DE19808186A1

DE19808186A1 - Schaltung zur Verbesserung des Kurzschlußverhaltens von IGBT-Bauteilen

Info

Publication number: DE19808186A1
Application number: DE19808186A
Authority: DE
Inventors: Brian R Pelly
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1998-10-08
Also published as: JPH10285954A; FR2762159A1; ITMI980406A1; GB2322745B; GB9804272D0; TW439256B; JP2916133B2; KR19980071760A; GB2322745A; US6104149A; IT1298453B1; SG64476A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Verbesserung des Kurzschlußverhaltens von IGBT-Bauteilen (bipolare Transis toren mit isoliertem Gate) der im Oberbegriff des Patentan spruchs 1 genannten Art.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Schaltung zum Schutz von IGBT-Bauteilen mit hohem Wirkungsgrad in einer Motor-Steuergeräte-Schaltung.

Eine übliche Forderung von IGBT-Invertern für die Motorsteuerung besteht darin, daß die IGBT-Bauteile in der Lage sein müssen, Kurzschlüssen über Zeitperioden widerstehen zu können, die im Bereich von 5 bis 10 µs liegen.

Die Fähigkeit eines IGBT-Bauteils, einem Kurzschluß für eine vorgegebene Zeit standzuhalten, ist im wesentlichen durch die Verstärkung im Kurzschlußzustand bestimmt.

Derzeit sind zwei grundlegende Arten von IGBT-Bauteilen allge mein verfügbar, nämlich "kurzschlußfeste" Typen, die hauptsäch lich für Motorsteueranwendungen ausgelegt sind, und Typen mit hohem Wirkungsgrad, die für Anwendungen ausgelegt sind, bei denen eine Kurzschlußfestigkeit nicht benötigt wird, beispiels weise bei Schaltleistungs-Versorgungen. Es besteht von Natur aus eine Abwägung zwischen diesen beiden Arten von Bauteilen. Kurzschlußfeste IGBT-Bauteile (die typischerweise so ausgelegt sind, daß sie Kurzschlüssen für bis zu 10 µs standhalten können), sind von Natur aus weniger wirkungsvoll als einen hohen Wirkungsgrad aufweisende IGBT-Bauteile, doch haben die letzteren eine begrenztere Kurzschlußfestigkeit.

Wie dies durch die Kurven in Fig. 1 dargestellt ist, haben IGBT-Bauteile der 4. Generation mit hohem Wirkungsgrad, die von der Firma International Rectifier Corporation hergestellt werden, ungefähr den doppelten Kurzschlußstrom, wie Typen, die für eine Kurzschlußfestigkeit ausgelegt sind. Der größere Kurzschlußstrom der einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Typen beschränkt deren Kurzschlußfestigkeit auf weniger als die Hälfte der Typen, die für Kurzschluß-Betrieb ausgelegt sind.

Es wäre für Hersteller von Halbleiter-Bauteilen wünschenswert, die Herstellung von für eine Kurzschlußfestigkeit ausgelegten Bauteilen zugunsten von lediglich Typen mit hohem Wirkungsgrad, entfallen zu lassen.

Die möglichen Vorteile würden folgende sein:

1. Eine vereinfachte Herstellungslogistik, Lagerbestands kontrolle, usw., aufgrund der Herstellung eines grundlegenden Typs von IGBT-Bauteil mit hohem Wirkungsgrad, anstelle von zwei verschiedenen Typen, und
2. bessere Systemlösungen für Anwendungen, die eine Kurz schlußfestigkeit erfordern, bei gleichzeitig höherer Konstruk tions-Flexibilität und verbesserter Systemleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die beschriebenen Nach teile vermeidet und den Einsatz von einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden IGBT-Bauteilen selbst dann ermöglicht, wenn eine Kurzschlußfestigkeit erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß werden die oben genannten Ziele und Vorteile dadurch gelöst, daß eine Schaltung zur Verbesserung der Kurz schlußfestigkeit von einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden IGBT-Bauteilen in einer extrem einfachen, außerhalb des Halb leiterplättchens angeordneten, Lösung geschaffen wird, die für den Benutzer vollständig transparent ist.

Erfindungsgemäß wird bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ein externer gemeinsamer Emitter-Widerstand einem eine hohe Verstärkung aufweisenden IGBT-Bauteil vom Typ mit hohem Wirkungsgrad hinzugefügt, um die Kurzschlußfestigkeit des IGBT-Bauteils zu vergrößern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dar gestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Kurzschlußeigenschaften von IGBT-Bauteilen mit hohem Wirkungsgrad gegenüber IGBT-Bauteilen, die für das Auftreten von Kurzschlüssen ausgelegt sind,

Fig. 2A und 2B die Auswirkung der Hinzufügung eines gemeinsamen Emitter-Widerstandes auf den Kurzschlußstrom von IGBT-Bauteilen mit hohem Wirkungsgrad, gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 die Kurzschlußfestigkeits-Dauer von 20 µs für ein IGBT-Bauteil für eine Nennspannung von 1200 V von der Größe 7 der 3. Generation, das mit einem gemeinsamen Emitter- Widerstand von 20 mOhm versehen ist,

Fig. 4A die Verwendung eines vorhandenen Strommeß- Reihenwiderstandes in dem gemeinsamen unteren Versorgungslei tungskreis zur Schaffung eines gemeinsamen Emitterwiderstandes zur Begrenzung des Kurzschlußstromes;

Fig. 4B die Verwendung von vorhandenen einzelnen Vektor-Steuer-Reihenwiderständen in den unteren Strängen zur Erzielung eines gemeinsamen Widerstandes zur Begrenzung des Kurzschluß stromes,

Fig. 5 die Verwendung eines Niedrigspannungs-HEXFET zum Schutz eines Hochspannungs-IGBT-Bauteils mit hohem Wirkungs grad,

Fig. 6 die Tatsache, daß ein Erdfehlerstrom durch die Eingangsleitungs-Impedanz fließt und daher eine langsame Anstiegsgeschwindigkeit und eine begrenzte Amplitude hat,

Fig. 7 eine obere Fehlerdetektor-Konstruktion für lang sames Ansprechen auf einen Leitungs-/Leitungs-Kurzschluß und ein schnelles Ansprechverhalten für einen Kurzschluß, der sich aus einer versehentlichen externen Verbindung eines Wechsel spannungs-Ausgangsanschlusses mit dem negativen Versorgungs leitungsanschluß ergibt,

Fig. 8 eine Schaltung zur Vermeidung eines Kurzschlus ses, der sich aus einer versehentlichen externen Verbindung eines Wechselspannungs-Ausgangsanschlusses mit dem negativen Versorgungsleitungsanschluß ergibt, durch Feststellen eines bereits vorliegenden Kurzschlusses und Sperren der Gate-Treiberschaltung.

Ein Vergleich der Fig. 2A und 2B zeigt die Hinzufügung eines externen, gemeinsamen Emitterwiderstandes R zu dem eine hohe Verstärkung und einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Typ eines IGBT-Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung. Im einzelnen verringert die Hinzufügung des Widerstandes R gemäß Fig. 2B, die effektive Verstärkung im Kurzschluß-Zustand aufgrund der Spannung I_SC × R, die direkt von der resultierenden Gate-Emitter-Spannung abgezogen wird.

Das in Fig. 3 gezeigte Oszillogramm zeigt ein Beispiel, bei dem eine gemeinsamer Emitter-Widerstand mit einem Widerstandswert von 20 mΩ für ein IGBT-Bauteil von 1200 V der Größe 7 eine Kurzschlußzeit von 20 µs bei 850 V ermöglicht, verglichen mit einer Kurzschlußfestigkeits-Dauer von ungefähr 5 µs ohne den Widerstand.

In vorteilhafter Weise ist unter normalen Betriebsbedingungen die entlang des Widerstandes R abfallende Spannung klein, und die Änderungswirkung auf die normale Gate-Emitter-Betriebs spannung ist nahezu vernachlässigbar, wie die folgenden be rechneten Abschätzungen zeigen:

1. Schaltung nach Fig. 2B mit einem 600 V IGBT-Bauteil der Größe 4 der 4. Generation mit hohem Wirkungsgrad, das mit einem gemeinsamen Emitter-Widerstand R mit einem Widerstandwert von 33 mΩ versehen ist:
Normaler Betriebs-Ausgangsstrom (3 hp) = 12 A eff
Normaler Betriebsstrom in R = 8,4 A eff
Normaler Betriebsverlust in R = 8,4² × 0,033
= 2,3 W.
Geschätzte Verluste in einem IGBT bei einem Ausgang von 12 A:
2. Schaltung nach Fig. 2B mit einem 1200 V IGBT-Bauteil der Größe 4 und Generation 4 mit hohem Wirkungsgrad, das mit einem gemeinsamen Emitter-Widerstand R von 66 mΩ versehen ist:
Normaler Betriebs-Ausgangsstrom = 6 A eff
Normaler Betriebsstrom in R = 4,2 A eff
Normaler Betriebsverlust in R = 4,2² × 0,066
= 1,15 W.

Geschätzte Verluste in einem IGBT bei 6 A Ausgang:

Die vorstehenden Berechnungen zeigen, daß die projizierten Verluste in dem gemeinsamen Emitterwiderstand bei voller Last, für einen IGBT mit einer Nennspannung von 600 V und hohem Wir kungsgrad zwischen 13 und 17,5% der IGBT-Verluste für einen gemeinsamen Emitterwiderstand liegen, der eine Kurzschlußzeit von 10 µs ergibt. Dieser geschätzte zusätzliche Verlust in dem Widerstand ist tatsächlich ungefähr gleich dem geschätzten zusätzlichen Verlust für einen IGBT mit einer Nennspannung von 600 V, der für eine Kurzschlußzeit von 10 µs ausgelegt ist, verglichen mit dem eines IGBT vom Typ mit hohem Wirkungsgrad.

Die geschätzten Verluste bei voller Last in dem gemeinsamen Emitterwiderstand, der eine Kurzschlußfestigkeit von 10 µs bei einem IGBT mit hohem Wirkungsgrad und einer Nennspannung von 1200 V ergibt, liegen zwischen 5 und 11% der IGBT-Verluste. Von Bedeutung ist, daß diese zusätzlichen Verluste ungefähr 30% kleiner als der Verlust sind, der hinzukommen würde, wenn ein IGBT für 1200 V Nennspannung mit einer Kurzschlußfestigkeit von 10 µs anstelle eines Typs mit hohem Wirkungsgrad mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand verwendet würde.

Obwohl die Verwendung eines gemeinsamen Emitterwiderstandes ge mäß der vorliegenden Erfindung wahrscheinlich keine wesentliche Verringerung der Gesamtverluste gegenüber den Verlusten von für das Auftreten von Kurzschlußzuständen ausgelegten Bauteilen ergibt, ergibt die Erfindung bei Betrachtung auf der Bauteil ebene tatsächlich verringerte Verluste auf der Systemebene sowie andere Anwendungsvorteile zusätzlich zu den vorstehend diskutierten Herstellungsvorteilen. Die Anwendungsvorteile sind wie folgt:

1. Die Kurzschlußzeit kann auf den speziellen Wert zuge schnitten werden, der für eine spezielle Anwendung erforderlich ist, ohne daß die IGBT-Konstruktion geändert wird, und zwar durch einfaches Auswählen des Widerstandswertes des gemeinsamen Emitterwiderstandes. Je niedriger die erforderliche Kurzschluß zeit ist, desto niedriger kann der Widerstandswert sein, und damit die zusätzlichen Verluste.
2. Die zusätzlichen Verluste in dem gemeinsamen Emitter- Widerstand werden außerhalb des IGBT-Halbleiterplättchens in Wärme umgesetzt. Das IGBT-Bauteil bleibt ein Bauteil mit hohem Wirkungsgrad mit minimalen Verlusten, so daß eine größere Ausgangsleistung für eine vorgegebene IGBT-Halbleiterplättchen- Größe erreicht werden kann, als mit IGBT-Bauteilen, die für eine Kurzschlußfestigkeit ausgelegt sind, d. h. wenn Verlust leistung auftritt, ist es besser, diese Verlustleistung in einem Widerstand zu verbrauchen, als in dem IGBT-Bauteil.
3. Bei einem dreiphasigen Inverter für eine Motorsteuerung, kann ein gemeinsamer Emitterwiderstand für lediglich drei der sechs IGBT-Bauteile dem gesamten Inverter die erforderlichen Kurzschlußeigenschaften verleihen (beispielsweise 10 µs), wie dies weiter unten ausführlicher erläutert wird. Weiterhin kann ein einziger gemeinsamer Emitterwiderstand alle drei IGBT-Bauteile in dem unteren Abschnitt einer dreiphasigen Inverter- Schaltung versorgen. Der Gesamtverlust-Beitrag des gemeinsamen Emitterwiderstandes oder der -widerstände verringert die zusätzlichen Verluste des Gesamt-Inverters auf ungefähr 7,5%, verglichen mit zusätzlichen Verlusten von 15% für sechs IGBT-Bauteile bei einer Auslegung für Kurzschlußbelastung. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß es möglich ist, drei für Kurzschlußbelastungen ausgelegte IGBT-Bauteile und drei einen hohen Wirkungsgrad aufweisende IGBT-Bauteile ohne gemeinsame Emitterwiderstände zu verwenden, um eine Schaltung mit ungefähr den gleichen Gesamtverlusten zu erzielen. Eine derartige Schal tung würde jedoch zwei unterschiedliche Arten von IGBT-Bauteilen erfordern und würde daher das angegebene Ziel der Erfindung nicht erreichen, die Notwendigkeit für kurzschlußfeste IGBT-Bauteile entfallen zu lassen.
4. Wenn ein Ohm'scher Strommeß-Reihenwiderstand einen Teil des gesamten Leistungsstranges ist, wie dies normalerweise für Ansteuerungen bis zu einigen Kilowatt der Fall ist, so kann der Reihenwiderstand (oder die Widerstände) die Doppelfunktion eines gemeinsamen Emitterwiderstandes für eine Kurzschlußstrom-Begrenzung und der Lieferung von Rückführungs-Stromsignalen übernehmen. Dies ist in den Fig. 4A und 4B gezeigt. Die vorliegende Erfindung macht es daher möglich, einen hohen Wirkungsgrad aufweisende IGBT-Bauteile in vorhandenen Leistungs strängen einzusetzen, die einen einzelnen erdseitigen Reihen widerstand (oder einzelne "Vektor-Steuerungs"-Reihenwiderstände für die erdseitigen IGBT-Bauteile) einschließen, um eine Kurzschlußfestigkeit von 10 µs zu erzielen und um die Gesamt- Inverter-Verluste um ungefähr 15% für den gleichen Ausgangsstrom zu verringern.

Verschiedene Ausführungsformen der gemeinsamen Emitterwider stands-Schaltung der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:

1. Das bevorzugte Verfahren und die bevorzugte Schaltung besteht in der Verwendung eines vorhandenen Strommeß-Reihen widerstandes (oder von Reihenwiderständen), wenn derartige Reihenwiderstände bereits in dem Leistungsstrang vorhanden sind.
2. Eine alternative Ausführungsform besteht in der Ver wendung von Kontaktierungsdrähten mit dem gewünschten Wider stand.
3. Eine weitere Ausführungsform besteht in der Befestigung externer Dickfilm-Widerstände auf dem Substrat einer Leistungs strang-Leiterplatte.
4. Eine weitere Ausführungsform besteht in der Verwendung von Steckverbindungen von einer Leistungspegel-Schaltungsplatte zu einer getrennten Treiberschaltungsplatte mit dem gewünschten Widerstand.
5. Eine weitere Ausführungsform besteht in der Hinzufügung des gewünschten Widerstandes zu einer getrennten Treiber schaltungs-Leiterplatte.

Um geringere zusätzliche Verluste im Normalbetrieb und/oder eine vergrößerte Kurzschluß-Zeit zu erzielen, kann ein nicht linearer gemeinsamer Emitterwiderstand, mit einem niedrigen Widerstandswert bei normalem Betriebsstrom und einem höheren Wert bei Kurzschlußstrom in weiteren möglichen Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden. Ein derartiger nicht-linearer Widerstand kann auf folgende Weise realisiert werden:

1. Ein Polysilizium-Widerstand mit einem positiven Tempe raturkoeffizienten. Die durch den Kurzschlußstrom hervorgeru fene vergrößerte Temperatur würde einen höheren gemeinsamen Emitterwiderstand ergeben, wenn dies erforderlich ist, wodurch die Kurzschluß-Belastbarkeitszeit vergrößert würde. Der vergrößerte Widerstand bei einer höheren Betriebstemperatur würde weiterhin eine stärkere Begrenzung des Kurzschlußstromes ergeben, wenn der Fehler bei einer anfänglich hohen Betriebstemperatur auftritt.
2. Ein Bauteil mit einem Widerstand, der mit dem Strom an steigt, wie zum Beispiel ein Leistungs-MOSFET, beispielsweise ein 20 V-"HEXFET"-Leistungs-MOSFET, wie er von der Firma Inter national Rectifier Corporation hergestellt wird. Fig. 5 zeigt die Schaltungskonfiguration, bei der ein 20 V-HEXFET (beispiels weise ein HEXFET der Größe 1 und Generation 5) den gemeinsamen Emitter-Widerstand für ein einen hohen Wirkungsgrad aufweisen des IGBT-Bauteil (beispielsweise einen 600 V-IGBT mit hohem Wirkungsgrad der Größe 4 und Generation 4) bildet. Der Kurz schlußstrom des IGBT ist auf den des HEXFET beschränkt. Somit wird in dem Beispiel nach Fig. 5 dem einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden IGBT-Bauteil eine Kurzschlußfestigkeitszeit von ungefähr 15 µs verliehen. Weil die Fläche des HEXFET-Halbleiter plättchens ungefähr 15% der Fläche des IGBT-Bauteils beträgt, trägt der zusätzliche HEXFET nicht zu wesentlichen zusätzlichen Kosten bei. Es sei bemerkt, daß es bei der in Fig. 5 gezeigten Konfiguration möglich ist, Ansteuerimpulse lediglich dem IGBT-Bauteil oder lediglich dem HEXFET zuzuführen, wobei lediglich eine feste Spannung von 15 V an die Gate-Elektrode des jeweils anderen Bauteils angelegt wird.

Wie dies weiter oben erwähnt wurde, kann ein einzelner gemein samer Emitterwiderstand oder einzelne Emitterwiderstände aus schließlich für die erdseitigen IGBT-Bauteile eines Drei-Phasen- Inverters verwendet werden, um alle sechs IGBT-Bauteile gegen einen Leitungs-/Leitungs-Ausgangs-Kurzschluß zu schützen. Dies ergibt sich daraus, weil ein Leitungs-/Leitungs-Kurzschluß strom durch einen erdseitigen und einen spannungsseitigen IGBT in Serie fließt. Ein Leitungs-/Leitungs-Kurzschluß-Schutz für das spannungsseitige IGBT-Bauteil wird damit durch die Strom begrenzungswirkung des erdseitigen IGBT-Bauteils erzielt.

Die Verwendung von gemeinsamen Emitterwiderständen für ledig lich die spannungsseitigen IGBT-Bauteile ergibt ebenfalls einen vollständigen Schutz des Inverters gegen Leitungs-/Leitungs- Kurzschlüsse. Wenn jedoch ein Reihenwiderstand oder Reihenwider stände bereits in dem erdseitigen Teil der Schaltung vorhanden sind, ist es einfacher und wirtschaftlicher, derartige vorhande ne Bauteile als den gemeinsamen Emitterwiderstand zu verwenden.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei bestimmten Arten von Fehlern es möglich ist, daß ein Fehlerstrom lediglich durch die spannungsseitigen IGBT-Bauteile fließt, wobei in diesem Fall die erdseitigen IGBT-Bauteile nicht in der Lage sind, den Strom in dem spannungsseitigen Schaltungsteil zu begrenzen. Zwei Arten von Fehlern, die zu Kurzschlußströmen ausschließlich in den spannungsseitigen IGBT-Bauteilen führen können, sind wie folgt:

Fehler vom Typ 1: Erdfehler am Ausgang des Inverters.
Fehler vom Typ 2: Versehentliche externe Verbindung, die zu einem Kurzschluß von einem Wechselspannungs-Aus gangsanschluß zu dem negativen Versorgungsleitungs- Anschluß N führt.

Beide dieser Arten von Fehlern können ohne Rückgriff auf gemeinsame Emitterwiderstände für die spannungsseitigen IGBT-Bauteile behandelt werden. Speziell können Fehler vom Typ 1 fast immer von IGBT-Bauteilen mit hohem Wirkungsgrad für eine Zeitdauer von 10 µs oder mehr ohne zusätzliche Schutzein richtungen aufgenommen werden. Wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, ist, weil der Pfad für den Erdfehlerstrom durch die Eingangs- Leistungsversorgungs-Impedanz verläuft, die Anstiegsgeschwindig keit und die mögliche Amplitude des Erdfehlerstroms sehr stark durch die Impedanz der Wechselspannungs-Eingangsleitung begrenzt. Der eine relativ niedrige Amplitude aufweisende Erdfehlerstrom beschädigt IGBT-Bauteile mit einem hohen Wirkungsgrad nicht innerhalb einer Abschaltperiode von 10 µs.

Fehler vom Typ 2 haben schwerwiegendere Folgen, weil der Fehler strom von dem eine niedrige Impedanz aufweisenden Versorgungs leitungs-Kondensator über die spannungsseitigen IGBT-Bauteile zum negativen Versorgungsleitungs-Anschluß N fließt. Die Not wendigkeit von gemeinsamen Emitterwiderständen für die spannungsseitigen IGBT-Bauteile für diese Art von Fehler kann durch folgende Maßnahmen vermieden werden:

a) Der Zugang des Benutzers an den negativen Versorgungs leitungs-Anschluß N wird verhindert. Der Grund für die Schaffung eines externen Zuganges an die negative Versorgungsleitung N besteht darin, daß ein Verbindungspunkt für eine wahlweise verwendete externe Bremsschaltung geschaffen wird. Leistungs stränge, die einen internen Bremstransistor aufweisen, erfordern damit keinen von außen zugänglichen N-Anschluß. Es besteht immer noch die Möglichkeit, daß ein Benutzer eine Fehlverdrah tung eines Wechselspannungs-Anschlusses des Inverters mit dem Bremsanschluß herstellen könnte, doch ergibt dann das Brems- IGBT-Bauteil mit seinem eigenen Emitterwiderstand einen Kurz schlußschutz für die spannungsseitigen IGBT-Bauteile
b) Der spannungsseitige Versorgungsleitungs-Stromdetektor kann so ausgelegt werden, daß zwischen Leitungs-/Leitungs- Fehlern und Fehlern vom Typ 2 unterschieden wird, wobei die letzteren zu einem wesentlich höheren Kurzschlußstrom aufgrund der höheren effektiven Verstärkung der spannungsseitigen IGBT-Bauteile führen, die keine gemeinsamen Emitterwiderstände haben. Beispielsweise kann die spannungsseitige Versorgungsleitung mit einer Widerstands-/Optokoppler-Schaltung versehen sein, die so ausgelegt ist, daß sie zwischen Leitungs-/Leitungs-Fehlern und den zu einem höheren Strom führenden Fehlern des Typs 2 unter scheidet. Die Widerstands-/Optokoppler-Detektorschaltung ist so ausgelegt, daß sie langsamer auf Leitungs-/Leitungs-Fehler anspricht, als die erdseitige Fehler-Detektorschaltung, so daß die letztere die Abschaltzeit für einen Leitungs-/Leitungs- Fehler kontrolliert.

Die spannungsseitige Detektorschaltung ist vorzugsweise so aus gelegt, daß sie so schnell wie möglich auf die eine höhere Amplitude aufweisenden Fehler des Typs 2 anspricht, so daß sie den Inverter abschaltet und die spannungsseitigen IGBT-Bauteile so schnell wie möglich schützt, beispielsweise inner halb von 1 oder 2 µs.

Ein grundlegendes Schaltbild des spannungsseitigen Fehler detektors ist in Fig. 7 gezeigt. Für einen Leitungs-/Leitungs- Kurzschluß reicht die längs R_S abfallende Spannung nicht aus, damit eine Zener-Diode Z (oder irgendeine andere Art einer Schwellenwert-Diode) leitet. Der Kondensator C lädt sich über den Widerstand R1 auf. Die Zeitkonstante von R1 und C ist derart, daß der Optokoppler während der Auslösezeit, die durch die untere (nicht gezeigte) Detektorschaltung festgelegt ist, kein Ausgangssignal liefert. Es sei bemerkt, daß gegebenen falls keine Zener-Dioden mit einer ausreichend niedrigen Schwellenwertspannung zur Verfügung stehen, wobei in diesem Fall die Zener-Diode Z durch zwei oder drei in Serie geschal tete Dioden, oder möglicherweise eine Leuchtdiode, ersetzt werden kann, die einen Schwellenwert von ungefähr 2 V hat.

Für einen eine hohe Amplitude aufweisenden Fehler vom Typ 2 reicht die längs R_S abfallende Spannung aus, damit die Diode Z leitet. Der Kondensator c lädt sich nunmehr schnell über den Widerstand R2 auf, der einen wesentlich niedrigeren Widerstandswert als der Widerstand R1 hat. Der Optokoppler liefert einen Auslöseimpuls innerhalb von 1 oder 2 µs, wodurch die oberen IGBT-Bauteile geschützt werden. Die Auslösezeit von 1 oder 2 µs ausschließlich für Fehler vom Typ 2 sollte vollständig störungsfrei sein, wodurch "Fehlauslösungs"- Probleme bei sehr kurzen Abschaltzeiten für diese Art von Fehlern vermieden werden.

Für normale Pegel des Fehlerstromes hat die spannungsseitige Auslöseschaltung tatsächlich eine größere Filterwirkung und eine größere Störunempfindlichkeit, als die untere Auslöse schaltung. Eine schnelle Auslösung kann lediglich durch einen abnormal hohen Strom in dem oberen Reihenwiderstand eingeleitet werden, der als solcher lediglich durch einen tatsächlichen Fehler vom Typ 2 hervorgerufen werden kann.

c) Es wird eine Schaltung hinzugefügt, die eine niedrige Impedanz zwischen irgendeinem Wechselspannungs-Ausgangsanschluß und dem negativen Versorgungsleitungs-Anschluß N feststellt, um das Auftreten eines Fehlers vom Typ 2 aufgrund einer Fehl verdrahtung zwischen den Anschlüssen festzustellen, bevor der Inverter mit Leistung versorgt wird. Wenn eine niedrige Impedanz von einem der Anschlüsse U, V oder W zum Anschluß N während der Leistungs-Einschaltperiode festgestellt wird, während der die Gate-Elektroden der IGBT-Bauteile noch gesperrt sind, wird die Sperrung der Treiberschaltung (und damit des Treibersignals an die Gate-Elektroden der IGBT-Bauteile) am Ende der Leistungs- Einschaltfolge aufrechterhalten, wodurch das Entstehen eines Fehlers vom Typ 2 verhindert wird. Eine grundlegende schaltungs mäßige Auslegung ist in Fig. 8 gezeigt.

Die vorliegende Erfindung ergibt in den verschiedenen vor stehend beschriebenen Ausführungsformen eine Möglichkeit zur Konzentrierung der Herstellung auf ausschließlich IGBT-Bauteile mit hohem Wirkungsgrad, mit allen Folgen hinsichtlich der Kosteneinsparungen, die sich hieraus ergeben.

Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Ausfüh rungsformen beschrieben wurde, sind vielfältige Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen.

Claims

1. Schutzschaltung zum Schutz eines einen hohen Wirkungs grad aufweisenden IGBT-Bauteils in einer Motor-Steuergeräte- Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Emitterwiderstand in Serie mit dem einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden IGBT-Bauteil vorgesehen ist, um die Kurzschlußfestigkeit des IGBT-Bauteils zu vergrößern.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motor-Steuergeräteschaltung einen dreiphasigen Inverter für die Motorsteuerung mit sechs einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden IGBT-Bauteilen aufweist, und daß jeweilige getrennte gemeinsame Emitterwiderstände in Serie mit drei von den sechs IGBT-Bauteilen vorgesehen sind.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, bei der der gemeinsame Emitterwiderstand durch einen einzigen Reihenwiderstand gebildet ist, der auf der erdseitigen Versor gungsspannungsleitung der dreiphasigen Inverter-Motor-Steuer geräteschaltung vorgesehen ist, und daß der gemeinsame Emitter widerstand die Doppelfunktion der Schaffung eines gemeinsamen Emitterwiderstandes zur Kurzschlußstrombegrenzung sowie der Bildung eines Ohm'schen Strommeß-Reihenwiderstandes für eine Stromsignal-Rückführung erfüllt.

4. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Emitter widerstand Kontaktierungsdrähte mit dem gewünschten Widerstand umfaßt.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine Verbindungsein richtung von einer Leistungsstrang-Leiterplatte zu einer getrennten Treiber-Leiterplatte einschließt, und daß der gemeinsame Emitterwiderstand: (i) auf der getrennten Treiber- Leiterplatte angeordnet ist, (ii) einen Dickfilm-Widerstand einschließt, der auf der Leistungsstrang-Leiterplatte ange ordnet ist, oder (iii) die Verbindungseinrichtung mit einem gewünschten Widerstand einschließt.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Emitterwiderstand durch einen nichtlinearen Widerstand gebildet ist, der einen niedrigen Widerstandswert bei einem normalen Betriebsstrom und einen höheren Widerstandswert bei einem Kurzschlußstrom aufweist.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Widerstand durch einen Leistungs-MOSFET-Transistor gebildet ist.

8. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiphasen-Inverter-Motorsteuer geräteschaltung mit einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden IGBT-Bauteilen sowohl in dem spannungsseitigen als auch dem erd seitigen Teil der Schaltung ausgebildet ist, und daß die Schaltung weiterhin einen Stromdetektor zur Feststellung eines Kurzschlusses zwischen einem Wechselspannungs-Ausgangsanschluß und dem erdseitigen Versorgungsleitungsanschluß N auf dem spannungsseitigen Teil der Steuergeräte-Schaltung aufweist.

9. Schutzschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdetektor zur Feststellung eines Kurzschlusses zwischen einem Wechselspannungs-Ausgangs anschluß und dem erdseitigen Versorgungsleitungsanschluß eine Schwellenwert-Diode einschließt, die eine relativ schnelle Ladung eines Kondensators über einen Widerstand mit einem relativ niedrigen Widerstandswert bei Vorhandensein eines derartigen Fehlers ermöglicht, während sich eine relativ lang same Aufladung über einen Widerstand mit einem relativ hohen Widerstandswert bei Fehlen eines derartigen Fehlers ergibt.

10. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils getrennten Emitterwider stände Vektorsteuerungs-Reihenwiderstände für die drei der sechs IGBT-Bauteile auf dem erdseitigen Schaltungsteil des Dreiphasen-Inverters umfassen, und daß die Motor-Steuergeräte schaltung weiterhin einen Stromdetektor mit einer Vielzahl von Vergleichern zur Feststellung einer niedrigen Impedanz zwischen irgendeinem Wechselspannungs-Ausgangsanschluß der dreiphasigen Inverterschaltung und einer erdseitigen Versor gungsspannungsleitung umfaßt.