DE102007031140A1 - Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes - Google Patents

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Abstract

Um eine Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes oder zum Bilden einer elektrischen Spannung mit in Reihe geschalteten Halbleitermodulen (1), die wenigstens einen ansteuerbaren Leistungshalbleiter (3) aufweisen, einer auf dem Potential eines der Halbleitermodule (1) liegenden Hochspannungssteuerungseinheit und einer Erdpotential nahen Niederspannungssteuerungseinheit, die mittels wenigstens eines Lichtwellenleiters (17, 18) mit der Hochspannungssteuerungseinheit verbunden ist, bereitzustellen, die sicher, aufwandsarm und kostengünstig ist, wird vorgeschlagen, dass die Hochspannungssteuerungseinheit eine Hochspannungsschnittstelle (7) aufweist, die auf dem Potential eines der Halbleitermodule (1) liegt und über Signalleitungen (10, 11, 12, 13, 14) mit wenigstens zwei ansteuerbaren Leistungshalbleitern (3) verbunden ist, wobei die Hochspannungsschnittstelle über wenigstens einen der besagten Lichtwellenleiter (17, 18) mit der Niederspannungssteuerungseinheit verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes oder zum Bilden einer elektrischen Spannung mit in Reihe geschalteten Halbleitermodulen, die wenigstens einen ansteuerbaren Leistungshalbleiter aufweisen, einer auf dem Potential eines der Halbleitermodule liegenden Hochspannungssteuerungseinheit und einer Erdpotential nahen Niederspannungssteuerungseinheit, die mittels wenigstens eines Lichtwellenleiters mit der Hochspannungssteuerungseinheit verbunden ist.
  • Eine solche Vorrichtung ist aus US 5,969,956 bereits bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung ist ein Umrichter, der Teil einer Hochspannungsgleichstromübertragungs(HGÜ)-anlage ist. Der dort gezeigte Umrichter verfügt über Ventilzweige, die jeweils eine Reihenschaltung aus Halbleitermodulen aufweisen. Die Halbleitermodule umfassen jeweils einen Thyristor, der durch einen elektrischen Zündpuls von einer Sperrstellung, in der ein Stromfluss über den Thyristor unterbrochen ist, in eine Durchlassstellung überführt werden kann, in der ein Stromfluss über den Thyristor ermöglicht ist. Zum Zünden der Thyristoren dient eine Regelungseinrichtung. Die Regelungseinrichtung umfasst eine auf einem Hochspannungspotential liegende Hochspannungssteuereinheit sowie eine Erdpotential nahe Niederspannungssteuerungseinheit, die mittels Potential trennender Lichtwellenleiter miteinander verbunden sind. Die elektrischen Signale der Niederspannungssteuerungseinheit werden daher in optische Signale umgewandelt und über den Lichtwellenleiter an die Hochspannungssteuerungseinheit übertragen. Die Hochspannungssteuerungseinheit verfügt über einen optoelektrischen Wandler, der die empfangenen optischen Sig nale in elektrische Signale umwandelt. Die empfangenen Signale sorgen für eine zweckmäßige Zündung der Thyristoren. Darüber hinaus sind jedem Thyristor Zustandsüberwachungssensoren zugeordnet, die den Zustand des jeweils zugeordneten Thyristors unter Gewinnung von Zustandsdaten überwachen. Die Zustandsdaten werden schließlich an die Hochspannungssteuerungseinheit übertragen, wobei diese die Zustandsdaten zumindest teilweise verarbeitet und die bei der Verarbeitung gewonnenen Daten über die Lichtwellenleiter an die Niederspannungsteuerungseinheit überträgt.
  • Umrichter mit einer Reihenschaltung aus Halbleitermodulen sind auch aus der Praxis der Energieübertragung und – verteilung bekannt. Durch die Reihenschaltung verteilt sich die an den Klemmen der Reihenschaltung anliegende Spannung auf die einzelnen Halbleitermodule. Auf diese Weise können Umrichterventile bereitgestellt werden, die für eine hohe Spannung ausgelegt sind, obwohl die Spannungsfestigkeit der einzelnen Halbleitermodule begrenzt ist. Bei Hochspannungsanwendungen liegt die Anzahl der benötigten Halbleitermodule im Bereich von einigen 10 bis über 1000. Die Halbleitermodule umfassen beispielsweise einen einzelnen ansteuerbaren Leistungshalbleiter oder aber einen Kondensator und mehrere miteinander zu einer Halb- oder Vollbrücke verschaltete Leistungshalbleiter. Die Leistungshaltleiter müssen in der Regel genau und schnell angesteuert werden. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, ist gemäß dem Stand der Technik jeder Leistungshalbleiter über in der Regel zwei Lichtwellenleiter mit einer Erdpotential nahen Steuerung verbunden. Dies hat den Nachteil, dass sehr viele Lichtwellenleiter benötigt werden. Im Falle einer redundanten Auslegung der Steuerung erhöht sich die Anzahl der Lichtwellenleiter darüber hinaus noch über den Faktor zwei. Auch ist es schwierig, alle bei der Überwachung gewonnenen Daten, die über die jeweiligen Licht- Wellenleiter übertragen werden, in der benötigen Zeit zentral zu verarbeiten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die sicher, aufwandsarm und kostengünstig ist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Hochspannungssteuerungseinheit eine Hochspannungsschnittstelle aufweist, die auf dem Potential eines der Halbleitermodule liegt und über Signalleitungen mit wenigstens zwei ansteuerbaren Leistungshalbleitern verbunden ist, wobei die Hochspannungsschnittstelle über wenigstens einen der besagten Lichtwellenleiter mit der Niederspannungssteuerungseinheit verbunden ist.
  • Erfindungsgemäß ist eine Hochspannungsschnittstelle vorgesehen, welche die von der Niederspannungsteuerungseinheit gesendeten Daten empfängt und an mehrere Leistungshalbleiter weiter verteilt. Dabei befindet sich die Hochspannungsschnittstelle auf dem Potential der Halbleiterschalter. Aus diesem Grunde kann die Hochspannungsschnittstelle in unmittelbarer örtlicher Nähe der Halbleiter angeordnet sein, so dass sich die zu den Leistungshalbleitern führenden Signalleitungen, wie beispielsweise elektrische Datenleitungen und optische Datenleitungen, entsprechend kurz und kostengünstig ausgelegt sein können. Darüber hinaus benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine lediglich reduzierte Anzahl von Lichtwellenleitern zwischen den Hochspannungsschnittstellen und der Niederspannungssteuerungseinheit mit einer Verringerung der Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Gefolge. Zur geeigneten Weiterverteilung weisen die von der Niederspannungssteuerungseinheit übertragenen Daten zweckmäßigerweise eine Ansprechadresse auf, die festlegt, an welche der Leistungshalbleiter die Hochspannungsschnittstelle die Daten bzw. Signale weiterleitet. Bei den übertragenen Daten kann es sich im Rahmen der Erfindung sowohl um analoge aber auch bevorzugt um digitale Daten handeln, die in Form von Datentelegrammen versandt werden.
  • Unter dem Begriff ansteuerbarer Leistungshalbleiter ist im Rahmen der Erfindung jeglicher Leistungshalbleiter zu verstehen, der für einen Einsatz im Bereich der Hochspannung sich als zweckmäßig erweist. Nur beispielsweise seien daher Thyristoren, so genannte GTO's (Gate Turn-Off-Thyristor), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), GCT (Gate Commutaded Turn-Off-Thyristor) und IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) genannt. Ein Halbleitermodul weist beispielsweise nur einen dieser Leistungshalbleiter auf. Abweichend davon verfügt ein Halbleitermodul im Rahmen der Erfindung über mehrere ansteuerbare und gegebenenfalls auch nicht ansteuerbare Leistungshalbleiter, die miteinander zu einer Halb- oder Vollbrücke verschaltet sind. Das Halbleitermodul kann darüber hinaus auch weitere Bauteile wie Kondensatoren umfassen. Unter Leistungshalbleiter ist im Rahmen der Erfindung die kleinste ansteuerbare Einheit zu verstehen. Dabei besteht jeder Leistungshalbleiter aus mehreren miteinander beliebig kontaktierten Halbleiterchips.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jede Hochspannungsschnittstelle mit wenigstens vier ansteuerbaren Leistungshalbleitern verbunden. Die vier ansteuerbaren Leistungshalbleiter sind miteinander zu einer Vollbrücke verschaltet, der ein Kondensator parallel geschaltet ist.
  • Vorteilhafterweise ist die Hochspannungsschnittstelle zum Empfangen von Steuersignalen über einen mit ihr verbundenen Lichtwellenleiter und zum Verteilen der empfangenen Steuer signale an die mit ihr verbundenen Leistungshalbleiter eingerichtet.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Zustandssensoren vorgesehen, die mit der Hochspannungsschnittstelle verbunden sind, so dass die Hochspannungsschnittstelle Messsignale der Zustandssensoren empfängt. Die Hochspannungsschnittstelle wirkt beispielsweise auch im Hinblick auf die Messsignale der Zustandssensoren als einfacher Verteiler, wobei die Messsignale zur Niederspannungssteuerungseinheit weitergeleitet werden.
  • Jede Niederspannungssteuerungseinheit ist über die Lichtwellenleiter nur mit der Hochspannungsschnittstelle verbunden. Eine andere Verbindung zwischen der Niederspannungssteuerungseinheit und einem Bauteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Hochspannungspotential ist nicht vorgesehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Hochspannungsschnittstelle zum Verarbeiten der Messsignale der Zustandssensoren und zum Ansteuern der mit ihr verbundenen Leistungshalbleiter in Abhängigkeit der Messsignale eingerichtet. Mit anderen Worten übernimmt die Hochspannungsschnittstelle Funktionen, die sonst von der Niederspannungssteuerungseinheit durchgeführt werden. Daher ergibt sich eine große Vereinfachung für die gesamte Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Reaktionen auf Messsignale der Halbleiterschalter, die in kürzester Zeit, beispielsweise im Bereich von Mikrosekunden erfolgen müssen, können durch die Hochspannungsschnittstelle effizienter selbstständig und lokal durchgeführt werden. Auf diese Weise wird die Niederspannungssteuerungseinheit entlastet.
  • Vorteilhafterweise ist eine Erdpotential nahe Energieversorgungseinheit vorgesehen, die über Potential trennende Verbindungsmittel mit der Hochspannungsschnittstelle verbunden ist, so dass die Energieversorgung in der Hochspannungsschnittstelle durch die Erdpotential nahe Energieversorgungseinheit bereitgestellt ist.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Weiterentwicklung ist eine Hochspannungsenergieversorgung vorgesehen, die auf dem Potential eines der Halbleitermodule liegt und die zur Energieversorgung der Hochspannungsschnittstelle eingerichtet ist.
  • Die Halbleitermodule umfassen, wie bereits ausgeführt wurde, abschaltbare und/oder nicht abschaltbare Leistungshalbleiter, wie beispielsweise Thyristoren. Während Thyristoren aktiv nur von der Unterbrecherstellung in die Durchgangsstellung überführt werden können, ist es bei abschaltbaren Leistungshaltleitern, wie IGBT's, möglich, diese durch ein Ansteuersignal auch aktiv von der Durchgangsstellung in die Sperrstellung zu überführen. Dies erweitert selbstverständlich die Steuerungsmöglichkeiten der Halbleiterschalter. Abschaltbare Leistungshalbleiter weisen in der Regel eine antiparallel geschaltete Freilaufdiode auf.
  • Im Rahmen der Erfindung sind beispielsweise durch Licht ansteuerbare Leistungshalbleiter vorgesehen, die durch ein zweckmäßiges Lichtsignal angesteuert werden können. Abweichend davon sind elektrisch steuerbare Leistungshalbleiter im Rahmen der Erfindung vorgesehen.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jeder ansteuerbare Leistungshalbleiter über eine so genannte Gate-Einheit mit der Hochspannungsschnittstelle verbunden, wobei die Gate-Einheit zum elektrischen Ansteuern der ansteuerbaren Leistungshalbleitern des Halbleitermoduls eingerichtet ist. Die Gate-Einheit dient somit zum Ansteuern der elektrisch ansprechbaren Leistungshalbleiter. Dabei ist die Gate-Einheit in der Regel unmittelbar mit dem Halbleiterschalter verbunden. Die Hochspannungsschnittstelle ist zum Ansprechen der Gate-Einheit vorgesehen, so dass diese die notwendigen Steuersignale für den mit ihr verbundenen Leistungshalbleiter erzeugt. Gate-Einheiten sind jedoch als solche bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht detailliert eingegangen zu werden braucht.
  • Gemäß einer diesbezüglichen zweckmäßigen Weiterentwicklung ist die Hochspannungsschnittstelle zur Energieversorgung der Gate-Einheit eingestellt. Auch durch diese Verschaltung zwischen Gate-Einheit und der Hochspannungsschnittstelle ist der Aufwand an die Verkabelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch weiter herabgesetzt.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Reihenschaltung aus Halbleitermodulen zeigt, die Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, und
  • 2 die Ansteuerung von Leistungshalbleitern durch die Hochspannungsschnittstelle verdeutlicht.
  • 1 zeigt eine Reihenschaltung aus Halbleitermodulen 1, die jeweils aus Schaltmodulen 2 zusammengesetzt sind. Die Schaltmodule sind mit einem Kondensator C zu einer so genann ten H-Schaltung oder Vollbrückenschaltung verschaltet, so dass an den Klemmen jedes Halbleitermoduls 1 je nach Stellung der Schaltmodule die an dem Kondensator C abfallende Kondensatorspannung Uc, die invertierte Kondensatorspannung -Uc oder eine Nullspannung abfällt. Dabei umfasst jedes Schaltmodul einen abschaltbaren Leistungshalbleiter hier einen IGBT 3 sowie eine antiparallel zu dieser geschaltete Freilaufdiode 4. Die in 1 gezeigte Vorrichtung ist beispielsweise mit einer Phase eines Wechselstromnetzes verbindbar und dient zur Unterdrückung von harmonischen Oberschwingungen, die sich im Wechselstromnetz bilden können, zur Blindleistungskompensation, zur Spannungsstabilisierung oder dergleichen. Zum Anschluss an die Phase des Wechselspannungsnetzes dienen Anschlussklemmen 5 und 6. Bei einem dreiphasigen Wechselstromnetz bilden drei solcher Reihenschaltungen eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine Vorrichtung mit Ventilzweigen gemäß der Reihenschaltung in 1 wird auch als Multi-Level-Umrichter bezeichnet.
  • Zur Ansteuerung der vier IGBTs eines Halbleitermoduls 1 dient eine Hochspannungsschnittstelle 7, die über potential trennende Lichtwellenleiter mit einer in 1 figürlich nicht dargestellten Niederspannungssteuerungseinheit verbunden ist. Die Hochspannungsschnittstelle 7 ist Teil einer weiterhin ebenfalls in 1 nicht verdeutlichten Hochspannungssteuerungseinheit. Abweichend hiervon besteht die Hochspannungssteuerungseinheit nur aus der Hochspannungsschnittstelle.
  • 2 zeigt die Ansteuerung der ansteuerbaren Leistungshalbleiter V11, V12, V21 und V22 durch die Hochspannungsschnittstelle 7 genauer. Insbesondere ist erkennbar, dass jeder der ansteuerbaren Leistungshalbleiter V11, V12, V21 und V22 über eine so genannte Gate-Einheit 8 mit der Hochspannungsschnittstelle 7 verbunden ist. Die Gate-Einheit 8 wird in der Praxis oft als Gate-Unit oder Gate-Driver bezeichnet. Sie dient zum Erzeugen der Ansteuersignale für den jeweiligen Gate-Anschluss des mit ihr verbundenen Leistungshalbleiters. Zur Versorgung jeder Gate-Einheit 8 mit Energie umfasst die Hochspannungsschnittstelle für jede Gate-Einheit 8 eine Hochspannungsenergieversorgung 9. Dabei ist jede Energieversorgungseinheit 9 über eine Kabelverbindung 10 an die Gate-Einheit angeschlossen. Eine Signalleitung 11 dient zur Übertragung der Zuschaltungs- und Abschaltungssignale, die von der Hochspannungsschnittstelle 7 empfangen und weitergeleitet werden.
  • Darüber hinaus verfügt jede Gate-Einheit 8 über Zustandsgeber, die über Signalleitungen 12, 13 und 14 mit der Hochspannungsschnittstelle 7 verbunden sind. Dabei ist die Hochspannungsschnittstelle 7 zum Empfangen und Verarbeiten der Zustandssignale der Zustandgeber eingerichtet. Die Verarbeitung erfolgt mit Hilfe einer in der Hochspannungsschnittstelle implementierten internen Logik. Diese ist auch zur Veränderung, Erzeugung oder Unterdrückung von Zuschalt- und Abschaltsignalen eingerichtet, wenn dies auf Grundlage der erhaltenen Zustandssignale erforderlich ist.
  • Der nur schematisch angedeuteten Temperatursensor 15 erfasst eine über alle Schaltmodule 2 des Halbleitermoduls 1 gemittelte Temperatur.
  • Die ermittelten Kondensatorspannungswerte Uc und die Temperaturwerte T werden von der Hochspannungsschnittstelle 7 verarbeitet, wobei eine interne Logik der Hochspannungsschnittstelle 7 bestimmt, ob Zuschaltungs- und Abschaltungssignale erzeugt oder unterdrückt werden.
  • Zur Verbindung der Hochspannungsschnittstelle 7 mit einer in 2 figürlich nicht dargestellten Erdpotential nahe Niederspannungsschnittstelle dienen zwei nur schematisch angedeutete Lichtwellenleiter 17 und 18, wobei über den Lichtwellenleiter 17 Daten von der nicht gezeigten Niederspannungssteuerungseinheit empfangen werden und über den Lichtwellenleiter 18 Daten von der Hochspannungsschnittstelle 7 an die Niederspannungsteuerungseinheit gesendet werden.
  • Die Hochspannungsschnittstelle 7 ist vorteilhafterweise ein so genanntes Field Programmable Gate Array oder FPGA. Solche FPGA's sind programmierbare Halbleiterbausteine, die als solche bekannt sind, so dass an dieser Stelle hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5969956 [0002]

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes oder zum Bilden einer elektrischer Spannung mit in Reihe geschalteten Halbleitermodulen (1), die wenigstens einen ansteuerbaren Leistungshalbleiter (3) aufweisen, einer auf dem Potential eines der Halbleitermodule (1) liegenden Hochspannungssteuerungseinheit und einer Erdpotential nahen Niederspannungssteuerungseinheit, die mittels wenigstens eines Lichtwellenleiters (17, 18) mit der Hochspannungssteuerungseinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungssteuerungseinheit eine Hochspannungsschnittstelle (7) aufweist, die auf dem Potential eines der Halbleitermodule (1) liegt und über Signalleitungen (10, 11, 12, 13, 14) mit wenigstens zwei ansteuerbaren Leistungshalbleitern (3) verbunden ist, wobei die Hochspannungsschnittstelle über wenigstens einen der besagten Lichtwellenleiter (17, 18) mit der Niederspannungssteuerungseinheit verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsschnittstelle (7) zum Empfang von Steuerungssignalen über einen der mit ihr verbundenen Lichtwellenleiter (17, 18) und zum Verteilen der empfangenen Steuerungssignale an die mit ihr verbundenen ansteuerbaren Leistungshalbleiter (3) eingerichtet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Zustandssensoren (15, 16), die mit der Hochspannungsschnittstelle (7) verbunden sind, so dass die Hochspannungsschnittstelle (7) Messsignale der Zustandssensoren (15, 16) empfängt
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsschnittstelle (7) zum Verarbeiten der Messsignale der Zustandssensoren (15, 16) und zum Ansteuern des mit ihr verbundenen ansteuerbaren Leistungshalbleiters (3) in Abhängigkeit der Messsignale eingerichtet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Erdpotential nahe Energieversorgungseinheit, die über Potential trennende Verbindungsmittel mit der Hochspannungsschnittstelle (7) verbunden ist, so dass die Energieversorgung der Hochspannungsschnittstelle (7) durch die Erdpotential nahe Energieversorgungseinheit bereitgestellt ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch durch eine auf dem Potential eines der Halbleitermodule (1) liegenden Hochspannungsenergieversorgung, die mit der Hochspannungsschnittstelle zu deren Energieversorgung verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder ansteuerbare Leistungshalbleiter (3) über eine Gate-Einheit (8) mit der Hochspannungsschnittstelle verbunden ist, wobei die Gate-Einheit (8) zum Erzeugen eines Ansteuersignals für den ansteuerbaren Leistungshalbleiter (3) des Halbleitermoduls (1) eingerichtet
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsschnittstelle (7) die Gate-Einheit (8) mit einer Energieversorgung (9) mit Energie versorgt.
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