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WO1991007013A1 - Protective circuit for an igbt transistor - Google Patents

Protective circuit for an igbt transistor Download PDF

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WO1991007013A1
WO1991007013A1 PCT/DE1989/000694 DE8900694W WO9107013A1 WO 1991007013 A1 WO1991007013 A1 WO 1991007013A1 DE 8900694 W DE8900694 W DE 8900694W WO 9107013 A1 WO9107013 A1 WO 9107013A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
igbt transistor
circuit
gate
collector
overvoltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1989/000694
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Zwanziger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to PCT/DE1989/000694 priority Critical patent/WO1991007013A1/en
Publication of WO1991007013A1 publication Critical patent/WO1991007013A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches

Definitions

  • the invention relates to a protective circuit for an IGBT transistor with a load current monitoring circuit, a control element and a control stage, consisting of a potential-separating control converter and a first and second switching stage, which on the one hand via the control element from the load current monitoring circuit and on the other hand via the Control converters can be controlled by a control signal, as a result of which the gate of the IGBT transistor can in each case be connected via a resistor to a positive or negative voltage based on the emitter potential of the IGBT transistor.
  • IGBT transistors insulated-aipolar transistor
  • ABB Power Semiconductors which can be Switched Off, Technical Information at a Technical Press Conference on June 6, 1988 in Kunststoff.
  • Applications of IGBT transistor modules are described for example in the magazine “etz, Volume 110, 1989, Issue 10, pages 464 to 471 and pages 472 to 477".
  • a component-specific property of the IGBT transistors is the current drop time when switching off, which is almost independent of the collector current. If constant control conditions are assumed, when a fault current is switched off, which can assume n times the nominal collector current, the overvoltage at the parasitic inductance increases by n times the nominal collector-emitter overvoltage compared to operation under nominal conditions. This increased switch-off overvoltage can lead to failure of the IGBT transistor if a certain voltage value is exceeded (safe working area; RBSOA). Because commercially available
  • IGBT transistors are able to withstand high collector currents
  • a protective circuit which can be gathered from the preamble of claim 1 is known (European patent application No. 89116976.5; GR 88 P 3411 E) and commercially available.
  • This known protective circuit has a further switching stage, as a result of which the gate of the IGBT transistor can be connected to the negative voltage via a resistor.
  • the value of the second resistor also called the turn-off resistor, is chosen to be greater than the value of the first turn-off resistor, as a result of which the turn-off speed of the IGBT transistor is reduced in the event of an overload compared to the regular drop rate.
  • the circuit breaker is switched off by means of an increased tripping resistance in the case of rated operation and overload operation. Due to the larger value of this tripping resistance, the tripping loss power of the circuit breaker increases, as a result of which the efficiency of the device equipped with the circuit breaker deteriorates, but a critical time slot does not occur.
  • the invention is based on the object of improving the protective circuit of the type mentioned at the outset such that an overvoltage which arises as a result of switching off is limited without the aid of the control stage.
  • the gate of the IGBT transistor is connected to its collector by means of an active overvoltage limiter circuit, its Breakdown voltage value greater than an operational, maximum shutdown overvoltage value, but less than a maximum blocking capability of the IGBT transistor is selected.
  • a series circuit comprising a decoupling diode and at least one Zener diode can be provided as the overvoltage limiter circuit. It is thereby achieved that the collector-gate voltage is limited to a predetermined voltage value in the case of positive voltage values and is blocked for negative voltage values.
  • the active overvoltage limiter circuit By using the active overvoltage limiter circuit with a predetermined breakdown voltage value, the overvoltage generated by switching off the overcurrent or short-circuit current and the parasitic inductance is limited.
  • the Zener diodes are turned on and a current flows through the overvoltage limiter circuit and the gate resistor to the negative voltage.
  • the gate-emitter voltage specified as negative for switching off is raised until the IGBT transistor is driven into the active region. This process lasts until the energy stored in the parasitic inductance is reduced.
  • FIG 1 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a schematic basic circuit diagram of the protective circuit according to the invention.
  • An IGBT transistor 2 is connected on the collector side to a supply voltage + U-.
  • This IGBT transistor 2 and an IGBT transistor 3 form a bridge branch of a bridge circuit of a converter, the emitter E of the IGBT transistor 2 being connected to a collector of the second IGBT transistor 3 of the bridge branch.
  • the second IGBT transistor 3 of the bridge branch is shown without a protective circuit.
  • An intermediate circuit feeding the converter can also be provided as the supply voltage source + U-.
  • a load which is not shown for reasons of clarity, can be connected to the collector C of the IGBT transistor 3 or to the emitter E of the IGBT transistor 2.
  • a collector-emitter monitor 6 is connected to the collector C of the IGBT transistor 2 via a decoupling diode 4, its gate G is linked directly to a gate-emitter monitor 8.
  • the collector-emitter monitoring 6 and the gate-emitter monitoring 8 are connected to one another by means of an OR gate 10. These two monitors 6 and 8 and the OR gate 10 together form a structural unit 12, also called a load current monitoring circuit 12.
  • the IGBT transistor 2 can also be provided only with the collector-emitter monitoring 6 or with the gate-emitter monitoring 8, without it having an influence on the protective circuit according to the invention Has.
  • the gate G of the IGBT transistor 2 there is also a positive voltage + U V via a resistor R G0 and a switching stage 14 or a resistor Rp and a switching stage 16 a negative voltage -U v or zero voltage Volt can be switched on based on emitter potential.
  • the positive or negative voltage supply is activated by a potential-isolating converter 20 via the switching stages 14 and 16, which are effective for regular switching operation.
  • a digital-to-analog converter with potential isolation is provided for this.
  • a control signal with a line 22 from a speed control or a higher-level control is fed to this converter 20, the speed control or the higher-level control not being shown for reasons of clarity.
  • the switching stages 14 and 16 are linked to a control element 24.
  • the output signal of the 0DER gate 10 of the load current monitoring circuit 12 is fed to this control element 24.
  • the IGBT transistor 2 were provided either only with the collector-emitter monitoring 6 or only with the gate-emitter monitoring 8, the output of the monitoring 6 or 8 would be directly with the Input of the control element 24 linked.
  • the control element 24 is designed, for example, as a logic switching device, so that in the event of an overload or in the event of a short circuit, the switching stage 14 is blocked and the switching stage 16 is released.
  • the zero potential of this control element 24 is the emitter potential of the IGBT transistor 2.
  • the gate G of the IGBT transistor 2 is linked to the collector C of the IGBT transistor 2 by means of an overvoltage limiter circuit 26.
  • the overvoltage limiter circuit 26 consists of a series connection of a decoupling diode 28 and at least one Z diode 30.
  • the decoupling diode 28 is connected on the cathode side to the gate G and the Z diode 30 on the cathode side to the collector C of the IGBT transistor 2.
  • the value of the breakdown voltage U. can be determined by the number of Z diodes 30 and by the selection of Z diodes 30. be predetermined.
  • the parasitic inductance of the circuit arrangement is shown as inductance L j j-.
  • the collector-gate voltage is limited to a predetermined voltage value for positive voltage values and blocked for negative voltage values.
  • the Z diode 30 or Z diodes become conductive, a current flows via the overvoltage limiter circuit and the gate resistor R ⁇ - to the negative voltage source -LA.
  • the gate-emitter voltage which is negatively predetermined for switching off, is raised until the IGBT transistor 2 is controlled in the active region.
  • the energy stored in the parasitic inductance L 1 can flow off via the IGBT transistor 2.
  • the control stage consisting of the control converter 20 and a first and second resistive current path R GQ , 14, R p ,, 16, can be dimensioned such that the efficiency of the switch 2 and thus the converter is largest, although the overvoltage that occurs is automatically limited.

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Abstract

The invention relates to a protective circuit for an IGBT transistor (2) with a load current monitoring circuit (12), a control member (24) and a driver stage, consisting of a potential-separating drive transformer (20) and a first and second drivable current path (RGO, 14; RGI, 16) drivable on the one hand via the control member (24) of the load current monitoring circuit (12) and on the other via the drive transformer (20) by a control signal, whereby the gate (G) of the IGBT transistor (2) can be connected via a resistor (RGO, RGI) to a positive or negative voltage (+UV or -UV) in relation to the emitter potential of the IGBT transistor (2). According to the invention, the gate (G) of the IGBT transistor (2) is connected via an active overvoltage limiting circuit (26) to its collector (C), whereby its breakdown voltage (UAÜ) may be set above an operative maximum switch-off overvoltage (UAÜn) but below a maximum blocking capacity (USS) of the IGBT transistor. This provides a protective circuit for an IGBT transistor (2) with optimum drive and automatic overvoltage limitation.

Description

Schutzschaltung für einen IGBT-Transistor Protection circuit for an IGBT transistor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für einen IGBT-Transistor mit einer Laststromüberwachungsschaltung, einem Steuerglied und einer Ansteuerstufe, bestehend aus einem poten¬ tialtrennenden Ansteuerwandler und einer ersten und zweiten Schaltstufe, die einerseits über das Steuerglied von der Last¬ stromüberwachungsschaltung und andererseits über den Ansteuer¬ wandler von einem Steuersignal ansteuerbar sind, wodurch das Gate des IGBT-Transistors jeweils über einen Widerstand mit einer positiven bzw. negativen Spannung bezogen auf Emitter¬ potential des IGBT-Transistors verbindbar ist.The invention relates to a protective circuit for an IGBT transistor with a load current monitoring circuit, a control element and a control stage, consisting of a potential-separating control converter and a first and second switching stage, which on the one hand via the control element from the load current monitoring circuit and on the other hand via the Control converters can be controlled by a control signal, as a result of which the gate of the IGBT transistor can in each case be connected via a resistor to a positive or negative voltage based on the emitter potential of the IGBT transistor.

Die Funktionsweise von IGBT-Transistoren (IGBT = jnsulated- ate- Elipolar-Transistor) ist beispielsweise in der Druckschrift "ABB, Abschaltbare Leistungshalbleiter, Technische Information anlä߬ lich einer Fachpressetagung am 06.06.1988 in München" beschrie¬ ben. Anwendungen von IGBT-Transistormodulen sind beispielsweise in der Zeitschrift "etz, Band 110, 1989, Heft 10, Seiten 464 bis 471 und den Seiten 472 bis 477" beschrieben. Eine bauele¬ mentespezifische Eigenschaft der IGBT-Transistoren ist die vom Kollektorstrom nahezu unabhängige Stromfallzeit beim Abschalten. Werden konstante Ansteuerbedingungen vorausgesetzt, so erhöht sich beim Abschalten eines Fehlerstromes, der das n-fache des Nennkollektorstromes annehmen kann, die Überspannung an der parasitären Induktivität um das n-fache der Kollektor-Emitter- Nennüberspannung gegenüber dem Betrieb bei Nennbedingungen. Diese erhöhte Abschaltüberspannung kann bei Überschreiten eines bestimmten Spannungswertes (sicherer Arbeitsbereich; RBSOA) zum Ausfall des IGBT-Transistors führen. Da im Handel erhältlicheThe way in which IGBT transistors (IGBT = insulated-aipolar transistor) work is described, for example, in the publication "ABB, Power Semiconductors which can be Switched Off, Technical Information at a Technical Press Conference on June 6, 1988 in Munich". Applications of IGBT transistor modules are described for example in the magazine "etz, Volume 110, 1989, Issue 10, pages 464 to 471 and pages 472 to 477". A component-specific property of the IGBT transistors is the current drop time when switching off, which is almost independent of the collector current. If constant control conditions are assumed, when a fault current is switched off, which can assume n times the nominal collector current, the overvoltage at the parasitic inductance increases by n times the nominal collector-emitter overvoltage compared to operation under nominal conditions. This increased switch-off overvoltage can lead to failure of the IGBT transistor if a certain voltage value is exceeded (safe working area; RBSOA). Because commercially available

IGBT-Transistoren in der Lage sind, auch hohe KollektorströmeIGBT transistors are able to withstand high collector currents

( u„m,„aux ung3efähr 16 x IMM„neβrnιrn kurzzeitig=", beisp rielsweise einig3e μsec, zerstörungsfrei führen können, muß die beim Abschalten dieser hohen Ströme die entstehende Abschaltüberspannung be- grenzt.werden.(U "m," a u x ung 3 efähr 16 x I M M "ne βr n ιr n briefly =" r Ex ielsweise agree 3 e microseconds, can cause non-destructively, the resulting switching overvoltage during turn-off of these high currents must be - be limited.

Eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entnehmbare Schutzschal¬ tung ist bekannt (europäische Patentanmeldung Nr. 89116976.5; GR 88 P 3411 E) und im Handel erhältlich. Diese bekannte Schutz¬ schaltung weist eine weitere Schaltstufe auf, wodurch das Gate des IGBT-Transistors über einen Widerstand mit der negativen Spannung verbindbar ist. Der Wert des zweiten Widerstandes, auch Abschaltwiderstand genannt, ist größer gewählt als der Wert des ersten Abschaltwiderstandes, wodurch die Abschaltge¬ schwindigkeit des IGBT-Transistors im Überlastfall gegenüber der regulären Abfallgeschwindigkeit reduziert wird. Dadurch ist eine Schutzschaltung für einen IGBT-Transistor entstanden, wo- durch im Kurzschlußfall eine angepaßte Abschaltung erfolgt, ohne daß der IGBT-Transistor durch eine zu hohe Überspannung gefährdet wird.A protective circuit which can be gathered from the preamble of claim 1 is known (European patent application No. 89116976.5; GR 88 P 3411 E) and commercially available. This known protective circuit has a further switching stage, as a result of which the gate of the IGBT transistor can be connected to the negative voltage via a resistor. The value of the second resistor, also called the turn-off resistor, is chosen to be greater than the value of the first turn-off resistor, as a result of which the turn-off speed of the IGBT transistor is reduced in the event of an overload compared to the regular drop rate. This has resulted in a protective circuit for an IGBT transistor, which means that in the event of a short circuit, an adapted shutdown takes place without the IGBT transistor being endangered by an excessive voltage.

Da bei dieser Schutzschaltung der Kurzschlußfall mittels einer Laststromüberwachungsschaltung erst erkannt werden muß, worauf dann mittels des Steuergliedes die Abschaltung eingeleitet wird, entsteht eine Zeitspanne bzw. ein kritischer Zeitschlitz, be¬ dingt durch die Totzeit der schaltungstechnischen Sondermaßnah¬ men, in der bzw. in dem der IGBT-Transistor nicht geschützt werden kann.Since in this protective circuit the short-circuit case must first be detected by means of a load current monitoring circuit, whereupon the shutdown is then initiated by means of the control element, a time span or a critical time slot arises, due to the dead time of the special circuit measures, in or in which the IGBT transistor cannot be protected.

Bei einer weiteren Schutzvarianten wird bei Nennbetrieb und bei Überlastbetrieb der Leistungsschalter mittels eines erhöhten Abschaltwiderstandes abgeschaltet. Bedingt durch den größeren Wert dieses Abschaltwiderstandes erhöht sich die Abschaltverlust¬ leistung des Leistungsschalters, wodurch sich der Wirkungsgrad des mit dem Leistungsschalter ausgerüsteten Gerätes verschlech¬ tert, jedoch ein kritischer Zeitschlitz nicht auftritt.In the case of a further protection variant, the circuit breaker is switched off by means of an increased tripping resistance in the case of rated operation and overload operation. Due to the larger value of this tripping resistance, the tripping loss power of the circuit breaker increases, as a result of which the efficiency of the device equipped with the circuit breaker deteriorates, but a critical time slot does not occur.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Schutzschal¬ tung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine durch Abschalten entstehende Überspannung ohne Hilfe der Ansteuerstufe begrenzt wird.The invention is based on the object of improving the protective circuit of the type mentioned at the outset such that an overvoltage which arises as a result of switching off is limited without the aid of the control stage.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gate des IGBT-Transistors mittels einer aktiven Überspannungsbegren¬ zerschaltung mit seinem Kollektor verbunden ist, wobei dessen Durchbruchspannungswert größer als ein betriebsmäßiger, maxi¬ maler Abschaltüberspannungswert, jedoch kleiner als eine maxi¬ male Sperrfähigkeit des IGBT-Transistors gewählt wird.This object is achieved in that the gate of the IGBT transistor is connected to its collector by means of an active overvoltage limiter circuit, its Breakdown voltage value greater than an operational, maximum shutdown overvoltage value, but less than a maximum blocking capability of the IGBT transistor is selected.

Als Überspannungsbegrenzerschaltung kann eine Reihenschaltung aus einer Entkopplungsdiode und wenigstens einer Z-Diode vor¬ gesehen sein. Dadurch wird erreicht, daß die Kollektor-Gate- Spannung bei positiven Spannungswerten auf einen vorbestimmten Spannungswert begrenzt und für negative Spannungswerte gesperrt wird.A series circuit comprising a decoupling diode and at least one Zener diode can be provided as the overvoltage limiter circuit. It is thereby achieved that the collector-gate voltage is limited to a predetermined voltage value in the case of positive voltage values and is blocked for negative voltage values.

Aus der Zeitschrift "Siemens Components 22, 1984, Heft 4, Sei¬ ten 157 bis 159" ist bereits eine Überspannungsbegrenzerschal¬ tung für SIPMOS-Transistoren bekannt, womit der SIPMOS-Transi- stör gegen in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen auftretenden Über¬ spannungen und Störspannungsspitzen geschützt werden soll.An overvoltage limiter circuit for SIPMOS transistors is already known from the magazine "Siemens Components 22, 1984, volume 4, pages 157 to 159", with which the SIPMOS transistor interferes with overvoltages and interference voltage peaks occurring in vehicle electrical systems should be protected.

Durch die Verwendung der aktiven Überspannungsbegrenzerschal¬ tung mit vorbestimmten Durchbruchspannungswert wird die durch das Abschalten von Über- bzw. Kurzschlußstrom und der parasitä¬ ren Induktivität erzeugte Überspannung begrenzt. In diesem Fall werden die Z-Dioden leitend gesteuert und ein Strom fließt über die Überspannungsbegrenzerschaltung und den Gatewiderstand zur negativen Spannung. Dadurch wird die zum Abschalten negativ vor- gegebene Gate-Emitter-Spannung soweit angehoben bis der IGBT- Transistor in den aktiven Bereich gesteuert wird. Dieser Vor¬ gang dauert solange bis die in der parasitären Induktvität ge¬ speicherte Energie abgebaut ist. Außerdem tritt kein kritischer Zeitschlitz für den IGBT-Transistor mehr auf, da eine beim Ab- schalten des IGBT-Transistors erzeugte Abschaltüberspannung, die zusätzlich durch einen im Abschaltaugenblick auftretenden Kurzschluß noch erhöht werden kann, durch die aktive Überspan¬ nungsbegrenzerschaltung automatisch begrenzt wird. Ferner kann nun die Ansteuerstufe für den besten Wirkungsgrad des Leistungs- Schalters ausgelegt werden.By using the active overvoltage limiter circuit with a predetermined breakdown voltage value, the overvoltage generated by switching off the overcurrent or short-circuit current and the parasitic inductance is limited. In this case, the Zener diodes are turned on and a current flows through the overvoltage limiter circuit and the gate resistor to the negative voltage. As a result, the gate-emitter voltage specified as negative for switching off is raised until the IGBT transistor is driven into the active region. This process lasts until the energy stored in the parasitic inductance is reduced. In addition, there is no longer a critical time slot for the IGBT transistor, since a switch-off overvoltage generated when the IGBT transistor is switched off, which can additionally be increased by a short circuit which occurs at the moment of the switch-off, is automatically limited by the active overvoltage limiter circuit. Furthermore, the control stage can now be designed for the best efficiency of the circuit breaker.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen 2 bis 4 zu entnehmen. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Schutz¬ schaltung für einen IGBT-Transistor nach der Erfindung schema¬ tisch veranschaulicht ist.Advantageous refinements can be found in subclaims 2 to 4. To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which an exemplary embodiment of a protective circuit for an IGBT transistor according to the invention is schematically illustrated.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßenFigure 1 shows an embodiment of the invention

Schutzschaltung und in Figur 2 sind Strom- und Spannungsverläufe des IGBT-Transistors in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt.Protection circuit and in Figure 2 current and voltage profiles of the IGBT transistor are shown in a diagram over time t.

In der Figur 1 ist ein schematisiertes Grundschaltbild der er¬ findungsgemäßen Schutzschaltung dargestellt. Dabei ist ein IGBT- Transistor 2 kollektorseitig an eine Versorgungsspannung +U-, angeschlossen. Dieser IGBT-Transistor 2 und ein IGBT-Transistor 3 bilden einen Brückenzweig einer Brückenschaltung eines Strom¬ richters, wobei der Emitter E des IGBT-Transistors 2 mit einem Kollektor des zweiten IGBT-Transistors 3 des Brückenzweiges verbunden ist. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist der zweite IGBT-Transistor 3 des Brückenzweiges ohne Schutzschaltung dar¬ gestellt. Als Versorgungsspannungsquelle +U-, kann auch ein den Stromrichter speisender Zwischenkreis vorgesehen sein.1 shows a schematic basic circuit diagram of the protective circuit according to the invention. An IGBT transistor 2 is connected on the collector side to a supply voltage + U-. This IGBT transistor 2 and an IGBT transistor 3 form a bridge branch of a bridge circuit of a converter, the emitter E of the IGBT transistor 2 being connected to a collector of the second IGBT transistor 3 of the bridge branch. For reasons of clarity, the second IGBT transistor 3 of the bridge branch is shown without a protective circuit. An intermediate circuit feeding the converter can also be provided as the supply voltage source + U-.

Wenn der IGBT-Transistor 2 einer von beispielsweisen sechs Schalttransistoren eines nicht näher dargestellten Stromrichters ist, kann eine Last, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist, am Kollektor C des IGBT-Transistors 3 bzw. am Emitter E des IGBT-Transistors 2 angeschlossen sein. Über eine Entkopplungsdiode 4 ist eine Kollektor-Emitter-Überwachung 6 mit dem Kollektor C des IGBT-Transistors 2 verbunden, sein Gate G ist direkt mit einer Gate-Emitter-Überwachung 8 verknüpft. Ausgangsseitig ist die Kollektor-Emitter-Überwachung 6 und die Gate-Emitter-Überwachung 8 mittels eines ODER-Gatters 10 mit¬ einander verbunden. Diese beiden Überwachungen 6 und 8 und das ODER-Gatter 10 bildet zusammen eine Baueinheit 12, auch Last- stromüberwachungsschaltung 12 genannt. Jedoch kann der IGBT- Transistor 2 auch nur mit der Kollektor-Emitter-Überwachung 6 bzw. mit der Gate-Emitter-Überwachung 8 versehen sein, ohne daß sie einen Einfluß auf die erfindungsgemäße Schutzschaltung hat. An das Gate G des IGBT-Transistors 2 ist außerdem noch über einen Widerstand RG0 und eine Schaltstufe 14 eine positive Span¬ nung +UV bzw. über einen Widerstand Rp, und eine Schaltstufe 16 eine negative Spannung -Uv bzw. Spannung Null Volt bezogen auf Emitterpotential anschaltbar.If the IGBT transistor 2 is one of, for example, six switching transistors of a converter (not shown in detail), a load, which is not shown for reasons of clarity, can be connected to the collector C of the IGBT transistor 3 or to the emitter E of the IGBT transistor 2. A collector-emitter monitor 6 is connected to the collector C of the IGBT transistor 2 via a decoupling diode 4, its gate G is linked directly to a gate-emitter monitor 8. On the output side, the collector-emitter monitoring 6 and the gate-emitter monitoring 8 are connected to one another by means of an OR gate 10. These two monitors 6 and 8 and the OR gate 10 together form a structural unit 12, also called a load current monitoring circuit 12. However, the IGBT transistor 2 can also be provided only with the collector-emitter monitoring 6 or with the gate-emitter monitoring 8, without it having an influence on the protective circuit according to the invention Has. At the gate G of the IGBT transistor 2 there is also a positive voltage + U V via a resistor R G0 and a switching stage 14 or a resistor Rp and a switching stage 16 a negative voltage -U v or zero voltage Volt can be switched on based on emitter potential.

Die positive bzw. die negative Spannungsversorgung wird über die für den regulären Schaltbetrieb wirksamen Schaltstufen 14 bzw. 16 von einem potentialtrennenden Wandler 20 aktiviert. Für die- sen ist ein Digital-Analog-Wandler mit Potentialtrennung vorge¬ sehen. Diesem Wandler 20 wird ein Steuersignal mit einer Leitung 22 aus einer Drehzahl-Regelung bzw. einer übergeordneten Steue¬ rung zugeführt, wobei die Drehzahl-Regelung bzw. die übergeordne¬ te Steuerung aus Ubersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist.The positive or negative voltage supply is activated by a potential-isolating converter 20 via the switching stages 14 and 16, which are effective for regular switching operation. A digital-to-analog converter with potential isolation is provided for this. A control signal with a line 22 from a speed control or a higher-level control is fed to this converter 20, the speed control or the higher-level control not being shown for reasons of clarity.

Die Schaltstufen 14 und 16 sind mit einem Steuerglied 24 ver¬ knüpft. Diesem Steuerglied 24 wird das Ausgangssignal des 0DER- Gatters 10 der Laststromüberwachungsschaltung 12 zugeführt. Wenn jedoch der IGBT-Transistor 2 entweder nur mit der Kollek- tor-Emitter-Überwachung 6 oder nur mit der Gate-Emitter-Über¬ wachung 8 versehen wäre, so wäre jeweils der Ausgang der Über¬ wachung 6 bzw. 8 direkt mit dem Eingang des Steuergliedes 24 verknüpft. Das Steuerglied 24 ist beispielsweise als eine logi¬ sche Schalteinrichtung ausgebildet, so daß im Überlastfall bzw. im Kurzschlußfall, die Schaltstufe 14 gesperrt und die Schalt¬ stufe 16 freigegeben werden. Das Nullpotential dieses Steuer¬ gliedes 24 ist das Emitterpotential des IGBT-Transistors 2.The switching stages 14 and 16 are linked to a control element 24. The output signal of the 0DER gate 10 of the load current monitoring circuit 12 is fed to this control element 24. However, if the IGBT transistor 2 were provided either only with the collector-emitter monitoring 6 or only with the gate-emitter monitoring 8, the output of the monitoring 6 or 8 would be directly with the Input of the control element 24 linked. The control element 24 is designed, for example, as a logic switching device, so that in the event of an overload or in the event of a short circuit, the switching stage 14 is blocked and the switching stage 16 is released. The zero potential of this control element 24 is the emitter potential of the IGBT transistor 2.

Das Gate G des IGBT-Transistors 2 ist mittels einer Ubespan- nungsbegrenzerschaltung 26 mit dem Kollektor C des IGBT-Tran¬ sistors 2 verknüpft. Die Überspannungsbegrenzerschaltung 26 be¬ steht aus einer Reihenschaltung einer Entkopplungsdiode 28 und wenigstens einer Z-Diode 30. Dabei sind die Entkopplungsdiode 28 kathodenseitig mit dem Gate G und die Z-Diode 30 kathoden- seitig mit dem Kollektor C des IGBT-Transistors 2 verknüpft. Durch die Anzahl der Z-Dioden 30 und durch die Auswahl der Z- Dioden 30 kann der Wert der Durchbruchspannung U.» vorbestimmt werden. Die parasitäre Induktivität der Schaltungsanordnung ist als Induktivität Ljj- dargestellt. Durch die Kombination einer Diode 28 und wenigstens einer Z-Diode 30 wird die Kollek¬ tor-Gate-Spannung bei positiven Spannungswerten auf einen vorbe¬ stimmten Spannungswert begrenzt und für negative Spannungswerte gesperrt. Sobald die Z-Diode 30 bzw. Z-Dioden leitend werden, fließt ein Strom über die Überspannungsbegrenzerschaltung und dem Gatewiderstand R^-, zur negativen Spannungsquelle -LA. Da¬ durch wird die zum Abschalten negativ vorgegebene Gate-Emitter- Spannung soweit angehoben bis der IGBT-Transistor 2 in den ak¬ tiven Bereich gesteuert wird. Dadurch kann die in der parasi- tären Induktivität L^ gespeicherte Energie über den IGBT-Tran¬ sistor 2 abfließen.The gate G of the IGBT transistor 2 is linked to the collector C of the IGBT transistor 2 by means of an overvoltage limiter circuit 26. The overvoltage limiter circuit 26 consists of a series connection of a decoupling diode 28 and at least one Z diode 30. The decoupling diode 28 is connected on the cathode side to the gate G and the Z diode 30 on the cathode side to the collector C of the IGBT transistor 2. The value of the breakdown voltage U. can be determined by the number of Z diodes 30 and by the selection of Z diodes 30. be predetermined. The parasitic inductance of the circuit arrangement is shown as inductance L j j-. Through the combination a diode 28 and at least one Z diode 30, the collector-gate voltage is limited to a predetermined voltage value for positive voltage values and blocked for negative voltage values. As soon as the Z diode 30 or Z diodes become conductive, a current flows via the overvoltage limiter circuit and the gate resistor R ^ - to the negative voltage source -LA. As a result, the gate-emitter voltage, which is negatively predetermined for switching off, is raised until the IGBT transistor 2 is controlled in the active region. As a result, the energy stored in the parasitic inductance L 1 can flow off via the IGBT transistor 2.

Anhand der Strom- und Spannungsverläufe des IGBT-Transistors 2, die in der Figur 2 in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt sind, soll ein Dimensionierungsvorschlag der Überspannungsbe¬ grenzerschaltung 26 eines bestimmten IGBT-Transistors 2 näher erläutert werden. Als IGBT-Transistor 2 ist ein IGBT-Transistor 2 mit einer Sperrfähigkeit l - = 1.000 V vorgesehen, der an einer Versorgungsspannung +U7 = 700 V angeschlossen ist. Im Normalbe- trieb tritt eine maximale Abschaltüberspannung U^ = 800 V auf. Damit auch hohe Kollektorströme ic, beispielsweise Über- bzw. Kurzschlußströme, abgeschaltet werden können, ohne daß dabei die entstehende Überspannung den IGBT-Transistor 2 zerstört, wählt man als Durchbruchspannungswert I y = 850 V. Dadurch ist dieser Durchbruchspannungswert LLy der aktiven Überspannungsbe¬ grenzerschaltung 26 größer als ein betriebsmäßiger, maximaler Abschaltüberspannungswert I y , jedoch kleiner als eine maximale Sperrfähigkeit U_s des IGBT-Transistors 2.On the basis of the current and voltage profiles of the IGBT transistor 2, which are shown in a diagram over time t in FIG. 2, a dimensioning proposal for the overvoltage limiter circuit 26 of a specific IGBT transistor 2 is to be explained in more detail. An IGBT transistor 2 with a blocking capability l - = 1,000 V is provided as the IGBT transistor 2 and is connected to a supply voltage + U 7 = 700 V. A maximum shutdown overvoltage U ^ = 800 V occurs in normal operation. So that even high collector currents i c , for example overcurrent or short-circuit current, can be switched off without the resulting overvoltage destroying the IGBT transistor 2, the breakdown voltage value I y = 850 V is selected. This makes this breakdown voltage value LLy the active overvoltage load limiter circuit 26 is greater than an operational maximum shutdown overvoltage value I y, but less than a maximum blocking capability U_ s of the IGBT transistor 2.

Wenn man nun einen derartigen IGBT-Transistor 2 mit einer Nenn¬ stromtragfähigkeit von 50 A ohne die Überspannungsbegrenzerschal¬ tung 26 gemäß der Schaltungsanordnung der Figur 1 verwendet, wo¬ bei die Ansteuerbedingungen auf besten Wirkungsgrad des Schalters 2 und nicht auf Begrenzung der entstehenden Überspannung opti- miert sind, würde bereits bei einem Zwischenkreisspannungswert +UZ = 520 V im Kurzschlußfall ein maximaler Kollektor-Emitter- Spannungswert UCE; = 1.150 V erreicht werden. Dieser Spannungs¬ wert UCE liegt damit 10 % über der Sperrfähigkeit U_s des IGBT-Transistors 2. Eine weitere Erhöhung der Zwischenkreis- spannung auf den Wert +I = 700 V würde den IGBT-Transistor 2 zerstören. Wenn jedoch die Überspannungsbegrenzerschaltung 26 verwendet wird, wird der Kollektor-Emitter-Spannungswert Ucr- unabhängig von der Höhe des Zwischenkreisspannungswertes +U-, = 520 V, ..., 700 V auf den vorbestimmten Durchbruchspannungswert UAy = 850 V begrenzt.If one now uses such an IGBT transistor 2 with a nominal current carrying capacity of 50 A without the overvoltage limiter circuit 26 in accordance with the circuit arrangement of FIG. 1, the control conditions for the best efficiency of the switch 2 and not for limiting the resulting overvoltage opti - are lubricated, a maximum collector-emitter voltage value U CE would already exist at an intermediate circuit voltage value + U Z = 520 V in the event of a short circuit ; = 1,150 V can be reached. This voltage value U CE is thus 10% above the blocking capability U_ s of the IGBT transistor 2. A further increase in the intermediate circuit voltage to the value + I = 700 V would destroy the IGBT transistor 2. However, if the overvoltage limiter circuit 26 is used, the collector-emitter voltage value U cr - regardless of the level of the intermediate circuit voltage value + U-, = 520 V, ..., 700 V, is limited to the predetermined breakdown voltage value U A y = 850 V.

Durch die Verwendung einer derartigen Überspannungsbegrenzer- Schaltung 26 kann man die Ansteuerstufe, bestehend aus dem An¬ steuerwandler 20 und einem ersten und zweiten widerstandsbehaf¬ teten Strompfad RGQ, 14, Rp,, 16, so dimensionieren, daß der Wirkungsgrad des Schalters 2 und damit des Stromrichters am größten ist, wobei trotzdem die auftretende Überspannung auto- matisch begrenzt werden. By using an overvoltage limiter circuit 26 of this type, the control stage, consisting of the control converter 20 and a first and second resistive current path R GQ , 14, R p ,, 16, can be dimensioned such that the efficiency of the switch 2 and thus the converter is largest, although the overvoltage that occurs is automatically limited.

Claims

Patentansprüche Claims 1. Schutzschaltung für einen IGBT-Transistor (2) mit einer Last¬ stromüberwachungsschaltung (12), einem Steuerglied (24) und einer Ansteuerstufe, bestehend aus einem potentialtrennenden Ansteuerwandler (20) und einer ersten und zweiten Schaltstufe (14, 16), die einerseits über das Steuerglied (24) von der Last¬ stromüberwachungsschaltung (12) und andererseits über den An¬ steuerwandler (20) von einem Steuersignal ansteuerbar sind, wo- durch das Gate (G) des IGBT-Transistors (2) jeweils über einen Widerstand (RG0, RQT) mit einer positiven bzw. negativen Span¬ nung (+UV bzw. -Uy) bezogen auf Emitterpotential des IGBT-Tran¬ sistors (2) verbindbar ist, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß das Gate (G) des IGBT-Transistors (2) mittels einer aktiven Überspannungsbegrenzerschaltung (26) mit seinem Kollektor (C) verbunden ist, wobei dessen Durchbruch¬ spannungswert (U„y) größer als ein betriebsmäßiger, maximaler Abschaltüberspannungswert (Un(jn > jedoch kleiner als eine maxi¬ male Sperrfähigkeit (L ) des IGBT-Transistors (2) gewählt wird,1. Protection circuit for an IGBT transistor (2) with a load current monitoring circuit (12), a control element (24) and a control stage, consisting of a potential-isolating control converter (20) and a first and second switching stage (14, 16), the on the one hand via the control element (24) of the load current monitoring circuit (12) and on the other hand via the control converter (20) can be controlled by a control signal, whereby the gate (G) of the IGBT transistor (2) each via a resistor (R G0 , R QT ) can be connected to a positive or negative voltage (+ U V or -Uy) based on the emitter potential of the IGBT transistor (2), characterized in that the gate (G) of the IGBT transistor (2) is connected to its collector (C) by means of an active overvoltage limiter circuit (26), its breakdown voltage value (U "y) being greater than an operational maximum shutdown overvoltage value (U n (j n> but less than a maximum blocking capability (L) of the IGBT transistor (2) is selected, 2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i ch n e t , daß als Überspannungsbegrenzerschal¬ tung (26) eine Reihenschaltung aus einer Entkopplungsdiode (28) und wenigstens einer Z-Diode (30) vorgesehen ist.2. Protection circuit according to claim 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i ch n e t that a series circuit comprising a decoupling diode (28) and at least one Z-diode (30) is provided as overvoltage limiter circuit (26). 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i ch n e t , daß als Laststromüberwachungsschal¬ tung (12) eine Kollektor-Emitter-Überwachung (6) vorgesehen ist, die eingangsseitig mit einer Entkopplungsdiode (4) mit dem Kollektor (C) des IGBT-Transistors (2) verbunden ist.3. Protection circuit according to claim 1, dadurchge - kennzei ch net that a collector-emitter monitoring (6) is provided as the load current monitoring circuit (12), the input side with a decoupling diode (4) with the collector (C) of the IGBT Transistor (2) is connected. 4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i ch n e t , daß als Laststromüberwachungsschal¬ tung (12) eine Gate-Emitter-Überwachung (8) vorgesehen ist.4. Protection circuit according to claim 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i ch n e t that a gate-emitter monitoring (8) is provided as the load current monitoring circuit (12). 5. Schutzschaltung nach Anspruch 3 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß die Ausgänge der Kollektor- Emitter-Überwachung (6) und der Gate-Emitter-Überwachung (8) mittels eines ODER-Gatters (10) miteinander verknüpft sind, dessen Ausgang den Ausgang der Laststromüberwachungsschaltung (12) bildet. 5. Protection circuit according to claim 3 and 4, dadurchgekennzei ch net that the outputs of the collector-emitter monitoring (6) and the gate-emitter monitoring (8) are linked to one another by means of an OR gate (10), the output of which forms the output of the load current monitoring circuit (12).
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