DE3640546C2

DE3640546C2 -

Info

Publication number: DE3640546C2
Application number: DE3640546A
Authority: DE
Inventors: Loren Haines Salem Va. Us Walker; Georges Robert Eugene Roanoke Va. Us Lezan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-12-06
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1993-02-04
Also published as: SE8605196D0; CH673338A5; US4641231A; JPS62156576A; JPH0638694B2; DE3640546A1; SE8605196L; SE463119B

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen und betrifft außerdem eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Es gibt eine Reihe von Situationen, in denen der Leitfähigkeitszustand einer durch ein Steuesignal abschalt- oder sperrbaren Halbleitervorrichtung (im folgenden kurz "Abschalt- Halbleitervorrichtung"), wie eines sogenannten GTO- Thyristors oder eines Transistors, bekannt sein muß. Ein typisches Beispiel hierfür sind elektrische Leistungswandler, wie Wechselrichter, welche Abschalt-Halbleitervorrichtungen enthalten, die paarweise in Reihe zwischen Gleichstrom- Leiterschienen geschaltet sind. Hier muß verhindert werden, daß die eine der Abschalt-Halbleitervorrichtungen in einer Reihenschaltung durchschaltet, bevor die andere gesperrt worden ist, da sonst die Gleichstrom-Leiterschienen kurzgeschlossen werden. Ähnliche Probleme treten auch bei anderen Systemen und insbesondere bei Not- oder Totalabschaltungen von Systemen mit Abschalt-Halbleitervorrichtungen auf.

Es gibt bereits eine Anzahl von Verfahren und Einrichtungen zum Ermitteln des Leitungs- oder Betriebszustandes einer Abschalt-Halbleitervorrichtung. Bei einem bekannten Verfahren wird ein Stromtransformator verwendet, um die Funktionsfähigkeit der Halbleitervorrichtung vor dem Anlegen der vollen Leistung zu ermitteln. Dieses Verfahren läßt jedoch bei der Ermittlung des Leitungszustandes von Halbleitervorrichtungen bei Vollast zu wünschen übrig.

Aus der US 43 84 248 ist es zur Fehlerfeststellung bekannt, zwei in Reihe geschalteten GTO-Thyristoren eines Wechselrichters jeweils eine Induktivität in Reihe zu schalten und die Spannung an dieser Induktivität zu messen.

Aus der US 32 77 371 ist ein Fehlertestverfahren für Abschalt-Halbleiter bekannt, bei dem die Durchschalt- und die Sperrspannung zwischen Steuerelektrode und Kathode, der Durchschaltstrom und der Abschaltstrom, der Vorwärtsleckstrom sowie die Anoden-Kathoden-Spannung im durchgeschalteten Zustand gemessen werden.

Zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen den Leiterschienen eines Thyristor-Wechselrichters ist es bekannt, eine Verzögerung zwischen den Steuerimpulsen, die die eine Abschalt-Halbleitervorrichtung einer Reihenschaltung oder eines Schenkels eines Thyristor-Wechselrichters sperren, und den Steuerimpulsen, die die andere Abschalt-Halbleitervorrichtung des betreffenden Schenkels durchschalten, vorzusehen. Wenn die Verzögerung länger ist als die Zeit, die zum Sperren der Abschalt-Halbleitervorrichtung nötig ist, wird ein Kurzschluß gewöhnlich verhindert. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es keine positive Anzeige dafür liefert, daß die erste Abschalt-Halbleitervorrichtung tatsächlich sperrt. Das Verfahren ist auch nicht gut geeignet für Hochleistungssysteme, da man relativ lange Verzögerungszeiten braucht, um zu gewährleisten, daß die erste Abschalt- Halbleitervorrichtung unter allen Betriebszuständen gesperrt wird.

Bei wieder einem anderen Verfahren werden die Stromrichtung und die Anoden-Kathoden-Spannung der Abschalt-Halbleitervorrichtungen erfaßt. Wenn die Stromrichtung positiv ist, dann wird die Sperrung der Abschalt-Halbleitervorrichtung durch eine positive Spannung der Anode bezüglich der Kathode angezeigt. Dadurch, daß man die Ansteuerung der zweiten Abschalt-Halbleitervorrichtung des betreffenden Schenkels verzögert, bis die besagte Spannung an der ersten Abschalt- Halbleitervorrichtung auftritt, kann ein Kurzschluß der Gleichstromquelle verhindert werden. Dieses Verfahren funktioniert jedoch nicht, wenn der Strom negativ ist, d. h. von einer Freilaufdiode geführt wird, wie sie in den hier interessierenden Systemen normalerweise den Abschalt-Halbleitervorrichtungen antiparallel geschaltet ist. In diesem Fall bleibt die abgetastete Spannung klein, da die Diode leitet. Wenn die zweite Abschalt-Halbleitervorrichtung durchgeschaltet wird, bevor die erste tatsächlich gesperrt hat, oder wenn die erste nicht sperrt, tritt ein Kurzschluß auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln des Betriebszustandes einer Abschalt-Halbleitervorrichtung zu schaffen, die eine sichere Erfassung des Betriebszustandes der Abschalt-Halbleitervorrichtung unter allen Betriebszuständen und mit einfachen Mitteln ermöglichen. Außerdem soll eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 9 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens und der Einrichtung zu dessen Durchführung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Einrichtung ermöglichen eine sichere und positive Ermittlung des Betriebszustandes einer Abschalt-Halbleitervorrichtung mit einfachen Mitteln.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden Signale an die Steuerelektrode der betreffenden Abschalt-Halbleitervorrichtung angelegt, um deren Leitfähigkeitszustand zu steuern, und es wird die bestehende Spannung an dieser Elektrode verwendet, um den tatsächlichen Leitfähigkeitszustand zu ermitteln. Ein erstes Signal, das den gewünschten Betriebszustand der Halbleitervorrichtung darstellt, wird mit einem zweiten Signal, das den tatsächlichen Betriebszustand der Halbleiter als Funktion der Spannung an der Steuerelektrode darstellt, in geeigneter Weise zusammengefaßt, um eine Fehleranzeige zu generieren, wenn das zweite Signal einen Leitfähigkeitszustand des Halbleiters anzeigt und das erste Signal einen gewünschten nicht-leitenden Zustand anzeigt. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in einer Reihenschaltung von zwei derartigen steuerbaren Abschalt-Halbleitervorrichtungen verwendet wird, die einen Schenkel zwischen zwei Gleichstrom-Leiterschienen bildet, wird das zweite Signal, das den Betriebszustand einer der Halbleitervorrichtungen in einen Schenkel darstellt, mit dem gewünschten Steuersignal der ersten Halbleitervorrichtung zusammengefaßt (kreuzgekoppelt), um zu Verhindern, daß die erste Halbleitervorrichtung leitend bzw. durchgeschaltet wird, wenn die zweite Halbleitervorrichtung noch in ihrem leitenden Zustand ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das vorstehend beschriebene Verfahren mit dem erwähnten Anoden kombiniert, um ein weiter verbessertes, sicheres System zu schaffen, um einen Gleichstrom- Kurzschluß zu verhindern. Dieses Ausführungsbeispiel liefert das Ausgangssignal des Anodenspannungs-Überwachungsverfahrens als ein weiteres Eingangssignal an die Zusammenschaltung des kreuzgekoppelten zweiten Signals und des Signals, das den gewünschten Leitfähigkeitszustand darstellt.

In einem weiter verbesserten Ausführungsbeispiel von einem der kreuzgekoppelten Ausführungsbeispiele wird eine Sperre (beispielsweise ein Flip-Flop) verwendet, um eine Halbleitervorrichtung in ihrem leitenden Zustand für die vorgesehene Einschaltdauer zu halten, um ein ungewolltes Ausschalten zu verhindern.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines bekannten dreiphasigen Leistungswandler zur Lieferung von Leistung an eine Last.

Fig. 2 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen Leistungswandler, um einen Kurzschluß zwischen den Gleichstrom-Leiterschienen des Wandlers zu verhindern.

Fig. 3, 4 und 5 sind Graphen zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer möglichen Abwandlung der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 2 und 6.

Fig. 1 zeigt einen typischen, bekannten Wechselrichter für eine dreiphasige Spannungsquelle zum Speisen einer Last aus einer Gleichstromquelle. Ein derartiger Wechselrichter kann aber auch für andere Zwecke verwendet werden. Die Erfindung ist auch auf mit eingeprägtem Strom arbeitende Wandler anwendbar, obwohl die Verwendung des Störungssignals unterschiedlich sein kann. Der Wandler 10 hat drei Schenkel mit steuerbaren Abschalt-Halbleitervorrichtungen G1 bis G6 und entsprechenden, anti-parallel geschalteten Dioden D1 bis D6. Ein erster Schenkel wird durch die Reihenschaltung der Halbleitervorrichtungen G1 und G2 mit ihren entsprechenden Dioden D1 und D2 gebildet. Die Halbleitervorrichtungen G3 und G4 mit ihren entsprechenden Dioden bilden den zweiten Schenkel, während die Halbleitervorrichtungen G5 und G6 mit ihren entsprechenden Dioden D5 und D6 den dritten Schenkel bilden. Eine Gleichstromquelle 12, die beispielsweise eine Vollweg-Gleichrichterbrücke sein kann, die mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, ist über eine positive Leiterschiene 16 und eine negative Leiterschiene 18 mit dem Wandler 10 verbunden. Eine Last 14, die beispielsweise ein Wechselstrommotor sein kann, ist mit dem Ausgang des Wandlers 10 durch Leiter 22, 23 und 25 verbunden. Die Abschalt-Halbleitervorrichtungen haben jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Steuerelektrode. In üblicher Weise werden unter der Regie einer geeigneten Steuerung 20 die verschiedenen Abschalt-Halbleitervorrichtungen G1 bis G6 zu geeigneten Zeiten durch Anlegen von entsprechenden Signalen an die Steuerelektroden leitend und nicht-leitend gemacht, um dadurch den Strom bzw. die Spannung zu steuern, die der Last 14 aus der Quelle 12 zugeführt wird.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß, wenn beide Abschalt- Halbleitervorrichtungen eines einzigen Schenkels (beispielsweise G1 und G2) zu irgendeiner Zeit durchgeschaltet sind, ein Kurzschluß zwischen den Leiterschienen 16 und 18 besteht, der eine Beschädigung der Halbleiter, der Leistungsversorgung und/oder der Last zur Folge haben kann.

Fig. 2 zeigt die Einrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung sowohl in ihrer Grundform, um den Betriebszustand einer steuerbaren Abschalt-Halbleitervorrichtung zu ermitteln, als auch die Anwendung des Erfindungsgedankens, um die gleichzeitige Durchschaltung von zwei Halbleitervorrichtungen, die in Reihe an eine Quelle gelegt sind, zu verhindern, wie es vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Fig. 2 zeigt Leiterschienen 16 und 18, zwischen denen die Vorrichtungen G1 und G2 in Reihe geschaltet sind. Die Dioden D1 und D2 sind den entsprechenden Halbleitervorrichtungen in üblicher Weise anti-parallel geschaltet.

In der weiteren Beschreibung werden binäre Bezeichnungen "1" und "0" verwendet. Dies ist jedoch nur eine zweckmäßige Beschreibungsform der Logik und soll keineswegs bedeuten, daß nur digitale Implementationen verwendet werden können. Die Äquivalenz von digitaler und analoger Logik bzw. Verknüpfung ist allgemein bekannt.

Die Anode der Halbleitervorrichtung G1 ist mit der Leiterschiene 16 verbunden und die Kathode ist mit einem Knotenpunkt 21 verbunden, von dem eine Leitung 22 ausgeht, die mit der Last in Verbindung steht. Der Knotenpunkt 21 ist auch mit der Anode der Halbleitervorrichtung G2 verbunden, deren Kathode mit der negativen Leiterschiene 18 verbunden ist. Die Gate- oder Steuerelektroden 24 und 26 der beiden Halbleitervorrichtungen G1 und G2 sind auf entsprechende Weise mit invertierenden Eingängen von zwei Komparatoren 30 und 32 verbunden. Der Komparator 30 hat einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem Knotenpunkt 21 über eine geeignete Spannungsreferenz 34 verbunden ist, so daß am Ausgang des Komparators 30 (Knotenpunkt 35) eine binäre 1 ansteht, wenn die Gate-Elektrode 24 genügend negativ ist, um anzuzeigen, daß die Abschalt-Halbleitervorrichtung G1 in ihrem nicht-leitenden Zustand ist. In ähnlicher Weise hat der Komparator 32 einen invertierenden Eingang, der mit der Steuerelektrode 26 der Halbleitervorrichtung G2 verbunden ist, und einen nicht-invertierenden Eingang, der mit einer geeigneten negativen Spannungsreferenz 36 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Komparators 32 am Knotenpunkt 37 ist eine binäre 1, wenn die Steuerelektrode 26 der Vorrichtung G2 genügend negativ ist, um anzuzeigen, daß sie gesperrt ist.

Das Ausgangssignal des Komparators 30 am Knotenpunkt 35 wird zunächst an einen invertierenden Eingang eines UND- Gatters 42 angelegt, dessen zweiter invertierender Eingang mit einer Leitung 46 verbunden ist. Das Signal auf der Leitung 46 (G1 durchgeschaltet) kommt aus einer geeigneten Steuereinrichtung (beispielsweise der Steuereinrichtung 20 in Fig. 1) und ist normalerweise ein Impuls, der solange andauert, wie die die Steuerung fordert, daß die Halbleitervorrichtung G1 im leitenden Zustand ist. Das UND-Gatter 42 liefert somit auf der Leitung 49 ein Ausgangs-Signal, das eine binäre 1 ist, nur während derjenigen Perioden, zu denen eine binäre 0 am Knotenpunkt 35 anliegt, wodurch die Durchschaltung der Halbleitervorrichtung G1 angezeigt wird und ein Signal auf der Leitung 46 fehlt. Diese Situation ist dann gegeben, wenn die Vorrichtung G1 durchgeschaltet ist, aber es nicht sein sollte.

Das Signal auf der Leitung 49 wird einem Tiefpaßfilter (das eine analoge oder digitale Form haben kann) zugeführt, dessen Ausgangssignal auf der Leitung 52 ein Störungssignal ist, welches anzeigt, daß die Vorrichtung G1 zu einer Zeit durchgeschaltet ist, zu der sie es nicht sein sollte. Dieses Signal kann zu irgendeinem gewünschten Zweck verwendet werden, beispielsweise zum Aktivieren eines sichtbaren oder hörbaren Alarms, oder es kann auf Wunsch für eine Störungsbeseitigung verwendet werden, beispielsweise um den Halbleitervorrichtungen keinen Eingangsstrom mehr zuzuführen. Es sei darauf hingewiesen, daß die einzige Funktion des Tiefpaßfilters 50 darin besteht, kurzzeitige Stör-Signale positiver Natur, die beispielsweise während Schaltvorgängen auftreten können, zu beseitigen, um fälschliche Anzeigen zu verhindern.

In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal des Komparators 32 am Knotenpunkt 37 einem invertierenden Eingang eines UND-Gatters 44 zugeführt, dem an seinem zweiten Eingang die Signale auf der Leitung 48 zugeführt werden, die einen gewünschten Leitfähigkeitszustand der Vorrichtung G2 anzeigen. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 44 wird einem Tiefpaßfilter 54 zugeführt, dessen Ausgangssignal ein Störungssignal auf der Leitung 56 ist, das eine Durchschaltung der Vorrichtung G2 zu einer Zeit darstellt, zu der eine Sperrung bestehen sollte. Somit wird also ein relativ einfacher Weg geschaffen zum Liefern einer Anzeige einer falschen Durchschaltung der Vorrichtungen G1 und G2.

Erfindungsgemäß werden bezüglich der Verhinderung der gleichzeitigen Durchschaltung der zwei Abschalt-Halbleitervorrichtungen innerhalb des Schenkels eines Systems, wie beispielsweise der Brücke gemäß Fig. 1, die Ausgangssignale der zwei Komparatoren 30 und 32 und die Signale auf den Leitungen 46 und 48 verwendet, aber in einer Kreuzkopplungsanordnung. Mit den hier verwendeten Bezeichnungen bezeichnen eine binäre 1 darstellende Signale auf den Leitungen 46 und 48 auf entsprechende Weise einen gewünschten Leitfähigkeitszustand für die entsprechenden Halbleitervorrichtungen. Es sei auch daran erinnert, daß die Ausgangsgröße von jedem der Komparatoren 30 und 32 eine binäre 1 ist, wenn die entsprechende Abschalt-Halbleitervorrichtung gesperrt ist, und eine binäre 0 ist, wenn er durchgeschaltet ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das am Knotenpunkt 35 anliegende Signal einem Eingang eines UND-Gatters 60 zugeführt (über einen geeigneten Trennkreis 61, falls erforderlich), dessen anderes Eingangssignal das Signal auf der Leitung 48 ist. Somit wird deutlich, daß, wenn der Komparator 30 ein Ausgangssignal in Form einer binären 1 liefert, das anzeigt, daß die Vorrichtung G1 gesperrt ist, das Gatter 60 die Signale auf der Leitung 48 durchläßt zu einer geeigneten Gate- Treiberschaltung 28, die ein Signal geeigneter Größe an die Steuerelektrode 26 der Halbleitervorrichtung G2 liefert, wodurch diese Vorrichtung durchgeschaltet werden kann. Wenn jedoch das Ausgangssignal des Komparators eine binäre 0 ist, womit angezeigt wird, daß die Halbleitervorrichtung G1 durchgeschaltet ist, hat das Signal, das von dort an das AND- Gatter 60 angelegt wird, eine sperrende Wirkung, wodurch der Durchtritt der Signale auf der Leitung 48 verhindert wird. Somit kann die Treiberschaltung 28 keine Ansteuerungssignale an die Vorrichtung G2 liefern.

Der Knotenpunkt 37 am Ausgang des Komparators 32 ist kreuzgekoppelt und, falls erforderlich über eine Trennschaltung 59, mit dem einen Eingang eines UND-Gatters 62 verbunden. Der andere Eingang des Gatters 62 empfängt die Steuersignale für die Halbleitervorrichtung G1 auf der Leitung 46. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 62 wird einer Treiberschaltung 26 zugeführt, deren Ausgang, wie bereits beschrieben wurde, das Signal ist, das die Durchschaltung der Vorrichtung G1 ermöglicht. Wenn die Vorrichtung G2 durchgeschaltet ist, wird das eine binäre 0 darstellende Signal von dem Komparator 32 das Gatter 62 und den Durchtritt der Signale auf der Leitung 46 sperren. Somit ist eine Durchschaltung der Vorrichtung G1 verhindert. Es ist ersichtlich, daß durch diese Kreuzkopplungsanordnung die Durchschaltung von einem der zwei steuerbaren Abschalt-Halbleitervorrichtungen in dem Schenkel zwischen den zwei Leiterschienen 16 und 18 solange verhindert ist, wie die andere Halbleitervorrichtung leitet.

Fig. 3 zeigt typische betriebliche Signalformen, wie sie bei einem Gate-Abschalt-Thyristor (gate turn- off thyristor GTO) auftreten, der als der steuerbare Abschalt-Halbleitervorrichtung in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 verwendet wird. Die Kurven gemäß Fig. 3 haben die gleiche Zeitbasis, die Signale sind auf die Kathode als Referenz bezogen und zeigen eine Abschaltung bzw. Sperrung bei Vorwärtsstrom, d. h. bei einem Strom von der Anode zur Kathode der betreffenden Vorrichtung.

Die Sperrung der Vorrichtung wird zur Zeit t₀ durch den Beginn des Anstieges des negativen Gate-Stromes I_G eingeleitet (siehe unterste Kurve in Fig. 3). Die Anodenspannung und der Strom ändern sich nicht bis zur Zeit t₁, zu der I_G einen ausreichenden Wert erreicht, um die Spannungssperrung der Abschalt-Halbleitervorrichtung einzuleiten. Zur Zeit t₁ beginnt der Anodenstrom I_A zu fallen und die Anodenspannung V_A beginnt anzusteigen. Die Gate-Spannung steigt an bis zu der Lawinendurchbruchsspannung des Gate-Kathodenübergangs zur Zeit t₁, zu der der Gate-Rückwärtsstrom nicht länger von dem Übergang abgezogen werden kann. Die Zeit t₁ des Sperrens kann durch Abtasten dieses Spannungsanstiegs am Gate ermittelt werden. Die Zeit t₁ ist die Zeit, zu der die Steuerspannung V_G die Referenzspannung V₁überschreitet.

Wenn der Strom in dem betreffenden Schenkel negativ ist, d. h. in der Diode anstatt im Abschalt-Halbleiter fließt, steigt die Anodenspannung aufgrund eines dem GTO zugeführten Abschaltimpulses niemals an. Somit ist nur das hier beschriebene Gate-Abtastverfahren gemäß Fig. 3 wirksam. Die Kurven für diesen Fall sind in Fig. 4 gezeigt. Die Anodenspannung und der Strom sind nicht gezeigt, da sie durch das Abschaltsignal nicht beeinflußt werden. Der Gate-Strom kann in diesem Fall in Rückwärtsrichtung nur für eine kurze Zeit (t₀ bis t₁) fließen, da er nur die Träger herausschwemmen muß, die aus dem unmittelbar vorangegangenen "Einschaltstrom" zum Gate resultieren. Die Gate-Kathodenspannung V_G steigt auf mehr als V₁ zur Zeit t₁ an, um anzuzeigen, daß der GTO im Sperrzustand ist, obwohl keine Anodenspannung vorhanden ist, um dies zu beweisen. Dies ist ein Hauptvorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung. Indem eine kurze Zeit nach t₁ gewartet wird, kann die Steuerung bzw. Regelung einen Durchschaltimpuls an die andere, in Reihe geschaltete Abschalt- Halbleitervorrichtung mit dem Vertrauen anlegen, daß dem ersten Halbleiter ein Abschaltimpuls zugeführt worden ist, der die Spannung sperrt, wenn die anti-parallele Diode sich erholt. Wie bereits ausgeführt wurde, beziehen sich die Kurven gemäß den Fig. 3 bis 5 auf einen GTO. Kurven für bipolare Transistoren würden sehr ähnlich sein, während andere Vorrichtungstypen durch in etwa ähnliche Kurve charakterisiert werden würden.

Fig. 5 zeigt den Fall, daß die Abschalt-Halbleitervorrichtung, die gesperrt werden soll, versagt hat (d. h. ihre Fähigkeit verloren hat, die Vorwärtsspannung zu sperren) oder aus einem anderen Grund nicht abgeschaltet hat. In diesem Fall ist die Gate-Spannung immer klein, sie überschreitet niemals V₁, so daß die Steuerung bzw. Regelung die andere in Reihe geschaltete Halbleitervorrichtung nicht durchschalten kann. Es kann gezeigt werden, daß ein fehlerhafter Gate-Abschalt- Thyristor, der einen Kurzschluß von Anode zu Kathode aufweist, immer einen Kurzschluß von der Anode zum Gate (Steuerelektrode) hat. Die Wirkung der beschriebenen Erfindung im Falle eines totalen Versagens der Vorrichtung beim Sperren besteht darin, daß der Wechselrichter keine Ausgangsgröße mehr erzeugt, dagegen gibt keinen Fehler an der Gleichstromschiene und somit tritt kein zerstörender Strom auf, der drastischere Maßnahmen erfordert, wie beispielsweise das Auslösen von Überstromschaltern oder das Durchbrennen von Sicherungen. Im Falle einer zeitweiligen Unfähigkeit einer Abschalt-Halbleitervorrichtung, zu sperren (beispielsweise aufgrund einer Übertemperatur) kann die Vorrichtung vor einer permanenten Beschädigung durch die Erfindung bewahrt werden, die verhindert, daß durch den Fehler ein zerstörender Überstrom auftritt. Der Wechselrichter kann deshalb nach einer kurzen Abkühlungsperiode neu gestartet werden, ohne daß Sicherungen oder andere Teile ausgewechselt werden müssen.

Die Vorteile eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung werden nun in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben. Wenn in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die Abtastung der Sperrung durch das Anodenabtastverfahren, also durch Messung der Spannung zwischen Anode und Kathode, durchgeführt wurde, wie es zuvor beschrieben wurde, und wenn die Schwellenspannung des Sensors auf einen Wert V₂ (obere Kurve in Fig. 3) gesetzt würde, dann würde die Sperrzeit zur Zeit t₂ abgetastet werden. Dies stellt möglicherweise eine bessere Zeit für das Feststellen, ob die Sperrung eingetreten ist, dar. Es ist besser, die andere Abschalt-Halbleitervorrichtung durchzuschalten, wenn die an ihm anliegende Spannung sich 0 nähert. Der Zeitpunkt dieser Null-Spannung wird besser durch die Zeit t₂ als durch die Zeit t₁ dargestellt. Wenn nur die Zeit t₁ verwendet werden würde, wäre eine feste Zeitverzögerung beim Ansteuern der anderen Abschalt-Halbleitervorrichtung wünschenswert. Durch Verwendung der Zeit t₂ kann die Verzögerung eliminiert werden, und die Ansteuerung der anderen Halbleitervorrichtung kann so schnell wie möglich erfolgen. Somit verwendet das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 beide Methoden, d. h. das Steuerelektroden-Abtastverfahren, das anhand von Fig. 3 beschrieben wurde, in Verbindung mit dem Anoden- Abtastverfahren, um für die beste Schaltzeit für die andere Vorrichtung zu sorgen.

Aus Fig. 6 ist zu ersehen, daß der Abschnitt der Zeichnung auf der linken Seite der Vorrichtungen G1 und G2 (und der Dioden D1 und D2) der gleiche ist, wie in Fig. 2, aber mit zwei Ausnahmen. Erstens sind die UND-Gatter 42 und 44, die Tiefpaßfilter 50 und 54 und die Ausgangsleitungen 52 und 56 weggelassen, da sie in diesem Teil der Erfindung keine Rolle spielen. Weiterhin sind die zwei Eingänge aufweisenden UND-Gatter 60 und 62 ersetzt durch drei Eingänge aufweisende UND-Gatter 60′ und 62′, um diesen Gattern zusätzliche Steuer/ Sperr-Signale von dem Rest der in Fig. 6 gezeigten Anordnung zuführen zu können.

Wenn man den oberen Teil von Fig. 6 betrachtet, wird deutlich, daß innerhalb des gestrichelt dargestellten Kästchens 80 ein erster Komparator 82 vorhanden ist, dessen invertierender Eingang mit der Anode der Vorrichtung G1 verbunden ist. Ein zweiter (nicht-invertierender) Eingang ist über eine geeignete Spannungsreferenz 84 mit der Kathode der Vorrichtung G1 verbunden. Somit liefert der Komparator 82 ein eine binäre 1 darstellendes Signal nur, wenn die Anodenspannung unter einem vorbestimmten Wert liegt, beispielsweise demjenigen, der bei V₂ in der oberen Kurve von Fig. 3 gezeigt ist. Für eine Stromabtastfunktion ist ein zweiter Komparator 90 vorgesehen, dem ein erstes Eingangssignal, das die Spannung am Knotenpunkt 21 darstellt, und ein zweites Eingangssignal von einer geeigneten Stromabtastvorrichtung, beispielsweise einem Stromwandler 88 zugeführt werden. Somit liefert der Komparator 90 als Ausgangsgröße eine binäre 1, wenn in der Leitung 22 ein Strom zur Last fließt. Die zwei Komparatoren 82 und 90 liefern Eingangssignale an ein UND-Gatter 86, das aufgrund des invertierenden Eingangs eine binäre 0 auf der Leitung 91 liefert, wenn die Anodenspannung unter dem vorgeschriebenen Wert (V₂) liegt und der Strom in der Vorwärtsrichtung fließt. Das UND-Gatter 86 liefert eine binäre 1 zu allen anderen Zeiten. Diese Ausgangsgröße wird (über eine Trennschaltung 92, falls erforderlich) in Kreuzkopplung als drittes Eingangssignal an das UND- Gatter 60′ geliefert. Somit ist das UND-Gatter 60′ gesperrt, wenn der Strom positiv ist und die Anodenspannung unter V₂ (siehe Fig. 3) liegt. In ähnlicher Weise liefert, obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, ein Block 80′ ein Ausgangssignal über eine Trennschaltung 94 an einen dritten Eingang des UND-Gatters 62′. Der einzige Unterschied in diesem Fall würde darin bestehen, daß der Komparator in dem Kästchen 80′, der das Signal vom Stromwandler 88 empfängt, dieses über einen invertierenden Eingang empfangen würde, der anzeigt, daß der Strom auf der Leitung 22 die entgegengesetzte Richtung hat, d. h. aus der Last und durch die Diode D1 fließt.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung, die in Verbindung mit einem der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 oder Fig. 6 verwendet werden kann. In Fig. 7 entsprechen die steuerbare Abschalt- Halbleitervorrichtung G und die Diode D irgendwelchen ähnlichen Vorrichtungen, wie in den vorstehenden Figuren. In ähnlicher Weise entspricht der Treiber 100 einem der Treiber 28 und 28 der bereits beschriebenen Figuren, und das UND-Gatter 102 einem der UND-Gatter 60 und 62 gemäß Fig. 2 und 60′ und 62′ gemäß Fig. 6. Ein UND-Gatter 102 empfängt ein "Einschalt"-Signal über eine Leitung 106, wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen und der Leiter 108 stellt die Zufuhr des zusätzlichen Durchschalt/Sperr-Signals oder der Signale dar.

Der Unterschied zwischen den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen und dem nun beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Einschluß einer Rast- oder Verriegelungsschaltung oder eines Flip-Flops 110, das zwischen dem UND-Gatter und dem Treiber angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel schaltet ein eine logische 1 darstellendes Signal vom UND-Gatter 102 das Flip-Flop 110 in seinem gesetzten Zustand, um die Treiberschaltung 100 anzusteuern, bis das Flip-Flop zurückgesetzt wird. Das Rücksetzen des Flip-Flops 110 erfolgt durch Anlegen eines entsprechenden Signals an seinen Eingang R über einen Invertierer 112, der mit der Leitung 106 verbunden ist. Somit wird das Flip-Flop 110 zurückgesetzt, wenn das Signal auf der Leitung 106 eine Sperrung der Vorrichtung G verlangt.

Das Einrasten oder Verriegeln ist wünschenswert, wenn die steuerbaren Abschalt-Halbleitervorrichtungen nicht augenblicklich sperren können, wenn sie dieses tun sollen. Es ist auch sehr vorteilhaft, im Falle, daß die Abschalt-Halbleitervorrichtung versagt, während sie sich im nicht-leitenden oder sperrenden Zustand befindet. Im letztgenannten Fall tritt ein Fehler beim sofortigen Auftreten eines Kurzschlusses auf, den die Abschalt-Halbleitervorrichtung nicht korrigieren kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sei beispielsweise angenommen, daß die Vorrichtung G2 richtig leitet und die Vorrichtung G1, obwohl sie gesperrt sein soll, versagt und zu leiten beginnt. In diesem Fall würde der Komparator 30 sofort ein Ausgangssignal liefern, das das UND-Gatter 60 sperrt, so daß die Halbleitervorrichtung G2 sperrt und den Kurzschluß unterbricht. Dies ist eine wünschenswerte Reaktion, wenn die Abschalt-Halbleitervorrichtung G2 eine ausreichend kurze Sperrzeit hat in bezug auf die Anstiegszeit des Fehlerstroms, so daß dieser Strom unterbrochen werden kann, bevor er den Abschalt-Nennstrom der funktionierenden Vorrichtung (G2 in diesem Beispiel) überschreitet. Wenn jedoch die Vorrichtung langsam ist beim Abschalten oder die Quelleninduktivität klein ist, ist die richtig arbeitende Abschalt-Halbleitervorrichtung nicht in der Lage zu sperren, bevor der Fehlerstrom ihren maximalen Sperrstrom überschritten hat, was eine Zerstörung der richtig arbeitenden Vorrichtung zur Folge hat.

Das zwischengeschaltete Flip-Flop 110 gemäß Fig. 7 verhindert, daß das vorstehend beschriebene Ereignis eintritt. Die kreuzgekoppelten Signale können die Durchschaltung einer Halbleitervorrichtung hemmen bzw. verhindern, sie können aber keine Unterbrechung des "Einschalt"-Signals zu einer leitenden Vorrichtung bewirken, wenn diese einmal leitend ist. Zusätzlich sei darauf hingewiesen, daß die beschriebene Zwischenschaltung des Flip-Flops fehlerhafte Sperrvorgänge, beispielsweise aufgrund von Störsignalen usw., vermindert.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln des Betriebszustandes einer durch eine Steuerspannung sperrbaren Halbleitervorrichtung, die eine Anode, eine Kathode und eine Steuerelektrode, der Signale zur Steuerung des Betriebszustandes der Halbleitervorrichtung zuführbar sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Steuerelektroden-Spannungssignal erzeugt wird, das die an der Steuerelektrode der Halbleitervorrichtung bestehende Spannung darstellt, und
b) das Steuerelektroden-Spannungssignal mit einem Referenzspannungssignal vorbestimmter Größe zum Erzeugen von Ausgangssignalen, die den Betriebszustand der Halbleitervorrichtung darstellen, vereinigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelektroden-Spannungssignal mit dem Referenzspannungssignal verglichen wird, wobei ein erstes Ausgangssignal erzeugt wird, wenn das Steuerelektroden-Spannungssignal negativer ist als das Referenzspannungssignal, um den gesperrten Zustand der Halbleitervorrichtung anzuzeigen, und ein zweites Ausgangssignal erzeugt wird, wenn das Steuerelektroden- Spannungssignal weniger negativ als das Referenzspannungssignal ist, um den duchgeschalteten Zustand der Halbleitervorrichtung anzuzeigen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, zum Feststellen eines fehlerhaften Betriebszustandes der durch ein Steuersignal sperrbaren Halbleitevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzspannungssignal einen gewünschten Betriebszustand der Halbleitervorrichtung darstellt und durch die Vereinigung der Signale ein einen fehlerhaften Betriebszustand anzeigendes Ausgangssignal erzeugt wird, wenn das Ausgangssignal den durchgeschalteten Zustand der Halbleitervorrichtung anzeigt und das Referenzsignal den gesperrten Zustand anzeigt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Störungssignal erzeugt wird, wenn das den fehlerhaften Betriebszustand anzeigende Ausgangssignal länger als eine vorbestimmte Zeitspanne andauert.

5. Verfahren nach Anspruch 1 zum Verhindern eines Durchschaltens einer von zwei in einen Schenkel einer Leistungswandlerschaltung zwischen zwei Gleichstrom-Leiterschienen (16, 18) in Reihe geschalteten, jeweils eine Anode aufweisenden und durch ein Steuersignal sperrbaren Halbleitervorrichtungen während die andere der beiden Halbleitervorrichtungen durchgeschaltet ist, bei welchem

a) selektiv Signale an die Steuerelektroden der Halbleitervorrichtungen gelegt werden, die die Halbleitervorrichtungen durchschalten können,

dadurch gekennzeichnet, daß

b) Hemmsignale erzeugt werden, die den Leitungszustand der jeweiligen Halbleitervorrichtungen als Funktion der Spannung an der Steuerelektrode der betreffenden Halbleitervorrichtung darstellen und
c) die Zuführung eines Steuersignals zu einer vorgegebenen Halbleitervorrichtung durch ein Hemmsignal verhindert wird, das der anderen Halbleitervorrichtung zugeordnet ist und anzeigt, daß die andere Halbleitervorrichtung durchgeschaltet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hemmsignal erzeugt wird, wenn die Spannung an der Steuerelektrode der zugeordneten Halbleitervorrichtung einen vorgegebenen Wert überschreitet.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Spannungssignal erzeugt wird, wenn bei einer der Halbleitervorrichtungen die Anoden-Kathoden-Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet,
b) ein Stromsignal erzeugt wird, wenn der Strom durch die Halbleitervorrichtungen eine vorgegebene Richtung hat,
c) das Spannungs- und das Stromsignal unter Erzeugung von Steuersignalen für die jeweiligen Halbleitervorichtungen logisch verknüpft werden und
d) die Zuführung eines Steuersignals zu einer der Halbleitervorrichtungen verhindert wird, wenn das der anderen Halbleitervorrichtung zugeordnete Steuersignal fehlt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmung nach einem Durchschalten einer der Halbleitervorrichtungen für eine Periode einer befohlenen Durchschaltung unwirksam gemacht wird.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer durch ein Steuersignal sperrbaren Halbleitervorrichtung, die eine Anode, eine Kathode und eine Steuerelektrode der Signale zum Steuern des Betriebszustandes der Halbleitervorrichtung zuführbar sind, aufweist, gekennzeichnet durch

a) eine Anordnung zum Erzeugen eines Steuerelektroden- Spannungssignals, das die an der Steuerelektrode (24) der Halbleitervorrichtung (G1) bestehende Spannung darstellt, und
b) eine Anordnung (30) zum Vereinigen des Steuerelekroden- Spannungssignals mit einem Referenzsignal (V₁) vorgegebenen Wertes unter Erzeugung von Ausgangssignalen, die den Betriebszustand der Halbleitervorrichtung darstellen.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen der Ausgangssignale eine Vergleicherschaltung (30) aufweist, die einen den gesperrten Zustand der Halblleitervorrichtung anzeigendes erstes Ausgangssignal liefert, wenn das Steuerelektroden-Spannungssignal negativer als das Refrenzspannungssignal ist und ein den durchgeschalteten Zustand der Halbleitervorrichtung anzeigendes zweites Ausgangssignal liefert, wenn das Steuerelektroden-Spannungssignal weniger negativ als das Referenzspannungssignal ist.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 mit einer durch ein Steuersignal sperrbaren Halbleitervorrichtung, die eine Anode, eine Kathode und einer Steuerelektode, der Signale zum Steuern des Betriebszsutandes, der Halbleitervorrichtung zuführbar sind, aufweist, gekennzeichnet durch

a) eine Anordnung (46) zum Erzeugenn eines ersten Signales, das einen Soll-Betriebszustand der Halbleitervorrichtung darstellt,
b) eine Anordnung zum Erzeugen eines zweiten Signals, das den Ist-Betriebszustand der Halbleitervorrichtung als Funktion der an der Steuerelektrode der Halbleitervorrichtung bestehenden Spannung darstellt, und
c) eine Anordnung (42) zum Vereinigen des ersten und des zweiten Signals zum Erzeugen eines Störungssignales, wenn das zweite Signal den durchgeschalteten Zustand der Halbleitervorrichtung und das erste Signal den gesperrten Zustand der Halbleitervorrichtung anzeigt.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen des zweiten Signals eine Komparatorschaltung (30) enthält, die das zweite Signal erzeugt, wenn die Spannung an der Steuerelektrode einen vorgegebenen Wert (V₁) überschreitet.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Vereinigen des ersten und des zweiten Signales ein UND-Gatter (42) aufweist, dessen Ausgangssignal einem Tiefpaßfilter (50) zum Erzeugen des Störungssignales zugeführt ist.

14. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 zum Verhindern eines Kurzschlusses zwischen Gleichstrom- Leiterschienen (16, 18) einer zum Steuern einer einer Last zugeführten Leistung dienenden Leistungswandlerschaltung, die eine erste und eine zweite, durch ein Steuersignal sperrbare Halbleitervorrichtung (G1, G2) enthält, die in Reihe zwischen ddie Gleichstrom-Leiterschienen (16, 18) geschaltet sind und jeweils eine Anoden-, eine Kathoden- und eine Steuerelektrode aufweisen, mit

a) einer ersten und einer zweiten Annordnung (46, 48) zum selektiven Zuführen von Durchschalt-Signalen zur ersten bzw. zweiten Halbleitervorrichtung (G1, G2),
b) einer ersten und einer zweiten, der ersten bzw. zweiten Halbleitervorrichtung (G1 bzw. G2) zugeordneten Anordnung (30 bzw. 32) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Hemmsignales, die einen durchgeschalteten Zustand der zugehörigen Halbleitervorrichtung darstellen,
c) eine erste, durch das zweite Hemmsignal gesteuerte Hemmvorrichtung (62) zum Verhindern des Zuführens von Steuersignalen an die Steuerelektrode (24) der ersten Halbleitervorrichtung (G1) bei Vorliegen des zweiten Hemmsignals,
d) eine zweite, durch das erste Hemmsignal gesteuerte Hemmvorrichtung (60) zum Verhindern des Zuführens von Steuersignalen an die Steuerelektrode (27) der zweiten Halbleitervorrichtung (G2) beim Vorliegen des ersten Hemmsignales,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (30, 32) zum Erzeugen der Hemmsignale jeweils durch die Spannung an den Steuerelektroden (24, 27) der Halbleitervorrichtungen (G1, G2) gesteuert sind und die Hemmsignale erzeugen, wenn die Spannung an der betreffenden Steuerelektrode (24, 27) einen dem durchgeschalteten Zustand der betreffenden Halbleitervorrichtung (G1, G2) entsprechenden Wert hat.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen zum Erzeugenn der Hemmsignale jeweils eine Komparatorschaltung (30, 32) enthalten, der am ersten Eingang das die Spannung an der Steuerelektrode der zugehörigen Halbleitervorrichtung darstellende Signal und am zweiten Eingang ein einen vorgegebenen Spannungswert darstellendes Signal zugeführt ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Komparatorschaltung das den durchgeschalteten Zustand der zugehörigen Halbleitervorrichtung darstellende Hemmsignal erzeugt, wenn die Spannung am ersten Eingang kleiner als die am zweiten Eingang ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hemmvorrichtung eine UND- Funktionsschaltung (62) aufweist, der als erstes Eingangssignal das zweite Hemmsignal und der als ein zweites Eingangssignal ein Signal zugeführt ist, das einen gewünschten Leistungszustand der ersten Halbleitervorrichtung darstellt, und daß die zweite Hemmvorrichtung eine zweite UND-Funktionsschaltung (60) aufweist, der als erstes Eingangssignal das erste Hemmsignal und als zweites Eingangssignal ein Signal, das einen gewünschten Leistungszustand der zweiten Halbleitervorrichtung darstellt, zugeführt ist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch

a) eine Anordnung (82) zum Abgreifen der Anoden- Kathoden-Spanung jeder Halbleitervorrichtung (G1, G2) und zum Erzeugen eines Spannungssignales, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung einen vorgegebenen Wert überschrietet,
b) eine Anordnung (88, 90) zum Feststellen, ob der Strom durch die Halbleitervorrichtungen eine vorbestimmte Richtung hat und zum Erzeugen eines entsprechenden Stromsignales,
c) eine Anordnung (86) zum logischen Verknüpfen des Spannungs- und des Stromsignales unter Erzeugung eines Freigabesignales, und
d) eine Anordnung zur Kreuzkopplung der der ersten und der zweiten Halbleitervorrichtung zugeordneten Freigabesignale mit dem ersten und dem zweiten Hemmsignal derart, daß die Hemmvorrichtungen (60′, 62′) beim Fehlen der entsprechenden Freigabesignale gesperrt bleiben.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Verriegelungsanordnung (110, 112) vorgesehen ist, welche die Funktion der ersten bzw. zweiten Hemmvorrichtung derart ersetzen, daß die Lieferung der entsprechenden Steuersignale an die Halbleitervorrichtungen für eine Periode einer befohlenen Durchschaltung beibehalten wird.