DE69514459T2

DE69514459T2 - Schutzschalter und Spannungsbegrenzungsschaltung

Info

Publication number: DE69514459T2
Application number: DE69514459T
Authority: DE
Inventors: Victor Albert Keith Temple; Donald Leland Watrous
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1994-09-12
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2015-09-08
Also published as: ATE188816T1; JPH08103023A; EP0701313B1; US5532635A; DE69514459D1; EP0701313A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Schutz elektrischer Schaltkreise, Elemente oder Vorrichtungen vor Spannungsstößen auf Versorgungsleitungen und insbesondere eine Schaltung zur Feststellung und Absorption elektrischer Spannungsstöße bei Hochleistungsanwendungen.
Derartige Leistungsstöße können sich aus einer großen Vielzahl von Störungen ergeben, wie sie sich bei dem Ausfall von Anlagen oder unbeabsichtigter Zerstörung oder auch aufgrund natürlicher Störungen wie z. B. von Blitzeinschlägen ergeben.
Um elektrische Anlagen und Einrichtungen gegen Spannungsstöße zu sichern, ist die Verwendung von Varistoren bekannt, wobei es sich um Vorrichtungen handelt, bei denen der elektrische Widerstand in Abhängigkeit vom ansteigenden Strom abnimmt. Die in Schutzschaltungen verwendeten Varistoren können in Schaltkreisen derart benutzt werden, daß der Leistungsanstieg in der Schaltung vom Varistor erfaßt wird, der Varistorwiderstand abnimmt sowie die Überspannung bzw. der Spannungsstoß über den Varistor parallel geschaltet abgeführt und damit vom spannungsstoßempfindlichen Element ferngehalten wird.
Die maximale an einen Varistor kontinuierlich anlegbare Spannung wird durch die bei Dauerlast zulässige Verlustleistung bestimmt. Unter Überspannungsbedingungen kann der Varistor eine Impulsenergie absorbieren, die von seiner Masse und der zulässigen Spitzentemperatur abhängt. Typischerweise liegt die Klemmspannung eines Varistors in der Größe der doppelten Verlustleistung im Dauerbetrieb.
Die Effizienz, welche sich bei der Verwendung derartiger Vorrichtungen zur Spannungsstoßunterdrückung einstellt, wird bestimmt von dem Leistungsverlust am Varistor, wenn keine Überspannungsbedingungen anliegen. Ein derartiger Leistungsverlust kann reduziert werden, wenn der Varistor bei Bedarf aktiv in die zu schützende Schaltung eingeschaltet wird. Da jedoch typischerweise Varistoren Spitzen ströme von einigen hundert bis tausend Ampere übertragen können, ist es in der Regel nicht zweckmäßig, Varistoren mit aktiven Schalterelementen zu kombinieren.
Eine weitere Schwierigkeit, die sich aus der Praxis in der Vergangenheit ergeben hat, zeigt sich bei der Verwendung von Varistoren in spannungsspitzenunterdrückenden Schutzschaltungen mit einer periodisch wiederkehrenden hohen Impulsenergie. Da derartige Impulse sehr häufig ein graduelles Ansteigen des Leckstromes und der nominalen Klemmspannung bewirken, können sich wiederholende hohe Energieimpulse in Varistorschaltungen zu thermischen Überlastungen und katastrophalen Ausfällen führen.
Aus dem Stand der Technik, nach der DE-A-36 14 589, ist eine elektrische Schaltung bekannt, in welcher eine Last mit elektrischer Leistung von einer Leistungsquelle versorgt wird, die eine Schaltung zur Verringerung der Übertragung von Spannungsspitzen an die Last enthält und einen Thyristor umfaßt, der elektrisch in Serie zu einem Varistor geschaltet ist, wobei die Serienschaltung elektrisch parallel zur Last liegt. Der Thyristor wird über eine Gatteransteuerschaltung derart angesteuert, daß er beim Vorhandensein von Spannungsspitzen eingeschaltet wird und über den Varistor die Absorption der Energie der Überspannung während des gesamten Stoßes ermöglicht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Schaltung für die Unterdrückung von Spannungsspitzen zu schaffen, die einen verhältnismäßig geringen Anstieg über die anliegende Dauerlastleistung hinaus haben und den Varistor rasch in einen Schaltkreis einschalten, sobald ein ansteigender Überspannungsstoß festgestellt wird. Ein weiteres Ziel besteht darin, daß die Schaltung Einschwingspannungen unterdrücken soll, die wiederholt infolge normaler Schaltfunktionsabläufe auftreten.
Die Erfindung sieht deshalb eine elektrische Schaltung in einer Stromversorgungsquelle vor, welche elektrische Leistung an eine Last anlegt und welche eine Schaltung zum Reduzieren der Übertragung von Spannungsstößen an die Last enthält. Dazu ist ein MOS-gesteuerter Thyristor (MCT) (12) vorgesehen, der elektrisch in Serie zu einem Varistor (10) liegt, wobei diese Serienschaltung elektrisch parallel zur Last geschaltet ist. Eine Steuerschaltung (14) mit einem MCT-Gate steuert den MCT derart, daß dieser nicht leitend ist, wenn keine Spannungsspitze anliegt, und daß der MCT leitend wird, wenn eine Spannungsspitze auftritt und damit dem Varistor die Möglichkeit bietet, die Energie während der Spannungsspitze aufzunehmen. Diese Schaltung umfaßt erfindungsgemäß einen SCR (86), der in Serie zwischen einer ersten Diode (90) und einem ersten Widerstand (88) liegt, wobei diese Serienschaltung parallel zur Last geschaltet ist. Zwischen einem ersten (80) und einem zweiten (82) Varistor ist ein MCT geschaltet, wobei diese Serienschaltung parallel zur Last liegt. Der Gate-Anschluß des MCT ist elektrisch mit dem Ausgang des SCR verbunden, wobei ein Widerstand (92) und ein Kondensator (94) in Serie zwischen einem Anschluß an die Last und dem zweiten Varistor liegt. Eine zweite Zenerdiode (96) liegt derart parallel zu dem Kondensator, daß eine Spannungsspitze an der Last den SCR einschaltet, womit der MCT ebenfalls eingeschaltet und die Spannungsspitze an dem ersten und zweiten Varistor absorbiert wird, wobei diese Spannungsspitze den Kondensator auflädt, um den MCT für eine längere Zeitdauer als die Dauer des Spannungsstoßes eingeschaltet zu halten.
Die Erfindung besteht ferner aus einem elektrischen Schaltkreis mit einer während der Abschaltzeit reduzierten Einschwingspannung an dem elektrischen Schalter und wird durch einen ersten MCT (30), der als Leistungsschalter funktionierend elektrisch angeschlossen ist, einem Varistor und einem in Serie geschalteten zweiten MCT (38) charakterisiert, wobei die Serienschaltung elektrisch parallel zum ersten MCT liegt. Ein Widerstand und eine Diode (32) liegen parallel zueinander und verbinden den Gateanschluß des ersten und zweiten MCT.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Schaltung zur Unterdrückung eines Spannungsstoßes gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine vereinfachte Schaltung eines Ausführungsbeispiels zur Spannungsstoßunterdrückung in Verbindung mit einem Leistungsschalter;
Fig. 3 eine vereinfachte Schaltung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Unterdrückungsschaltung für einen Spannungsstoß;
Fig. 4 eine vereinfachte Schaltung einer weiteren Ausführungsform einer Schaltung zur Unterdrückung eines Spannungsstoßes gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 wird eine Schaltung dargestellt, die zur Unterdrückung eines Spannungsstoßes zwischen zwei Anschlüssen 1 und 2 Verwendung findet. Die Anschlüsse können parallel zu einer Last oder einem anderen elektrischen Element liegen bzw. parallel zu einer Schaltung zum Schutz gegen Überspannungsstöße. Die Schaltung kann einen Varistor 10 umfassen und einen MCT 12, die in Serie geschaltet und parallel zu den Anschlußklemmen 1 und 2 liegen. Der Betrieb des MCT wird über eine Gateschaltung 14 gesteuert.
Im Betrieb bei Ruheleistung ist der MCT abgeschaltet und der Leistungsverbrauch über die Serienschaltung aus dem Varistor und dem MCT extrem gering. Als Gateschaltung 14 kann jede herkömmliche Konfiguration verwendet werden, welcher eine Überspannungsstoßbedingung feststellt, um ein Gatesignal an den MCT anzulegen, sobald die Überspannungsbedingung festgestellt ist. So kann z. B. die Gateschaltung eine Überspannung von 125% über der Dauerlastleistung feststellen und bei dieser Bedingung den MCT 12 durch das Anlegen eines geeigneten Gatesignals einschalten. Damit begrenzt die Serienschaltung aus MCT und Varistor die Spitzenspannung des Spannungsstoßes durch Absorption der Einschwingenergie. Wenn die gekappte Spannung wieder auf ihren normalen Dauerbetriebszustand zurückgeht, wird der Strom über den Varistor entsprechend der nichtlinearen V/I-Charakteristik verringert, und der MCT kann wiederum abgeschaltet werden, um die Dauerbetriebsverlustleistung des Varistors zu begrenzen.
Die Verwendung des MCT 12 als Schalter erlaubt dem Überspannungs-Unterdrückungsschaltkreis der hohen Stromänderung di/dt und dem üblicherweise mit dem Spannungsstoß verbundenen Strom zu widerstehen, wobei am Gate eine präzise An- und Abschaltung bei dem gewünschten Schaltpunkt ermöglicht wird. Die Gateschaltung 14 kann aus einer beliebigen herkömmlichen Schaltung bestehen, die in der Lage ist, die angeforderten Bedingungen zu erfüllen und ein entsprechendes geeignetes Steuersignal an den MCT anzulegen. Der Detektor kann als Spannungsteiler ausgeführt sein, der die Netzspannung abtastet und beim Auftreten einer bestimmten Spannung bzw. einer Teilspannung ein Einschaltsignal an das Gate des MCT liefert.
In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, wie sie bei einem Halbleiterleistungsschalter Verwendung findet, in welchem verhältnismäßig hohe Einschaltenergien auftreten und zwar infolge der Öffnung eines Halbleiterkontaktes. Bei derartigen Anwendungen kann die Leistungssteuerschaltung derart modifiziert sein, daß der Varistor zur Umschaltung des MCT zum richtigen Zeitpunkt angesteuert wird. Die an die Last 20 angelegte Leistung liegt in Serie zu einer Leitungsinduktivität 22. Ein MCT 30 (im vorliegenden Fall der Haupt-MCT) kann als Leistungsschalter dienen und einen Fehlerstrom führen, der mehr als das Zehnfache der Dauernennleistung ist. Der Strom durch den MCT 30 kann mit Hilfe einer herkömmlichen Wendeschaltung unterbrochen werden. Eine Diode 32 liegt parallel zum MCT 30. Eine Serienschaltung aus einer Induktivität 34, einer Kapazität 36 und einem MCT 38 liegen parallel zum MCT 30. Eine zweite Diode 40 kann den MCT 38 überbrücken. Eine herkömmliche Ladeschaltung 42 dient dazu den Kondensator 36 auf einer Ladespannung zu halten. Ein Varistor 44 und ein den Varistor steuernder MCT 46 sind ebenfalls parallel zum MCT 30 geschaltet. Im Betrieb ist der Kondensator 36 auf die in Fig. 2 dargestellte Polarität aufgeladen und wird über den MCT 38, die Diode 32 und die Induktivität 34 entsprechend dem Wendezyklus zyklisch entladen. Durch diesen Zyklus wird der MCT 30 mit einer Gegenvorspannung beaufschlagt, womit dieser wieder in Durchlassrichtung blockiert. Der MCT 46 arbeitet in der Weise, daß der Thyristor 44 selektiv in den Schaltkreis eingeschaltet wird, um Einschwingspannungen zu unterdrücken, die durch den Betrieb des Leistungsschalters ausgelöst werden.
In Fig. 3 wird im Gegensatz zu dem Leistungsschalter gemäß Fig. 2, in welchem gelegentliche und zufällige Übergangsspitzen entstehen, eine Schaltung dargestellt, in welcher wiederholt Übergangsschwingungen an einem Leistungselement erzeugt werden. Die Schaltung, die die Überschwingungen erzeugt, kann ein herkömmlicher Inverter-Schalter sein mit einem umschaltenden MCT 60 in Serie zu einer Streuinduktivität 62. Die Energien der Streuinduktivität erzeugen typischerweise eine Überspannung an dem schaltenden MCT 60, wenn dieser abgeschaltet ist. In herkömmlichen Schaltungen würde eine RC-Diodenschaltung parallel zum schaltenden MCT 60 geschaltet werden, um den größten Teil der Energie von der Streuinduktivität 62 abzuhalten und die Überspannung zu begrenzen. In der vorliegenden Schaltung wird ein Varistor 64 in die Inverter-Schaltung mit Hilfe des MCT 66 eingeschaltet. Sowohl der MTC 60 als auch der MTC 66 werden von einem gemeinsamen Gatesignal aus angesteuert, das direkt an den MCT 60 und über eine Parallelschaltung aus dem Widerstand 70 und der Diode 72 an den MCT 66 zur Steuerung des Varistors 64 angelegt wird.
Im Betrieb wird der schaltende MCT 60 in herkömmlicher Weise eingeschaltet mit Hilfe eines geeigneten Gatesignals 68. Im eingeschalteten Zustand fließt praktisch kein Strom über den Varistor 64, da der schaltende MCT 60 leitend ist. Wenn der schaltende MCT 60 durch ein geeignetes Gatesignal 68 in den nicht leitenden Zustand umgeschaltet wird, erfährt das Gatesignal eine Zeitverzögerung aufgrund der Zeitkonstante aus dem Widerstand 70 und der Gatekapazität. Während dieses Zeitintervalls ist der Varistor leitend und unterdrückt den Spannungsstoß. Am Ende des Überstromes durch den Varistor 64 und den steuernden MCT 66 verringert sich die Übergangsspannung infolge der nicht linearen V/I-Charakteristik des Varistors 64, womit der steuernde MCT 66 sicher abschaltet.
Da der Varistor 64 nur während dem Auftreten des Spannungsstoßes in die Schaltung eingeschaltet ist, haben die von ihm absorbierten sich wiederholenden Energieimpulse relativ niedrige Energie. Selbst wenn die Wirkung des Varistors durch Leckstrom verringert wird, bleibt die Schaltung gemäß Fig. 3 wirksam bis der Leckstrom auf mehrfache Amplitudengröße ansteigt und im Amperebereich zu liegen kommt. Da der Varistor auch nur während der Überspannungswerte aktiv ist, besteht kaum Gefahr einer thermischen Überlastung.
In Fig. 4 ist eine Schaltung dargestellt, bei welcher die Überspannungen nur zufällig auftreten. Normalerweise liegt an den Klemmen 1 und 2 eine Gleichspannung im Dauerbetrieb an. Parallel zu den Anschlußklemmen 1 und 2 ist ein erster Varistor 80, ein MCT 84 und ein zweiter Varistor 82 in Serie geschaltet. Ein SCR ist ausgangsseitig mit dem Gate des MCT 84 und mit der zweiten Klemme 2 über einen Widerstand 88 verbunden. Das Gate des SCR 86 ist über eine Zenerdiode 90 mit der ersten Klemme 1 verbunden. Die Basis des SCR 86 ist über einen zweiten Widerstand 92 mit der ersten Klemme 1 und über die Parallelschaltung des Kondensators 94 und einer zweiten Zenerdiode 96 mit dem Ausgang des MCT 84 verbunden.
Wenn im Betrieb die Dauerspannung an den Anschlußklemmen 1 und 2 anliegt und ein kleiner Strom über den zweiten Widerstand 92 und die zweite Zenerdiode 96 fließt, stellt sich eine Spannung am zweiten Varistor 82 ein. Diese Spannung erscheint als negative Gatevorspannung am MCT 84 über den Widerstand 88. Die Spannung an der zweiten Zenerdiode 96 lädt den Kondensator 94 auf. Wenn die Spannung an den Klemmen 1 und 2 die Durchbruchspannung an der Zenerdiode 90 übersteigt, wird der SCR 86 eingeschaltet und schaltet seinerseits den MCT 84 ein. Die Spannung am Kondensator 94 hält den MCT 84 im eingeschalteten Zustand und zwar für eine vorgegebene Zeit länger als ein Spannungsstoß, dadurch wird dieser Spannungsstoß mit Hilfe der Varistoren 80 und 82 im eingeschalteten Zustand des MCT absorbiert.
Der Strom über den Widerstand 88 entlädt den Kondensator 94. Die Größe des Stromes über den Widerstand 92 wird auf einem Wert gehalten, der kleiner als der Haltestrom des SCR 86 ist. Der Wert des Widerstandes 88 wird mit einer Größe ausgewählt, der einen Strom fließen läßt, der um das Mehrfache größer als der über den zweiten Widerstand 92 fließende Strom ist. Auf diese Weise wird beim Entladen des Kondensators 94 der Strom über den SCR 86 verringert, und zwar soweit, daß der SCR abgeschaltet und damit der MCT 84 abgeschaltet wird.

Claims

1. Elektrische Schaltung, in welcher eine Stromquelle elektrische Leistung an eine Last abgibt, wobei die Schaltung zur Verringerung der Übertragung von Überspannungen auf die Last einen elektrisch in Serie mit einem Varistor (10; 80) verbundenen MOS-gesteuerten Thyristor (MCT) (2/84) umfaßt, die Serienschaltung parallel zur Last liegt und ferner eine MCT-Gateschaltung (14; 86, 88, 90, 92, 94, 96) den MCT derart ansteuert, daß der MCT beim Fehlen einer Überspannung während eines Spannungsstoßes abgeschaltet und beim Vorhandensein eines Spannungsstoßes dem Varistor erlaubt, die Energie der Überspannung des Spannungsstoßes zu absorbieren,

gekennzeichnet durch

einen in Serie zwischen eine erste Zenerdiode (90) und einen ersten Widerstand (88) geschalteten SCR (86), wobei die Serienschaltung parallel zur Last liegt,

einen zwischen den ersten Widerstand (88) und einen zweiten Varistor (82) in Serie geschalteten MCT, wobei der Gateanschluß des MCT mit dem ausgangsseitigen Anschluß des SCR elektrisch verbunden ist,

einem zweiten Widerstand (92) und einem Kondensator (94), welche in Serie zwischen einem Lastanschluß und dem zweiten Varistor geschaltet sind,

einer zweiten Zenerdiode (96) parallel zum Kondensator, wobei eine Überspannung an der Last den SCR einschaltet, der seinerseits den MCT einschaltet und die Überspannung parallel zum ersten und zweiten Varistor absorbiert, indem die Überspannung den Kondensator derart auflädt, daß der MCT für eine Zeitperiode eingeschaltet wird, die länger als die Dauer der Überspannung ist.

2. Elektrischer Schalter mit reduzierter Überspannung an dem elektrischen Schalter während der Abschaltung bestehend aus einem ersten, als Leistungsschalter geschalteten MCT (60), einem Varistor (64) und einem in Serie geschalteten MCT (66), wobei die Serienschaltung parallel zu dem ersten MCT liegt, einen Widerstand (70) und einer dazu parallel geschalteten Diode (72), wobei diese Serienschaltung zwischen den Gateanschlüssen des ersten und des zweiten MCT liegt.

3. Elektrischer Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite MCT (66) für eine Zeitperiode nach der Abschaltung des ersten MCT (30) weiterleitend ist, um Überspannung am parallelen Schalter zu unterdrücken, wobei die Zeitperiode, während welcher der zweite MCT nach der Abschaltung des ersten MCT leitend ist, von der Größe des Widerstands und des Kondensators am Gateanschluß abhängt.

4. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Strom über den ersten Widerstand während des Spannungsstoßes kleiner als der Haltestrom des SCR ist,

daß der Strom über den zweiten Widerstand während des Spannungsstoßes zumindest mehrmals größer als der Strom über den ersten Widerstand ist und

daß der SCR eingeschaltet ist, wenn die Überspannung die Durchbruchspannung der ersten Diode übersteigt.