DE10227310A1

DE10227310A1 - Halbleiter-Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE10227310A1
Application number: DE10227310A
Authority: DE
Inventors: Walter Apfelbacher; Norbert Reichenbach; Johann Seitz
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-15
Also published as: WO2004001967A1

Abstract

Um eine Halbleiter-Schaltvorrichtung (1) anzugeben, mit der bei Verwendung einfacher Mittel unter Einhaltung vorgeschriebener Luft- und Kriechstrecken zwischen Steuer- und Hauptstromkreis ein raumsparender Aufbau erzielt werden soll, ist vorgesehen, dass die Bauteile des Steuer- und des Hauptstromkreises auf eigenständigen zueinander beabstandeten Leiterplatten (2 bzw. 3) angeordnet werden und eine entsprechende Signalübertragung mittels eines separat aufgebauten optischen Sendegliedes (8), eines Steuersignal-Übertragungsmittels (9) und eines optischen Empfangsgliedes gegeben ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Schaltvorrichtung gemäß Patentanspruch 1.
Eine derartige Halbleiter-Schaltvorrichtung findet in Verbindung mit und ohne Kühlkörper beispielsweise als Halbleiter-Schütz (solid-state contactor) bzw. als Halbleiter-Relais (solid-state relay) Einsatz und dient zum kontaktlosen Schalten von gleich-, wechsel- oder allstrombeaufschlagten ohmschen bzw. induktiven Lasten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Schaltvorrichtung anzugeben, mit der bei Verwendung einfacher Mittel unter Einhaltung vorgeschriebener Luft- und Kriechstrecken zwischen Steuer- und Hauptstromkreis ein raumsparender Aufbau erzielt werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Anordnung des Sendegliedes des Steuerstromkreises auf der ersten Leiterplatte und des Empfangsgliedes des Hauptstromkreises auf der zweiten Leiterplatte sowie der Verbindung derselben durch ein Signalübertragungsmittel, kann eine Anordnung von Bauteilen des Hauptstromkreises auf der ersten Leiterplatte und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Steuer- und Hauptstromkreis vermieden sowie eine galvanische Trennung der Spannungspotentiale erreicht werden, so dass aufwendige Isolationsmaßnahmen hinfällig und die Leiterplatten klein und kompakt, also miniaturisiert, ausführbar sind.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
1 eine Bauteileanordnung einer Halbleiter-Schaltvorrichtung mit galvanisch getrennten Steuer- und Hauptstromkreisen auf separaten Leiterplatten;
2 eine Schaltungsanordnung einer Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem Thyristorenpaar gemäß 1;
3 eine vereinfachte Schaltungsanordnung einer Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem Thyristorenpaar und einem Opto-Triac gemäß 1; und
4 eine vereinfachte Schaltungsanordnung einer Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem Triac und einem Opto-Triac gemäß 1.
In 1 ist der Aufbau einer Halbleiter-Schaltvorrichtung 1 mit einer Steuer-Leiterplatte 2 und mit einer Leistungs-Leiterplatte 3 gezeigt. Als Trägermaterial weisen die Steuer-Leiterplatte 2 insbesondere ein Hartpapier und die Leistungs-Leiterplatte 3 insbesondere ein Keramiksubstrat auf. Alternativ kann sowohl die Steuer-Leiterplatte 2 als auch die Leistungs-Leiterplatte 3 mit Glasfaser- bzw. mit Epoxydharz getränktem Papier gebildet werden. Im Allgemeinen werden die derartige Steuer-Leiterplatte 2 auch als printed-circuit board (PCB) und die derartige Leistungs-Leiterplatte 3 auch als direct copper bonded bzw. direct bonded copper (DCB) bezeichnet. Das Hartpapier wie auch das Keramiksubstrat sind hierbei mit Kupferleiterbahnen auf einer bzw. auf beiden Seiten des jeweiligen Trägermaterials versehen.
Die Steuer-Leiterplatte 2 weist ein erstes Anschlusspaar 4 für Steuerstromleitungen auf und die Leistungs-Leiterplatte 3 ist mit einem zweiten Anschlusspaar 5 für Hauptstromleitungen versehen. Die beiden Anschlusspaare 4, 5 können hierbei in Form von unterschiedlichen Schraub-, Steck-, Klemm- oder Lötanschlüssen bzw. Bonden od.dgl. ausgeführt sein.
Steuerstromseitig, d.h. auf der Steuer-Leiterplatte 2, sind zudem ein erster Vorwiderstand 6, eine erste Gleichrichterdiode 7 und ein optisches Sendeglied 8 in Form einer Leuchtdiode zur Übertragung von Steuersignalen angeordnet, die in einer elektrisch leitenden Verbindung zu dem ersten Kontaktpaar 4 gemäß 2 stehen. Die Steuersignale werden durch ein Steuersignal-Übertragungsmittel 9 in Form eines Lichtleiters oder auch Lichtwellenleiters gemäß 2 optisch auf ein hauptstromseitig angeordnetes optisches Empfangsglied in Form einer Foto-Diode, eines Foto-Transistors 10a oder eines Opto-Triac 10b übertragen; das optische Empfangsglied ist auf der Leistungs-Leiterplatte 3 angeordnet und steht seinerseits mit dem zweiten Anschlusspaar 5 in einer elektrisch leitenden Verbindung. Die Übernahme der Steuersignale durch das optische Empfangsglied dient zur Ansteuerung eines auf der Leistungs-Leiterplatte 3 angeordneten Halbleiters, welcher als Leistungs-Halbleiter, insbesondere als Thyristorenpaar 11a gemäß 2 und 3 bzw. im Speziellen als Triac 11b gemäß 4 ausgeführt sein kann. Anwendbar sind gleichermaßen Transistoren, Isolierschicht-Bipolar-Transistoren (IGBT) sowie Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET).
Die baulich getrennte Anordnung des Sendegliedes 8 von dem Steuersignal-Übertragungsmittel 9 und von dem optischen Empfangsglied bildet in der Gesamtheit eine Verbindung zur Signalübertragung, so dass vorteilhafterweise eine galvanische Trennung der Steuer- und Leistungs-Leiterplatten 2 bzw. 3 und eine Trennung der Spannungspotentiale zwischen dem Steuerstromkreis und dem Hauptstromkreis – auch Zündstromkreis genannt – gegeben ist. Demzufolge kann auf eine aufwendige elektrisch leitende Verbindung zwischen den Steuer- und Leistungs-Leiterplatten 2 bzw. 3 und darüber hinaus auch aufgrund der separierten Anordnung der Bauteile des Steuerstromkreises auf der Steuer-Leiterplatte 2 und der Bauteile des Hauptstromkreises auf der Leistungs-Leiterplatte verzichtet werden.
Die Leistungs-Leiterplatte 3 ist darüber hinaus mit weiteren hauptstromseitigen Bauteilen, insbesondere Ansteuergliedern, ausgerüstet. Neben einem Spannungsteiler, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Widerstand 12 bzw. 13, handelt es sich hierbei um einen zweiten Vorwiderstand 14, einen Ansteuer-Transistor 15, einen Ansteuer-Thyristor 16, einen Gleichrichterbaustein 17 sowie um einen dritten und einen vierten Vorwiderstand 18 bzw. 19.
In 2 ist eine Schaltungsanordnung der Halbleiter-Schaltvorrichtung 1 mit einem Thyristorenpaar 11a gemäß 1 gezeigt. Hierbei befinden sich die Bauteile, wie der erste Vorwiderstand 6, die erste Gleichrichterdiode 7 für den Steuerstromkreis auf der Steuer-Leiterplatte 2 gemäß 1 inklusive des optischen Sendegliedes 8. Empfängerseitig befinden sich die weiteren Bauteile für den Hauptstromkreis auf der Leistungs-Leiterplatte 3 gemäß 1 inklusive des optischen Empfangsgliedes in Form des Foto-Transistors 10a auf der auch der Leistungs-Halbleiter, hier das Thyristorenpaar 11a, angeordnet ist.
Die beiden Schaltungsteile – Steuerstromkreis und Hauptstromkreis – befinden sich somit auf beabstandeten, räumlich getrennten Trägermaterialien. Die funktionelle Verbindung erfolgt über das Steuersignal-Übertragungsmittel 9, welches als Lichtleiter ausgeführt ist. Der Lichtleiter ist hierbei mit seinem einen Ende mit dem optischen Sendeglied 8 des Steuerstromkreises und mit seinem anderen Ende mit dem optischen Empfangsglied in Form des Foto-Transistors 10a des Hauptstromkreises verbunden.
Um den Hauptstromkreis einzuschalten, wird der Steuerstromkreis mit einer Spannungsquelle verbunden, so dass das optische Sendeglied 8 Licht emittiert. Das Licht wird über den Lichtleiter zu dem optischen Empfangsglied im Hauptstromkreis übertragen. Das optische Empfangsglied 10a wird dadurch leitend, so dass der Ansteuer-Transistor 15 gesperrt wird; dadurch wird der Ansteuer-Thyristor 16 durch einen in seine Basis (Gate) fließenden Strom gezündet, wobei ein Stromfluss je nach Polarität im Hauptstromkreis zum Fließen kommt, der wiederum entweder den einen oder den anderen Thyristor des Thyristorenpaares 11a zum Zünden bringt. Ist einer der beiden Thyristoren gezündet, wird der Strom über den Ansteuer-Thyristor 16 zu Null und somit abgebrochen. Der Stromfluss über den jeweiligen Thyristor des Thyristorenpaares 11a bleibt bis zum nächsten Stromnulldurchgang erhalten. Nach Erlöschen des Stromes wiederholt sich der Vorgang in entgegengesetzter Richtung. Wird nun der Stromkreis im Steuerstromkreis unterbrochen, fließt der Strom im Hauptstromkreis bis zum nächsten Stromnulldurchgang weiter. Danach bleiben jedoch wieder beide Thyristoren des Thyristorenpaares 11a ausgeschaltet.
In 3 ist eine weitere vereinfachte Schaltungsanordnung der Halbleiter-Schaltvorrichtung 1 mit einer in der Ansteuerung aufwandreduzierten Halbleiter-Schaltvorrichtung in Form des Thyristorenpaares 11a und dem optischen Empfangsglied in Form des Opto-Triacs l0b gemäß 1 gezeigt, wobei eine zweite und eine dritte Gleichrichterdiode 20 bzw. 21 zum Einsatz kommen.
In 4 ist eine zusätzlich vereinfachte Schaltungsanordnung der Halbleiter-Schaltvorrichtung 1 mit dem Halbleiter in Form eines Triacs llb und dem optischen Empfangsglied in Form eines Opto-Triacs 10b gemäß 1 gezeigt.
Die zuvor erläuterte Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden: Um eine Halbleiter-Schaltvorrichtung 1 anzugeben, mit der bei Verwendung einfacher Mittel unter Einhaltung vorgeschriebener Luft- und Kriechstrecken zwischen Steuer- und Hauptstromkreis ein raumsparender Aufbau erzielt werden soll, ist vorgesehen, dass die Bauteile des Steuer- und des Hauptstromkreises auf eigenständigen zueinander beabstandeten Leiterplatten 2 bzw. 3 angeordnet werden und eine entsprechende Signalübertragung mittels eines separat aufgebauten optischen Sendegliedes 8, eines Steuersignal-Übertragungsmittels 9 und eines optischen Empfangsgliedes gegeben ist; hierbei werden zum einen keine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den beiden Stromkreisen benötigt und zum anderen können hohe Spannungen des Hauptstromkreises von dem Steuerstromkreis ferngehalten werden, so dass vorteilhafterweise hohe Kriech- und Luftstrecken erzielt werden.

Claims

Halbleiter-Schaltvorrichtung zum kontaktlosen Schalten von Lasten – mit einer Steuer-Leiterplatte (2) mit einer Abgabe von zumindest einem Steuersignal; – mit einer zu der Steuer-Leiterplatte (2) beabstandeten Leistungs-Leiterplatte (3) mit einer Aufnahme zumindest des einen zur Ansteuerung zumindest eines auf dieser angeordneten leistungsschaltenden Halbleiters vorgesehenen Steuersignals; – mit zumindest einem optischen Steuersignal-Übertragungsmittel (9) zwischen der Steuer-Leiterplatte (2) und der Leistungs-Leiterplatte (3).
Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, – mit einem Lichtwellenleiter als optisches Steuersignal-Übertragungsmittel (9).
Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, – mit einem optischen Sendeglied (8) zur Übertragung der Steuersignale auf der Steuer-Leiterplatte (2) und mit einem zugeordneten, baulich von dem optischen Sendeglied (8) getrennten, optischen Empfangsglied (9) zum Empfangen der Steuersignale auf der Leistungs-Leiterplatte (3).
Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, – mit einer Leuchtdiode als optisches Sendeglied (8).
Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 3 und/oder 4, mit einem Opto-Triac (10b) als optisches Empfangsglied (9).
Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – mit zumindest einem Thyristorenpaar bzw. Triac (11a bzw. 11b) als Halbleiter.
Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – mit zumindest einem auf der zweiten Leiterplatte (3) angeordneten Ansteuerglied zur Ansteuerung zumindest des einen Halbleiters.
Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – mit einem Trägermaterial der Steuer-Leiterplatte und der Leistungs-Leiterplatte (2 bzw. 3) aus Hartpapier bzw. aus Keramiksubstrat.