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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschalten eines bipolaren Transistors, der einen Kollektor-, Emitter- und Gateanschluss aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abschalten eines solchen bipolaren Transistors.
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Aus der
EP 2882103 A1 sind eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren bereits bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird in einem ersten Schritt ein Kurzschluss erkannt. Die Kurzschlusserkennung basiert auf einer Abschätzung in Abhängigkeit einer Messung des über die Lastanschlüsse des bipolaren Transistors geführten Stromes. So wird beispielsweise an einer in Reihe zum bipolaren Transistor geschalteten Induktivität die an dieser abfallende Spannung gemessen. Bei hohen Spannungen kann auf einen Kurzschlussstrom geschlossen werden. Nach Erkennung eines Kurzschlusses wird die Gatespannung stufenweise herabgesetzt, um so eine Entsättigung des bipolaren Transistors zu erzwingen. Schließlich wird der Transistor abgeschaltet.
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Aus der
EP 1257056 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Lastanschlüsse eines bipolaren Transistors ebenfalls auf eine Entsättigung überwacht werden.
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Die
DE 19849097 A1 lehrt den Schaltzustand eines bipolaren Transistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) zu überwachen, indem die zwischen Kollektor- und Emitteranschluss des IGBTs abfallende Spannung gemessen wird. Bei einer Entsättigung kann eine über den IGBT abfallende Spannung nachgewiesen und so auf einen Kurzschlussstrom geschlossen werden.
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Bei den bislang bekannten Verfahren und Vorrichtungen basiert die Kurzschlusserkennung auf einer sich bei hohen Kurzschlussströmen einstellenden Entsättigung des bipolaren Transistors. Den vorbekannten Methoden haftet daher der Nachteil an, dass die Entsättigung vergleichsweise langsam, also beispielsweise erst nach 10µs nach Entstehung eines Kurzschlusses, erkannt werden kann. Hinzu tritt eine lange Ausblendzeit, also eine Zeitdauer, die zum Abschalten des bipolaren Transistors nach der Kurzschlusserkennung benötigt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine eingangs genannte Vorrichtung und ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, die eine schnelle Kurzschlusserkennung und ein schnelles Abschalten des bipolaren Transistors ermöglichen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung durch eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer zwischen dem Gateanschluss und dem Emitteranschluss abfallenden Gate-Emitterspannung UGE, eine mit der Spannungserfassungseinheit verbundenen Vergleichseinheit zum Vergleichen der Gate-Emitterspannung UGE mit einem vorgegebenen Schwellenwert, wobei die Spannungserfassungseinheit ausgangsseitig ein Auslösesignal bereitstellt, wenn die Gate-Emitterspannung UGE größer als der Schwellenwert ist, eine Schaltstatuserfassungseinheit zum Erkennen eines von dem Kollektoranschluss zum Emitteranschluss fließenden Laststromes, wobei die Schaltstatuserfassungseinheit bei Erkennung eines Laststroms ausgangsseitig ein Laststromsignal bereitstellt, und durch eine mit der Schaltstatuserfassungseinheit und der Vergleichseinheit verbundene Steuerungseinheit, die bei gleichzeitigem Erhalt eines Laststromsignals und eines Auslösesignals ein Abschaltsignal zum Abschalten des bipolaren Transistors erzeugt.
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Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren löst die Erfindung diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem eine zwischen dem Gate- und dem Emitteranschluss abfallende Gate-Emitterspannung von einer Spannungserfassungseinheit erfasst wird, eine Vergleichseinheit die Gate-Emitterspannung mit einem vorbestimmten Schwellenwert vergleicht und, wenn die Gate-Emitterspannung den Schwellenwert überschreitet, ein Abschaltsignal bereitstellt, eine Schaltstatuserfassungseinheit unter Bereitstellung eines Laststromsignals einen Laststrom erkennt, der vom Kollektoranschluss zum Emitteranschluss fließt, und eine mit der Schaltstatuserfassungseinheit und der Vergleichseinheit verbundene Steuerungseinheit ein Abschaltsignal zum Abschalten des bipolaren Transistors erzeugt, wenn sie gleichzeitig ein Abschaltsignal und ein Laststromsignal erhält.
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Erfindungsgemäß wird der Kurzschluss anhand eines Spannungsanstiegs der Gate-Emitterspannung erkannt. Dieser Spannungsanstieg wird in der Literatur auch als Aufriss bezeichnet. Die Gate-Emitterspannung ist über die Miller-Kapazität mit dem über die Lastanschlüsse, also zwischen Kollektor- und Emitteranschluss, fließende Strom gekoppelt. Ein Kurzschlussstrom sorgt mit anderen Worten auch für einen Anstieg der Gate-Emitterspannung, beispielsweise von 15 auf 20V. Dieser Spannungsanstieg kann bereits vor einer Entsättigung nachweisbar ist, so dass im Rahmen der Erfindung ein Kurzschluss schneller nachgewiesen werden kann als bei den Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Im Rahmen der Erfindung ist es ferner möglich, den bipolaren Transistor nach Erkennen eines Kurzschlusses sofort abzuschalten. Im Rahmen der Erfindung muss daher die Gate-Emitterspannung nicht erst auf kleinere Spannungen reduziert werden, um eine Entsättigung einzuleiten, wie in der
EP 1257036 A1 vorgeschlagen wird.
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Im Rahmen der Erfindung ist eine Spannungserfassungseinheit bereitgestellt, welche die zwischen dem Gateanschluss und dem Emitteranschluss des bipolaren Transistors abfallende Gateemitterspannung UGE erfasst. Als Spannungserfassungseinheit kommen im Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebige Spannungssensoren in Betracht. Die hierbei zu erfassenden Spannungen liegen im Bereich zwischen 0 und 20V, also im Niederspannungsbereich.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Spannungserfassungseinheit einen Spannungssensor der in Abhängigkeit der erfassten Gate-Emitterspannung ein Gate-Emitterspannungssignal erzeugt. Darüber hinaus sind eine Abtasteinrichtung zum Abtasten des analogen Gate-Emitterspannungssignals und unter Gewinnung von Spannungsabtastwerten und ein Analog/Digitalwandler zum Umwandeln der Spannungsabtastwerte in digitale Spannungsabtastwerte vorgesehen. Die digitalen Spannungsabtastwerte werden hier ebenfalls als Gate-Emitterspannung UGE bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist die Spannungserfassungseinheit mit einer Vergleichseinheit verbunden, die ein Schwellenwert als Parameter aufweist. Der Schwellenwert wird der Vergleichseinheit vorgegeben und beträgt beispielsweise 16V. Die Vergleichseinheit ist eingangsseitig mit dem Ausgang der Spannungserfassungseinheit verbunden und vergleicht die erfasste Gate-Emitterspannung mit dem vorgegebenen Schwellenwert. Übersteigt die Gate-Emitterspannung den Schwellenwert, erzeugt die Vergleichseinheit an ihrem Ausgang ein Auslösesignal.
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Vorteilhafterweise liegt der Schwellenwert nur wenig oberhalb der bei Normalbetrieb vorliegenden Betriebsspannung, beispielsweise nur 0,5V–1V über der Betriebsspannung. Um eine falsche Kurzschlusserkennung zu vermeiden, ist es im Rahmen der Erfindung notwendig, dass ein Abschaltsignal zum Abschalten des bipolaren Transistors nur erzeugt wird, wenn ein Laststrom über den bipolaren Transistor fließt, also wenn dieser eingeschaltet ist und ein Strom vom Kollektoranschluss zum Emitteranschluss des bipolaren Transistors fließt. Aus diesem Grunde ist im Rahmen der Erfindung eine Schaltstatuserfassungseinheit bereitgestellt, die feststellt oder erkennen kann, ob ein Laststrom über den bipolaren Transistor fließt. Dies kann durch eine einfache, also auch grobe Messung, beispielsweise einer Spannungsänderung, eines Stromflusses, eines Stromanstiegs oder dergleichen erfolgen. Die Schaltstatuserfassungseinheit ist – wie die Vergleichseinheit – mit einer Steuerungseinheit verbunden. Die Steuerungseinheit überprüft bei Erhalt eines Auslösesignals, ob die Schaltstatuserfassungseinheit ein Laststromsignal erzeugt hat. Die Schaltstatuserfassungseinheit stellt das Laststromsignal nur bereit, wenn sie einen Laststrom nachweist. Liegt das Laststromsignal zeitlich zum Auslösesignal vor, erzeugt die Steuerungseinheit ein Abschaltsignal zum Abschalten des bipolaren Transistors. Das Abschaltsignal wird beispielsweise einem Treiberkopf oder einer Gatetreibereinheit zur Verfügung gestellt, die den bipolaren Transistor sofort abschaltet.
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Der bipolare Transistor ist beispielsweise ein bipolarer Transistor mit isolierter Gateelektrode, also ein IGBT.
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Vorteilhafterweise umfasst die Spannungserfassungseinheit einen kompensierten Spannungsteiler. Ein kompensierter Spannungsteiler ist durch die Parallelschaltung einer Reihenschaltung aus ohmschen Widerständen, also dem eigentlichen Spannungsteiler, und einer hierzu parallelen Reihenschaltung von Kondensatoren gekennzeichnet. Die Kondensatoren sind auf die Widerstände abgestimmt. Kompensierte Spannungsteiler sind dem Fachmann jedoch bekannt, so dass an dieser Stelle auf genauere Ausführungen verzichtet werden kann.
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Vorteilhafterweise ist die Vergleichseinheit Teil einer Gate-Treibereinheit. Gemäß dieser vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Vergleichseinheit kostengünstig in der Gate-Treibereinheit integriert.
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Wie bereits ausgeführt, muss die Schaltstatuserfassungseinheit den Laststrom nicht genau erfassen. Es reicht aus, überhaupt festzustellen, ob ein Strom fließt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schaltstatuserfassungseinheit eine Rogowski-Spule. Die Rogowski-Spule misst an einem beliebigen Punkt eines verzeigungsfreien Strompfadabschnittes, der den bipolaren Transformator mit seinen Lastanschlüssen umfasst, den Strom, so dass ein zwischen Kollektor- und Emitteranschluss des bipolaren Transistors fließender Laststrom von der Rogowski-Spule erfasst wird. Bei einem Kurzschluss kommt es zu einem raschen Anstieg des Laststroms. Dieser Anstieg kann von der Rogowski-Spule leicht erkannt werden, wobei sie ein entsprechendes Laststromsignal ausgangsseitig bereitstellt.
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Vorteilhafterweise ist die Schaltstatuserfassungseinheit zum Erfassen eines Gleichstroms oder einer Gleichspannung eingerichtet. Eine solche Ausführung der Erfindung ist zweckmäßig, wenn der bipolare Transistor Teil eines Umrichters ist. So sind beispielsweise spannungseinprägende, so genannte „Voltage Source Converter“ (VSC) bekannt, die auf einem modularen und somit skalierbaren Konzept beruhen. Solche VSCs werden daher auch als modulare Multilevel-Umrichter bezeichnet. Sie bestehen in der Regel aus Phasenmodulen, die jeweils zwei Gleichspannungsanschlüsse und einen Wechselspannungsanschluss aufweisen. Zwischen jedem Gleichspannungsanschluss und dem Wechselspannungsanschluss erstreckt sich jeweils ein Phasenmodulzweig, so dass ein Phasenmodul in der Regel zwei Phasenmodulzweige aufweist. Jeder Phasenmodulzweig wiederum besteht aus einer Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen, die entweder als Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltung vorliegen. Jedes Submodul verfügt über einen unipolaren Kondensator, dem je nach Ausführung des Submoduls entweder eine oder zwei Reihenschaltungen bestehend aus jeweils zwei bipolaren Transistoren parallel geschaltet sind. Bei einer Vollbrückenschaltung sind zwei Reihenschaltungen von zwei bipolaren Transistoren vorgesehen, wobei eine erste Anschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den bipolaren Transformatoren der ersten Reihenschaltung und die zweite Anschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den bipolaren Transistoren der zweiten Reihenschaltung verbunden ist. Bei einer Halbbrückenschaltung ist nur eine Reihenschaltung vorgesehen, wobei die erste Anschlussklemme mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden bipolaren Transistoren der Reihenschaltung verbunden ist. Die zweite Anschlussklemme an einen Pol des Kondensators direkt angeschlossen. Je nach Ansteuerung der bipolaren Transformatoren kann somit bei einer Halbbrückenschaltung entweder die an dem Kondensator abfallende Spannung oder aber eine Nullspannung an den Anschlussklemmen des Submoduls erzeugt werden. Bei einer Vollbrückenschaltung kann auch die inverse Kondensatorspannung zwischen den Anschlussklemmen abfallen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es bei einer solchen Anwendung des bipolaren Transistors ausreichend, wenn aufgrund eines fließenden Gleichstroms oder eines bestimmtes Spannungsabfalls mit Sicherheit auf einen Laststrom geschlossen werden kann, der über den jeweils überwachten bipolaren Transistor fließen muss.
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Vorteilhafterweise überwacht eine Schaltzustandsüberwachungseinheit mehrere bipolare Transistoren auf das Vorliegen eines Laststroms.
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Abweichend von dieser Ausgestaltung ist die Schaltstatuserfassungseinheit zum Erkennen einer Spannungsänderung oder einer Stromänderung eingerichtet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst die Schaltstatuserfassungseinheit einen Spannungsanstieg oder einen Stromfluss in einem über den bipolaren Transistor führenden Strompfad. Dabei ist der bipolare Transistor mit seinen Lastanschlüssen, also mit seinem Kollektor- und seinem Emitter-Anschluss, in den Strompfad geschaltet, so dass mit Sicherheit auf einen Laststrom geschlossen werden kann.
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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 gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
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1 ein Ausführungsbeispiel eines modularen Multilevel-Umrichters schematisch verdeutlicht,
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2 ein Phasenmodulzweig eines Umrichters gemäß 1,
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3 ein als Vollbrückenschaltung realisiertes Submodul eines Phasenmodulzweigs gemäß 2,
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4 ein als Halbbrückenschaltung realisiertes Submodul mit Schaltzustandserfassungseinheit, und
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5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch verdeutlichen.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Umrichters 1, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung gelangt und die erfindungsgemäße Vorrichtung verbaut ist.
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Der Umrichter 1 ist zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung oder umgekehrt eingerichtet und weist für jede Phase eines anzuschließenden Wechselspannungsnetzes einen Wechselspannungsanschluss L1, L2 und L3 auf. Jeder Wechselspannungsanschluss L1, L2 oder L3 ist Teil eines Phasenmoduls 2, 3, 4, das jeweils zwei Gleichspannungsanschlüsse 5 und 6 aufweist. Zwischen jedem Gleichspannungsanschluss 5 beziehungsweise 6 und dem jeweiligen Wechselspannungsanschluss L1, L2 beziehungsweise L3 erstreckt sich ein Phasenmodulzweig 7. Jedes Phasenmodul 2, 3 oder 4 weist daher zwei Phasenmodulzweige 7 auf.
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Ein Phasenmodulzweig 7 ist beispielhaft für die restlichen identisch aufgebauten Phasenmodulzweige 7 in 2 genauer verdeutlicht. Der Phasenmodulzweig 7 umfasst eine Reihenschaltung von zweipoligen Submodulen 8, die in Reihe zu einer Induktivität 9 angeordnet sind. Ein Stromsensor 10 dient zum Erfassen eines über den Phasenmodulzweig 7 geführten Zweigstroms.
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3 zeigt die Ausgestaltung eines Submoduls 8 genauer. Es ist erkennbar, dass das Submodul 8 eine erste Reihenschaltung 11 aus bipolaren Transistoren S1 und S2 sowie eine zweite Reihenschaltung 12 aus den bipolaren Transistoren S3 und S4 aufweist. Jedem bipolaren Transistor S1, S2, S3 und S4 ist eine Freilaufdiode 13 gegensinnig parallel geschaltet. Eine erste Anschlussklemme 14 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den bipolaren Transistoren S1 und S2 der ersten Reihenschaltung 11 verbunden. Eine zweite Anschlussklemme 15 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den bipolaren Transistoren S3 und S4 der zweiten Reihenschaltung 12 verbunden. Dabei sind die Reihenschaltungen 11 und 12 einem unipolaren Kondensator 16 parallel geschaltet. An dem unipolaren Kondensator fällt die Zwischenkreis- oder Kondensatorspannung UZK ab. Der unipolare Kondensator weist zwei gegensinnige Pole auf, die jeweils mit einem Gleichspannungsanschluss 17 beziehungsweise 18 verbunden sind. Je nach Schaltstellung oder Ansteuerung der bipolaren Transistoren S1, S2, S3 und S4 kann nun die an dem Kondensator 16 abfallende Spannung UZK, eine Nullspannung oder aber die inverse Kondensatorspannung –UZK an den Anschlussklemmen 14, 15 erzeugt werden.
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In 3 ist ferner eine Schaltzustandserfassungseinheit 19 erkennbar, die zum Erfassen der Schaltzustände der bipolaren Transistoren S1, S2, S3 und S4 eingerichtet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schaltzustandserfassungseinheit 19 mit der ersten Klemme 14 des Submoduls 8 sowie mit beiden Polen des Kondensators 16 verbunden und überwacht die jeweils zwischen diesen Eingängen abfallende Spannung. Je nach Spannungsabfall kann daher auf einen bestimmten Schaltzustand eines jeden bipolaren Transistors S1, S2, S3 und S4 geschlossen werden. Mit anderen Worten wird erfasst, ob der jeweilige IGBT ein- oder ausgeschaltet ist. Ist der IGBT eingeschaltet, fließt ein Laststrom von seinem Kollektor- zu seinem Emitter-Anschluss. Die Schaltzustandserfassungseinheit 19 erzeugt im Laststromfall ein Auslösesignal, das demjenigen bipolaren Transistor zugeordnet ist, über den ein Laststrom fließt.
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4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Submoduls 8, das in 4 als so genannte Halbbrückenschaltung realisiert ist. Diese unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Vollbrückenschaltung dadurch, dass lediglich eine Reihenschaltung 11 dem Kondensator 16 parallel geschaltet ist. Um einen Lichtbogen im Fehlerfall zu vermeiden, ist wie bei der Vollbrückenschaltung zwischen den Klemmen 14 und 15 ein schneller Schalter 20 geschaltet, der im Fehlerfall geschlossen wird, so dass das jeweilige fehlerhafte Submodul 8 überbrückt ist.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines bipolaren Transistors S2, der hier jeweils als IGBT realisiert ist, auf einen Kurzschluss, wobei zum Abschalten des IGBTs 52 im Kurzschlussfall ein Abschaltsignal erzeugt wird. Der IGBT S2 weist einen Kollektoranschluss 21, einen Emitteranschluss 22 sowie einen Gateanschluss 23 auf. Die zwischen dem Gateanschluss 23 und dem Emitteranschluss 22 abfallende Gate-Emitterspannung UGE wird durch eine in 5 figürlich nicht dargestellte Spannungserfassungseinheit erfasst. Die Spannungserfassungseinheit weist einen Sensor auf, der in Abhängigkeit der zur Gate-Emitterspannung ausgangsseitig ein Gate-Emittersignal erzeugt. Das analoge Gate-Emitterspannungssignal wird unter Gewinnung von Abtastwerten abgetastet, die dann anschließend durch einen Analog/Digitalwandler ausgangsseitig als digitale Spannungswerte bereitgestellt werden. Diese digitalen Spannungswerte werden hier ebenfalls als Gate-Emitterspannung UGE bezeichnet.
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Die nicht dargestellte Spannungserfassungseinheit ist mit einer Vergleichseinheit 24 verbunden, der ein zuvor festgelegter Schwellenwert UTH zugeführt ist. So verfügt die Vergleichseinheit beispielsweise über einen Speicher, auf den die Vergleichseinheit 24 den Schwellenwert mit der Gate-Emitterspannung UGE vergleicht. Dabei liegt der Schwellenwert UTH nur etwas oberhalb der üblicherweise vorhandenen Betriebsspannung und übersteigt diese beispielsweise lediglich um 0,5–1V. Ist die Gate-Emitterspannung UGE größer als der Schwellenwert UTH, stellt die Vergleichseinheit ausgangsseitig ein Auslösesignal bereit. Das Auslösesignal wird einer Steuereinheit 26 zugeführt. Die Steuereinheit 26 über einen Signalleiter 25 ist beispielsweise Teil eines Treiberkopfes zum Schalten des bipolaren Transistors S1, S2, S3 oder S4 eines Submoduls 8 gemäß 3 oder 4. Die Steuerungseinheit 26 ist darüber hinaus über den Signalleiter 27 mit der Schaltzustandserfassungseinheit 19 verbunden, die ausgangsseitig ein Laststromsignal 27 bereitstellt. Die Steuerungseinheit 26 überprüft, ob zeitlich zum Auslösesignal 25 ein Laststromsignal für die Steuerungseinheit 26 vorliegt. Ist dies der Fall, stellt diese ausgangsseitig ein Abschaltsignal 28 zum Abschalten des bipolaren Transistors S2 bereit, so dass der bipolare Transistor sofort abgeschaltet wird, um eine Beschädigung und weiterer von dem Gatetreiber Komponenten des Umrichters zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2882103 A1 [0003]
- EP 1257056 A1 [0004]
- DE 19849097 A1 [0005]
- EP 1257036 A1 [0010]
