DE4242560B4

DE4242560B4 - Vorrichtung zum Erfassen eines Überstroms

Info

Publication number: DE4242560B4
Application number: DE4242560A
Authority: DE
Inventors: Masanori Fukunaga
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-01-23
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JP2940843B2; DE4242560A1; US5375028A; JPH05207766A

Abstract

Überstromerfassungseinrichtung (11) mit
einem Schaltelement (Pi) mit einer Steuerelektrode, einer ersten Stromelektrode, einer zweiten Stromelektrode und einer Stromerfassungselektrode, wobei das Schaltelement einen Strom von der ersten Stromelektrode zur zweiten Stromelektrode und von der ersten Stromelektrode zur Stromerfassungselektrode leitet,
einer Schutzdiode (Di) mit einer mit der ersten Stromelektrode verbundenen Kathode und einer mit der zweiten Stromelektrode verbundenen Anode,
einer ersten Erfassungsschaltung zum Erfassen eines in der Schutzdiode fließenden Stroms, welche eine Detektionsdiode (Ki), einen in Reihe mit der Detektionsdiode geschalteten ersten Widerstand (R_SD) und eine Einrichtung (Ti) zum Erfassen eines Spannungsabfalls am ersten Widerstand aufweist, wobei die Detektionsdiode und der erste Widerstand parallel zur Schutzdiode geschaltet sind, und
einer zweiten Erfassungsschaltung zum Erfassen eines in dem Schaltelement fließenden Stroms, welche einen in Reihe mit der Stromerfassungselektrode geschalteten zweiten Widerstand (R_SQ) und eine Einrichtung (Si) zum Erfassen eines Spannungsabfalls am zweiten Widerstand aufweist.

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Überstromerfassungseinrichtung für verschiedene Zwecke, insbesondere für die Verwendung in einer Treiberschaltung zum Antreiben eines Einphasen- oder Dreiphasen-Motors.

1 zeigt eine herkömmliche Treiberschaltung zum Treiben bzw. Ansteuern eines Dreiphasenmotors. In der Treiberschaltung dienen bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs=insulated gate bipolar transistors, im folgenden vereinfacht als Transistoren bezeichnet) Q1 bis Q6 als Schalteinrichtungen. Die Transistoren sind paarweise angeordnet, nämlich ein Paar Q1–Q2, ein Paar Q3–Q4 und ein Paar Q5–Q6, wobei die Transistoren jedes Paars in Standard-Zweigpaar-Beziehung verschaltet sind. Die drei Transistorpaare sind in Brückenschaltung zwischen Spannungsversorgungen P und N in Dreiphasen-Konfiguration angeordnet. Verbindungen der Transistoren sind mit Eingangsanschlüssen eines Motors M verbunden.

Freilauf-Dioden D1 bis D6 (im folgenden lediglich als Dioden bezeichnet) sind antiparallel zu den Transistoren Q1 bis Q6 geschaltet. Treiberschaltungen Dr1 bis Dr6 sind zum Ansteuern und Schützen der Transistoren Q1 bis Q6 vorgesehen und legen ihre Ausgangssignale an die Gates der Transistoren Q1 bis Q6 an. Die Treiberschaltungen Dr1 bis Dr6 sprechen auf an ihre Eingangsanschlüsse IN1 bis IN6 angelegte Signale an und schalten die Transistoren Q1 bis Q6 ein und aus, so daß der Betrieb des Motors M geregelt wird.

Um die Transistoren Q1 bis Q6 gegen einen in ihnen auftretenden Überstrom zu schützen, sind jeweils Stromwandler CT1 bis CT6 und Überspannungserfassungsschaltungen S1 bis S6 vorhanden. Die Stromwandler CT1 bis CT6 erfassen unabhängig Vorwärtsströme, die in den Transistoren Q1 bis Q6 fließen. Jede Überstrom-Erfassungsschaltung ermittelt, ob ein Strom in ihrem zugeordneten Stromwandler einen vorbestimmten Schwellwertpegel überschreitet. Bei Erfassung eines Überstroms erzeugen die Überstrom-Erfassungsschaltungen S1 bis S6 ein Inaktivierungssignal, das an Inaktivierungs-Steueranschlüsse B1 bis B6 der Treiberschaltungen Dr1 bis Dr6 jeweils angelegt wird. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen S1 bis S6 stellen folglich eine Rückkopplung bereit, die wiederum die Ströme zu den Transistoren Q1 bis Q6 unterbricht (d.h. eine Abschaltung der Transistoren bewirkt).

Ein Überstromschutz wird andererseits durch Erfassung eines gesamten Netto-Überstroms über die Dreiphasen-Schaltung in Brückenkonfiguration mit Hilfe eines Stromwandlers CT7 für die Erfassung eines Stroms auf einer Bus- bzw. Sammelleitung und einer Überstrom-Erfassungsschaltung S7 oder, alternativ, mit Hilfe von Stromwandlern CT8 bis CT10 für die Erfassung eines Ausgangsstroms und einer Überstrom-Erfassungsschaltung S8 sowie durch nachfolgendes Bereitstellen einer gleichzeitigen Rückkopplung für die Treiberschaltungen Tr1 bis Tr6 erreicht.

Auch wenn diese Ansätze imstande sind, sich mit einem Überstrom in den Transistoren Q1 bis Q6 aufgrund eines Regenerativstroms bzw. Rückstroms vom Motar M zu befassen, sind sie dahingehend nicht zufriedenstellend, daß ein Überstrom über die Diode D1, D2...D6 nicht separat erfaßt werden kann. Folglich sind die Dioden D1 bis D6 gegenΰber einem Überstrom und der damit einhergehenden Wärmeerzeugung nicht geschützt, wodurch die Dioden D1 bis D6 zerstört werden.

Dies kann durch Ersatz der Dioden D1 bis D6 durch andere Typen von Elementen mit größerer Stromkapazität als die Schalteinrichtungen (die Transistoren Q1 bis Q6) vermieden werden, aber lediglich auf Kosten einer Verringerung der Gerätegröße.

Aus der US 50 53 940 ist ein Wechselrichter bzw. eine Überstromerfassungseinrichtung mit einem Schaltelement mit einer Steuerelektrode, einer ersten Stromelektrode und einer zweiten Stromelektrode, wobei das Schaltelement einen Strom von der ersten zur zweiten Stromelektrode leitet, einer Schutzdiode mit einer mit der ersten Stromelektrode verbundenen Kathode und einer mit der zweiten Stromelektrode verbundenen Anode, einer ersten Erfassungsschaltung zum Erfassen eines in der Schutzdiode fließenden Stroms und einer zweiten Erfassungsschaltung zum Erfassen eines im Schaltelement fließenden Stroms bekannt.

Die zu erfassenden Ströme können dabei wie beispielsweise aus der US 44 30 682 bekannt über einen Spannungsabfall an einem Widerstand erfaßt werden.

Die Benutzung von Überstrom-Erfassungswiderständen fΰhrt jedoch im allgemeinen zu einer Vergrößerung der Leistungsverluste.

Aus der US 47 77 576 ist schließlich noch eine Schaltung bekannt, bei welcher ein durch Schutzdioden fließender Strom erfaßt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Überstromerfassungseinrichtung unter Verwendung von Erfassungswiderständen vorzusehen, bei welcher die Leidtungsverluste minimiert sind.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 12.

Eine Überstrom-Erfassungsvorrichtung gemäß einem Aspekt vorliegender Erfindung umfaßt: ein eine Steuerelektrode, eine erste Stromelektrode und eine zweite Stromelektrode aufweisendes Schaltelement, das einen Strom von der ersten zur zweiten Stromelektrode durchläßt; eine Schutzdiode, die eine mit der ersten Stromelektrode verbundene Kathode und eine mit der zweiten Stromelektrode verbundene Anode aufweist; eine erste Erfassungsschaltung zum Erfassen eines in der Schutzdiode fließenden Stroms; und eine zweite Erfassungsschaltung zum Erfassen eines im Schaltelement fließenden Stroms.

Das Schaltelement weist weiterhin eine Stromerfassungselektrode auf. Ein Strom fließt von der ersten Stromelektrode zur Stromerfassungselektrode. Die Schutzdiode besitzt weit hin eine Detektionsdiode, wobei eine Kathode der Detektionsdiode mit der Kathode der Schutzdiode verbunden ist. Ein Widerstand und eine Erfassungseinrichtung sind gemeinsam für die erste und die zweite Erfassungsschaltun vorgesehen, wobei der Widerstand einen mit der Anode der Detektionsdiode und der Stromerfassungselektrode verbundenen Anschluß besitzt und die gemeinsam vorgesehene Erfassungseinrichtung einen Spannungsabfall am gemeinsam vorgesehenen Widerstand erfaßt.

Gemäß einer anderen Varinte besitzt die erste Erfassungschaltung eine Detektionsdiode, einen in Reihe mit der Detektionsdiode geschalteten ersten Widerstand und eine Einrichtung zum Erfassen eines Spannungsabfalls am ersten Widerstand, wobei die Detektionsdiode und der erste Widerstand parallel zur Schutzdiode geschaltet sind.

Weiterhin umfaßt das Schaltelement eine Stromerfassungselektrode; es fließt ein Strom von der ersten Stromelektrode zur Stromerfassungselektrode und die zweite Erfassungsschaltung besitzt einen in Reihe mit der Stromerfassungselektrode geschalteten zweiten Widerstand und eine Einrichtung zum Erfassen eines Spannungsabfalls am zweiten Widerstand.

Gemäß einem anderen Aspekt ist das Schaltelement derart beschaltet, daß der in die Stromerfassungselektrode fließende Strom kleiner als der in die zweite Stromelektrode fließende Strom ist.

Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Vorwärtsstrom in den Schutzdioden ermittelt. Wenn ein Überstrom in einer der ersten Stromsteuerschaltungen durch die erste, in dieser ersten Stromsteuerschaltung angeordnete Erfassungsschaltung ermittelt wird, werden die Schaltelemente der anderen ersten Stromsteuerschaltungen durch die hiermit verknüpfte Treiberschaltung abgeschaltet. Als Ergebnis wird eine durch die Induktivitätskomponente der Last wie etwa des Motors gebildete elektromotorische Gegenkraft bzw. Gegen-EMK an die zweiten Stromsteuerschaltungen angelegt, wodurch ein Rückstrom zu den zweiten Stromsteuerschaltungen gerichtet wird. Dies bedeutet, daß durch das Einschalten und Abschalten der Schaltelemente abhängig davon, in welcher der ersten Stromsteuerschaltungen die dem Überstrom ausgesetzte Diode angeordnet ist, der Strompfad des Rückstroms geändert wird, wodurch die dem Überstrom ausgesetzte Diode gegenüber einer Überstromzerstörung geschützt ist.

Folglich sind die Schutzdioden, die antiparallel zu den Schaltelementen geschaltet sind, gleichfalls mit den ersten Erfassungsschaltungen versehen, so daß es möglich ist, einen Strom in den Schutzdioden unabhängig von einem Strom in den Schaltelementen zu erfassen. Das Merkmal, daß die Erfassungsdioden parallel zu den Schutzdioden geschaltet sind, was eine unabhängige Erfassung eines Stroms in den Erfassungsdioden ermöglicht, ist besonders wichtig, da dies eine Verringerung der Kosten und der Größe der Einrichtung verspricht und eine Stromerfassung ermöglicht, die keine großen Leistungsverluste hervorruft.

Wenn ein in den Schutzdioden erfasster Strom anwächst, so daß er zu einem Überstrom wird, werden die Leitzustände der Schaltelemente geändert. Hierdurch wird der Pfad eines Rückstroms (regenerative current) geändert, wodurch der Strom von den Schutzdioden weggenommen wird. Als Ergebnis wird ein Überstromschutz der Schutzdioden separat gegenüber einem Überstromschutz der Schaltelemente erzielt.

Ein Vorteil für die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß mit den verwendeten Maßnahmen ein reduzierter Stromfluß über die stromerfassenden Widerstände erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer herkömmlichen Überstrom-Schutztechnik,
2 ein Schaltbild einer ersten Weiterbildung der herkömmlichen Überstrom-Schutztechnik,
3 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Überstrom-Schutzverhaltens der Schaltung gemäß 2,
4 ein weiteres Schaltbild zur Erläuterung der ersten Weiterbildung,
5 ein Schaltbild einer zweiten Weiterbildung,
6 ein Schaltbild einer dritten Weiterbildung,
7 ein Schaltbild einer vierten Weiterbildung,
8 ein Schaltbild einer fünften Weiterbildung,
9 ein Schaltbild einer sechsten Weiterbildung,
10 ein Schaltbild des Aufbaus einer Überstrom-Erfassungsschaltung Mi,
11 ein Schaltbild eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung, und
12 ein Schaltbild eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung.
Die vorstehend genannten und weitere Zielsetzungen, Merkmale, Aspekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung vorliegender Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich.
Im folgenden wird eine erste Weiterbildung der herkömmlichen Überstrom-Schutzschaltung beschrieben, die nicht Gegenstand der Erfindung ist. Wie in 2 gezeigt ist, weist die Überstrom-Schutzschaltung Transistoren Q1 bis Q6 auf, die jeweils als Schalteinrichtung dienen. Die Transistoren liegen in drei Paaren vor: ein Paar Q1–Q2, ein Paar Q3–Q4 und ein Paar Q5–Q6. Die Transistoren jedes Paars sind in Standard-Zweigpaar-Beziehung verschaltet. Die drei Transistorpaare sind jeweils in Brückenkonfiguration zwischen Spannungsversorgungen P und N geschaltet, so daß die Treiberschaltung eine Dreiphasen-Brückenschaltung ist. Dioden D1 bis D6 sind jeweils antiparallel zu den Transistoren Q1 bis Q6 geschaltet. Treiberschaltungen Dr1 bis Dr6 sind mit Gates der Transistoren Q1 bis Q6 verbunden. Ein Kondensator C ist zwischen die Spannungsversorgung P und die Spannungsversorgung N geschaltet.
Stromwandler CT1 bis CT6 sind jeweils mit Emittern der Transistoren Q1 bis Q6 verbunden. Die Stromwandler CT1 bis CT6 erfassen unabhängig voneinander Vorwärtsströme in den Transistoren Q1 bis Q6. Die Stromwandler CT1 bis CT6 sind jeweils weiterhin mit Überstrom-Erfassungsschaltungen S1 bis S6 verbunden.
Stromwandler CT11 bis CT16 sind jeweils mit Anoden der Dioden D1 bis D6 verbunden. Die Stromwandler CT11 bis CT16 erfassen unabhängig voneinander Vorwärtsströme in den Dioden D1 bis D6. Überstrom-Erfassungsschaltungen T1 bis T6 sind jeweils mit den Stromwandlern CT11 bis CT16 verbunden.
Ausgangssignale der Überstrom-Erfassungsschaltungen S1 bis S6 und T1 bis T6 werden einer Steuerschaltung 10 zugeführt. Im Normalbetrieb erzeugt die Steuerschaltung 10 ein pulsbreitenmoduliertes (PWM = Pulsbreitenmodulation) Steuereingangssignal, unter dessen Steuerung Signale mit hohem oder niedrigem Pegel an Eingangsanschlüsse IN1 bis IN6 von Treiberschaltungen Drl bis Dr6 angelegt werden, wodurch wiederum ein Motor M unter Steuerung gehalten wird.
Bei Erfassung eines Überstroms in einem Transistor Qi (mit i = 1, 2, 3...oder 6; der Bezugsbuchstabe i wird im folgenden in dieser Weise verwendet) gibt eine Überstrom-Erfassungsschaltung Si ein Inaktivierungssignal über einen Inaktivierungs-Steueranschluß Bi an eine Treiberschaltung Dri ab, wodurch die Treiberschaltung Dri den Transistor Qi abschaltet. Folglich sind die Transistoren Q1 bis Q6 gegenüber Überstrom geschützt.
Ein Überstrom in einer Diode Di wird durch eine Überstrom-Erfassungsschaltung Ti erfaßt. Ein Schutz der Diode Di gegenüber Überstrom wird in folgender Weise erreicht.
3 zeigt ein Beispiel eines liberstromschutzes der Dioden D1 bis D6. Zunächst wird beschrieben, wo eine Gegen-EMK im Motor M gebildet wird. Wenn ein Potential auf einer Leitung U als ein Bezugspotential definiert wird, sind die an einer Leitung V und einer Leitung W auftretenden Spannungen jeweils als E_VU bzw. E_WU definiert. Wenn die Spannungen E_VU und E_WU an der Leitung V bzw. der Leitung W auftreten, wodurch eine Einschaltung der Transistoren Q4 und Q6 eingeleitet wird, fließen ein Regenerativstrom bzw. Rückstrom I_V ₁ und ein Regenerativstrom bzw. Rückstrom I_W1 zum Transistor Q4 bzw. Q6 (durchgehende Pfeile). Als Ergebnis leitet die Diode D2 einen zur Leitung U fließenden Rückstrom I_U ₁ einer Größe, die der Kombination aus den Rückströmen I_V1 und I_W1 entspricht.
Ein derart in der Diode D2 gebildeter Strom wird durch den Stromwandler CT2 (2) erfaßt. Wenn ein Strom in der Diode D2 doppelt so groß wie ein normalerweise für einen Transistor zulässiger Strom ist, bestimmt die Überstrom-Erfassungsschaltung T2 (2), daß die Diode D2 einem Überstrom ausgesetzt ist. In Reaktion hierauf steuert die Steuerschaltung 10 den Betrieb der Treiberschaltungen Dr4 und Dr6, wodurch ein Wechsel der Transistoren Q4 und Q6 aus dem Einschaltzustand in den Ausschaltzustand hervorgerufen wird.
Da die Transistoren Q4 und Q6 nun kaum mehr bzw. keinen Strom mehr zugeführt bekommen und die Dioden D4 und D6 durch die Spannungen E_VU und E_WU in Gegenrichtung vorgespannt sind, werden die Rückströme nicht zu den Dioden D4 und D6 und folglich nicht zur Diode D2 durchgelassen. Stattdessen fließen ein Rückstrom I_V2 und ein Rückstrom I_W2 von der Leitung V und der Leitung W zu den Dioden D3 bzw. D5 (gestrichelte Pfeile). Die Rückströme I_V2 und I_W2 sind halb so groß wie der Rückstrom I_U ₁, der zuvor zur Diode D2 geführt wurde. Die Rückströme I_V2 und I_W2 die beide kleiner als der Rückstrom I_U ₁, liegen innerhalb der Strombelastungstauglichkeit der Dioden D3 und D5. Obwohl somit ein Strom mit einem zulässigen Pegel, der folglich nicht als Überstrom für die Diode D2 wirkt, gleich groß oder niedriger als die Hälfte eines gleichartigen Stroms im Transistor Q2 ist, ist die Diode D2 gegenüber einer Zerstörung durch Überstrom und einer hierauf folgenden thermischen Zerstörung geschützt.
Eine Überstrom-Schutzwirkung der Steuerschaltung 10 wird durch Vorsehen einfacher Verbindungen erreicht. 4 zeigt ein Schaltbild, bei dem das normale Verhalten der Steuerschaltung 10 weggelassen ist. Der Stromwandler CT11 ist über die Überstrom-Erfassungsschaltung T1 mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A3 und A5 der Treiberschaltungen Dr3 bzw. Dr5 verbunden. Der Stromwandler CT12 ist über die Überstrom-Erfassungsschaltung T2 mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A4 und A6 der Treiberschaltungen Dr4 bzw. Dr6 verbunden. Der Stromwandler CT13 ist über die Überstrom-Erfassungsschaltung T3 mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A1 und A5 der Treiberschaltungen Drl bzw. Dr5 verbunden, Der Stromwandler CT14 ist über die Überspannungs-Erfassungsschaltung T4 mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen A2 und A6 der Treiberschaltungen Dr2 bzw. Dr6 verbunden. Der Stromwandler CT15 ist über die Überstrom-Erfassungsschaltung T5 mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen A1 und A3 der Treiberschaltungen Drl bzw. Dr3 verbunden. Der Stromwandler CT16 ist über die Überstrom-Erfassungsschaltung T6 mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen A2 und A4 der Treiberschaltungen Dr2 bzw. Dr4 verbunden.
Bei Erfassung eines Überstroms wird ein Inaktivierungssignal an die Inaktivierungs-Steueranschlüsse A1 bis A6 angelegt. Die Stromwandler CT1 bis CT6 sind über die Überstrom-Erfassungsschaltungen S1 bis S6 mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen B1 bis B6 der jeweiligen Treiberschaltungen Drl bis Dr6 verbunden.
Ähnlich wie bei der herkömmlichen Vorgehensweise beim Überstromschutz triggert das an einen Inaktivierungs-Steueranschluß Ai oder Bi angelegte Inaktivierungssignal eine Treiberschaltung Dri zur Deaktivierung eines mit dem Ausgangsanschluß der Treiberschaltung Dri verbundenen Transistors Qi. Damit schaltet die Treiberschaltung Drl den Transistor Q1 als Reaktion auf die Erfassung eines Überstroms nicht nur im Transistor Q1, den sie ansteuert, sondern auch in den Dioden D3 und D5 ab. Dasselbe trift auch auf die Treiberschaltungen Dr2 bis Dr6 zu.
Auch wenn 3 den Fall veranschaulicht, daß die Energien beider Rückströme I_V2 und I_W2 am Kondensator C regeneriert werden (gestrichelte Pfeile), ist der Überstromschutz nicht auf die Darstellung gemäß 3 beschränkt. Soweit ein durch den Transistor Q1 zugelassener Strom ungefähr zweimal so groß ist wie der für die Diode D3 und/oder D5 zulässige Strom, ist die Diode D2 gegenüber einem Überstrom und einer durch Überstrom hervorgerufenen thermischen Zerstörung selbst dann geschützt, wenn der Transistor Q1 eingeschaltet ist und die Rückströme I_V2 und I_W2 zur Leitung U zurückfließen.
Andererseits ist in 4 der Fall dargestellt, daß die Transistoren Q4 und Q6 inaktiviert werden, falls ein Überstrom in der Diode D2 auftritt. Um dasselbe Ergebnis zu erhalten, kann der Transistor Q2 zusammen mit den Transistoren Q4 und Q6 abgeschaltet werden, da im Transistor Q2 kein Strom zugelassen wird, wenn die Transistoren Q4 und Q6 abgeschaltet sind (zweite Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist). In der Schaltung gemäß der zweiten Weiterentwicklung (5) sind die Überstrom-Erfassungsschaltungen T1, T3 und T5 und die Inaktivierungs-Steueranschlüsse A1, A3 und A5 der Treiberschaltung Drl, Dr3 und Dr5 miteinander verbunden. In gleicher Weise sind die Überstrom-Erfassungsschaltungen T2, T4 und T6 und die Inaktivierungs-Steueranschlüsse A2, A4 und A6 der Treiberschaltungen Dr2, Dr4 und Dr6 miteinander verbunden. Wenn folglich ein Überstrom in einer der Dioden D1, D3 oder D5 auftritt, die jeweils oberhalb der Leitungen U, V und W angeordnet sind, werden die Transistoren Q1, Q3 und Q3 oberhalb der Leitungen U, V und W gleichfalls abgeschaltet. Die Transistoren Q2, Q4 und Q6 unterhalb der Leitungen U, V und W werden in gleicher Weise abgeschaltet.
Die vorstehenden, in den 2 bis 5 veranschaulichten Weiterentwicklungen beziehen sich ausschließlich auf eine Drei-Phasen-Last. Jedoch ist vorliegende Erfindung auch dann einsetzbar, wenn eine Ein-Phasen-Last benutzt wird. 6 zeigt eine Treiberschaltung einer dritten Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist. Um eine Ein-Phasen-Last zu steuern, enthält die Treiberschaltung gemäß 6 Treiberschaltungen Drl bis Dr4, Transistoren Q1 bis Q4 und Dioden D1 bis D4. Stromwandler CT1 bis CT4 und Überstrom-Erfassungsschaltungen S1 bis S4 sind für die Überstromerfassung der Transistoren Q1 bis Q4 vorgesehen. Stromwandler CT11 bis CT14 und Überstrom-Erfassungsschal tungen T1 bis T4 sind für die Überstromerfassung der Dioden D1 bis D4 vorgesehen.
Die Verbindung zwischen den Überstrom-Erfassungsschaltungen und den Inaktivierungs-Steueranschlüssen sind gleichartig denjenigen bei der Treiberschaltung gemäß 4. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen S1 und T3 sind mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A1 und B1 der Treiberschaltung Drl jeweils verbunden. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen S2 und T4 sind mit den Inaktivierungs-Steueranschlüssen A2 bzw. B2 der Treiberschaltung Dr2 verbunden. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen S3 und T1 sind mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A3 bzw. B3 der Treiberschaltung Dr3 verbunden. Die Überstrom-Erfassungsschaltungen S4 und T2 sind mit Inaktivierungs-Steueranschlüssen A4 bzw. B4 der Treiberschaltung Dr4 verbunden.
Um den Überstromschutz bei der Schaltung gemäß der dritten Weiterentwicklung zu verstehen, sei angenommen, daß ein Regenerativ-Strom bzw. Rückstrom von der Leitung V zum Transistor Q4 fließt und über die Diode D2 zur Leitung U zurückfließt, wobei ein Überstrom in der Diode D2 auftritt. Bei Erfassung des Überstroms gibt die Überstrom-Erfassungsschaltung T2 ein Inaktivierungssignal an die Treiberschaltung Dr4 über den Inaktivierungs-Steueranschluß A4 ab, so daß der Transistor Q4 abgeschaltet wird. Da der Pfad zum Transistor Q4 gesperrt ist, fließt der Rückstrom von der Leitung V zur Diode D3 und dann zum Transistor Q1. Da in der Diode D3 ein Überstromzustand auftritt, wenn weiter zugelassen wird, daß der Rückstrom zum Transistor Q1 fließt, gibt die Überstrom-Erfassungsschaltung T3 das Inaktivierungssignal an die Treiberschaltung Drl über den Inaktivierungs-Steueranschluß A1 ab. Als Ergebnis schaltet der Transistor Q1 ab, was erneut einen Rückstromfluß zur Diode D2 zuläßt. Durch Widerholung dieses Vorgangs wird die Energie des Rückstroms gedämpft. Da zusätzlich der Rückstrom zu einem Zeitpunkt entweder durch die Diode D2 oder die Diode D3 fließt, baut sich die strominduzierte Wärme in der Diode D2 ab, während der Rückstrom in der Diode D3 fließt, oder umgekehrt. Daher tritt keine thermische Zerstörung der Dioden auf.
Die erste bis dritte Weiterentwicklung beziehen sich auf den Fall, daß ein Stromwandler als Stromsensor sowohl für einen Transistor als auch für eine Freilaufdiode verwendet wird. Allerdings fördert das Vorsehen von Stromwandlern Nachteile im Hinblick auf die Herstellungskosten des Stromsensors und der gesamten Gerätegröße.
7 zeigt eine Überstrom-Schutzeinrichtung einer vierten Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist. Die Überstrom-Schutzeinrichtung arbeitet mit Stromerfassungswiderständen RSQ und RSD als Stromsensoren für einen Transistor bzw. eine Diode. Die Spannungsabfälle an den Stromerfassungswiderständen RSQ und RSD sind proportional den Strömen in einem Transistor Qi und einer Diode Di. Folglich ist es möglich, einen Überstromzustand im Transistor Qi und der Diode Di durch Messung der Spannungsabfälle mittels einer Überstrom-Erfassungschaltung Si bzw. Ti zu erfassen. Falls die Überstrom-Erfassungsschaltung Si entscheidet, daß sich der Transistor Qi im Überstromzustand befindet, schaltet eine Treiberschaltung Dri den Transistor Qi als Reaktion auf ein an ihrem Inaktivierungs-Steueranschluß Bi empfangenes Inaktivierungssignal ab. Falls eine Überstrom-Erfassungsschaltung Tj (mit j = 1 bis 6; die Definition des Referenz-Buchstabens j ist dieselbe wie diejenige des Referenz-Buchstabens i) einen Überstrom in der Diode Di erfaßt, schaltet die Treiberschaltung Dri den Transistor Qi als Reaktion auf das an deren anderem Inaktivierungs-Steueranschluß Ai empfangene Inaktivierungssignal ab.
Beim Schutz des Transistors Qi entspricht die Überstrom-Schutzwirkung derjenigen beim ersten bevorzugten Ausfürhungsbeispiel, wenn das Inaktivierungssignal von allen Überstrom-Erfassungsschaltungen T1 bis T6 einschließlich der mit dem Transistor Qi verknüpften Überstrom-Erfassungsschaltung Ti abgegeben wird. Der Überstromschutz bei der zweiten Weiterentwicklung entspricht dem Fall, bei dem das Inaktivierungssignal von der Überstrom-Erfassungsschaltung Tj unter Ausschluß der Überstrom-Erfassungsschaltung Ti abgegeben wird.
Unter Ausnutzung des Vorteils der Transistor-Dioden-Antiparallelschaltung kann der Stromsensor bei der Überstromerfassung sowohl für den Transistor als auch für die Diode benutzt werden. 8 zeigt eine fünfte Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, bei der ein Stromwandler CTi als Stromsensor benutzt wird, während 9 eine sechste Weiterentwicklung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, zeigt, bei der ein Stromerfassungswiderstand R_S als Stromsensor eingesetzt wird. Beide Weiterentwicklungen erfordern, daß ein Kollektor eines Transistors Qi und eine Kathode einer Diode Di miteinander verbunden sind, während ein Emitter des Transistors Qi und eine Anode der Diode Di miteinander verbunden sind, und daß der Stromsensor in einem für den Transistor Qi und die Diode Di gemeinsamen Strompfad angeordnet ist. Im gemeinsamen Strompfad ist die Stromflußrichtung bei Stromführung durch den Transistor Qi umgekehrt zu derjenigen bei Stromleitung durch die Diode Di. Durch Ermittlung, ob ein durch den Stromsensor erfasster Strom positive oder negative Polarität besitzt, ermittelt folglich eine Überstrom-Erfassungsschaltung Mi separat einen Strom im Transistor Qi und einen Strom in der Diode Di. Bei Erfassung eines Überstroms im Transistor Qi befiehlt die Überstrom-Erfassungsschaltung Mi der Treiberschaltung Dri die Abschaltung des Transistors Qi. Die Überstrom-Erfassungsschaltung Mi gibt bei Erfassung eines Überstroms in der Diode Di das Inaktivierungssignal an eine Treiberschaltung Drj ab. Falls das Inaktivierungssignal von allen Überstrom-Erfassungsschaltungen einschließlich der mit dem Transistor Qi verknüpften Überstrom-Erfassungsschaltung Mi abgegeben wird, entspricht die Überstrom-Schutzwirkung derjenigen bei der ersten Weiterentwicklung. Der Überstromschutz der zweiten Weiterentwicklung entspricht dem Fall, bei dem das Inaktivierungssignal von den Überstrom-Erfassungsschaltungen mit Ausnahme der Überstrom-Erfassungsschaltung Mi abgegeben wird.
Die Überstrom-Erfassungsschaltung Mi ist in größeren Einzelheiten in 10 dargestellt. Eine am Überstrom-Erfassungswiderstand RS oder an einem Stromwandler CTi erhaltene Spannung wird an einen positiven Eingangsanschluß eines Vergleichers CMP1 und einen negativen Eingangsanschluß eines Vergleichers CMP2 angelegt. Ein negativer Eingangsanschluß des Vergleichers CMP1 empfängt ein Bezugspotential E1 (E1 > 0), während an einem positiven Eingangsanschluß des Vergleichers CMP2 ein Bezugspotential E2 (E2 < 0) angelegt ist. Es wird entschieden, daß ein Überstrom in der Diode vorliegt, wenn die am Überstrom-Erfassungswiderstand RS oder an einem Stromwandler CTi auftretende Spannung größer als das Bezugspotential E1 ist, während entschieden wird, daß ein Überstrom im Transistor vorhanden ist, wenn die Spannung am Element RS oder CTi kleiner als das Bezugspotential E2 ist. Signale, die die Erfassungsergebnisse repräsentieren, werden von den beiden Vergleichern unabhängig voneinander ausgegeben.
Die Benutzung der Überstrom-Erfassungswiderstände tendieren bei den Schaltungen der Weiterentwicklungen zur Vergrößerung der Leistungsverluste. Dieser Nachteil wird allerdings durch Anordnung einer Detektions- oder Erfassungsdiode Ki parallel zu einer Schutzdiode Di und durch Erfassung eines durch die Detektionsdiode Ki fließenden Stroms beseitigt, wie in 11 gezeigt (erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung). In diesem Fall muß der Überstrom-Erfassungswiderstand R_SD in Reihe mit der Detektionsdiode Ki geschaltet sein. Alternativ kann ein bipolarer Stromerfassungstransistor mit isoliertem Gate (Pi) vorgesehen sein, der einen Haupt-Emitter zum Steuern einer Last und einen Erfassungs-Emitter zum Erfassen eines Stroms besitzt. Falls der Transistor Pi benutzt wird, muß der Überstrom-Erfassungswiderstand R_SQ mit dem Erfassungsemitter verbunden sein, um den Leistungsverbrauch am Überstrom-Erfassungswiderstand R_SQ zu beschränken.
Andere Modifikationen sind ebenfalls möglich, bei denen der Überstrom-Erfassungswiderstand RS sowohl einen im Transistor Pi auftretenden Strom als auch einen in der Diode Ki auftretenden Strom erfaßt (12, zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung). Beim zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Haupt-Emitter des Transistors Pi, die Anode der Schutzdiode Di und ein Anschluß des Überstrom-Erfassungswiderstands R_S miteinander verbunden, während der Erfassungsemitter des Transistors Bi, die Anode der Schutzdiode Ki und der entgegengesetzte Anschluß des Überstrom-Erfassungswiderstands R_S miteinander verbunden sind.
Die bislang beschriebenen bevorzugten Weiterentwicklungen und Ausführungsbeispiele erfordern die Verwendung eines bipolaren Transistors IGBT als Schalteinrichtung. Jedoch lassen sich die hier offenbarten Effekte vorliegender Erfindung auch bei Verwendung einer Leistungsschalteinrichtung, sei es ein bipolarer Transistor oder ein MOSFET, erhalten.
Obwohl vorhergehend auch beschrieben wurde, daß ein bipolarer Stromerfassungstransistor IGBT zur Erfassung eines in der Schalteinrichtung auftretenden Stroms benutzt wird, ist vorliegende Erfindung auch bei Verwendung irgend einer anderen Schalteinrichtung einsetzbar, soweit die Schalteinrichtung einen Stromerfassungsanschluß enthält. Ein Stromerfassungs-MOSFET ist daher ebenfalls eine gute Alternative. Auch wenn die Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in jeglicher Hinsicht erläuternd und nicht beschränkend. Zahlreiche Modifikationen und Abänderungen können entwickelt werde, ohne vom Rahmen vorliegender Erfindung abzuweichen.
Freilaufdioden werden gegenüber Überstrom geschützt. Wenn die in einem Drei-Phasen-Motor auftretende Gegen-EMK E_VU und E_WU Rückströme I_V ₁ und I_W1 hervorruft, die zu Transistoren Q4 und Q6 sowie zu einer Schutzdiode D2 fließen, wird entschieden, daß die Schutzdiode D2 in den Überstromzustand gelangt. Als Reaktion auf die Entscheidung werden die Transistoren Q4 und Q6 abgeschaltet, wodurch ermöglicht wird, daß die Rückströme I_V2 und I_W2 in Schutzdioden D3 und D5 aufgrund der Gegen-EMK E_VU und E_WU fließen. Die Energien der Rückströme I_V ₂ und I_W2 werden in einem Kondensator C regeneriert. Da folglich ein zuvor durch lediglich eine Schutzdiode fließender Rückstrom in zwei Ströme aufgeteilt wird, die in zwei Schutzdioden fließen, ist der Überstromzustand beendet.

Claims

Überstromerfassungseinrichtung (11) mit einem Schaltelement (Pi) mit einer Steuerelektrode, einer ersten Stromelektrode, einer zweiten Stromelektrode und einer Stromerfassungselektrode, wobei das Schaltelement einen Strom von der ersten Stromelektrode zur zweiten Stromelektrode und von der ersten Stromelektrode zur Stromerfassungselektrode leitet, einer Schutzdiode (Di) mit einer mit der ersten Stromelektrode verbundenen Kathode und einer mit der zweiten Stromelektrode verbundenen Anode, einer ersten Erfassungsschaltung zum Erfassen eines in der Schutzdiode fließenden Stroms, welche eine Detektionsdiode (Ki), einen in Reihe mit der Detektionsdiode geschalteten ersten Widerstand (R_SD) und eine Einrichtung (Ti) zum Erfassen eines Spannungsabfalls am ersten Widerstand aufweist, wobei die Detektionsdiode und der erste Widerstand parallel zur Schutzdiode geschaltet sind, und einer zweiten Erfassungsschaltung zum Erfassen eines in dem Schaltelement fließenden Stroms, welche einen in Reihe mit der Stromerfassungselektrode geschalteten zweiten Widerstand (R_SQ) und eine Einrichtung (Si) zum Erfassen eines Spannungsabfalls am zweiten Widerstand aufweist.
Überstromerfassungseinrichtung (12) mit einem Schaltelement (Pi) mit einer Steuerelektrode, einer ersten Stromelektrode, einer zweiten Stromelektrode und einer Stromerfassungselektrode, wobei das Schaltelement einen Strom von der ersten Stromelektrode zur zweiten Stromelektrode und von der ersten Stromelektrode zur Stromerfassungselektrode leitet, einer Schutzdiode (Di) mit einer mit der ersten Stromelektrode verbundenen Kathode und einer mit der zweiten Stromelektrode verbundenen Anode, einer Detektionsdiode (Ki), deren Kathode mit der Kathode der Schutzdiode verbunden ist, und einer Erfassungsschaltung, welche einen mit der Anode der Detektionsdiode und der Stromerfassungselektrode an einem Anschluß verbundenen Widerstand (Rs), dessen anderer Anschluss mit der zweiten Stromelektrode verbunden ist und eine Einrichtung (Mi) zum Erfassen eines Spannungsabfalls am Widerstand aufweist.
Überstromerfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (Pi) derart beschaltet ist, daß der in die Stromerfassungselektrode fließende Strom kleiner als der in die zweite Stromelektrode fließende Strom ist.