DE3812733C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß-Schutzschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Kurzschluß-Schutzschaltung ist aus "Elektronik", 9.9.1983, Seiten 125-127, bekannt.

Bei der genannten Kurzschluß-Schutzschaltung sind bereits Maßnahmen getroffen, um einen Leistungs-MOSFET davor zu schützen, durch Überstrom zerstört zu werden. Die zu diesem Zweck vorgesehene Schutzschaltung erzeugt einen kontinuierlichen Stromfluß von einer Spannungsquelle durch eine Diode und mehrere Widerstände.

Durch diesen ständigen Stromfluß ist ein Leistungsverlust gegeben und es muß für eine Wärmeabfuhr gesorgt werden.

Aus der DE-OS 30 03 123 ist eine Überstromschutzschaltung für einen Leistungstransistor bekannt, bei der ebenfalls ein Dauerstromfluß vorgesehen ist, so daß sie die gleichen Nachteile aufweist.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Kurzschluß-Schutzschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die stromsparend arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Transistor nur dann eingeschaltet, wenn ein Schaltelement eingeschaltet ist, so daß Strom durch den Transistor und einen Widerstand nur dann fließt, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist. Somit arbeitet die erfindungsggemäße Kurzschluß-Schutzschaltung während des Betriebs stromsparend.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert wird, welche ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Kurzschluß-Schutzschaltung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kurzschluß- Schutzschaltung nach der vorliegenden Erfindung. Anders als bei dem bekannten Schaltkreis, weist dieses Ausführungsbeispiel ein Spannungsübertragungselement 19 zum Übertragen der Spannung von der Hochspannungsseite eines Schaltelement 1 auf einen Spannungskomparator 14, der wiederum die von dem Übertragungselement 19 übertragene Spannung mit einer Vergleichspannung 15, um einen Ausgang zu erzeugen, wenn die letztere geringer ist als die erste, und Treiberkreissteuermittel 16 zum Beenden des Betriebs des Treiberkreises 8 in Antwort auf das Ausgangssignal des Spannungskomparators 14. In der Figur ist der Treiberkreis durch zwei Transistoren Q1 und Q2, Widerstände R1 bis R3, Kondensatoren C1 und C2 und ein Schaltsteuerelement 17 zur Durchführung der Ein-/Aussteuerung des Schaltelements 1 bei normalen Betrieb gebildet. Der Transistor Q1 ist durch einen NPN-Transistor, der Transistor Q2 durch einen PNP-Transistor gebildet. Emitter und Basen der Transistoren Q1 und Q2 sind jeweils miteinander verbunden, eine gemeinsame Verbindung zwi­ schen den Emittern ist mit der Basis des Schaltelements 1 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q1 ist über einen Widerstand R1 mit einer Spannungsversorgungsleitung 18 verbunden. Ein Kollektor des Transistors Q2 ist mit der Masse GND über den Kondensator C1 verbunden. Der Kondensator C1 dient als Stromquelle zum Herausziehen von Strom aus der Basis des Schaltelementes 1 bei Leitung des Transistors Q1. Das Schaltsteuerelement 17 wird durch einen N-Kanal MOS-Transistor gebildet. Das Schaltsteuerelement 17 hat ein Gate, das mit einem (nicht gezeigten) Impulsgenerator verbunden ist, der dem Pulsgenerator, wie er in der bekannten Schaltung verwendet wird, ähnlich, wobei die Source mit der Masse (GND) und die Drain mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Transistoren Q1 und Q2 verbunden ist. Ein Treiberkreis 8 des vorerwähnten Aufbaus steuert einen Ein-/Aus-Zustand des Schaltelements 1 in Abhängigkeit von einem Hoch-/Tief- Pegel eines Signals von dem (nicht gezeigten) Impulsge­ nerator.

Das Spannungsübertragungselement 19 ist durch einen N- Kanal MOS-Transistor gebildet, dessen Gate mit dem Drain des Schaltsteuerelements 17 verbunden ist. Ein Drain ist mit dem Kollektor des Schaltelements 1 und eine Source mit der Masse GND über einen Widerstand R4 verbunden.

Der erste Eingang des Spannungskomparators 14 ist mit der Source des Spannungsübertragungselements 19 verbunden, der zweite Eingang mit Masse GND über die Bezugsspannungsquelle 15, als auch über die Spannungsversorgungsleitung 18 über einen Widerstand R4, der Ausgang ist mit einem (nicht gezeigten) Display verbunden. Das Treiberkreissteuermittel 16 wird durch ein Treiber­ kreis-Steuerelement 20, einen Kondensator C3 und einen Widerstand R6 gebildet. Das Treiberkreis-Steuerelement 20 wird durch einen N-Kanal MOS-Transistor gebildet, dessen Gate mit dem Ausgang des Spannungskomparators 14, dessen Drain mit der Verbindung zwischen den Widerständen R2 und R3 über den Widerstand R6 und dessen Source mit Masse (GND) verbunden ist. Der Kondensator C3 liegt zwischen den Widerständen R6 und Masse (GND). Wenn die Verbindung zwischen den Widerständen R2 und R3 auf einen Tiefpegel kommt bei Leitung des Treiberkreis- Steuerelements 20 stabilisiert der Kondensator C3 den niedrigen Pegel. Der restliche Aufbau entspricht dem bekannten Schaltkreis.

Ein Schaltelement 4 ist mit ähnlichen Schaltungen mit dem Treiberkreis 8, dem Spannungserkennungsmittel 13, dem Spannungskomparator 14 und dem Treiberkreis-Steuerkreis 16 verbunden.

Die Betriebsweise des Schaltkreises nach dem vorerwähnten Aufbau wird jetzt beschrieben. Bei normalem Betrieb der Schaltelemente 1 bis 4 nimmt das Schaltelement auf folgende Weise einen leitenden Zustand an. Ein Niedrig­ pegel-Signal wird von einem (nicht gezeigten) Impulsgenerator an das Gate des Schaltsteuerelementes 17 gelegt, um das Nichtleiten des Schaltsteuerelementes 17 zu ermöglichen. In diesem Fall steigt das Potential an dem Gate des Spannungsübertragungselements 19 an, um eine Leitung des Spannungsübertragungselements 19 zu erlauben. Das Potential an dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den Transistoren Q1 und Q2 steigt entsprechend an. Sodann kommt der Transistor Q1 in einen leitenden Zustand, der Transistor Q2 kommt in einen nicht leitenden Zustand. Das Potential an der Basis des Schaltelements 1 nimmt zu, so daß das Schaltelement 1 einen nicht leitenden Zustand annimmt. Das Schaltele­ ment 1 dagegen auf folgende Weise in einen nicht lei­ tenden Zustand gebracht. Ein Hochpegel-Signal wird von dem (nicht gezeigten) Impulsgenerator an das Gate des Schalt-Steuerelementes 17 angelegt, um eine Leitung des Schalt-Steuerelement 17 zu erlauben. Das Potential an dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den Transi­ storen Q1 und Q2 wird reduziert. Sodann nimmt der Transistor Q1 einen nicht leitenden Zustand an, der Transistor Q2 einen leitenden Zustand. Das Potential an dem Gate des Schaltelements 1 wird so reduziert, so daß das Schaltelement 1 in einen nicht leitenden Zustand kommt.

Es wird hier angenommen, daß die Schaltelemente 1 und 2 in einem leitenden Zustand und die Schaltelemente 3 und 4 in einem nicht leitenden Zustand sind, um die Dar­ stellung zu vereinfachen. Wenn die Schaltelemente 3 und 4 in einem leitenden Zustand sind, sind die Schaltele­ mente 1 und 2 in einem nicht leitenden Zustand.

Da die Schaltelemente 1 und 2 leitend sind, fließt Strom in eine Richtung entlang des Schaltelements 2, einer Last 7 und dem Schaltelement 1. Danach wird ein Signal Φ an einen (nicht gezeigten) Pulsgenerator ge­ liefert, um dessen Ausgangssignal auf einen hohen Pegel zu bringen. Das Signal wird an das Gate des Schaltsteu­ erelements 17 angelegt, so daß das Schaltelement 1 einen nicht leitenden Zustand annimmt, wie dies oben beschrieben worden ist. Das Schaltelement 2 verbleibt zu diesem Zeitpunkt in dem leitenden Zustand. In einem solchen Zustand fließt Strom in einer Schleife entlang der Last 7, der Diode D3, dem Schaltelement 2 und der Last 7 auf der Grundlage der in der Last 7 gespeicher­ ten Energie. Der Strom nimmt graduell ab durch den Widerstand in der Schleife. Danach wird das Schaltele­ ment 1 wieder in einen leitenden Zustand gebracht, um Strom in der Richtung entlang des Schaltelements 2, der Last 7 und Schaltelement 1 zu bringen, um wieder Ener­ gie in der Last 7 zu speichern.

Ein solcher Vorgang wird wiederholt, um Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln durch Änderung der über der Last 7 erzeugten Spannung. Da die Schaltelemente 1 bis 4 in diesem Zustand in Normalbetrieb sind, ist die Spannung, die über dem Widerstand R4 durch einen Strom­ fluß durch das Spannungsübertragungselement 19 ent­ wickelt wird, übereinstimmend oder geringer als die Spannung der Bezugspannungsquelle, so daß der Span­ nungskomparator 14 ein Niedrigpegel-Signal erzeugt. Das Treiberschalt-Steuerelement 20 leitet daher nicht, der Treiberkreis 8 führt den vorerwähnten Normalbetrieb aus.

Es wird jetzt der Fall beschrieben, wo ein Kurzschluß zwischen den Drähten 5 und 6 vorliegt. Es wird hier angenommen, daß die Schaltelemente 1 und 2 in leitendem Zustand und die Schaltelemente 3 und 4 in einem nicht leitenden Zustand sind, um die Darstellung zu erleich­ tern. In diesem Fall wird ein Niedrigpegel-Signal von dem (nicht gezeigten) Impulsgenerator geliefert, um das Nichtleiten des Schaltsteuerelements 17 zu erlauben, wodurch das Potential an einem Gate eines Spannungs­ übertragungselements 19 auf hohem Pegel ist. Das Span­ nungsübertragungselement 19 ist daher in einem leiten­ den Zustand.

Es wird hier angenommen, daß ein Kurzschluß verursacht wird über den Leitungen 5 und 6 durch Kurzschließen der Last 7 in diesem Zustand. Sodann fließt ein Überstrom zu den Schaltelementen 1 und 2, wodurch die Spannung der Hochspannungsseite des Schaltelementes 1 ungewöhn­ lich erhöht wird gegenüber der bei Normalbetrieb des Hauptschaltkreises A, beispielsweise von 2 V bis 200 V. Der zu dem Widerstand R4 durch das Spannungsübertra­ gungselement fließende Strom 19 wird daher erheblich größer als derjenige bei Normalbetrieb des Hauptkreises A. Infolge dessen ist die über dem Widerstand R4 er­ zeugte Spannung ausreichend höher als die Spannung der Bezugsspannungsquelle 15. Der Spannungsgenerator 14 liefert so ein Hochpegel-Ausgangssignal an das Treiber­ kreis-Steuerelement 20, so daß das Treiberkreis-Schalt­ element 20 sofort leitet. Das Potential an der Verbin­ dung zwischen den Widerständen R2 und R3 wird daher reduziert, so daß der Transistor Q1 einen nicht leiten­ den Zustand und der Transistor Q2 in Antwort darauf einen leitenden Zustand annimmt. Das Potential an der Basis des Schaltelements 1 wird reduziert, um die Nichtleitung des Schaltelements 1 zu erlauben. Es fließt daher kein Strom zu den Schaltelementen 1 und 2. Die Schaltelemente 1 und 2 sind daher vor einen Zusam­ menbruch geschützt, der durch einen Überstrom aufgrund des Kurzschlusses der Last 7 verursacht wird.

Das Schaltelement 4 kann fälschlich einen leitenden Zustand annehmen bei einem leitenden Zustand der Schaltelemente 1 und 2, um einen Kurzschluß zwischen den Leitungen 5 und 6 zu bewirken. Auch in diesem Fall ist die Spannung der Hochspannungsseite des Schaltele­ ments 1 ungewöhnlich erhöht gegenüber derjenigen in dem Normalzustand des Hauptkreises A. Entsprechend zu dem obigen Betrieb kommt das Schaltelement 1 in den nicht leitenden Zustand, so daß kein Strom zu den Schaltele­ menten 1 und 2 fließt. Die Schaltelemente 1 und 2 können so vor einem Zusammenbruch geschützt werden, der durch Überstrom aufgrund einer fälschlichen Leitung des Schaltelements 3 verursacht wird, geschützt werden.

Das Schaltelement 4 kann irrtümlich einen leitenden Zustand annehmen bei dem leitenden Zustand der Schalt­ elemente 1 und 2, um einen Kurzschluß zwischen den Leitungen 5 und 6 zu verursachen. Wenn das Schaltele­ ment 4 in einem nicht leitenden Zustand ist, wird das Hochpegel-Signal in ein Element entsprechend dem Schaltsteuerelement 17 von einem (nicht gezeigten) Impulsgenerator eingegeben. Es ist so ein dem Span­ nungserkennungselement 19 entsprechendes Element in einem nicht leitenden Zustand, es fließt daher kein Strom zu einem dem Widerstand R4 entsprechenden Wider­ stand. Ein Spannungsgenerator entsprechend dem Span­ nungskomparator 14 erzeugt daher ein Signal, das einem nicht hohen Pegel entspricht, wodurch das Schaltelement 4 in dem nicht leitenden Zustand verbleibt. Es wird hier angenommen, daß in diesem Zustand fälschlich von dem (nicht gezeigten) Impulsgenerator ein Niedrigpegel- Signal zu dem den Schaltelement 17 entsprechenden Ele­ ment angelegt wird. Das Schaltelement 4 kommt in einen leitenden Zustand und verursacht einen Kurzschluß über den Leitungen 5 und 6. In diesem Fall steigt die Span­ nung an dem Gate des dem Spannungsübertragungselement 19 entsprechenden Element, um eine Leitung des dem Spannungsübertragungselement 19 entsprechenden Elements zu erlauben. Bei Leitung des Schaltelements 4 wird die Spannung der Hochspannungsseite des Schaltelements 4 ungewöhnlich erhöht gegenüber derjenigen bei Normalbe­ trieb des Hauptkreises A, entsprechend dem Fall, wo das Schaltelement 2 fälschlich einen leitenden Zustand bei normaler Leitung lediglich der Schaltelemente 3 und 4 annimmt. Der zu dem Widerstand R4 fließende Strom ist daher gegenüber demjenigen bei Normalbetrieb des Haupt­ kreises A erhöht. Infolge dessen erzeugt der dem Span­ nungskomparator 14 entsprechende Spannungskomparator ein Hochpegel-Signal, wodurch das Schaltelement 4 einen nicht leitenden Zustand annimmt in der Art und Weise, wie es oben beschrieben wurde. Es fließt daher kein Strom zu den Schaltelementen 2 und 4. Die Schaltelemen­ te 2 und 4 sind daher vor einem Zusammenbruch ge­ schützt, der verursacht wird durch Überstrom aufgrund eines fehlerhaften Leitens des Schaltelements 4.

Da der zu den Schaltelementen 1 und 4 fließende Strom durch Halbleiter erkannt wird, wie sie hier oben be­ schrieben worden sind, sind folgende Vorteile gegeben: Der Kurzschluß-Schutzkreis kann in der Größe kleiner sein gegenüber einem Aufbau zum Erkennen des zu den Schaltelementen 2 und 4 fließenden Stromes durch einen Stromwandler 9 oder dem Stromshunt 10. Wenn Überstrom zu den Schaltelementen 1 und 2 fließt, kann die Zeit­ dauer von dessen Erkennung zum Ausschalten der Schalt­ elemente reduziert werden gegenüber dem Fall der Ver­ wendung eines Stromwandlers 9 oder des Stromshunts 10, wodurch die Schutzwirkung eines Kurzschluß-Schutzkrei­ ses verbessert werden kann. Weiter tritt - anders als bei Verwendung eines Stromshunts 10 - praktisch kein Leistungsverlust auf, auf eine Wärmeableitung braucht keine Rücksicht genommen zu werden.

Obwohl das obige Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben worden ist, wo die Schaltele­ mente 1 und 2 in einem leitenden Zustand und die Schaltelemente 3 und 4 in einem nicht leitenden Zustand sind, kann die vorliegende Erfindung auch angewendet werden auf den Fall, wo die Schaltelemente 3 und 4 in einem leitenden Zustand und die Schaltelemente 1 und 2 in einem nicht leitenden Zustand sind.

Wenn der ganze Schaltkreis durch ein Leistungs-IC ge­ bildet wird, können das Spannungserkennungselement 20, der Widerstand R4 und dergleichen in dem Hauptschalt­ kreis A oder dem Schaltkreis 8 aufgenommen werden, um den Anwendungsbereich zu vergrößern.

Die Spannung der Hochspannungsseite des Schaltelements 1 kann direkt an dem ersten Eingang des Spannungskompa­ rators 14 angelegt werden. Weiter kann das Spannungs­ übertragungselement 19 mit der niedrigen Seite des Schaltelements verbunden sein.

Claims (8)

1. Kurzschluß-Schutzschaltung, mit

• - einer Gleichspannungsquelle;
• - einer Last (7);
• - wenigstens einem Schaltelement (1), das zwischen der Last (7) und der Seite mit niedrigem Potential der Spannungsquelle liegt, zum Steuern des durch die Last (7) fließenden Stroms durch Ein- und Ausschalten des Schaltelements (1);
• - einem auf Steuersignale ansprechenden Treiberkreis (8) zum Treiben des Schaltelementes (1),
• - einem die Spannung an dem einen, vom Laststrom durchflossenen Anschluß des Schaltelements (1) mit einer Bezugsspannung vergleichenden Kurzschluß- Erkennungsmittel zum Erzeugen eines Kurzschluß- Erkennungssignals, wenn die Spannung an dem einen Anschluß des Schaltelementes 1 größer ist als die Bezugsspannung, unter Verwendung eines Spannungskomparators 14, an dessen einem Eingang die Spannung an dem einen Anschluß des Schaltelementes (1) und an dessen anderem Eingang die Bezugsspannung anliegt, und
• - einem Spannungsübertragungsmittel zur elektrischen Verbindung des einen Eingangs des Spannungskomparators (14) mit dem einen Anschluß des ersten Schaltelements (1).

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Spannungsübertragungsmittel einen Transistor (19) mit einer mit dem Treiberkreis (8) verbundenen Steuerelektrode, einer mit dem einen Anschluß des Schaltelements (1) verbundenen ersten Elektrode und einer mit dem ersten Eingang des Spannungskomparators 14 verbundenen zweiten Elektrode zum Ein- bzw. Ausschalten des Schaltelements in Antwort auf ein Signal von dem Treiberkreis (8) aufweist.

2. Kurzschluß-Schutzschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Treiberkreis-Steuermittel (16) zum Inaktivieren des Treiberkreises (8) in Antwort auf das von dem Kurzschluß-Erkennungsmittel gelieferte Kurzschlußerkennungssignal vorgesehen ist.

3. Kurzschluß-Schutzschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treiberkreis-Steuermittel (16) ein Inaktivierungsmittel zum Inaktivieren des Treiberkreises (8) durch Entfernen der Steuersignale an dem Treiberkreis (8) in Antwort auf das Kurzschluß-Erkennungssignal aufweist.

4. Kurzschluß-Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Inaktivierungsmittel einen Transistor (20) mit einer Steuerelektrode, die mit dem Ausgang des Spannungskomparators (14) verbunden ist, mit einer ersten Elektrode, die mit dem vorgegebenen Potential verbunden ist und mit einer zweiten Elektrode, die mit dem Treiberkreis (8) verbunden ist, aufweist, wobei der Transistor (20) in Antwort auf das Kurzschluß- Erkennungssignal in den Leitzustand übergeht.

5. Kurzschluß-Schutzschaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (1) und die Last (7) einen Wandler zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung bilden.

6. Kurzschluß-Schutzschaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (1) ein NPN-Transistor ist, dessen Basis mit dem Treiberkreis (8), dessen Kollektor mit der Kathode einer Diode (D1) und dessen Emitter mit der Anode der Diode (D1) verbunden ist.

7. Kurzschluß-Schutzschaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Leistungs-IC in monolitischer oder hybrider Form.