it is checked whether a time t greater than a predefinable time period t_1 has elapsed since the circuit breaker 2 was switched on. The time period t_1 is chosen to be greater than the maximum permissible overcurrent time t_5 of the circuit breaker 2 . The time period t_1 is chosen in particular such that the voltage U_CE of an intact circuit breaker 2 has safely fallen below the voltage level U_1 within the time period t_1. The query block 23 is run through until the time period t_1 has elapsed. After the period t_1 has elapsed, the switch-on process is completed with an intact circuit breaker 2 and the voltage U_CE has reached the forward saturation voltage U_CE stat. The comparison of the voltage U_CE with a first voltage level U_1 (query block 24 ) is therefore delayed by the query block 23 until the time period t_1 has elapsed. If the voltage level U_2 is exceeded before the time limit t_1 is reached or has not been undercut until then (query block 22 ), a branch is made directly and without delay to a function block 28 and the circuit breaker 2 is thus immediately switched off.
Anschließend wird in dem Abfrageblock 24 überprüft, ob die Spannung U_CE den Spannungspegel U_1 überschreitet. Falls der Spannungspegel U_1 nicht überschritten wird, liegt kein Überstrom oder Kurzschlussstrom vor. Dann wird in einem Abfrageblock 2_5 überprüft, ob ein Steuersignal St = AUS an der Ansteuerschaltung 8 anliegt, durch das ein Abschalten des Leistungsschalters 2 veranlasst wird. Falls das nicht der Fall ist wird das Verfahren bei dem Abfrageblock 24 fortgesetzt. Diese Schleife aus Abfrageblock 23 und Abfrageblock 24 wird so lange druchlaufen, bis die Spannung U_CE den Spannungspegel U_1 übersteigt oder durch das Steuersignal St = AUS ein Abschalten des Leistungsschalters 2 veranlasst wird.It is then checked in the query block 24 whether the voltage U_CE exceeds the voltage level U_1. If the voltage level U_1 is not exceeded, there is no overcurrent or short-circuit current. Then a query block 2 _5 checks whether a control signal St = OFF is present at the control circuit 8 , by means of which the circuit breaker 2 is switched off. If this is not the case, the method continues at query block 24 . This loop of interrogation block 23 and interrogation block 24 will continue to run until the voltage U_CE exceeds the voltage level U_1 or until the circuit breaker 2 is switched off by the control signal St = OFF.
Falls der Spannungspegel U_1 nach der vorgebbaren Zeitdauer t_1 überschritten wird (Abfrageblock 24), wird zu einem Funktionsblock 27 verzweigt, wo das Abschaltsignal OFF der Logikschaltung 7 um eine vorgebbare Zeitspanne t_v (vgl. Fig. 4) verzögert wird. Erst danach wird der Leistungsschalter 2 in einem Funktionsblock 28 abgeschaltet. Dann wird zu einem Funktionsblock 26 verzweigt und das erfindungsgemäße Verfahren ist beendet.If the voltage level U_1 is exceeded after the predeterminable time period t_1 (query block 24 ), a branch is made to a function block 27 , where the switch-off signal OFF of the logic circuit 7 is delayed by a predefinable time period t_v (cf. FIG. 4). Only then is the circuit breaker 2 switched off in a function block 28 . The system then branches to a function block 26 and the method according to the invention is ended.
In der Logikschaltung 7 ist ein Steuerelement 9 vorgesehen, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor 10, ablauffähig ist. Das Steuerelement 9 ist als ein elektronisches Speicherelement, insbesondere als ein Read- Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory ausgebildet. Das auf dem Steuerelement 9 abgespeicherte Programm ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Die Logikschaltung 7 umfasst des weiteren ein Verzögerungsglied 11, das das Abschaltsignal OFF um die vorgebbare Zeitspanne t_v, t_v = t_6 - t_KS (vgl. Fig. 4) verzögert. Der Leistungsschalter 2 führt vor dem Eintreten des Kurzschlusses einen Laststrom i_LAST (ungestörter, gesättigter Zustand). Bei t = t_KS tritt ein Kurzschluss in dem Lastkreis auf (R in Fig. 1 kurzgeschlossen). Durch die verzögerte Schutzabschaltung wird verhindert, dass im Falle eines Kurzschlusses (bei t <= t_KS) bei gesättigtem Leistungsschalter 2 (nach t <= t_1) ein sehr hoher Kurzschlussstrom i_max mit einer damit verbundenen hohen Abschaltüberspannung abgeschaltet werden muss. Der Halbleiter- Leistungsschalter 2 wird also nicht zum Zeitpunkt t_7 bei hohem Kurzschlussstrom, sondern erst nach Verstreichen einer Zeitspanne t_v, nachdem der Kurzschlussstrom einen wesentlich niedrigeren, etwa konstanten Wert i_stat erreicht hat, abgeschaltet. Die Zeitspanne t_v ist kürzer gewählt als die höchstzulässige Überstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2. Durch die Verzögerung kann der Leistungsschalter 2 besonders stressarm abgeschaltet werden.A control element 9 is provided in the logic circuit 7 , on which a program is stored which can be run on a computing device, in particular on a microprocessor 10 . The control element 9 is designed as an electronic memory element, in particular as a read-only memory, a random access memory or a flash memory. The program stored on the control element 9 is suitable for executing the method according to the invention. The logic circuit 7 further comprises a delay element 11 , which delays the switch-off signal OFF by the predefinable time period t_v, t_v = t_6-t_KS (cf. FIG. 4). The circuit breaker 2 carries a load current i_LAST (undisturbed, saturated state) before the short circuit occurs. At t = t_KS, a short circuit occurs in the load circuit (R short-circuited in Fig. 1). The delayed protective shutdown prevents that in the event of a short circuit (at t <= t_KS) when the circuit breaker 2 is saturated (after t <= t_1), a very high short-circuit current i_max with a high shutdown overvoltage is connected. The semiconductor power switch 2 is therefore not switched off at the time t_7 when the short-circuit current is high, but only after a period of time t_v has elapsed after the short-circuit current has reached a substantially lower, approximately constant value i_stat. The time period t_v is chosen to be shorter than the maximum permissible overcurrent duration t_5 of the circuit breaker 2 . Due to the delay, the circuit breaker 2 can be switched off in a particularly stress-free manner.
Der dargestellte Leistungsschalter 2 ist als ein Insulated- Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) ausgebildet. Es ist jedoch denkbar, mit der Vorrichtung 1 auch einen Bipolar-Transistoren (BT) oder andere Halbleiter-Leistungsschalter zu überwachen, die ähnliche Eigenschaften, insbesondere ein ähnlich hohes Sperrvermögen mit daraus resultierenden ähnlich trägen Schaltvorgängen, aufweisen. Der Halbleiter-Leistungsschalter 2 wird bspw. bei Stromrichtern, vorzugweise bei Wechselrichtern zur Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, eingesetzt. Mit der vorliegenden Erfindung können jedoch Halbleiter- Leistungsschalter 2 aus nahezu beliebigen Einsatzbereichen überwacht werden.The circuit breaker 2 shown is designed as an insulated gate bipolar transistor (IGBT). However, it is also conceivable to use the device 1 to monitor a bipolar transistor (BT) or other semiconductor power switch that has similar properties, in particular a similarly high blocking capacity with the resultant, similarly slow switching processes. The semiconductor power switch 2 is used, for example, in power converters, preferably in inverters for converting direct current into alternating current. With the present invention, however, semiconductor circuit breakers 2 can be monitored from almost any application.
Das vorgeschlagene Verfahren ermögicht bei einem Halbleiter- Leistungsschalter 2 eine zuverlässige Detektion von Überströmen und Kurzschlussströmen sowohl während des Einschaltvorgangs (t < t_1) als auch nach Erreichen des Sättigungszustands (t < t_1). Die beiden Spannungspegel U_1, U_2 können auf den ihnen jeweils zugeordneten Überwachungsbereich optimiert werden.The proposed method enables a reliable detection of overcurrents and short-circuit currents in a semiconductor power switch 2 both during the switch-on process (t <t_1) and after reaching the saturation state (t <t_1). The two voltage levels U_1, U_2 can be optimized for the monitoring area assigned to them.
Wie oben bereits erwähnt, weist die Vorrichtung 1 aus Fig. 1 einen Spannungsteiler auf, der aus den zwei Widerständen R_1 und R_2 besteht. Über den Spannungsteiler wird die an dem Leistungsschalter 2 anliegende Spannung U_CE zum Vergleich mit dem weiteren Spannungspegel U_2 an den weiteren Komparator 4 geführt. Der Spannungsteiler muss nicht unbedingt - wie hier dargestellt - als ein ohmscher Spannungsteiler mit den zwei Widerständen R_1, R_2 ausgebildet sein, sondern kann auch beliebig anders ausgebildet sein. An dem Spannungsteiler liegt die volle an dem Leistungsschalter 2 anliegende Spannung U_CE an. Zwischen den beiden Widerständen R_1, R_2 wird an einem ersten Abgriff A_1 eine Teilspannung der anliegenden Spannung U_CE abgegriffen und an den weiteren Komparator 4 geführt. Die Höhe der Teilspannung wird durch die Widerstandswerte der beiden Widerstände R_1, R_2 des Spannungsteilers bestimmt. Der weitere vorgebbare Spannungspegel U_2 ist an die Höhe der Teilspannung angepasst.As already mentioned above, the device 1 from FIG. 1 has a voltage divider which consists of the two resistors R_1 and R_2. Via the voltage divider, the voltage U_CE present at the circuit breaker 2 is fed to the further comparator 4 for comparison with the further voltage level U_2. The voltage divider does not necessarily have to be designed as an ohmic voltage divider with the two resistors R_1, R_2, as shown here, but can also be designed in any other way. The full voltage U_CE present at the circuit breaker 2 is present at the voltage divider. Between the two resistors R_1, R_2, a partial voltage of the applied voltage U_CE is tapped at a first tap A_1 and passed to the further comparator 4 . The level of the partial voltage is determined by the resistance values of the two resistors R_1, R_2 of the voltage divider. The further predeterminable voltage level U_2 is adapted to the level of the partial voltage.
Bei der Vorrichtung 1 zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz des Halbleiter-Leistungsschalters 2 unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters 2 wird zur Überwachung des Durchlasszustands bzw. der Sättigungsspannung des Halbleiter- Leistungsschalters 2 eine Diode D eingesetzt. Die Diode D ist kathodenseitig K unmittelbar mit dem hohen elektrischen Potential des Kollektoranschlusses C des Halbleiter- Leistungsschalters 2 verbunden und ist anodenseitig A mit dem niedrigen Potential der Speisegleichspannung V_cc der Überwachungselektronik verbunden. Mit zunehmendem Sperrvermögen der Halbleiter-Leistungsschalter 2, das heute bis zu 6,5 kV betragen kann, müssen hierzu mehrere Hochvolt- Dioden D in Reihe geschaltet werden, da das Sperrvermögen der dafür in Frage kommenden handelsüblichen Dioden weit geringer ist. Trotz des Einsatzes einer Dioden-Reihenschaltung kann eine gleichmäßige Sperrspannungsaufteilung an die in Reihe geschalteten Dioden nicht unter allen Umständen sichergestellt werden. Deshalb kann eine Zerstörung der Dioden auch nicht ausgeschlossen werden, selbst wenn die Summe der Nennsperrspannungswerte der einzelnen in Reihe geschalteten Dioden weit höher ist als die höchste am Kollektor C des Halbleiter-Leistungsschalters 2 auftretende Spitzenspannung. In the device 1 for overcurrent and short-circuit current protection of the semiconductor circuit breaker 2 , utilizing the desaturation property of the circuit breaker 2 , a diode D is used to monitor the on state or the saturation voltage of the semiconductor circuit breaker 2 . The diode D is connected on the cathode side K directly to the high electrical potential of the collector terminal C of the semiconductor circuit breaker 2 and is connected on the anode side A to the low potential of the DC supply voltage V_cc of the monitoring electronics. With the increasing blocking capacity of the semiconductor circuit breaker 2 , which can be up to 6.5 kV today, several high-voltage diodes D have to be connected in series since the blocking capacity of the commercially available diodes in question is much lower. Despite the use of a diode series connection, a uniform reverse voltage distribution to the diodes connected in series cannot be ensured under all circumstances. Therefore, destruction of the diodes cannot be ruled out even if the sum of the nominal reverse voltage values of the individual diodes connected in series is far higher than the highest peak voltage occurring at the collector C of the semiconductor circuit breaker 2 .
In Fig. 6 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform dargestellt, durch die dieses Problem vermieden wird. Dabei besteht der Widerstand R_1 des Spannungsteilers aus einer Reihenschaltung von zwei Widerständen R_1.1 und R_1.2, wobei zwischen den beiden Widerständen R_1.1, R_1.2 ein weiterer Abgriff A_2 vorgesehen ist, über den die an dem Leistungsschalter 2 anliegende Spannung U_CE zum Vergleich mit dem Spannungspegel U_1 über mindestens die Diode D an den Komparator 3 geführt ist. Die Widerstandswerte der beiden Widerstände R_1.1 oberhalb und R_1.2 unterhalb des Abgriffs A_2 werden vorzugsweise so gewählt, dss das Sperrvermögen einer einzigen Diode D ausreicht und nicht eine Reihenschaltung mehrerer Dioden eingesetzt werden muss.In Fig. 6 a detail of a device according to the invention is shown according to another preferred embodiment by which this problem is avoided. The resistor R_1 of the voltage divider consists of a series connection of two resistors R_1.1 and R_1.2, a further tap A_2 being provided between the two resistors R_1.1, R_1.2, via which the voltage U_CE applied to the circuit breaker 2 for comparison with the voltage level U_1 via at least the diode D to the comparator 3 . The resistance values of the two resistors R_1.1 above and R_1.2 below the tap A_2 are preferably chosen so that the blocking capacity of a single diode D is sufficient and a series connection of several diodes does not have to be used.
Gemäß noch einer anderen in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in Reihe mit dem Widerstand R_2 des Spannungsteilers eine als Zener (Z)-Diode Z ausgebildete Diode angeordnet ist. Durch die Z-Diode Z kann während der Durchlassphase des Halbleiter- Leistungsschalters 2 der Teil des Spannungsteilers unterhalb der Z-Diode Z inaktiviert werden. In der Folge fließt über den inaktivierten Teil des Spannungsteilers kein parasitärer Messstrom, so dass sich eine höhere Messspannung ergibt. Der Abgriff A_1 ist zwischen der Z-Diode Z und dem Widerstand R_2 des Spannungsteilers angeordnet. Ebenso könnte der Abgriff A_1 auch oberhalb der Z-Diode Z angeordnet sein. Die Z-Diode Z könnte auch unterhalb des Widerstands R_2 angeordnet sein. Statt einer Z-Diode Z könnte auch eine Reihenschaltung mehrerer herkömmlicher Dioden in Reihe zu dem Widerstand R_2 des Spannungsteilers angeordnet sein. Dabei entspricht die Summe der Flussspannungen der Dioden dem Schwellenspannungswert der Z-Diode Z.According to yet another embodiment of the invention shown in FIG. 7, it is proposed that a diode designed as a Zener (Z) diode Z is arranged in series with the resistor R_2 of the voltage divider. The Z-diode Z can inactivate the part of the voltage divider below the Z-diode Z during the forward phase of the semiconductor power switch 2 . As a result, no parasitic measuring current flows across the deactivated part of the voltage divider, so that a higher measuring voltage results. The tap A_1 is arranged between the Z diode Z and the resistor R_2 of the voltage divider. The tap A_1 could also be arranged above the Zener diode Z. The Zener diode Z could also be arranged below the resistor R_2. Instead of a Zener diode Z, a series connection of several conventional diodes could also be arranged in series with the resistor R_2 of the voltage divider. The sum of the forward voltages of the diodes corresponds to the threshold voltage value of the Zener diode Z.
Schließlich wird gemäß noch einer anderen in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass in Reihe mit dem Widerstand R_2 des Spannungsteilers ein als Schalttransistor T ausgebildeter Halbleiter- Leistungsschalter angeordnet ist. Statt der in Reihe zu einem anderen Widerstand des Spannungsteilers angeordneten Z-Diode Z kann also auch der Schalttransistor T oder ein beliebig anderer Halbleiter-Leistungsschalter vorgesehen werden.Finally, according to yet another embodiment of the invention shown in FIG. 8, it is proposed that a semiconductor power switch designed as a switching transistor T is arranged in series with the resistor R_2 of the voltage divider. Instead of the Z-diode Z arranged in series with another resistor of the voltage divider, the switching transistor T or any other semiconductor power switch can also be provided.
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