DE10333798A1 - Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters - Google Patents

Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters Download PDF

Info

Publication number
DE10333798A1
DE10333798A1 DE10333798A DE10333798A DE10333798A1 DE 10333798 A1 DE10333798 A1 DE 10333798A1 DE 10333798 A DE10333798 A DE 10333798A DE 10333798 A DE10333798 A DE 10333798A DE 10333798 A1 DE10333798 A1 DE 10333798A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
semiconductor switches
igbt4
igbt1
short
power semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE10333798A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10333798B4 (de
Inventor
Martin Glinka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE10333798.9A priority Critical patent/DE10333798B4/de
Priority to FR0408167A priority patent/FR2858132B1/fr
Publication of DE10333798A1 publication Critical patent/DE10333798A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10333798B4 publication Critical patent/DE10333798B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0006—Arrangements for supplying an adequate voltage to the control circuit of converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kurzschließen eines fehlerhaften Teilumrichters, der wie ein Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut ist, der mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator (C) als Energiespeicher beschaltet ist, in einer Reihenschaltung von Teilumrichtern. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass im Fehlerfall sämtliche Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) des Teilumrichters mindestens kurzzeitig so eingeschaltet werden, dass sie dauerhaft durchlegieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kurzschließen eines fehlerhaften Teilumrichters, der wie ein Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut ist, der mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator als Energiespeicher beschaltet ist, in einer wechsel- oder gleichspannungsseitigen Reihenschaltung von Teilumrichtern. Mit dem Kurzschluss soll eine redundante Reihenschaltung von Teilumrichtern ermöglicht werden, die als Zwei- oder Mehrpunktumrichter ausgebildet sein können.
  • Bei Umrichtertopologien mit in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern kann der Leerlauf eines einzigen Halbleiterventils einen ganzen Stromrichterzweig außer Betrieb setzen. In gleicher Weise kann bei Umrichtern mit in Reihe geschalteten Teilumrichtern der Leerlauf eines einzigen Halbleiterventils den Weiterbetrieb des Umrichters erheblich einschränken, wenn nicht sogar verhindern.
  • Derartige Umrichter bestehen zum Beispiel aus einer Brückenschaltung mit Brückenzweigen aus einer Serienschaltung einer beliebigen Anzahl von Zweipolen (Submodule), wobei die Zweipole bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmenspannung aufweisen. Der Brückenausgang ist mit einem Mittelfrequenztransformator verbunden. Die Submodule haben einen internen Spannungszwischenkreis mit einem Energiespeicher (Kondensator) und sind so aufgebaut, dass ihre Klemmenspannung unabhängig von der Stromrichtung einen positiven oder negativen Wert annehmen kann. Mit den Submodulen werden treppenförmige Spannungen sowohl auf der Netzseite als auch auf der Mittelfrequenzseite realisiert. Zusätzlich kann ein Kurzschlusszustand vorgesehen sein.
  • Damit Umrichter mit vielen in Reihe geschalteten Teilumrichtern redundant arbeiten können, muss sichergestellt werden, dass ein fehlerhafter Teilumrichter an seinen Klemmen dauerhaft kurzgeschlossen wird.
  • Aus Schibli/Rufer, Single- and three-phase multilevel converters for traction systems 50 Hz/16 2/3 Hz, Proceedings, 7th European Conference on Power Electronics Applications (EPE), 1997, vol. 4, Seite 210–215 ist für ein Traktionssystem eine Lösung bekannt, mit der eine galvanische Trennung der Motoren vom Fahrdraht unter Einsatz einer Anzahl einzelner Mittelfrequenztransformatoren vorgenommen wird. Die Mittelfrequenztransformatoren sind jeweils seriengeschalteten Teilstromrichtern zugeordnet. Netzseitig besteht eine Serienschaltung von Teilstromrichtergruppen, die in Summe eine treppenförmige Spannung erzeugen. Jede dieser Teilstromrichtergruppen weist einen netzseitigen Vierquadrantensteller, einen ersten Gleichspannungskondensator, einen primärseitigen Mittelfrequenzwechselrichter, einen Mittelfrequenztransformator, einen sekundärseitigen Mittelfrequenzgleichrichter und einen zweiten Gleichspannungskondensator auf. Zur Redundanzherstellung wird hier ein mechanischer Kurzschließer auf der Netzseite parallel zum zugehörigen Teilstromrichter vorgeschlagen.
  • Sobald ein Teilstromrichter defekt ist, wird der Kurzschließer geschlossen und somit der Kurzschluss zwischen den Anschlussstellen gewährleistet.
  • Dies ist jedoch eine aufwendige Variante, wenn man bedenkt, dass der mechanische Kurzschließer eine auf Hochspannung liegende Stromversorgung benötigt. Zusätzlich müssten diese Kurzschließer aufgrund ihrer Mechanik häufiger gewartet werden.
  • Bei der Reihenschaltung von mehreren Halbleiterschaltern ist eine heute übliche Methode zur Erzielung eines redundanten Aufbaus die Druckkontaktierung der Halbleiterchips der Ven tile. Durch den Druckkontakt ist garantiert, dass ein defektes Halbleiterventil sich im Kurzschluss befindet. Auf diese Weise sind zum Beispiel in HGÜ-Anlagen mehrere Netz-Thyristoren in Reihe geschaltet.
  • Die Druckkontaktierung von Leistungshalbleitern stellt jedoch im Vergleich zur Modultechnik mit einer Bonddrahtkontaktierung eine aufwendige und teure Alternative dar. Dies gilt insbesondere für kleinere Strom- und Leistungsdichten als bei heutigen HGÜ-Anlagen, die typische Leistungen von 100 bis 800 MW aufweisen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für wechsel- oder gleichspannungsseitig in Reihe geschaltete Teilumrichter mit internem Spannungszwischenkreis ein Verfahren anzugeben, mit dem ohne Druckkontaktierung bei den Halbleiterschaltern und ohne mechanische Schalteinrichtungen ein Kurzschluss eines Teilumrichters erreicht wird.
  • Die Teilumrichter sollen bei Ausfall der Ansteuerung eines einzelnen Halbleiterschalters in einem Teilumrichter oder beim Versagen eines internen Halbleiterventils mit anschließendem Kurzschluss des Spannungszwischenkreises (Speicherkondensator) sicher einen dauerhaften Klemmenkurzschluss des Teilumrichters bewirken.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Danach wird ein dauerhafter Kurzschluss zwischen den Klemmen eines Teilumrichters nach einem Fehlereintritt mit folgenden Mitteln erreicht:
    • a) Erzeugen eines gleichspannungsseitigen Kurzschlusspfades, der parallel zu dem oder den Zwischenkreiskondensatoren liegt, durch Einschalten und Durchlegieren aller Halbleiterschalter des Teilumrichters.
    • b) Nutzung der Gleichrichtfunktion der Dioden des Leistungsteiles sowie des gleichspannungsseitigen Kurzschlusspfades zur Kurzschlussbildung auf der Wechselspannungsseite des Teilumrichters.
  • Den Punkt a) erfüllt das Verfahren mit Hilfe von durchlegierten Halbleiterschaltern, die parallel zum Zwischenkreiskondensator einen Kurzschlusspfad erzeugen. Ist a) erfüllt, dann existiert aufgrund von b) ein Kurzschlusspfad auf der Wechselspannungsseite, der mit normalen Betriebsströmen belastet werden kann.
  • Nach dem Einschalten der Halbleiterschalter eines Teilumrichters steigt der Fehlerstrom innerhalb der ersten Mikrosekunden im defekten Bauelement und auch in allen anderen Halbleiterschaltern an, bei Verwendung von IGBTs zum Beispiel auf den zirka fünffachen Nennstrom. Die Entsättigungseigenschaften der Halbleiterschalter begrenzen den Strom für eine gewisse Zeitspanne, bei IGBT für mehr als 10 Mikrosekunden. Für die gezielte Erzeugung des Kurzschlusspfades ist es wichtig, dass der Kurzschlussstrom mit Hilfe dieser Entsättigung nun durch fast alle Halbleiterschalter des Teilumrichters fließt. Ausgenommen sind eventuell IGBT-Chips, die dem defekten Bauelement parallel geschaltet sind.
  • Mit Hilfe verschiedener Verfahren kann ein Durchlegieren aller stromführenden Halbleiterschalter erzielt werden:
    • 1. Aufhebung der Entsättigungseigenschaft aller Halbleiterschalter durch Anhebung der Gate-Emitter-Spannung über den normalen Wert hinaus. Daraufhin steigt der Strom in den Halbleiterschaltern so weit an, bis diese aufgrund der thermischen Belastung durchlegieren.
    • 2. Extreme Anhebung der Gate-Emitter-Spannung bei allen Halbleiterschaltern, so dass dies zum Gate-Emitter-Durchbruch mindestens bei der Mehrzahl der Chips führt. Aufgrund eines Gate-Emitter-Durchbruchs (bei MOS-gesteuerten Halbleiterbauelementen wird dabei die Oxidschicht zwischen Gate und Emitter zerstört) resultiert ein Kurzschluss zwischen Emitter und Kollektor, so dass die Halbleiterschalter dauerhaft leiten.
    • 3. Durch ein an das Einschalten aller Halbleiterschalter anschließendes, extrem schnelles Abschalten dieser (bei hohem Strom) kann auch ein Durchlegieren der Chips aufgrund zu hoher interner elektrischer Feldstärke erzielt werden.
    • 4. Extrem schnelles Einschalten der Halbleiterschalter mit anschließendem Durchlegieren. Durch den schnellen Einschaltvorgang werden die Halbleiterschalter gezielt zerstört.
    • 5. Durch eine Kombination der Verfahren 1, 3 und 4, nämlich wiederholtes Ein- und Ausschalten.
  • Alle beschriebenen Verfahren haben die gemeinsame Eigenschaft, dass je Halbleitermodul die Mehrzahl der Chips durchlegiert. Dadurch wird ein dauerhafter und mit Nennstrom belastbarer Kurzschlusspfad gewährleistet.
  • Ist der Kurzschluss mit Hilfe eines der vorbeschriebenen Verfahren eingetreten, dann wird durch die Gleichrichterfunktion der Dioden ein Kurzschluss auch auf der Wechselspannungsseite des Teilumrichters garantiert. Dies gilt für Umrichter, die aus mindestens zwei Halbbrücken bestehen. Eingeschränkt gilt das auch für Subsysteme mit einer Halbbrücke.
  • Bei Ausfall der Ansteuerung von Halbleiterschaltern und damit dem Sperren einzelner aktiver Halbleiterschalter innerhalb seines Teilumrichters kann ein dauerhafter Kurzschluss dieses Teilumrichters mit Hilfe der Erfindung auf folgende Weise erzielt werden. Zu unterscheiden ist in diesem Fall die wechselspannungsseitige und die gleichspannungsseitige Reihenschaltung der Teilumrichter:
    Bei der wechselspannungsseitigen Reihenschaltung hat ein Ausfall der Ansteuerung zur Folge, dass der Teilumrichter eine falsche Ausgangsspannung einstellt. Dies kann von der übergeordneten Regelung erkannt werden. Daraufhin sperrt diese alle aktiven Halbleiterschalter des betroffenen Teilumrichters, so dass nur noch die antiparallelen Dioden den Wechselstrom führen. Durch die Gleichrichtfunktion der Dioden prägt der defekte Teilumrichter immer die Gleichspannung auf der Wechselspannungsseite folgendermaßen ein: negative Gleichspannung bei negativem Strom und positive Gleichspannung bei positivem Strom. Diese Fehlspannung kann mit Hilfe der anderen, in Reihe geschalteten Teilumrichter in einem speziellen Betriebsmodus kompensiert werden. In diesem Betriebsmodus wird ein Wechselstrom in dem betreffenden Stromrichterzweig eingeprägt. Dieser führt dazu, dass der defekte Teilumrichter dauerhaft Energie aufnimmt. Auf diese Weise steigt die Spannung des Teilumrichterzwischenkreises über die maximale Nennbetriebsspannung hinaus an. Die Halbleiterschalter sind so ausgelegt, dass deren Sperrspannung nur knapp oberhalb der maximalen Nennbetriebsspannung auf der Gleichspannungsseite liegt. Dadurch wird dieses Halbleiterbauelement im Teilumrichter aufgrund von Überspannung zerstört. Dies hat wiederum einen Kurzschluss des Zwischenkreiskondensators und eine anschließende dauerhafte Durchlegierung des betroffenen Halbleiterbauelementes zur Folge.
  • Zum Erkennen eines Ausfalls der Ansteuerung kann auch eine zusätzliche passive Erkennungsschaltung vorgesehen sein, mit der ein Kurzschluss des Zwischenkreises über die Halbleiterschalter eines Subsystems eingeleitet werden kann.
  • Bei der gleichspannungsseitigen Reihenschaltung erkennt analog zur wechselspannungsseitigen Reihenschaltung die Regelung den Fehlerfall und sperrt alle Halbleiterschalter des defekten Teilumrichters. Anschließend wird auch dieser Teilumrichter mit einem von der Gleichspannungsseite oder auch von der Wechselspannungsseite eingeprägten Stromes so lange aufgeladen, bis Halbleiterschalter aufgrund von Überspannung zerstört werden und daraufhin durchlegieren. Auch hier kann alternativ eine passive Erkennungsschaltung vorgesehen sein.
  • Mit der Erfindung bleibt der Schutz der Dioden des Leistungsteiles, zum Beispiel der Vollbrückenschaltung, vor der Zerstörung erhalten. Ausgenommen sind einzelne Dioden-Chips, wenn sie den Fehlerfall verursacht haben.
    •
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Umrichter in Brückenschaltung;
  • 2 die zugehörigen Teilumrichter eines einzelnen Brückenzweiges;
  • 3 eine Schaltung zur Erkennung eines Zwischenkreiskurzschlusses in einem Teilumrichter und
  • 4 eine zweite Variante einer solchen Detektorschaltung.
  • 1 zeigt zunächst den allgemeinen Aufbau des Stromrichters in einer Version als Vollbrückenschaltung. Am Eingang des Stromrichters liegt die Netzspannung UN an. In Form einer Brückenschaltung sind vier Stromrichterzweige 11, 12, 21 und 22 angeordnet. An der Brückendiagonale befindet sich ein Mittelfrequenztransformator T mit der Primärspannung UT und der Sekundärspannung UT'. Wie 2 zeigt, bestehen die Strom richterzweige 11, 12, 21, 22 jeweils aus mehreren Submodulen mit der Klemmenspannung Uss1...ussN.
  • Eine mögliche Realisierung der Submodule ist in 2 dargestellt. Ein Submodul hat jeweils die Form einer Vollbrückenschaltung eines Spannungsumrichters, nur dass diese hier als einzelner Zweipol genutzt wird. Die Brückenschaltung besteht aus vier Leistungshalbleiterschaltern IGBT1...IGBT4 mit antiparallel geschalteten Dioden D1...D4. An die gleichspannungsseitigen Anschlüsse ist ein Speicherkondensator C geschaltet, der sich jeweils auf die Spannung Udc1...UdcN auflädt, solange kein Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 geschaltet wird. Mit dem Schalten der Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 entstehen Schaltzustände, mit denen die Klemmenspannung uss1...ussN, unabhängig von der Stromrichtung positiv, negativ oder auch Null (Kurzschluss) wird.
  • Unter der Annahme, dass die Spannungen Udc1...UdcN der Kondensatoren C aller Submodule einen gleichen Ausgangszustand Udc = U0 haben und eine Anzahl N von Submodulen vorhanden ist, kann die Spannung Uac eines Stromrichterzweiges 11, 12, 21, 22 den Wertebereich –nU0...+nU0 annehmen und lässt sich somit in diskreten "Treppenstufen" der Spannung U0 stellen.
  • Die Submodule sind als Hochleistungs-IGBT-Module aufgebaut, die meist eine Vielzahl von IGBT- und antiparallelen Dioden-Chips aufweisen. Dabei wird jeder Chip über Bonddrähte elektrisch mit der modulinternen Verschienung verbunden. Im Fehlerfall eines IGBT-Ventils legiert meist nur ein einzelner Chip durch. Die diesem Chip parallel geschalteten Chips sind meist noch funktionsfähig. Bei den meisten Fehlern wird der Fehlerstrom deshalb nur über den defekten Chip geführt. Aufgrund der hohen Amplitude des Kurzschlussstromes sowie der Konzentration auf nur einen Chip entstehen extrem hohe Stromdichten in den Bonddrähten des fehlerhaften Chips. Nach wenigen Mikrosekunden schmelzen diese oder reißen aufgrund der magnetischen Kräfte ab und es bildet sich ein Lichtbogen aus, der bis zur Explosion des Moduls führen kann. Die Explosion von IGBT- oder Dioden-Modulen kann zur Folge haben, dass die Halbleiterschalter sich wechsel- oder gleichspannungsseitig im Leerlauf befinden, was unter anderem mit der Erfindung vermieden wird. Ein defekter Teilumrichter stellt im Fehlerfall einen mit Nennstrom belastbaren Kurzschluss her.
  • Die Dioden- und IGBT-Module werden vor einer Lichtbogenbildung geschützt, indem eine Sensorschaltung den gleichspannungsseitigen Kurzschluss innerhalb von wenigen Mikrosekunden (μs) erkennt und dann eine Zündung aller Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 einleitet.
  • Aufgrund der sehr schnellen Entladung des Speicherkondensators C im Fehlerfall ist es notwendig, dass dieser Zustand in extrem kurzer Zeit erkannt wird (Ttot < 5 μs). Dies ist notwendig, um noch in der Zeit, für die eine Entsättigung der Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 garantiert werden kann, Maßnahmen zur Erzeugung eines Kurzschlusspfades einzuleiten.
  • Gemäß einer ersten Verfahrensvariante wird ein Fehlerfall in einer Sensorschaltung 1 anhand des stark negativen du/dt der Kondensatorspannung Udc erkannt. Beispielhaft zeigt 3 eine Ausführung für eine solche Erkennungsschaltung. Die Erkennung des stark negativen du/dt erfolgt mit Hilfe eines ohmsch-kapazitiven Spannungsteilers mit den Widerständen R1, R2 und den Kondensatoren C1, C2. Ist der Kurzschluss festgestellt, dann wird mit Schalttransistoren V1 und V2 mindestens ein Zündtransformator TZ aus einer Spannungsquelle bestromt, hier einem Kondensator C3. Diese Spannungsquelle wird ebenfalls direkt aus dem Leistungskreis gespeist. Über einen separaten Transformator für jeden Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 kann somit eine zusätzliche Gate-Emitter-Spannung UGE_Zusatz an alle Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 angelegt werden. Mit Hilfe dieser Zusatzspannung können alle Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 gleichzeitig und unabhängig von den Steuersignalen angesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die IGBT-Sättigungseigenschaften zu verändern, sie abzuschalten oder auch gezielt die Oxidschicht zwischen Gate und Emitter zu schädigen.
  • Nach einem Durchlegieren der Halbleiterschalter IGBT1...IGBT4 ist die Gleichspannungsseite des Submoduls dauerhaft kurzgeschlossen. Da außerdem eine Lichtbogenbildung in den IGBT-Modulen des Submoduls verhindert wurde, ist garantiert, dass die Mehrzahl aller Dioden-Chips in Flussrichtung leitend ist. Auf diese Weise ist auch ein dauerhafter Kurzschluss des Submoduls zwischen den Klemmen 1' und 2' gewährleistet.
  • Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante wird ein Fehlerfall durch den Spannungsabfall an parasitären Streuinduktivitäten der Zwischenkreisverschienung erkannt. Eine mögliche Ausführung hierzu ist in 4 beispielhaft dargestellt. Die Schaltung reagiert auf das gegenüber normalen Schaltvorgängen deutlich länger anhaltende, stark positive di/dt in einer parasitären Streuinduktivität Lσ. Auch diese Schaltung benötigt keinerlei zusätzliche Stromversorgungen. Nach wenigen μs werden auch bei dieser Schaltung die Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 gezündet.
  • Ein di/dt wird von einer Sensorschaltung 2, bestehend aus einer RC-Schaltung mit einem Kondensator C4 und den Widerständen R3, R4, R5, erkannt. Die nachfolgende schaltbare Spannungsquelle ist die gleiche wie in 3.
  • Die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Schaltungen benötigen keine zusätzliche Stromversorgung. Dies ist von besonderem Vorteil, da sich eine redundante und unabhängige Leistungsversorgung auf Hochspannungspotential (bis zu einigen 10 kV) sehr aufwendig gestaltet. Die Lösung ist einfach, robust und preisgünstig. Eine Wartung der Schaltung ist nicht notwendig. Bei Anlagen mit kleinen und mittleren Leistungen ist anstatt von IGBT-Scheibenzellen (mit IGBT-Druckkontakt) die Verwendung von IGBT-Modulen möglich.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Kurzschließen eines fehlerhaften Teilumrichters, der wie ein Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut ist, der mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator (C) als Energiespeicher beschaltet ist, in einer Reihenschaltung von Teilumrichtern, dadurch gekennzeichnet, dass im Fehlerfall sämtliche Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) des Teilumrichters mindestens kurzzeitig so eingeschaltet werden, dass sie dauerhaft durchlegieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlegieren durch Anheben der Gate-Emitter-Spannung der Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) erzielt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlegieren durch Einschalten der Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) mit anschließendem schnellen Abschalten bei hohem Strom erzielt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlegieren durch extrem schnelles Einschalten der Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) erzielt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und Ausschalten mehrfach erfolgt.
  6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) durch eine du/dt-Erkennungsschaltung, die parallel zum Zwischenkreiskondensator (C) angeordnet ist, angesteuert werden.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) durch eine di/dt-Erkennungsschaltung, die parallel zu einer Streuinduktivität (Lσ) des Teilumrichters angeordnet ist, angesteuert werden.
DE10333798.9A 2003-07-24 2003-07-24 Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters Expired - Fee Related DE10333798B4 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10333798.9A DE10333798B4 (de) 2003-07-24 2003-07-24 Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters
FR0408167A FR2858132B1 (fr) 2003-07-24 2004-07-23 Procede pour court-circuiter un convertisseur partiel defectueux

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10333798.9A DE10333798B4 (de) 2003-07-24 2003-07-24 Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10333798A1 true DE10333798A1 (de) 2005-02-24
DE10333798B4 DE10333798B4 (de) 2018-11-29

Family

ID=33560259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10333798.9A Expired - Fee Related DE10333798B4 (de) 2003-07-24 2003-07-24 Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10333798B4 (de)
FR (1) FR2858132B1 (de)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005040543A1 (de) * 2005-08-26 2007-03-01 Siemens Ag Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern
DE102006011139A1 (de) * 2006-03-10 2007-09-13 Conti Temic Microelectronic Gmbh Verfahren zur Beseitigung von Fehlerzuständen bei elektrischen Antrieben
WO2008067786A1 (de) 2006-12-08 2008-06-12 Siemens Aktiengesellschaft Halbleiterschutzelemente zur beherrschung von dc-seitigen kurzschlüssen bei spannungszwischenkreisumrichtern
EP2058935A1 (de) * 2006-08-24 2009-05-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Motor-antriebseinrichtung
WO2009115125A1 (en) * 2008-03-20 2009-09-24 Abb Research Ltd. A voltage source converter
WO2011113492A1 (en) * 2010-03-18 2011-09-22 Abb Research Ltd Converter cell for cascaded converters, control system and method for bypassing a faulty converter cell
RU2446550C1 (ru) * 2008-03-20 2012-03-27 Абб Рисёч Лтд. Преобразователь напряжения
EP2608384A1 (de) * 2011-12-19 2013-06-26 Siemens Aktiengesellschaft Modularer Stromrichter mit Fehlererkennung
US20140043873A1 (en) * 2011-04-18 2014-02-13 Anders Blomberg Method In A Voltage Source Chain-Link Converter, Computer Programs And Computer Program Products
DE102015109466A1 (de) 2015-06-15 2016-12-15 Ge Energy Power Conversion Technology Limited Stromrichter-Submodul mit Kurzschlusseinrichtung und Stromrichter mit diesem
EP3208922A1 (de) * 2016-02-18 2017-08-23 Siemens Aktiengesellschaft Modulselbstdiagnose in einem modularen mehrzellen stromrichter
DE102018102234A1 (de) 2018-02-01 2019-08-01 Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg Kurzschluss-Halbleiterbauelement
EP3772111A1 (de) 2019-08-01 2021-02-03 Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG Kurzschluss-halbleiterbauelement und verfahren zu dessen betrieb
US11664445B2 (en) 2019-08-01 2023-05-30 Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg Short-circuit semiconductor component and method for operating it

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3866325A1 (de) 2020-02-12 2021-08-18 GE Energy Power Conversion Technology Ltd. Verfahren zum kurzschliessen eines fehlerhaften wandlersubmoduls und leistungswandler, der diesen unterstützt

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3037120C2 (de) 1980-10-01 1986-04-03 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Überspannungsschutzanordnung mit Z-Diode
GB2345594B (en) * 1997-10-09 2001-01-24 Toshiba Kk Multiple inverter system
US5986909A (en) * 1998-05-21 1999-11-16 Robicon Corporation Multiphase power supply with plural series connected cells and failed cell bypass
DE10114075B4 (de) 2001-03-22 2005-08-18 Semikron Elektronik Gmbh Stromrichterschaltungsanordnung für Generatoren mit dynamisch veränderlicher Leistungsabgabe
DE10323220B4 (de) 2003-05-22 2014-07-17 Siemens Aktiengesellschaft Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter

Cited By (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005040543A1 (de) * 2005-08-26 2007-03-01 Siemens Ag Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern
EP1917706B2 (de) † 2005-08-26 2017-05-03 Siemens Aktiengesellschaft Stromrichterschaltung mit verteilten energiespeichern
DE102006011139A1 (de) * 2006-03-10 2007-09-13 Conti Temic Microelectronic Gmbh Verfahren zur Beseitigung von Fehlerzuständen bei elektrischen Antrieben
EP2058935A1 (de) * 2006-08-24 2009-05-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Motor-antriebseinrichtung
EP2058935A4 (de) * 2006-08-24 2010-09-29 Toyota Motor Co Ltd Motor-antriebseinrichtung
WO2008067786A1 (de) 2006-12-08 2008-06-12 Siemens Aktiengesellschaft Halbleiterschutzelemente zur beherrschung von dc-seitigen kurzschlüssen bei spannungszwischenkreisumrichtern
JP2010512135A (ja) * 2006-12-08 2010-04-15 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト 電圧形インバータの直流側短絡を制御するための半導体保護素子
US8817440B2 (en) 2006-12-08 2014-08-26 Siemens Aktiengesellschaft Semiconductor protection elements for controlling short circuits at the DC end of voltage source converters
US8614904B2 (en) 2008-03-20 2013-12-24 Abb Research Ltd. Voltage source converter with switching cell bypass arrangement
WO2009115125A1 (en) * 2008-03-20 2009-09-24 Abb Research Ltd. A voltage source converter
RU2446550C1 (ru) * 2008-03-20 2012-03-27 Абб Рисёч Лтд. Преобразователь напряжения
CN102017384B (zh) * 2008-03-20 2014-01-08 Abb研究有限公司 电压源变换器
WO2011113492A1 (en) * 2010-03-18 2011-09-22 Abb Research Ltd Converter cell for cascaded converters, control system and method for bypassing a faulty converter cell
CN102823126A (zh) * 2010-03-18 2012-12-12 Abb研究有限公司 用于级联转换器的转换器单元、用于旁路故障转换器单元的控制***和方法
US20130063995A1 (en) * 2010-03-18 2013-03-14 Staffan Norrga Converter Cell For Cascaded Converters And A Control System And Method For Operating A Converter Cell
US8942014B2 (en) 2010-03-18 2015-01-27 Abb Research Ltd. Converter cell for cascaded converters and a control system and method for operating a converter cell
AU2010348910B2 (en) * 2010-03-18 2015-12-03 Abb Research Ltd Converter cell for cascaded converters, control system and method for bypassing a faulty converter cell
CN102823126B (zh) * 2010-03-18 2016-06-01 Abb研究有限公司 用于级联转换器的转换器单元、用于旁路故障转换器单元的控制***和方法
US20140043873A1 (en) * 2011-04-18 2014-02-13 Anders Blomberg Method In A Voltage Source Chain-Link Converter, Computer Programs And Computer Program Products
US8848407B2 (en) * 2011-04-18 2014-09-30 Abb Technology Ag Method in a voltage source chain-link converter, computer programs and computer program products
EP2608384A1 (de) * 2011-12-19 2013-06-26 Siemens Aktiengesellschaft Modularer Stromrichter mit Fehlererkennung
WO2013092037A3 (de) * 2011-12-19 2013-11-21 Siemens Aktiengesellschaft Modularer stromrichter mit fehlererkennung
DE102015109466A1 (de) 2015-06-15 2016-12-15 Ge Energy Power Conversion Technology Limited Stromrichter-Submodul mit Kurzschlusseinrichtung und Stromrichter mit diesem
EP3107198A1 (de) 2015-06-15 2016-12-21 GE Energy Power Conversion Technology Ltd Leistungswandlersubmodul mit einer kurzschlussvorrichtung und leistungswandler damit
US9806599B2 (en) 2015-06-15 2017-10-31 Ge Energy Power Conversion Technology Ltd Converter submodule with short-circuit device and power converter having same
EP3208922A1 (de) * 2016-02-18 2017-08-23 Siemens Aktiengesellschaft Modulselbstdiagnose in einem modularen mehrzellen stromrichter
DE102018102234A1 (de) 2018-02-01 2019-08-01 Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg Kurzschluss-Halbleiterbauelement
WO2019149581A1 (de) 2018-02-01 2019-08-08 Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg Kurzschluss-halbleiterbauelement und verfahren zu dessen betrieb
US11646365B2 (en) 2018-02-01 2023-05-09 Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG. Short-circuit semiconductor component and method for operating same
EP3772111A1 (de) 2019-08-01 2021-02-03 Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG Kurzschluss-halbleiterbauelement und verfahren zu dessen betrieb
US11664445B2 (en) 2019-08-01 2023-05-30 Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg Short-circuit semiconductor component and method for operating it

Also Published As

Publication number Publication date
FR2858132B1 (fr) 2007-12-28
FR2858132A1 (fr) 2005-01-28
DE10333798B4 (de) 2018-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10323220B4 (de) Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter
EP1917706B1 (de) Stromrichterschaltung mit verteilten energiespeichern
EP1497911B1 (de) Stromversorgung mit einem direktumrichter
EP3259839B1 (de) Umrichteranordnung sowie verfahren zu deren kurzschlussschutz
EP3211784B1 (de) Doppel-submodul für einen modularen mehrpunktstromrichter und modularer mehrpunktstromrichter mit diesem
DE10333798B4 (de) Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters
DE102015109466A1 (de) Stromrichter-Submodul mit Kurzschlusseinrichtung und Stromrichter mit diesem
WO2010025758A1 (de) Vorrichtung mit einem umrichter
EP2398138B1 (de) Verfahren zum Sperren eines multimodularen Stromrichters
DE10014641A1 (de) Aktive Überspannungsschutzvorrichtung für einen bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor Mode
EP3580839B1 (de) Mehrphasiger mehrstufenstromrichter
EP3556000A1 (de) Modul für modularen mehrpunktumrichter mit kurzschliesser und kondensatorstrombegrenzung
WO2009043186A2 (de) Anordnung zum schutz von wechselrichtern mit spannungszwischenkreis gegen brückenkurzschluss
EP1269617A1 (de) Verfahren zum schutz eines matrixumrichters vor überspannungen und eine aktive überspannungsvorrichtung
EP1195877A1 (de) Stromrichtersystem mit durch einen Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Stromrichtermodulen sowie Verfahren zum Betrieb
DE69933517T2 (de) Stromwandler
EP2994984B1 (de) Dreipunkt-stromrichter
EP3878088B1 (de) Anordnung mit einem multilevelstromrichter
EP1619785B1 (de) Spannungsanstiegsbegrenzte Umrichterschaltung
DE19503375C2 (de) Ansteuerschaltung für zwei in Serie geschaltete Transistoren
EP3639354B1 (de) Leistungsmodul für einen stromrichter und multilevel-stromrichter
DE102021203867A1 (de) Schaltungsanordnung für parallel geschaltete Leistungshalbleiter, sowie Elektronikmodul
DE3823399A1 (de) Entlastungsnetzwerk fuer elektronische zweigpaare in antiparallelschaltung
DE10211077A1 (de) Verfahren zur Ansteuerung von MOS-Gate gesteuerten Leistungshalbleitern
DD278452A1 (de) Beschaltungsnetzwerk fuer halbleiterschalter in mehrphasiger anordnung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: SIEMENS MOBILITY GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE

R020 Patent grant now final
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee