DE10333798B4 - Method for short-circuiting a defective partial converter - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Kurzschließen eines fehlerhaften Submoduls eines Stromrichterzweiges (11,12,21,22) eines Stromrichters, wobei jeder Stromrichterzweig (11,12,21,22) mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Submodule aufweist, wobei jedes Submodul vier Leistungshalbleiterschalter (IGBT1,...,IGBT4) mit einer antiparallel geschalteten Diode (D1,...,D4) aufweist, die elektrisch in einer Brückenschaltung verschaltet sind, und wobei elektrisch parallel zu gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieser Brückenschaltung ein Speicherkondensator (C) elektrisch parallel geschaltet ist, mit folgenden Verfahrensschritten:a) Detektierung eines fehlerhaften Submoduls eines Stromrichterzweiges,b) Generierung eines Steuersignals (U),dadurch gekennzeichnet, dassc) alle Leistungshalbleiterschalter (IGBT1,...,IGBT4) eines fehlerhaften Submoduls mittels des generierten Steuersignals (U) gleichzeitig angesteuert werden.Method for short-circuiting a faulty submodule of a converter branch (11, 12, 21, 22) of a power converter, each converter branch (11, 12, 21, 22) having a plurality of submodules connected electrically in series, each submodule having four power semiconductor switches (IGBT1, .. , IGBT4) with an antiparallel-connected diode (D1, ..., D4), which are electrically connected in a bridge circuit, and wherein electrically parallel to the DC voltage side terminals of this bridge circuit, a storage capacitor (C) is electrically connected in parallel, with the following method steps b) generation of a control signal (U), characterized in that c) all power semiconductor switches (IGBT1, ..., IGBT4) of a faulty submodule are simultaneously driven by means of the generated control signal (U).

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.The invention relates to a method for short-circuiting a faulty partial converter, which is constructed as a voltage source inverter, which is connected with at least one internal DC link capacitor as energy storage, in a AC or DC side series connection of partial converters. The purpose of the short circuit is to enable a redundant series connection of partial converters, which can be designed as two- or multi-point converters.

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.In inverter topologies with series-connected power semiconductor switches, the idling of a single semiconductor valve may disable one entire power converter branch. Likewise, in inverters with series connected inverters, the idling of a single semiconductor valve can severely restrict, if not prevent, the continued operation of the converter.

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.Such converters consist for example of a bridge circuit with bridge branches of a series circuit of any number of two-terminal (submodule), wherein the two-pole at different controllable switching states have a different terminal voltage. The bridge output is connected to a medium frequency transformer. The submodules have an internal voltage intermediate circuit with an energy storage device (capacitor) and are designed so that their terminal voltage can assume a positive or negative value regardless of the current direction. The submodules realize step-like voltages both on the network side and on the medium frequency side. In addition, a short circuit condition may be provided.

Damit Umrichter mit vielen in Reihe geschalteten Teilumrichtern redundant arbeiten können, muss sichergestellt werden, dass ein fehlerhafter Teilumrichter an seinen Klemmen dauerhaft kurzgeschlossen wird.To ensure that inverters with many series-connected partial converters can work redundantly, it must be ensured that a faulty converter is permanently short-circuited at its terminals.

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.From Schibli / Rufer, Single and Three-Phase Multilevel Converters for Traction Systems 50Hz / 16 2/3 Hz, Proceedings, 7th European Conference on Power Electronics Applications (EPE), 1997, vol. 4, page 210-215 is known for a traction system a solution with which a galvanic isolation of the motors from the contact wire is made using a number of individual medium frequency transformers. The medium-frequency transformers are each assigned to series-connected partial converters. On the network side, there is a series connection of subconductor groups, which in total generate a stepped voltage. Each of these subcurrent converter groups has a network-side four-quadrant controller, a first DC capacitor, a primary-side medium-frequency inverter, a medium-frequency transformer, a secondary-side middle frequency rectifier and a second DC capacitor. For redundancy, here a mechanical short-circuiter is proposed on the network side parallel to the associated partial converter.

Sobald ein Teilstromrichter defekt ist, wird der Kurzschließer geschlossen und somit der Kurzschluss zwischen den Anschlussstellen gewährleistet.As soon as a partial converter is defective, the short-circuiter is closed, thus ensuring a short circuit between the connection points.

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.However, this is a complicated variant, bearing in mind that the mechanical short-circuiter requires a high-voltage power supply. In addition, these short-circuiters would have to be maintained more frequently due to their mechanics.

Bei der Reihenschaltung von mehreren Halbleiterschaltern ist eine heute übliche Methode zur Erzielung eines redundanten Aufbaus die Druckkontaktierung der Halbleiterchips der Ventile. 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.In the series connection of a plurality of semiconductor switches is a common method today to achieve a redundant structure, the pressure contact of the semiconductor chips of the valves. Pressure contact guarantees that a defective semiconductor valve is in short circuit. In this way, for example, in HVDC plants several network thyristors are connected in series.

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.The pressure contact of power semiconductors, however, represents a complex and expensive alternative compared to the module technology with a bonding wire contact. This is especially true for smaller power and power densities than today's HVDC systems, which have typical outputs of 100 to 800 MW.

Aus der DE 103 23 220 A1 ist eine Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter bekannt. Dabei vorgesehen, dass zu jedem Zwischenkreiskondensator oder der Reihenschaltung von Zwischenkreiskondensatoren eines Teilumrichters mindestens ein elektronisches Halbleiterbauelement parallel geschaltet ist, das im Fehlerfall des Teilumrichters einen Kurzschlussstrom des Zwischenkreiskondensators entweder übernimmt oder in Abhängigkeit von einem solchen Kurzschlussstrom angesteuert wird und anschließend dauerhaft durchlegiert oder infolge einer einen vorbestimmten Wert übersteigenden Kondensatorspannung durchlegiert.From the DE 103 23 220 A1 is a short circuit for a partial converter known. It is provided that at least one electronic semiconductor component is connected in parallel to each intermediate circuit capacitor or the series circuit of intermediate circuit capacitors of a partial converter, which either takes over a short-circuit current of the intermediate circuit capacitor in the fault of the partial converter or is driven in response to such a short-circuit current and then permanently alloyed or due to a one alloyed through predetermined value exceeding capacitor voltage.

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.The invention has for its object to provide for AC or DC side connected in series converter with internal voltage intermediate circuit, a method with which without pressure contact in the semiconductor switches and without mechanical switching devices, a short circuit of a partial converter is achieved.

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. The partial converter should certainly cause a permanent terminal short circuit of the partial converter in case of failure of the control of a single semiconductor switch in a partial converter or the failure of an internal semiconductor valve with subsequent short circuit of the voltage intermediate circuit (storage capacitor).

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention this object is achieved by the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Danach wird ein dauerhafter Kurzschluss zwischen den Klemmen eines Teilumrichters nach einem Fehlereintritt mit folgenden Mitteln erreicht:

  1. a) Erzeugen eines gleichspannungsseitigen Kurzschlusspfades, der parallel zu dem oder den Zwischenkreiskondensatoren liegt, durch Einschalten und Durchlegieren aller Halbleiterschalter des Teilumrichters.
  2. b) Nutzung der Gleichrichtfunktion der Dioden des Leistungsteiles sowie des gleichspannungsseitigen Kurzschlusspfades zur Kurzschlussbildung auf der Wechselspannungsseite des Teilumrichters.
Thereafter, a permanent short circuit between the terminals of a partial converter after a fault entry is achieved by the following means:
  1. a) generating a DC side short-circuit path, which is parallel to the or the DC link capacitors, by turning on and alloying all semiconductor switches of the partial converter.
  2. b) Use of the rectifying function of the diodes of the power unit and of the DC-side short-circuit path for short circuit formation on the AC voltage side of the partial converter.

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.Point a) satisfies the method with the aid of semiconductor-alloyed switches which generate a short-circuit path parallel to the DC link capacitor. If a) is satisfied, there exists a short circuit path on the AC side due to b), which can be loaded with normal operating currents.

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.After switching on the semiconductor switch of a partial converter, the fault current increases within the first microseconds in the defective component and in all other semiconductor switches, when using IGBTs, for example, to about five times the rated current. The desaturation characteristics of the semiconductor switches limit the current for a certain period of time, with IGBT for more than 10 microseconds. For the targeted generation of the short-circuit path, it is important that the short-circuit current with the aid of this desaturation now flows through almost all semiconductor switches of the partial converter. Excluded are possibly IGBT chips, which are connected in parallel to the defective component.

Mit Hilfe verschiedener Verfahren kann ein Durchlegieren aller stromführenden Halbleiterschalter erzielt werden:

  1. 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. 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. 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. 4. Extrem schnelles Einschalten der Halbleiterschalter mit anschließendem Durchlegieren. Durch den schnellen Einschaltvorgang werden die Halbleiterschalter gezielt zerstört.
  5. 5. Durch eine Kombination der Verfahren 1, 3 und 4, nämlich wiederholtes Ein- und Ausschalten.
With the aid of various methods, it is possible to achieve a breakdown of all the current-carrying semiconductor switches:
  1. 1. Abandonment of the desaturation property of all semiconductor switches by raising the gate-emitter voltage beyond the normal value. As a result, the current in the semiconductor switches increases until they become conductive due to the thermal load.
  2. 2. Extreme increase of the gate-emitter voltage in all semiconductor switches, so that this leads to the gate-emitter breakdown at least in the majority of chips. Due to a gate-emitter breakdown (in the case of MOS-controlled semiconductor components, the oxide layer between gate and emitter is destroyed in this case) results in a short circuit between the emitter and collector, so that the semiconductor switches permanently conduct.
  3. 3. By switching on all the semiconductor switches subsequent, extremely fast switching off this (at high current) can also be a Durchlegieren the chips due to high internal electric field strength can be achieved.
  4. 4. Extremely fast switching on of the semiconductor switches followed by alloying. Due to the fast switch-on process, the semiconductor switches are purposefully destroyed.
  5. 5. By a combination of methods 1, 3 and 4, namely repeated switching on and off.

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.All described methods have the common property that per semiconductor module the majority of the chips are alloyed through. This ensures a permanent and loadable short-circuit path with rated current.

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.If the short circuit has occurred with the aid of one of the methods described above, a short circuit is also guaranteed on the AC side of the partial converter by the rectifier function of the diodes. This applies to inverters consisting of at least two half-bridges. This also applies to subsystems with a half-bridge.

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:In case of failure of the control of semiconductor switches and thus the blocking of individual active semiconductor switch within its subconductor, a permanent short circuit of this subcircuit can be achieved with the aid of the invention in the following manner. In this case, a distinction must be made between the AC-side and the DC-side series connection of the partial converter:

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.In the case of the AC-side series connection, a failure of the control means that the partial converter sets an incorrect output voltage. This can be detected by the higher-level control. Subsequently, this blocks all active semiconductor switches of the affected subcircuit, so that only the anti-parallel diodes lead the alternating current. Due to the rectifying function of the diodes, the defective partial converter always impresses the DC voltage on the AC side as follows: negative DC voltage with negative current and positive DC voltage with positive current. This fault voltage can be compensated with the aid of the other series-connected partial converter in a special operating mode. In this operating mode, an alternating current is impressed in the relevant power converter branch. This leads to the defective partial converter permanently absorbing energy. In this way, the voltage of the partial converter DC link increases beyond the maximum nominal operating voltage. The semiconductor switches are designed so that their reverse voltage is just above the maximum rated operating voltage on the DC side. As a result, this semiconductor device is destroyed in the partial converter due to overvoltage. This in turn results in a short circuit of the intermediate circuit capacitor and a subsequent permanent breakdown of the affected semiconductor component.

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.For detecting a failure of the control, an additional passive detection circuit may be provided, with which a short circuit of the intermediate circuit via the semiconductor switches of a subsystem can be initiated.

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.In the case of the DC-side series connection, the control system identifies the error case analogously to the AC-side series connection and blocks all semiconductor switches of the defective partial converter. Subsequently, this partial converter is charged with a current impressed from the DC voltage side or also from the AC voltage side until semiconductor switches are destroyed due to overvoltage and then alloyed out. Again, a passive detection circuit may alternatively be provided.

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.With the invention, the protection of the diodes of the power unit, for example the full bridge circuit, is preserved from destruction. Excluded are individual diode chips, if they have caused the error case.

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.
The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. In the accompanying drawings show:
  • 1 a converter in bridge circuit;
  • 2 the associated partial converters of a single bridge branch;
  • 3 a circuit for detecting a DC link short circuit in a partial converter and
  • 4 a second variant of such a detector circuit.

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 Stromrichterzweige 11, 12, 21, 22 jeweils aus mehreren Submodulen mit der Klemmenspannung Uss1 ...UssN. 1 shows first the general structure of the converter in a version as a full bridge circuit. At the input of the converter is the mains voltage U N at. In the form of a bridge circuit are four power converter branches 11 . 12 . 21 and 22 arranged. At the bridge diagonal is a medium-frequency transformer T with the primary voltage U T and the secondary voltage U T '. As 2 shows the power converter branches exist 11 . 12 . 21 . 22 each consisting of several submodules with the terminal voltage U ss1 ... U ssN.

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.One possible realization of the submodules is in 2 shown. Each submodule has the form of a full-bridge circuit of a voltage converter, except that it is used here as a single two-terminal. The bridge circuit consists of four power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 with antiparallel connected diodes D1 ... D4 , To the DC voltage side connections is a storage capacitor C switched, each related to the voltage U dc1 ... U dcN charges, as long as no power semiconductor switch IGBT1 ... IGBT4 is switched. With the switching of the power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 arise switching states with which the terminal voltage u ss1 ... u ssN , regardless of the current direction is positive, negative or zero (short circuit).

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 -n U0 ...+nU0 annehmen und lässt sich somit in diskreten „Treppenstufen“ der Spannung U0 stellen.Assuming that the tensions U dc1 ... U dcN of the capacitors C all submodules have the same initial state U dc = U 0 have and a number N Of submodules present, the voltage may be U ac a power converter branch 11 . 12 . 21 . 22 the range of values - n U 0 ... + 0 accept and thus can be in discrete "stairs" of tension U 0 put.

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.The submodules are designed as high-performance IGBT modules, which usually have a large number of IGBT and anti-parallel diode chips. Each chip is connected via bonding wires electrically to the module-internal busbar. In the case of an IGBT valve failure, usually only a single chip is alloyed. The chips connected in parallel to this chip are usually still functional. For most faults, the fault current is therefore only routed through the defective chip. Due to the high amplitude of the short-circuit current and the concentration on only one chip, extremely high current densities are produced in the bonding wires of the defective chip. After a few microseconds, they melt or crack due to magnetic forces and an arc forms, which can lead to the module exploding. The explosion of IGBT or diode modules can have the consequence that the semiconductor switches are AC or DC side idle, which is avoided inter alia with the invention. A defective partial converter will produce a short circuit loadable with rated current in the event of a fault.

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.The diode and IGBT modules are protected against arcing by a sensor circuit detects the DC side short circuit within a few microseconds (μs) and then ignition of all power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 initiates.

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.Due to the very fast discharge of the storage capacitor C in case of error, it is necessary that this condition is detected in an extremely short time ( Dead <5 μs). This is necessary to still in time for desaturation of the power semiconductor switch IGBT1 ... IGBT4 can be guaranteed to initiate measures to generate a short-circuit path.

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.According to a first variant of the method, an error occurs in a sensor circuit 1 based on the strong negative du / dt of the capacitor voltage U dc recognized. Exemplary shows 3 an embodiment of such a detection circuit. The detection of the strongly negative du / dt takes place with the aid of an ohmic-capacitive voltage divider with the resistors R 1 . R 2 and the capacitors C 1 . C 2 , If the short circuit is detected, then with switching transistors V 1 and V 2 at least one ignition transformer T z energized from a voltage source, here a capacitor C 3 , This voltage source is also fed directly from the power circuit. Via a separate transformer for each power semiconductor switch IGBT1 ... IGBT4 thus can provide an additional gate-emitter voltage U GE_added to all power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 be created. With the help of this additional voltage all power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 be controlled simultaneously and independently of the control signals. This makes it possible to change the IGBT saturation properties, turn them off or deliberately damage the oxide layer between gate and emitter.

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.After a breakdown of the semiconductor switch IGBT1 .... IGBT4 the DC side of the submodule is permanently shorted. In addition, since arcing in the IGBT modules of the sub-module has been prevented, it is guaranteed that the majority of all diode chips are conducting in the direction of flow. In this way, there is also a permanent short circuit of the submodule between the terminals 1' and 2 ' guaranteed.

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.According to a second variant of the method, a fault is detected by the voltage drop across parasitic stray inductances of the DC link busbar. One possible implementation is in 4 exemplified. The circuit responds to the much longer lasting, compared to normal switching operations, strong positive di / dt in a parasitic leakage inductance Lσ. This circuit does not require any additional power supplies. After a few μs, the power semiconductor switches also become active in this circuit IGBT1 ... IGBT4 ignited.

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.A di / dt is from a sensor circuit 2 consisting of an RC circuit with a capacitor C 4 and the resistors R 3 . R 4 . R 5 , recognized. The following switchable voltage source is the same as 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.The circuits described as embodiments need no additional power supply. This is of particular advantage, since a redundant and independent power supply to high voltage potential (up to a few 10 kV) designed very expensive. The solution is simple, robust and inexpensive. A maintenance of the circuit is not necessary. For systems with low and medium power, the use of IGBT modules is possible instead of IGBT disk cells (with IGBT pressure contact).

Claims (6)

Verfahren zum Kurzschließen eines fehlerhaften Submoduls eines Stromrichterzweiges (11,12,21,22) eines Stromrichters, wobei jeder Stromrichterzweig (11,12,21,22) mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Submodule aufweist, wobei jedes Submodul vier Leistungshalbleiterschalter (IGBT1,...,IGBT4) mit einer antiparallel geschalteten Diode (D1,...,D4) aufweist, die elektrisch in einer Brückenschaltung verschaltet sind, und wobei elektrisch parallel zu gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieser Brückenschaltung ein Speicherkondensator (C) elektrisch parallel geschaltet ist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Detektierung eines fehlerhaften Submoduls eines Stromrichterzweiges, b) Generierung eines Steuersignals (UGE_Zusatz), dadurch gekennzeichnet, dass c) alle Leistungshalbleiterschalter (IGBT1,...,IGBT4) eines fehlerhaften Submoduls mittels des generierten Steuersignals (UGE_Zusatz) gleichzeitig angesteuert werden.Method for short-circuiting a faulty submodule of a converter branch (11, 12, 21, 22) of a power converter, each converter branch (11, 12, 21, 22) having a plurality of submodules connected electrically in series, each submodule having four power semiconductor switches (IGBT1, .. , IGBT4) with an antiparallel-connected diode (D1, ..., D4), which are electrically connected in a bridge circuit, and wherein electrically parallel to the DC voltage side terminals of this bridge circuit, a storage capacitor (C) is electrically connected in parallel, with the following method steps a) detection of a faulty submodule of a power converter branch , b) generation of a control signal (U GE_addition ), characterized in that c) all power semiconductor switches (IGBT1, ..., IGBT4) of a faulty submodule are simultaneously controlled by means of the generated control signal (U GE_addition ) become. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine negative Spannungsänderung (du/dt) der am Speicherkondensator (C) anstehenden Spannung eines fehlerhaften Submoduls ermittelt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that a negative voltage change (du / dt) of the storage capacitor (C) pending voltage of a faulty submodule is determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromänderung (di/dt) in einer Streuinduktivität eines fehlerhaften Submoduls erfasst wird.Method according to Claim 1 , characterized in that a current change (di / dt) is detected in a leakage inductance of a faulty submodule. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das generierte Steuersignal (UGE_Zusatz) amplitudenmäßig derart dimensioniert ist, dass die Gate-Emitter-Spannung eines jeden Leistungshalbleiterschalters (IGBT1,...,IGBT4) eines fehlerhaften Submoduls größer einer normalen Gate-Emitter-Spannung ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the generated control signal (U GE_addition ) in terms of amplitude is dimensioned such that the gate-emitter voltage of each power semiconductor switch (IGBT1, ..., IGBT4) of a defective submodule is greater than a normal gate-emitter voltage. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das generierte Steuersignal (UGE_Zusatz) derart dimensioniert ist, dass jeder Leistungshalbleiterschalter (IGBT1,..., IGBT4) gegenüber einen betriebsmäßigen Einschalten schneller einschaltet.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the generated control signal (U GE_addition ) is dimensioned such that each power semiconductor switch (IGBT1, ..., IGBT4) turns on faster compared to a power-on. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des generierten Steuersignals (UGE_Zusatz) jeder Leistungshalbleiterschalter (IGBT1,...,IGBT4) wiederholt ein- bzw. ausgeschaltet wird.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that depending on the generated control signal (U GE_Zusatz ) each power semiconductor switch (IGBT1, ..., IGBT4) repeatedly turned on or off.
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