Schutzmaßnahmen
Einzelüberwachung elektronischer Leistungsschalter
ep3/2009, 2 Seiten
Schutzeinrichtungen Aus der klassischen Niederspannungstechnik sind sowohl Schmelzsicherungen als auch Leitungsschutzschalter bekannte Schutzmaßnahmen. Geräteintern haben Feinsicherungen und Thermo-Überstromsicherungen (meist Bimetallschalter) nach wie vor große Bedeutung. Künftig ist mit einem erweiterten Einsatz neuartiger Sicherungselemente zu rechnen, deren Hauptvorteil das selbsttätige Rückstellen nach Stromreduzierung ist. Die ohne Anspruch auf Vollständigkeit genannten, in der Praxis weit verbreiteten Schutzmaßnahmen stoßen an Grenzen, wenn es im Bereich der Elektronik/Leistungselektronik notwendigerweise um äußerst rasch wirksame Schutzeinrichtungen geht. So kommen dann in der elektronischen Gerätetechnik schnell ansprechende elektronische Sicherungen mit an konkrete Erfordernisse angepasstem Betriebsverhalten zum Einsatz. Feinsicherungen als Zusatzschutz für das Gesamtgerät ergänzen die Schutzmaßnahmen. Nachfolgend soll eine zunehmend wichtige und in der Praxis immer häufiger anzutreffende Methode für den effektiven Schutz jedes einzelnen elektronischen Leistungsschalters in ihrer prinzipiellen Wirkungsweise vorgestellt werden. Die sogenannte Einzelschalterüberwachung kommt sowohl in der modernen Stromversorgungstechnik, z. B. als Kurzschlussschutz, als auch in industriellen Anlagen der Leistungselektronik zum Einsatz. Kriterien des Schutzes Grenzwerterfassung. Ausgangspunkt für eine Einzelüberwachung von elektronischen Leistungsschaltern sind deren Eigenschaften im EIN-Zustand. Eine erste notwendige Eigenschaft ist der Anstieg der Spannung bei Überstrom bzw. lastseitigem Kurzschluss, was mit Hilfe eines Schwellwertschalters erkannt und zur Zwangsabschaltung über die Ansteuereinrichtung des Schalters genutzt werden kann. Es handelt sich dabei üblicherweise um eine Grenzwerterfassung, nicht um eine Strommessung im eigentlichen Sinn. Reaktionszeit. Eine zweite notwendige Eigenschaft des zu überwachenden Bauelementes ergibt sich daraus, dass zwischen Erkennen eines Überlastungsfalles und einer sicheren Abschaltung eine wenn auch nur sehr kurze Reaktionszeit der elektronischen Abschalteinrichtung zulässig sein muss. Das heißt, das zu überwachende Leistungs-Bauelement muss für diese kurze Zeit überstrom- und möglichst auch kurzschlussfest sein. Elektronischer Leistungsschalter Die zuvor genannten Forderungen erfüllen die feldgesteuerten Leistungsschalter Power-MOSFET und IGBT. Power-MOSFET. Beim Power-MOSFET ist zwischen Source und Drain ein sehr kleiner EIN-Widerstand RDSon vorhanden. Die daraus resultierende stromabhängige Drain-Source-Spannung im EIN-Zustand erlaubt ähnlich dem Strommesswiderstand eine strommäßige Überlastung bzw. einen lastseitigen Kurzschluss zu erkennen. IGBT. Beim IGBT führt eine strommäßige Überlastung zu einer gewissen Entsättigung. Das heißt, es kommt ebenfalls zu einem Spannungsanstieg, jetzt zwischen Kollektor und Emitter des eingeschalteten Transistors. In beiden Fällen führt folglich eine Grenzstromüberschreitung zu einem erkennbaren und auswertbaren Spannungsanstieg an der Schaltstrecke. Problem Reaktionszeit. Die Tatsache, dass Power-MOSFET und IGBT in der Regel einige s (bauelementeabhängig) überlastungs- bzw. kurzschlussfest sind, sichert die oben erwähnte immer vorhandene Reaktionszeit einer elektronischen Überwachungsschaltung, um den überwachten Schalter rechtzeitig und sicher abzuschalten. Problem Einschaltvorgang. Bei der praktischen Realisierung einer Einzelschalterüberwachung tritt stets der Einschaltvorgang, während dessen die Spannung am Leistungsschalter auf den stationären Wert im EIN-Zustand absinkt, als zusätzliches Problem auf. In dieser Phase darf eine Einzelschalterüberwachung noch nicht ansprechen, weil dies ein sofortiges Wiederabschalten zur Folge hätte. Abgrenzung. Die bisherigen Erläuterungen zu den Anforderungen an einen für eine Einze I-schalterüberwachung geeigneten elektronischen Leistungsschalter machen deutlich, dass bipolare Transistoren und Thyristoren dafür kaum in Betracht kommen. Funktionsprinzip Das Prinzip einer sowohl für Power-MOSFET als auch IGBT geeigneten Einzeltransistorüberwachung wird nachfolgend anhand eines vereinfachten Ausführungsbeispiels mit einem IGBT (Bild ) und zugehörigen Zeitverläufen nach Bild erläutert. Ausgangszustand Als Ausgangszustand seien H-Pegel am Impulsausgang der Auswerteschaltung und ein abgeschalteter IGBT angenommen. Die Diode DC und der PNP-Transistor Ts sind dann gesperrt. Am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV hat sich die Spannung URCE(0) als Anfangswert für einen Einschaltvorgang eingestellt; dieser Wert ist durch den externen Widerstand RCE beeinflussbar (Bild ). Am invertierenden OV-Eingang befindet sich eine Spannung UR2(0) > URCE(0). Diese Bedingung ist durch entsprechende Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 3 212 BETRIEBSFÜHRUNG Einzelüberwachung elektronischer Leistungsschalter G. Graichen, Chemnitz Ein in vielfältigster Form in der gesamten Elektrotechnik/ Elektronik auftretendes Problem ist ein wirksamer Überstrom-und Kurzschlussschutz. Auf diesem Wege können kostenintensive Zerstörungen weitestgehend vermieden sowie die Verfügbarkeit von Geräten und Anlagen deutlich erhöht werden. Der Beitrag erläutert ein Schutzkonzept mittels feldgesteuerter Leistungsschalter Power-MOSFET und IGBT. Autor Dr.-Ing. Günter Graichen ist als freier Fachjournalist tätig, Chemnitz. MEISTERWISSEN Auswerteschaltung Ein/Aus U0+ RB2 RB1 RC RCE CCE Uref Ansteuerschaltung extern Vereinfachtes Schaltbeispiel für eine Einzeltransistor- Überwachung Elektropraktiker, Berlin 63 (2009) 3 213 Dimensionierung des Spannungsteilers R1,2 und daraus resultierenden Einschränkungen für den zulässigen Bereich von RCE (zur Einstellung der stationären Schaltschwelle) zu sichern. Daraus ergibt sich L-Pegel am Ausgang des Operationsverstärkers bei ausgeschaltetem IGBT. Einschaltvorgang Wird durch ein EIN-Signal am Gate der IGBT eingeschaltet (in Bild nicht dargestellt), erscheint zugleich am Ausgang der Auswerteschaltung kurzzeitig ein L-Signal, welches den PNP-Transistors Ts kurz einschaltet. Diese kurze Zeit genügt, dass die Spannung an der Parallelschaltung von RCE und CCE praktisch sprunghaft bis nahezu U0+ ansteigt. Am nichtinvertierenden Eingang des OV ist nach dem Abschalten des PNP-Transistors die Spannung URCE(t) > UR2(0) wirksam, wodurch der OV-Ausgang auf H-Pegel umschaltet, was in der Auswerteschaltung ohne Wirkung nach außen bleibt. Im Bild ist zu erkennen, dass die Spannung am Kollektor des IGBT während des Einschaltvorganges (gestrichelte Kurve) schneller als die Spannung an der externen RC-Parallelschaltung (Entladung von CCE über RCE und RC, ausgezogene Kurve) abfällt. Weiterhin ist ersichtlich, dass nach Verstreichen einer minimalen Verzögerungszeit tVmin nach Start des Einschaltvorganges infolge des Abfalls der Kollektorspannung am lGBT die Diode DC bei UCE(t) < UR2(0) leitend wird. Damit wird die Spannung am invertierenden OV-Eingang praktisch auf die Kollektor-Emitter-Spannung am IGBT abgesenkt. Das heißt letztlich, dass während des Einschaltvorganges ständig die Bedingung uRCE(t) > uR2(t) erfüllt ist, der Ausgang des OV folglich ständig H-Pegel führt. Wie aus Bild zu entnehmen ist, bedarf es für ein solches Betriebsverhalten eines verzögerten Abfalls der Spannung an der externen Parallelschaltung von RCE und CCE. Dieses kann durch geeignete Bemessung des Kondensators CCE eingestellt werden. Daraus ergibt sich dann die konkrete Verzögerungszeit tV > tVmin, während der nach dem Start des Einschaltvorganges die Überwachung des Einzeltransistors IGBT noch nicht aktiv ist. Dies ist eine notwendige Bedingung für sicheres Einschalten des überwachten Transistors. Bei der Festlegung einer für den konkreten praktischen Fall optimalen Verzögerungszeit (so kurz wie möglich, so lang wie nötig) sind neben Herstellerangaben zum Bauelement (hier IGBT) die konkreten Lastbedingungen zu beachten. Ausschaltvorgang Der stationäre EIN-Zustand am IGBT ist gemäß Bild durch URCE(') > UCE(') gekennzeichnet. Kommt es nach Ablauf der Verzögerungszeit tV zu einem unzulässigen Überstrom oder gar Kurzschluss im Lastkreis, führt dies zu einem Anstieg der Schalterspannung im EIN-Zustand über den mittels RCE eingestellten Vergleichswert URCE('). Der Übergang von URCE(') > UCE(') nach URCE(') < UCE(') [URCE(') durch UR2(0) begrenzt] bewirkt eine HL-Flanke am OV-Ausgang, wodurch das sofortige Abschalten des IGBT gestartet wird (im Bild nicht dargestellt). Dies kann durch abruptes (hartes) Abschalten, aufgrund immer vorhandener Induktivitäten insbesondere bei hohen Abschaltströmen mit Überspannungen im Lastkreis und/oder anderweitigen Störungen verbunden, oder auch durch weiches Abschalten (langsam, kontrolliert) erfolgen. Auch wenn der IGBT über seine Ansteuerschaltung entsprechend dem normalen Betriebsrhythmus ausgeschaltet wird, sperrt nach Spannungsanstieg am Kollektor die Diode DC und es stellt sich wieder UR2(0) > URCE(0) ein. Damit wird der zuvor unterstellte Ausgangszustand wieder erreicht und ein neuer Einschaltvorgang kann gestartet werden. Bemessungsgrößen Für eine praktische Nutzung des gezeigten Beispiels einer üblicherweise integrierten Überwachungsschaltung für einen Einzelschalter (Bild ) sind lediglich die extern anzuschaltenden Bauelemente RCE und CCE entsprechend den Hinweisen der Hersteller und unter Beachtung der konkreten Erfordernisse einer am IGBT (bzw. Power-MOSFET) angeschlossenen Last zu bemessen. Dabei sollte zunächst mit Hilfe von RCE die gewünschte stationäre Schaltschwelle URCE(') und danach mittels CCE die erforderliche Verzögerungszeit tV eingestellt werden. Ausblick Abschließend sei auf IGBT mit sogenanntem Stromspiegel in der Emitterleitung hingewiesen. Damit ist ein formgetreues Abbild des Emitterstromes zur Grenzwerterfassung und Einzelstromtransistorüberwachung in verschiedensten Applikationen nutzbar. In welchem Grad eine unmittelbare Strommessung möglich wird, ist künftigen Entwicklungen vorbehalten. U0+ UR2(0) URCE(0) uRCE(t) uCE(t) uCE() uR2(t) UR2(0) = ------- R1 + R2 U0+ URCE() = UR2() = UCE() RCE --------- RCE + RC Uref tV einstellbar tVmin Einschaltvorgang Typisches Betriebsverhalten der Einzeltransistor-Überwachung (Einschaltvorgang) Preisänderungen und Liefermöglichkeiten vorbehalten Für optimale Lichtplanung! Mit den erforderlichen Grundlagen für die Planung und Errichtung von Beleuchtungsanlagen Schwerpunktthemen u. a.: aktuelle Forschungsergebnisse zur Wahrnehmungsphysiologie, Änderungen von Normen, Einsatz von Beleuchtungssoftware, Dynamische Beleuchtung mit verschiedenen Leuchtdichten und Farben Auf der CD-ROM: Tabellen zu lichttechnischen Berechnungen und Lampendaten, farbige Abbildungen, Beispiele zur Tageslichtberechnung und ein Lichtberechnungsprogramm von DIAL. Baer (Hrsg.), Beleuchtungstechnik, Grundlagen, 3., vollst. überarb. Aufl., 416 S., 396 Bilder, inkl. 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- G. Graichen
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