DE102015206627A1

DE102015206627A1 - Selbstsichernder Umrichter

Info

Publication number: DE102015206627A1
Application number: DE102015206627.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Lehnert; Markus Pfeifer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-01-28
Also published as: WO2016005092A1; CN106797173A; CA2954477A1; BR112017000204A2; EP3143684A1; US20170197509A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Umrichter (1) mit einem Zwischenkreis (3) zum Bereitstellen einer Gleichspannung (10) zwischen einer Plusleitung (11) und einer Minusleitung (12), einer Phasenleitung (8, 9) zum Empfangen und/oder Ausgeben einer Wechselspannung und einer Halbbrückenschaltung (17) mit einer ersten Schalteranordnung (18) zum Verbinden der Plusleitung (11) mit der Phasenleitung (8, 9) und einer zweiten Schalteranordnung (19) zum Verbinden der Minusleitung (12) mit der Phasenleitung (8, 9). Bei einem Defekt eines Halbleiterschalters (20, 21) des Umrichters (1) soll sich der Umrichter (1) selbst sichern und weiterbetrieben werden können. Hierzu weist die erste Schalteranordnung (18) und die zweite Schalteranordnung (19) jeweils eine Parallelschaltung aus mehreren Schaltzweigen (Z) auf und in jedem Schaltzweig (Z) ist einer der Halbleiterschalter (20, 21) mit einer eigenen, in Reihe zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters (20, 21) geschalteten Schmelzsicherung (22) bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter, ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Umrichter sowie ein Verfahren zum Betreiben des Umrichters. Der Umrichter weist einen Gleichspannungs-Zwischenkreis auf, dessen Plusleitung und Minusleitung über eine Halbbrückenschaltung mit einem Wechselspannungsphasenleiter verschaltet sind. Die Halbbrückenschaltung ist auf Grundlage von Halbleiterschaltern gebildet.
Solche Halbleiterschalter können bei einem Defekt die Unterbrechung des Betriebs des Umrichters erfordern, damit die Halbbrückenschaltung repariert werden kann. Dies ist aber nicht immer möglich, beispielsweise während eines Fluges eines Flugzeugs, dessen Propeller mit einem Elektromotor angetrieben wird, der wiederum durch den Umrichter versorgt wird. Gerade Halbleiterschalter für ein solches elektrobetriebenes Flugzeug sind aber einer deutlich intensiveren Höhenstrahlung ausgesetzt. Dies vergrößert die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall oder eine Zerstörung eines oder mehrerer der Halbleiterschalter.
Bei einem solchen Defekt ist es nicht vorhersehbar, welchen Zustand ein defekter Halbleiterschalter einnimmt. Bei einem IGBT (insulated gate bipolar transistor), einem MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor) oder einer Diode als jeweiliger Halbleiterschalter kann es im Fehlerfall vorkommen, dass der Halbleiterschalter in einem Fehlerfall leitend oder durchlegiert wird und in einem anderen Fehlerfall nicht-leitend oder dauerhaft offen bleibt. Der defekte Halbleiterschalter kann dann nicht mehr durch ein Steuersignal in einen anderen Zustand überführt werden. Um auf den defekten Zustand angemessen zu reagieren, wird eine sehr schnelle Detektion und Ansteuerung benötigt, um gegebenenfalls den durchlegierten Halbleiterschalter, der dauerhaft elektrisch leitend ist, mit Hilfe weiterer Schalter vom System abzutrennen. Diese Art der Schutzeinrichtung erhöht die Anzahl an Bauteilen und vergrößert den benötigten Bauraum. Insbesondere im Fall von Schützen oder Relais zum Trennen von Halbleiterschaltern ist der zusätzliche Aufwand unerwünscht groß. Sind aber keinerlei Schutzmaßnahmen vorhanden, treten im Fehlerfall unkontrollierbare Ausgleichsströme auf. So können infolge eines defekten Halbleiterschalters, der von einem Kurzschlussstrom durchflossen wird, weitere Halbleiter und damit der Umrichter insgesamt zerstört werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Betrieb eines Umrichters schnell und robust auf einen Defekt in einem der Halbleiterschalter des Umrichters zu reagieren.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben.
Die Erfindung umfasst einen Umrichter mit einem Zwischenkreis zum Bereitstellen einer Gleichspannung zwischen einer Plusleitung und einer Minusleitung. Der Umrichter umfasst des Weiteren mindestens einen Phasenleiter zum Empfangen und/oder Ausgeben einer Wechselspannung. Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines einzelnen Phasenleiters beschrieben, die Erläuterungen treffen aber auch für weitere Phasenleiter zu. Der Phasenleiter ist über eine Halbbrückenschaltung mit der Plusleitung und der Minusleitung verschaltet. Die Halbbrückenschaltung weist eine erste Schalteranordnung zum Verbinden der Plusleitung mit dem Phasenleiter und eine zweite Schalteranordnung zum Verbinden der Minusleitung mit dem Phasenleiter auf. Diese Schalteranordnungen werden auch als High-Side und Low-Side bezeichnet. In an sich bekannter Weise kann durch abwechselndes Schalten der ersten Schalteranordnung und der zweiten Schalteranordnung eine empfangene Wechselspannung gleichgerichtet werden oder aus der Gleichspannung des Zwischenkreises in dem Phasenleiter eine Wechselspannung erzeugt und ausgegeben werden.
Um nun den Umrichter bei einem defekten Halbleiterschalter in der Halbbrückenschaltung dennoch sicher weiterbetreiben zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Schalteranordnung und die zweite Schalteranordnung jeweils eine Parallelschaltung aus mehreren Schaltzweigen aufweist, wobei in jedem Schaltzweig ein Halbleiterschalter mit einer eigenen, in Reihe zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters geschalteten Schmelzsicherung bereitgestellt ist. Für den Fall, dass der Umrichter mehrere Phasenleiter aufweist, ist entsprechend jeder Phasenleiter über eine Halbbrückenschaltung der beschriebenen Art mit der Plusleitung und der Minusleitung verschaltet.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei einem defekten Halbleiterschalter, wenn dieser durchlegiert ist, das heißt dauerhaft und/oder unkontrollierbar elektrisch leitend ist, durch die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters dieser wirkungslos geschaltet wird, indem die Schmelzsicherung durchbrennt, sobald ein Kurzschlussstrom über den defekten Halbleiterschalter fließt. Der Umrichter kann dann mit den übrigen Halbleiterschaltern aus dem mindestens einen parallelen Schaltzweig weiterbetrieben werden. Zum Auslösen der Schmelzsicherung ist nicht einmal ein Detektieren des defekten Halbleiterschalters nötig.
Bei dem erfindungsgemäßen Umrichter kann jeder Halbleiterschalter beispielsweise auf der Grundlage eines IGBT oder eines MOSFET oder einer Diode gebildet sein. Die Schaltstrecke ist bei den oben genannten Halbleiterschaltern die Drain-Source-Strecke oder die Kollektor-Emitter-Strecke.
Der erfindungsgemäße Umrichter ist insbesondere ein 2-Level-Umrichter.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Gemäß einer Weiterbildung ist eine Steuereinrichtung des Umrichters dazu ausgelegt, bei jeder der Schalteranordnungen jeweils die Steuereingänge der Halbleiterschalter, also das jeweilige Gate oder die Basis, gleichzeitig anzusteuern. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Defekt eines der Halbleiterschalter der Betrieb des Umrichters ununterbrochen auf der Grundlage der übrigen Halbleiterschalter fortgesetzt wird.
Wie bereits ausgeführt, kann durch die Halbbrückenschaltung eine Wechselspannung gleichgerichtet oder die Gleichspannung des Zwischenkreises in eine Wechselspannung umgewandelt werden. Hierzu müssen jeweils abwechselnd die erste und die zweite Schalteranordnung geschaltet werden. Gemäß einer Weiterbildung ist hierbei sichergestellt, die erste Schalteranordnung und die zweite Schalteranordnung zu unterschiedlichen Zeitintervallen in einem elektrisch leitenden Zustand zu betreiben. Wird hierbei in einem Zeitintervall einer der Halbleiterschalter beschädigt, sodass er durchlegiert ist, so wird im nächsten Zeitintervall, in welchem die andere Schalteranordnung betrieben wird, ein Kurzschluss zwischen der Plusleitung und der Minusleitung verursacht, durch welchen die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters ausgelöst wird. Beim nächsten Zeitintervall, in welchem wieder die erste Schalteranordnung leitend schaltet wird, kann diese dann ohne den defekten Halbleiterschalter weiter funktionieren.
Gemäß einer Weiterbildung wird sichergestellt, dass die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters durch den Kurzschluss zerstört wird und nicht die Schmelzsicherungen derjenigen Halbleiterschalter der anderen Schalteranordnung, über welche der Kurzschlussstrom (aufgeteilt in Teilströme) ebenfalls fließt. Bei dieser Weiterbildung ist jede Schmelzsicherung dazu ausgelegt, jeweils erst bei einem Auslösestrom mit einer Stromstärke auszulösen, die dem Kurzschlussstrom zwischen der Plusleitung und der Minusleitung entspricht, falls dieser Kurzschlussstrom ausschließlich über die Schmelzsicherung fließt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters auslöst. Da der Kurzschlussstrom in der anderen Schalteranordnung auf mehrere Halbleiterschalter aufgeteilt ist, lösen deren Schmelzsicherungen bei dieser Auslegung der Schmelzsicherungen nicht aus.
Der erfindungsgemäße, selbstsichernde Umrichter ist besonders bei Fahrzeugen vorteilhaft zu verwenden, da diese bei einem Defekt eines Halbleiterschalters ihre Fahrt unter Umständen nicht sofort unterbrechen müssen.
Entsprechend gehört zu der Erfindung auch ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Fahrzeugs für eine Fahrt, wobei der Antriebsmotor über einen Umrichter mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist. Der Umrichter stellt hierbei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters dar. Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug ergibt sich der Vorteil, dass dieses seine Fahrt bei einem Defekt eines Halbleiterschalters nicht unmittelbar unterbrechen muss.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Fahrzeug als Flugzeug ausgebildet, insbesondere als Starrflügelflugzeug. Der Antriebsmotor treibt in diesem Fall den Propeller des Flugzeugs oder (im Falle eines Drehflüglers) einen Rotor des Flugzeugs. Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass das Fahrzeug als Kraftwagen ausgestaltet ist, beispielsweise als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen. Während einer Fahrt des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs kann hier ebenfalls der Antriebsmotor für die Räder des Fahrzeugs weiterbetrieben werden, auch wenn es zu einem Defekt in einem der Halbleiterschalter kommt.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Antriebsmotor, der Umrichter und der Generator frei von Schützen miteinander verschaltet sind. Hierdurch baut das Fahrzeug besonders kompakt und leicht.
Eine Reduzierung des Bauraums und des Gewichts ergibt sich gemäß einer Weiterbildung auch, indem der Antriebsmotor und der Generator jeweils nur ein einziges Mehrphasen-Wicklungssystem aufweisen. Mit anderen Worten sind keine redundanten Drehstromwicklungen bereitgestellt, wie sie beispielsweise nötig sind, wenn zum Bereitstellen von Redundanz zwei Umrichter parallel betrieben werden.
Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters. Mittels des Verfahrens wird ein defekter Halbleiterschalter, der dauerhaft in einem elektrisch leitenden Zustand verharrt, wirkungslos gemacht. Im Betrieb des Umrichters, während der Umrichter eine erste Wechselspannung mit vorgegebener Frequenz empfängt, beispielsweise von einem Generator, und eine zweite Wechselspannung mit einer einstellbaren Frequenz erzeugt, um diese beispielsweise an einen Antriebsmotor abzugeben, wird folgendes durchgeführt.
An der Schalteranordnung der Halbbrückenschaltung, in welcher der defekte Halbleiterschalter angeordnet ist, wird ein Steuersignal zum Öffnen aller Halbleiterschalter erzeugt. Der defekte Halbleiterschalter wird nicht auf das Signal reagieren. Alle übrigen, funktionstüchtigen Halbleiterschalter reagieren auf das Steuersignal durch Wechseln in einen nicht-leitenden Zustand. An der anderen Schalteranordnung der Halbbrückenschaltung wird ein Signal zum Schließen aller Halbleiterschalter erzeugt. Hierdurch werden die Plusleitung und die Minusleitung des Zwischenkreises über den defekten Halbleiterschalter einerseits und mindestens zwei weitere Halbleiterschalter der anderen Schalteranordnung andererseits kurzgeschlossen. Hierdurch fließt ein Kurzschlussstrom zwischen der Plusleitung und der Minusleitung, wobei der Kurzschlussstrom vollständig durch den defekten Halbleiterschalter fließt. In der anderen Schalteranordnung teilt sich der Kurzschlussstrom auf die mindestens zwei weiteren Halbleiterschalter auf. Hierdurch wird die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters ausgelöst. Das Verfahren wird automatisch im Betrieb des Umrichters durchgeführt, ohne dass hierbei eine Detektion des defekten Halbleiterschalters nötig wäre.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Umrichters beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters,
2 eine schematische Darstellung eines Teils des Umrichters von 1, während eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird, und
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Umrichter 1, der einen Gleichrichter 2, einen Zwischenkreis 3, einen Wechselrichter 4 und eine Steuereinrichtung 5 aufweist. Über den Umrichter 1 können eine Spannungsquelle 6 (beispielsweise ein elektrischer Generator) und ein elektrischer Verbraucher 7 (beispielsweise ein Elektromotor) miteinander gekoppelt sein. Die Spannungsquelle 6 kann über Phasenleitungen 8 an den Gleichrichter 2 angeschlossen sein. Der Verbraucher 7 kann über Phasenleitungen 9 an den Wechselrichter 4 angeschlossen sein. Über die Phasenleitungen 8, 9 können jeweils Wechselspannungen unterschiedlicher Phasen übertragen werden.
Aus den Wechselspannungen der Phasenleitungen 8 kann durch den Gleichrichter 2 eine Gleichspannung 10 erzeugt werden, die in den Zwischenkreis 3 eingespeist wird. Der Zwischenkreis 3 kann eine Plusleitung 11 und eine Minusleitung 12 aufweisen, zwischen denen die Gleichspannung 10 anliegt. Die Plusleitung 11 und die Minusleitung 13 können über eine Batterie 13 und einen Zwischenkreiskondensator 14 gekoppelt sein, durch welchen eine Zwischenkreiskapazität C bereitgestellt ist. Die Plusleitung 11 und die Minusleitung 12 koppeln jeweils den Gleichrichter 2 und den Wechselrichters 4. Die Plusleitung 11, die Minusleitung 12 und der Phasenleitungen 8, 9 können jeweils beispielsweise durch einen Draht oder eine Stromschiene bereitgestellt sein.
Während des Betriebs des Umrichters 1 wandelt der Umrichter 1 die Wechselspannungen in den Phasenleitern 8 in Wechselspannungen um, die über die Phasenleiter 9 dem Verbraucher 7 zugeführt werden.
Der Umrichter 1 ist hierbei als redundanter Umrichter gegen einen Defekt gesichert. Dennoch benötigt die Spannungsquelle 6 als Generator nur ein einzelnes Generatorwicklungssystem 15 im Stator. Der Verbraucher 7 benötigt als elektrische Maschine nur ein einziges Motorwicklungssystem 16 im Stator. Bei einem Defekt ist auch kein Umschalten des Leistungsflusses mittels Schützen nötig. Die Redundanz kann außerdem mit einem einzelnen Zwischenkreiskondensator 14 und einer einzelnen Batterie 13 bereitgestellt werden.
Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 4 weisen jeweils Halbbrücken 17 auf, von denen jede die Plusleitung 12 und die Minusleitung 13 jeweils mit einer anderen der Phasenleitungen 9 verschaltet oder verbindet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur drei der Halbbrücken mit einem Bezugszeichen versehen.
Jede Halbbrücke 17 kann zwei Schalteranordnungen 18, 19 aufweisen. Die Schalteranordnung 18 wird auch als High-Side-Schaltung, die Schalteranordnung 19 als Low-Side-Schaltung, bezeichnet. Bei jeder Halbbrücke 17 verbindet die Schalteranordnung 18 die Plusleitung 12 mit der jeweiligen Phasenleitung 9. Die Schalteranordnung 19 verbindet die Minusleitung 13 mit derselben Phasenleitung 9. Durch abwechselndes Schalten der Schalteranordnungen 18, 19 in dem Gleichrichter 2 wird in an sich bekannter Weise aus einer Wechselspannung eines der Phasenleiter 8 die Gleichspannung 10 erzeugt. Durch abwechselndes Schalten der Schalteranordnungen 18, 19 in dem Wechselrichter 4 wird in an sich bekannter Weise aus der Gleichspannung 10 in jeweils einem Phasenleiter 9 eine Wechselspannung eingeprägt oder erzeugt.
Zum Steuern der Schalteranordnungen 18, 19 der Halbbrücken 17 können Steueranschlüsse G der Schalteranordnungen 18, 29 mit der Steuereinrichtung 5 gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 5 kann ganz oder teilweise in die Schalteranordnungen 18, 19 integriert sein. Sie kann teilweise oder ganz als separate Steuereinheit bereitgestellt sein.
Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 4 können dieselbe Schaltungstopologie aufweisen, d.h. sie können identisch aufgebaut sein.
Zum Bereitstellen der besagten Redundanz weisen bei dem Gleichrichter 2 und dem Wechselrichter 4 die Schalteranordnungen 18, 19 jeweils mehrere Halbleiterschalter 20, 21 auf. Jedem Halbleiterschalter 20, 21 ist eine eigene Schmelzsicherung 22 in Reihe geschaltet. Bei jeder Schalteranordnung 18, 19 ist also eine Parallelschaltung aus mehreren Reihenschaltungen oder Schaltzweigen Z vorgesehen, wobei jeder Schaltzweig Z auf Grundlage eines Halbleiterschalters 20, 21 und einer Schmelzsicherung 22 gebildet ist. Jeder Halbleiterschalter 20, 21 kann beispielsweise als IGBT oder MOSFET ausgestaltet sein.
Für die weitere Erläuterung des Ausführungsbeispiels sei auf 2 verwiesen und angenommen, dass einer der Halbleiterschalter 20 des Wechselrichters 4 defekt sei. Der defekte Halbleiterschalter 20 wird im Folgenden als defekter Halbleiterschalter 23 bezeichnet. Durch den Defekt ist der defekte Halbleiterschalter 23 durchgehend elektrisch leitend, das heißt in dem veranschaulichten Beispiel ist die Plusleitung 12 dauerhaft mit einem Phasenleiter 9 elektrisch verbunden oder kurzgeschlossen.
Bei dem Umrichter 1 ergibt sich durch seine Topologie ein Verfahren, durch welches die zu dem defekten Halbleiterschalter 23 gehörende Schmelzsicherung 24 ausgelöst oder aufgeschmolzen wird, sodass durch die Schmelzsicherung 24 eine elektrische Trennung oder elektrische Isolierung bewirkt wird. Hierdurch wird dann in dem Beispiel die Plusleitung 12 von dem Phasenleiter 9 elektrisch getrennt, obwohl der defekte Halbleiterschalter 23 dauernd elektrisch leitend ist. Eine Detektion des defekten Halbleiters 23 entfällt.
Bei dem Verfahren wird durch Einschalten der nicht defekten Halbleiterschalter 21, also der Halbleiterschalter in derjenigen Schalteranordnung 19, in der sich nicht der defekte Halbleiterschalter 23 befindet, der defekte Halbleiterschalter 23 über seine Sicherung 24 vom Zwischenkreis 3 getrennt.
Durch Schließen der Halbleiterschalter 21, das heißt durch Schalten der Halbleiterschalter 21 in den elektrisch leitenden Zustand (ON), wird die Plusleitung 12 mit der Minusleitung 13 über den defekten Halbleiterschalter 23 im dauerhaft leitenden Zustand (DEF) einerseits und die Halbleiterschalter 21 andererseits elektrisch kurzgeschlossen. Es fließt hierdurch ein Kurzschlussstrom I.
Die übrigen Halbleiterschalter 20 der Schalteranordnung 18, in welcher sich der defekte Halbleiterschalter 23 befindet, sind in einen elektrisch sperrenden Zustand (OFF), das heißt in einem geöffneten Zustand, geschaltet. Hierdurch wird der Kurzschlussstrom I vollständig über die Schmelzsicherung 24 und den defekten Halbleiterschalter 23 geführt. In der Schalteranordnung 19 teilt sich der Kurzschlussstrom I als Teilstrom I/2 auf die Halbleiterschalter 21 auf. Hierdurch wird verhindert, dass deren Schmelzsicherungen 22 aufschmelzen oder auslösen.
Die Schmelzsicherungen 22 jedes Halbleiterschalters 20, 21 ist somit nicht für den Nennstrom, sondern für den Kurzschlussstrom I ausgelegt. Damit der Kurzschlussstrom I auf die beiden Halbleiterschalter 21 als Teilstrom I/2 aufteilt, werden die Halbleiterschalter 21 gleichzeitig angesteuert. Hierzu sind die Halbleiterschalter 21 und auch die Halbleiterschalter 20 jeweils über ihre Steueranschlüsse, das heißt ihr Gate oder ihre Basis, über eine gemeinsame Steuerleitung 25 verschaltet. In 1 ist durch Auslassungspunkte an den Steueranschlüssen G und durch entsprechende Auslassungspunkte an der Steuereinrichtung 5 angedeutet, wie jede der Steuerleitungen 25 durch die Steuereinrichtung 5 gesteuert werden kann.
Im Falle eines defekten Halbleiterschalters 23 geht der Betrieb des Umrichters 1 normal weiter. Der defekte (durchlegierte) Halbleiterschalter 23 verbindet den positiven Punkt der Zwischenkreisspannung 10 auf eine Phasenleitung 9. Werden nun die Halbleiterschalter 21, die den negativen Punkt der Minusleitung 12 mit derselben Phasenleitung 9 verschalten, angesteuert, so entsteht ein satter Kurzschluss der Zwischenkreisspannung 10. Der Kurzschlussstrom I teilt sich über die zwei geschalteten Halbleiterschalter 21 und deren Schmelzsicherungen 22 auf. Jedoch fließt der komplette Kurzschlussstrom I über den defekten (durchlegierten) Halbleiterschalter 23 und dessen Schmelzsicherung 24, welche somit auslöst. Der defekte Halbleiterschalter 23 ist somit außer Betrieb genommen, das heißt sein Schaltzweig Z befindet sich in einem elektrisch nicht leitenden, offenen Zustand. Die parallel zu dem defekten Halbleiterschalter 23 geschalteten Halbleiterschalter 20 (in dem Beispiel ist nur ein weiterer Halbleiterschalter 20 parallelgeschaltet) schalten weiterhin den Anteil der Zwischenkreisspannung.
Anwendungen liegen neben einem elektrisch angetriebenen Flugzeug (ePlane) auch bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen (eCar) und einem Antriebsumrichter mit erhöhter Redundanz-Anforderung und/oder einem SIL-Level (SIL – safety integrity level gemäß der internationalen Normung IEC 61508 / IEC 61511).
3 veranschaulicht hierzu, wie der Umrichter 1 beispielhaft in einem Flugzeug 26 bereitgestellt sein kann. Anstelle des Flugzeugs 26 kann der Umrichter auch in einem anderen Fahrzeug, z.B. einem Kraftwagen, bereitgestellt sein.
3 zeigt ein Starrflügelflugzeug 26, bei welchem ein Propeller 27 durch den Verbraucher 7 angetrieben werden kann. Der Propeller 27 wird über eine Welle 28 durch den Verbraucher 7 rotiert. Der Verbraucher 7 ist in dem Beispiel ein elektrischer Antriebsmotor, also eine elektrische Maschine, die im Motorbetrieb betrieben wird. Die Energie für den Antrieb des Propellers 27 kann durch eine Brennkraftmaschine 29 gewonnen werden, bei der es sich beispielsweise um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handeln kann. Die Brennkraftmaschine 29 kann über eine Welle 30 die Spannungsquelle 6 antreiben, die hierzu als elektrischer Generator ausgestaltet ist. Als elektrischer Generator kann eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb bereitgestellt sein. Eine Drehzahl der Welle 30 ist dabei unabhängig von einer Drehzahl der Welle 28. Hierzu wird die von der Spannungsquelle 6 erzeugte Wechselspannung in der beschriebenen Weise über den Umrichter 1 in Wechselspannung umgewandelt, die über die Wechselspannungs-Phasenleiter 9 in den Verbraucher 7 eingespeist werden kann. Eine Schaltfrequenz der Schalteranordnungen 18, 19 wird hierbei durch die Steuereinrichtung 5 in Abhängigkeit von einer Solldrehzahl des Propellers 27 eingestellt. Die Solldrehzahl kann hierbei beispielsweise durch einen Piloten mittels eines (nicht dargestellten) Bedienelements eingestellt oder vorgegeben werden.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein 2-Level-Umrichter mit Sicherungen bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Umrichter
2: Gleichrichter
3: Zwischenkreis
4: Wechselrichter
5: Steuereinrichtung
6: Spannungsquelle
7: Verbraucher
8, 9: Phasenleitung
10: Gleichspannung
11: Plusleitung
12: Minusleitung
13: Batterie
14: Zwischenkreiskondensator
15: Generatorwicklungssystem
16: Motorwicklungssystem
17: Halbbrücken
18, 19: Schalteranordnung
20, 21: Halbleiterschalter
22: Schmelzsicherung
23: Defekter Halbleiterschalter
24: Schmelzsicherung
25: Steuerleitung
26: Flugzeug
27: Propeller
28: Welle
29: Brennkraftmaschine
30: Welle
G: Steueranschluss
I: Kurzschlussstrom
I2: Teilstrom
Z: Schaltzweig

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 61508 / IEC 61511 [0045]

Claims

Umrichter (1) mit – einem Zwischenkreis (3) zum Bereitstellen einer Gleichspannung (10) zwischen einer Plusleitung (11) und einer Minusleitung (12), – einer Phasenleitung (8, 9) zum Empfangen und/oder Ausgeben einer Wechselspannung, – einer Halbbrückenschaltung (17) mit einer ersten Schalteranordnung (18) zum Verbinden der Plusleitung (11) mit der Phasenleitung (8, 9) und einer zweiten Schalteranordnung (19) zum Verbinden der Minusleitung (12) mit der Phasenleitung (8, 9), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteranordnung (18) und die zweite Schalteranordnung (19) jeweils eine Parallelschaltung aus mehreren Schaltzweigen (Z) aufweist und in jedem Schaltzweig (Z) ein Halbleiterschalter (20, 21) mit einer eigenen, in Reihe zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters (20, 21) geschalteten Schmelzsicherung (22) bereitgestellt ist.
Umrichter (1) nach Anspruch 1, wobei eine Steuereinrichtung (5) dazu ausgelegt ist, bei jeder Schalteranordnung (18, 19) jeweils Steuereingänge der Halbleiterschalter (20, 21) zeitgleich anzusteuern.
Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (5) dazu ausgelegt ist, zum Erzeugen der Wechselspannung aus der Gleichspannung (10) oder zum Erzeugen der Gleichspannung (10) aus der Wechselspannung die erste Schalteranordnung (18) und die zweiter Schalteranordnung (19) zu unterschiedlichen Zeitintervallen in einem elektrisch leitenden Zustand zu betreiben.
Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Halbleiterschalter (20, 21) jeweils durch einen IGBT oder einen MOSFET oder eine Diode gebildet ist.
Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Schmelzsicherung (22) dazu ausgelegt ist, jeweils erst bei einem Auslösestrom mit einer Stromstärke auszulösen, die einem Kurzschlussstrom (I) zwischen der Plusleitung (11) und der Minusleitung (12) entspricht, falls dieser Kurzschlussstrom (I) ausschließlich über die Schmelzsicherung (22) fließt.
Fahrzeug (26) mit einem elektrischen Antriebsmotor (7) zum Antreiben des Fahrzeugs (26) für eine Fahrt, wobei der Antriebsmotor (7) über einen Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem elektrischen Generator (6) gekoppelt ist.
Fahrzeug (26) nach Anspruch 6, wobei der Antriebsmotor (7), der Umrichter (1) und der Generator (6) frei von Schützen miteinander verschaltet sind.
Fahrzeug (26) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Antriebsmotor (7) und der Generator (6) jeweils nur ein einziges Mehrphasen-Wicklungssystem (15, 16) aufweisen.
Fahrzeug (26) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Fahrzeug (26) als Flugzeug (26), insbesondere Starrflügelflugzeug, oder als Kraftwagen ausgestaltet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Umrichters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, um einen defekten Halbleiterschalter (23), der dauerhaft in einem elektrisch leitenden Zustand (DEF) verharrt, wirkungslos zu machen, wobei im Betrieb des Umrichters (1), während dieser eine erste Wechselspannung mit vorgegebener Frequenz empfängt und eine zweite Wechselspannung mit einstellbarer Frequenz erzeugt, an der Schalteranordnung (18), in welcher der defekte Halbleiterschalter (23) angeordnet ist, ein Steuersignal zum Öffnen aller Halbleiterschalter (20) erzeugt, und an der anderen Schalteranordnung (19) derselben Halbbrückenschaltung (17) ein Steuersignal zum Schließen aller Halbleiterschaler (21) erzeugt und hierdurch die Plusleitung (11) und die Minusleitung (12) über den defekten Halbleiterschalter (23) und mindestens zwei weitere der Halbleiterschalter (21) der anderen Schalteranordnung (19) kurzgeschlossen werden und hierdurch die Schmelzsicherung (24) des defekten Halbleiterschalters (23) ausgelöst wird.