WO2016096101A2 - Gleichstromschaltvorrichtung und verfahren zur steuerung - Google Patents

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Definitions

  • the present application relates to switching devices and methods for controlling these switching devices, wherein the switching devices are preferably DC switching devices. Particularly preferably, the switching devices are constructed bidirectionally.
  • the DC switching devices and associated control methods described herein have the technical advantages of achieving better reliability / safety of the switching devices at high voltages and / or currents while minimizing conduction losses.
  • the switching devices can switch very quickly and there is a very fast reacting self-protection of the DC switching devices against excessive currents, which allows a safe and fast shutdown or the separation of the current-carrying lines realized.
  • a DC switching device may include at least one switching unit.
  • the switching unit can be arranged between two terminals.
  • the DC switching device may have at least one control unit for controlling the at least one switching unit.
  • the switching unit may comprise at least a first and a second (semiconductor) switching element, which may be arranged parallel to each other.
  • the first switching element may be a high voltage switching element.
  • the first switching element may be a robust, in particular more robust switching element than the second switching element.
  • "robust" is intended to mean that the switching element is less susceptible to short circuits and / or rapid over-load switching, in other words, the high-voltage switching element may be robust to short-circuits and / or high-speed over-load switching can endure / or voltages for a certain time without burning through or other damage.
  • the first switching element a double nominal current or a voltage drop of a double nominal voltage value for a certain time, 'for example, 10 ps, withstand.
  • the first switching element relative to the second switching element over the entire operating range bring a higher power loss with it.
  • the second switching element may preferably be a low-loss switching element.
  • Low power dissipation switching element should thus in particular, mean that the power loss over the entire operating range for this switching element is minimized, in particular compared to the first switching element.
  • the first switching element may preferably have current-limiting properties, which in the course of the switching method described below has the technical advantage that, for example, short-circuit currents can already be limited by closing the first switching element.
  • the second switching element may be arranged so that it has no current-limiting properties. Both switching elements, first and second, can have a very high blocking voltage of, for example, 1200 V.
  • the switching unit may be controllable by the control unit or the control unit may control the switching unit such that when the switching unit is switched off, the second switching element is first turned on and then the first switching element is not turned on. When the switching unit is switched on, first the first switching element can be turned on and then the second switching element can be switched on.
  • the terminals may be adapted to provide a battery or accumulator with a vehicle electrical system, e.g. to connect an aircraft.
  • the switching units may also include diodes, e.g. Have freewheeling diodes, which may be arranged parallel to at least one switching element.
  • the above-mentioned order of switching of the switching elements does not exclude that further intermediate steps may be present.
  • the DC switching device allows the switching unit to safely and quickly shut off even with large amounts of power / current to be controlled, whereby line losses can be minimized.
  • these advantages can be achieved in that the two switching elements described are connected in parallel with their specific properties and can be controlled separately.
  • the activation that the high-voltage resistant (re) or robust switching element is first switched on or switched on when switched on has the consequence that the large amount of energy can be safely handled and there is no burn through, etc.
  • the first switching element already acts current limiting.
  • the DC switching device may have at least two switching units, which may be arranged between the two terminals such that in each case one switching unit may be assigned to one terminal.
  • this structure enables bidirectional control of electric currents that can flow in both directions between the two terminals.
  • a switching unit is designed for a respective current flow direction or associated therewith.
  • the control unit can activate the respectively required switching unit for the current operating mode. For example, when unloading the Switching unit, which is arranged closer to the power source, are actively controlled, while the farther switching unit is made conductive. During charging, this can then be reversed.
  • the control unit can be arranged between the two switching units.
  • the two switching units can be arranged symmetrically to the control unit. This allows a very compact and well controllable switching device, which has very fast response times due to short line paths.
  • the first switching element of the switching unit may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • the second switching element may be a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the MOSFET may be a SiC-MOSFET, i. a silicon carbide MOSFET.
  • the use of these two types of transistors has the advantage that IGBTs are very good and for a relatively long time, e.g. withstand up to 10 ps, high voltages.
  • the disadvantage of IGBTs that a threshold voltage leads to higher conduction losses is finally addressed in the switching device described here by using a parallel MOSFET, in particular a SiC-MOSFETs. These have lower conduction losses due to a largely ohmic characteristic. The combination of high voltage safety and simultaneously low line losses is thus achieved.
  • the switching elements can also be suitably arranged according to the respective intended current direction.
  • the second switching element may also be an integrated gate-commutated thyristor (IGCT), which likewise does not cause any current limitation, but, like the SiC-MOSFET, lower power losses over the entire operating range than the first switching element, for example the IGBT. can have.
  • IGCT integrated gate-commutated thyristor
  • a switching unit also several first and / or second parallel arranged switching elements have to lead to greater currents and switch.
  • a plurality of IGBTs may be arranged in parallel in a switching unit and controlled jointly.
  • multiple SiC MOSFETs or IGCTs may be arranged in parallel and driven together.
  • the DC switching device may have lines (branches) to a power converter circuit / power dissipation circuit.
  • the energy converter circuit may particularly preferably have capacities in order to be able to safely dissipate excess energy.
  • the branches can preferably be arranged in each case between switching unit and connection. The arrangement of an energy converter circuit in the switching device thus further increases the safety against high energies and thus against a burnout of the switching device, since excess energy can be safely absorbed.
  • the control unit may comprise a (fast) current measuring device, for example a measuring resistor or a shunt, for detecting a current flowing through the switching unit.
  • the current measuring device may preferably be arranged symmetrically in the middle between the switching units, so that short line paths are made possible, which allow a fast reaction time.
  • the control unit may have at least one first and second voltage source, of which the first may be connected to a gate of the first switching element and the second to a gate of the second switching element.
  • two voltage sources may be provided for two switching units, each with two switching elements.
  • the control unit may further (optionally) include switches for shorting the voltage sources to vary a voltage at the gate of a switching element by shorting a voltage source.
  • the control of the gates of the switching element is effected by controllable voltage sources or particularly preferably by gate drives (gate drivers) which are connected to the respective gates, and depending on the type of switching element, generate a corresponding gate voltage for conducting or nonconducting switching of the switching element.
  • the gate voltage for the first and second switching element both different levels and different logical states have (eg, "1" for conducting and "0" for blocking or vice versa).
  • the control unit may further comprise, in addition to or alternatively to the current measuring device, also a voltage detection device, e.g. for detecting a voltage drop across one / more switching units or switching element (s).
  • a voltage detection device e.g. for detecting a voltage drop across one / more switching units or switching element (s).
  • Nonconductive switching is to be understood in particular as meaning that the switching element is thereby placed in the current-conducting state or in an opened state.
  • Nonconductive switching is to be understood in particular as closing the switching element for the flow of electrical current.
  • the control unit may further comprise a fast comparator, more preferably a 50 ohm comparator, which may be configured to compare a measured value of the current measuring device with at least one reference value in order to detect an exceeding of a predetermined current threshold.
  • the control unit may further be configured to initiate the deactivation of the switching unit upon detection of exceeding the predetermined (first) current intensity threshold.
  • the comparator is preferably arranged, for example as a low-impedance comparator, in particular a 50-ohm comparator, that it can detect the current flowing through the switching device or the switching unit (s) very quickly and recognize whether the current to is high.
  • this function serves the emergency shutdown of the open (ie conductive) switching device when, for example, a short circuit occurs and very quickly large currents occur that could damage the switching device. If the control logic contains threshold values for the currents to be handled, then the emergency shutdown can be triggered, for example, by exceeding a threshold value. The procedure will be discussed in more detail below explained.
  • one or more limit values for slopes of the current intensity may additionally or alternatively be stored and used for the control.
  • devices for continuous monitoring of the flowing current eg a current monitor
  • devices for monitoring the voltage drop of individual or all switching elements for example an analog Vce S at recognition in IGBT, can be implemented.
  • the switching device in the current-carrying line to which preferably the switching units and the control unit are connected, have a current-sensitive shut-off element, which may particularly preferably be part of the control unit.
  • the current-sensitive shut-off element may be able to automatically interrupt the current-carrying line, for example, if the voltage drop across one of the switching elements or switching units is too high or if the current is too high.
  • the shutdown element may be a switch, preferably a semiconductor switch, and more preferably, it may combine a plurality of semiconductor switches, which automatically and permanently interrupts the line.
  • the voltage / current detection or an exceeding of a corresponding threshold value can be carried out, for example, and particularly preferably by the switching element itself.
  • a cancellation of the interruption of the shutdown element, as described above, can preferably be carried out, for example, only by means of active reactivation of the switch, for example by means of disconnecting the voltage or current source of the switching device.
  • the turn-off element may be provided as an alternative or in addition to the measuring resistor.
  • the parallel switching elements of a switching unit may be non-conductive (ie the switching unit is closed) and the method (open / close) may comprise the steps in the order preferably reproduced below, whereby intermediate steps and the like may be possible Turning on the first switching element of the switching unit Leitend. After the first switching element is switched on, a current value of a current which can flow through the switching unit is measured.
  • the measurement of the current intensity is carried out continuously by the control unit or the current measuring device, so that the step of measuring can also be referred to as a step of "testing" to detect a current threshold excess.
  • measuring / detecting the applied voltage across the switch / switching element can be provided; eg by Vce sa r recognition.
  • the voltage detection voltage can also be exceeding a predetermined (first) threshold of a voltage drop (eg, over the switch) be detected cash.
  • the method may include: turning on the second switching element of the switching unit when the current does not exceed a first current threshold (and / or a first voltage drop threshold); or Salt gameplaydgate the first switching element of the switching unit, when the current exceeds a second current threshold, which is greater than the first current threshold, and / or the voltage drop across the switch to high values (compared to a predetermined limit) assumes, ie additionally or alternatively, the first switching element are also switched non-conductive, when a second voltage drop threshold, which may be greater than the first voltage drop threshold is exceeded.
  • the method may include checking that the current falls below the first current threshold within a (predetermined) first time period when the current exceeds the first current threshold after the first switching element is turned on and does not exceed the second current threshold.
  • the first switching element may be rendered nonconductive if the current does not fall below the value of the first current threshold within the predetermined first period, i. remains at a high level. Otherwise, the second switching element can be turned on, when the current falls within the predetermined first period of time again below the value of the first current threshold, that is again in the normal operating range.
  • the aforementioned method steps can also be used alternatively or additionally with the voltage drop thresholds described above (instead of or in addition to the current thresholds or the measured currents).
  • the above-described two-stage switching of the switching elements allows for on-the-fly control which causes high voltages to be intercepted by the high voltage resistant switching element. If the current level is not above a value that is critical for the second switching element, then the second switching element can safely conduct be switched in order to minimize the line losses in the subsequent operation.
  • the first current threshold may be, for example, the nominal value of the current that is to be handled by the switching device or that should normally be able to flow through the switching device.
  • this nominal value may be 300 amperes or, for example, 1000 amps, with very high ratings, e.g. 1000 A
  • the second switching element is preferably an IGCT.
  • the nominal value may also be higher or lower depending on the application scenario.
  • the first current threshold may also be slightly above the nominal value, e.g. at 1.1 times; 1.2 times; or 1.25 times the nominal value.
  • the first current threshold can also be an area, for example 1.0 times to 1.25 times the nominal value.
  • the first current threshold is at the maximum value that the second switching element can conduct without damage.
  • the second current intensity threshold can be designed, for example, to the maximum current intensity resistance of the first switching element. For example, values of 2 times or 2.5 times the nominal value can be set here. There may also be a range of values of e.g. Be provided 2.0 times to 2.5 times the nominal value.
  • the voltage drop thresholds e.g. a first and second, may also be defined as the current thresholds described above in relation to a nominal voltage, for example, the above-mentioned numerical and range examples may also be used for the voltage or else be defined differently.
  • the first predetermined period of time may be 40-100 ms.
  • the time span can also be set at much lower values. Assuming that the total switching time of the switching device should be in the range of a few micro-transmissions, the first predetermined time span can also be in the range of a few microseconds.
  • the first predetermined time period may also be aligned as the lower range value on the total switching time, for example, 1.5 times, 5 times, 10 times, 100 times, 1000 times or the like.
  • the switching elements of a switching unit may be conductive (i.e., open).
  • the method of turning off may include the steps in the preferred order: nonconducting the second switching element of the switching unit, responsive to an obtained stop command; and nonconducting switching of the first switching element of a switching unit after elapse of a (predetermined) second period of time after the nonconductive switching of the second switching element. Further steps and / or intermediate steps may be provided.
  • the second time period may correspond, for example, to the first time span.
  • the second time span and the first time span can also be different.
  • the method described above makes it possible to apply to e.g. issued by the control unit command, the switching device can be closed without limit violations were present at amperage or first time derivative of this.
  • the process can be carried out very quickly and is optimized with regard to burn-through safety and power losses, in particular due to the switching sequence.
  • the optional second period of time may in particular be set to ensure that the second switching element is completely switched off before the first switching element is closed.
  • an automatic shut down method for controlling a bidirectional DC switching device is set forth.
  • the switching elements of a switching unit can be conductive.
  • the method for switching off may comprise the steps (but also further or intermediate steps) in the preferred order: nonconducting switching of the second switching element of the switching unit, if a Current flowing through the switching unit exceeds a first current threshold to protect it from damage.
  • another threshold can be set with respect to the increase of the current intensity, which can also be checked (ie the first derivative of the current intensity) in order to further increase the safety.
  • one of the switching elements and / or a voltage measuring device may cause the second switching element to be non-conductive ,
  • a step of measuring a current of a current (and / or a voltage or a voltage drop) flowing through the switching unit may be provided after non-conductive switching of the second switching element.
  • This step may also be considered as a "test step” in which measured current / voltage and threshold can be compared due to preferred continuous measurement.
  • Non-conducting of the first switching element of the switching unit occurs after a (predetermined) first period of time as discussed above was, if the current does not fall below the first current threshold / first voltage drop threshold in the predetermined first time period.
  • the method described above makes it possible, in particular, for a high-speed current and / or current increase and / or voltage drop for the switching device or the components of the switching device to be able to be rapidly switched off automatically, which is optimized with regard to safety and line losses.
  • the detection of a threshold violation may include, but not limited to, and, for example, by means of the control unit described above with e.g. Current measuring device (e.g., measuring resistor) and fast comparator.
  • a further step Leitendvul of the second switching element of the switching unit, when the current falls below the first current threshold again within the predetermined first period of time.
  • This step may be particularly advantageous if a complete shutdown of both switching elements should not be necessary if, for example, the current only rose above the threshold for a short time and then drops rapidly again. The switching unit can then be opened again faster; and without line losses occur by the switching of the first switching element. Additionally or alternatively, this step can also be carried out when the first voltage drop threshold is fallen below (again).
  • a further step may be: nonconducting switching of the first switching element when the current exceeds a second current threshold after the non-conductive switching of the second switching element, which is greater than the first current threshold and / or the voltage is a second voltage drop threshold, which is greater than the first is, exceeds.
  • This step is particularly advantageous when the current / voltage drop increases rapidly and sharply, and in particular over the second threshold already described above. In this case, it is advantageous for the safety of the switching device that the first time period is not awaited, but an immediate shutdown can be made.
  • the switching device described combines the technical advantages of high-voltage resistant and low-loss circuit switching elements and is as compact and light enough as possible to 'apply in the aviation sector.
  • the control of the switching elements takes place in particular separately and very quickly, level and state-dependent and stepped, so that a minimization of the switching energies to be controlled is ensured.
  • Arcing can be reliably avoided, the efficiency is increased in particular in the partial load range by the use of the parallel SiC-MOSFET and there is an independent Stromlimit réelle instead of, in particular in that the switching on and off operations are carried out by means of IGBT, while the SiC semiconductors are not active in this state and these are switched on substantially only for reducing ON losses in the conducting state of the switching unit. Short circuits and other errors are detected very quickly and there is a very fast shutdown.
  • the DC switching device described here can be used in the field of aircraft construction, since a high level of security, in particular against burning through of the switching device even at high currents, is ensured, which is of the utmost importance in aircraft construction.
  • the switching device controls fast switching operations, which i.a. with regard to emergency shutdowns in case of short circuits.
  • the line losses are minimized compared to known switching devices and it ensures a bidirectional functionality.
  • the elements are also robust against vibration loads, since no mechanical parts are used.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of an exemplary electrical system including a bidirectional DC switching device
  • FIG. 2 shows a state diagram with possible states of the bidirectional DC switching device.
  • FIG. 1 shows a circuit with the bidirectional DC switching device 1 described here.
  • a voltage source 2 is arranged on the connection DC-IN on the left-hand side.
  • a load circuit 3 is arranged which, by way of example only, contains a switch 3a for simulating a short circuit, for purposes of illustration.
  • FIG. 1 shows a circuit with the bidirectional DC switching device 1 described here.
  • a voltage source 2 is arranged on the connection DC-IN on the left-hand side.
  • a load circuit 3 is arranged which, by way of example only, contains a switch 3a for simulating a short circuit, for purposes of illustration.
  • Fig . 1 also shows an example of a system level control unit 5; a part of the control unit 5 is in the large circled area 5a.
  • the control unit 5 is merely exemplary and reproduced for the purpose of simulation. The actual configuration may differ from that shown in Fig. 1 as well as the structures described above with respect to the areas 4a, 4b and the components connected to the terminals DC-IN and DC-OUT.
  • the control unit 5 has, for example, switches 6a-d which, when closing, short-circuit the voltage sources 7a, 7b likewise associated with the control unit 5.
  • the voltage source 7a is connected to at least one gate of a first switching element 8a. When this voltage source 7a is short-circuited, the gate voltage at the one or more switching elements 8a is changed so that it opens.
  • FIG. 1 shows two first switching elements 8a, 8b of two switching units 10a, 10b, which are both connected to the voltage source 7a.
  • a plurality of voltage sources 7a may be provided, so that the first switching elements 8a, 8b can be switched independently of each other.
  • the voltage sources 7a, 7b are shown only by way of example and other possibilities for switching the switching units 10a, 10b or their switching elements 8, 9 can also be used.
  • the second voltage source 7b is further connected to the gates of two second switching elements 9a, 9b analogously to the above-described interconnection.
  • the activation / deactivation or nonconducting switching or conduction switching of the second switching elements 9a, 9b can take place, for example, by means of short-circuiting / non-short-circuiting of the second voltage source 7b.
  • a plurality of voltage sources 7b may be provided in order to enable separate activation of the second switching elements 9a, 9b.
  • the switching elements can be controlled by means of controlled voltage sources, which act on the gate terminals of the switching elements, generate there the desired gate voltages and put the switching elements in a conductive or blocking state.
  • controlled voltage sources which act on the gate terminals of the switching elements, generate there the desired gate voltages and put the switching elements in a conductive or blocking state.
  • the already introduced above switching units 10a, 10b are arranged substantially symmetrically to the control unit 5 and constructed substantially identical.
  • these each contain the two mutually parallel arranged first and second switching elements 8, 9.
  • the first switching element 8 is an IGBT with high voltage tolerance.
  • the second switching element 9 is a SiC-MOSFET with low conduction losses.
  • a diode IIa, IIb may also be integrated in the switching units 10, 10b to trap inductors, i. this can act as a freewheeling diode.
  • control unit 5 may further include the part marked with "5b" in Figure 1.
  • the unit 5b is essentially a detection and comparison unit 5b, which is shown in Figure 1 for the purpose of simulation only may differ from the indicated drawing, the unit 5b essentially has a measuring resistor 12 (inserted by way of example for a current measuring device), which is also reproduced in the upper circuit diagram (in the region 5a), and a comparator 13, which compares a reference value with the measured value at the measuring resistor 12, for example, to detect a current increase.
  • the unit 5b is to be understood purely schematically, for example, the power source was arranged there only for simulation purposes in order to simulate the current flowing in the switching device.
  • the output signal "Out-Comp" of the comparator 13 is used to control the opening / closing of the individual switching elements 8, 9. Further such units 5b may be provided to output separate control commands / output signals for individual switching elements 8, 9 Use of the unit 5b and the use of the control commands will be explained in more detail in connection with FIG.
  • Figure 1 shows a diode 14, which separates the two potentials of the circuit from each other.
  • two diodes 15 are arranged in front of the branches 16a, 16b to form an energy converter circuit 16.
  • the energy converter circuit 16 is not shown. This has the technical function of being able to derive excess energy. For this purpose, this may for example have capacitors or capacitors.
  • FIG. 1 further shows, runs between the terminals DC-IN and DC-OUT a current-carrying line 17a, to which the switching units 10a, 10b, the control unit 5 and the line branches 16a, 16b are connected.
  • the second switching elements 9a, 9b and the measuring resistor 12 are arranged on this current-carrying line 17a serially to each other.
  • Parallel to the second switching elements 9a, 9b, the first switching elements 8a, 8b are arranged, the gate terminals are connected via a further line 17b with the upper in Figure 1 switches 6a, 6b of the control unit 5 and the voltage source 7a.
  • FIG. 2 shows a state diagram for exemplifying the methods for controlling the switching device 1 shown in FIG. 1.
  • the states of the switching elements 8, 9 with "0" for non-conducting (switching element closed) and "1" for conducting ( Switching element open) referred to.
  • the first position within the square bracket applies to the first switching element 8a, 8b, eg an IGBT, while the second position indicates the second switching element 9a, 9b, eg a SiC-MOSFET.
  • the states “OFF” designate a closed switching element 10a, 10b and have been shown twice only in Figure 2 for the purpose of better readability.
  • the operating state “operation” means that the corresponding switching element 10a, 10b conducts current and is fully open, ie both switching elements 8, 9 are open / conductive.
  • the labels “start” and “stop” designate explicit signals from the control unit 5 for opening or closing the addressed switching unit 10a, 10b.
  • these commands are commands which occur independently of possible control interventions, for example if emergency closing is necessary due to excessively high currents, too rapid current increase and / or too large a voltage drop.
  • These commands can also be supplied from the outside of the control unit, for example from a higher-level control or an operator.
  • these steps may additionally or alternatively include the first derivative of the current magnitude with time corresponding to predetermined thresholds.
  • the steps explained below in connection with FIG. 2 may also, in addition or as an alternative to the current intensity and the two current intensity thresholds described, be based on detected voltages and corresponding voltage drop thresholds, e.g. first and second.
  • FIG. 2 An emergency shutdown path is shown in FIG. 2 on the page "turn off" with the upper one
  • This path is activated, for example, if the current value is exceeded by a predetermined first current threshold by the measuring resistor 12 and the comparator 13.
  • This path although not shown, can alternatively or In addition, the first current threshold is designated Ischweiiei in Figure 1.
  • the first threshold may be, for example, the nominal value I o of the current flowing through the switching device 1 or the corresponding switching device 10
  • value can also be, for example, a multiple thereof, for example 1.sup.1, 25.sup.- Basically, all currents and thresholds with respect to the nominal value o.sub.o of the current are to be referred to here.For the figure 2 shows, the exceeding (and the detection of) causes Switching off the second switching element 9a, 9b of the controlled switching unit 10a, 10b o of all the switching units 10a, 10b.
  • the comparator 13 outputs, for example, the above-explained signal "Komp-Out", which indicates the overshoot and at the same time causes the control unit 5 to initiate the measures which lead to a closing / non-conducting position of the corresponding switching element 9a, 9b have already been outlined and may for example be that the voltage source 7b is shorted by closing the associated switches, the switches 6a-d.
  • the state after closing the second switching element 9a, 9b is shown in the top right of FIG. From this go three possible paths.
  • a path leads back to the operating state. This is the case if, within a predetermined first period of time, which may be 40-100 ms, for example, the value of the current again falls below the threshold Ischweiiei.
  • the complete shutdown is then no longer necessary because the safety of the switching device 1 is no longer at risk and a return to operation can be done faster and without major circuit / line losses, especially because a shutdown of the first Drucküngsimplantations 8a, 8b fails.
  • measuring and checking the current intensity preferably takes place continuously and constantly, so that the information about the current intensity can be present at any time. About a possible Monitor device for the flowing current, this value can be given to the outside. This allows an assessment of the current level without additional facilities.
  • a further step in the method for switching off may be that, after a predetermined first time period ti, the first switching element 8a, 8b is likewise switched nonconducting, without the current intensity being taken into account further.
  • This case occurs in particular when the current strength remains above the first threshold Ischweiiei over the entire time ti, but does not rise above a second current threshold Ischweiie2.
  • the second threshold Ischweiie2 is preferably set so that it corresponds to the maximum of the tolerable voltage values of the first switching element 8a, 8b. For example, this may be a value that is 2 * lo or 2.5 * lo.
  • a maximum slope i. first time derivative of the current, are used.
  • control unit 5 also offers the possibility of a shutdown on the stop command, which is the lower path in FIG. 2, which leads from “operation” to "off".
  • a "stop command” is first output, and after the non-conducting connection of the second switching element 9a, 9b has been completely inactivated, the first switching element 8a, 8b is switched nonconductive, for which purpose a second time interval t2 may preferably be set after its expiry the deactivation of the first switching element 8a, 8b can be controlled.
  • FIG. 2 also shows the switching on of the switching device 1 or one or more switching elements 10a, 10b.
  • the control unit 5 is a "start command", which causes first the second switching element 9a, 9b is turned on.
  • the first switching element 8a, 8b is also turned on.
  • the first switching element 9a, 9b is not turned on as soon as possible when the above-described first current threshold Ischweiiei is exceeded after the second switching element 9a, 9b has been turned on.
  • the second threshold Ischweiie2 it can first be checked whether the second threshold Ischweiie2 is exceeded, so that, if this is the case, the second switching element 9a, 9b is again switched non-conducting. Furthermore, it can also be checked whether, after exceeding the first threshold Ischweiiei, the current intensity drops below the value again within a first time period ti. Then the first switching element 8a, 8b would be turned on. Otherwise, i. if the current remains above Ischweiiei for a period ti, then the second switching element 9a, 9b is closed again to protect the switching device 1, i. switched off.
  • the control unit 5 can have only one time span for all processes, but it is also possible for more than the two prescribed time periods described here to be stored. For example, for all processes / decisions shown in FIG. 2, which may be time-dependent, individual time periods may also be predetermined.
  • the switching device 1 and the methods of controlling it described herein combine the advantages of two different semiconductor switching elements and optimize them in terms of safety and power efficiency.
  • the first switching element is preferably an IGBT which intercepts high voltage according to the control described here
  • the second switching element is preferably a SiC-MOSFET, which is connected to

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft insbesondere eine Gleichstromschaltvorrichtung mit zumindest einer Schalteinheit, die zwischen zwei Anschlüssen angeordnet sein kann. Weiterhin kann die Vorrichtung zumindest eine Steuereinheit zum Steuern der Schalteinheit aufweisen. Die Schalteinheit kann zumindest ein erstes und ein zweites Halbleiter-Schaltelement umfassen, die parallel zueinander angeordnet sein können, wobei das erste Schaltelement ein Hochspannungsschaltelement sein kann und das zweite Schaltelement ein verlustleistungsarmes Schaltelement sein kann. Die Schalteinheit kann derart von der Steuereinheit steuerbar sein, dass bei einem Ausschalten der Schalteinheit zuerst das zweite Schaltelement nicht leitend geschaltet werden kann und danach das erste Schaltelement nicht leitend geschaltet werden kann, und bei einem Einschalten der Schalteinheit zuerst das erste Schaltelement leitend geschaltet werden kann und danach das zweite Schaltelement leitend geschaltet werden kann.

Description

Gleichstromschaltvorrichtung und Verfahren zur Steuerung
Die vorliegende Anmeldung betrifft Schaltvorrichtungen sowie Verfahren zum Steuern dieser Schaltvorrichtungen, wobei die Schaltvorrichtungen bevorzugt Gleichstromschaltvorrichtungen sind. Besonders bevorzugt sind die Schaltvorrichtungen bidirektional aufgebaut. Die hier beschriebenen Gleichstromschaltvorrichtungen und die dazugehörigen Steuerverfahren haben die technischen Vorteile, dass eine bessere Zuverlässigkeit/Sicherheit der Schaltvorrichtungen bei hohen Spannungen und/oder Strömen erzielt wird und gleichzeitig Leitungsverluste minimiert werden. Zudem können die Schaltvorrichtungen sehr schnell schalten und es wird ein sehr schnell reagierender Selbstschutz der Gleichstromschaltvorrichtungen vor zu hohen Strömen, der eine sichere und schnelle Abschaltung bzw. der Trennung der stromführenden Leitungen ermöglicht, realisiert.
Bisherige Lösungen für Schaltvorrichtungen umfassen beispielsweise mechanische Trennschalter, die jedoch im Hinblick auf ihre Reaktionszeit zu langsam sind, wenn kurze Schaltprozesse benötigt werden. Bis dato bekannte elektrische Schaltvorrichtungen greifen beispielsweise auf Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) zurück, die allerdings insbesondere den Nachteil aufweisen, dass sie eine Schwellenspannung (Kniespannung) aufweisen, die zu Leitungsverluste führt.
Es besteht somit Bedarf für (Gleichstrom-)Schaltvorrichtungen, die insbesondere bei kurzer Schaltzeit eine hohe Kurzschlusssicherheit aufweisen und geringe Leitungsverluste erzeugen.
Insbesondere existiert dieser Bedarf bei elektrischen Systemen, die niederimpedante und gleichzeitig große Energiequelle(n) aufweisen, wie z.B. große Batterien oder Akkumulatoren. Solche Systeme finden sich beispielsweise im Bereich erneuerbarer Energien, im Automobilbau oder im Flugzeugbau, wo zunehmend größere Gleichspannungsquellen eingesetzt werden, die bei großen Strömen sicher abgeschaltet werden können müssen, ohne dass die Schaltvorrichtungen durchbrennen. Auch sollten diese Schaltvorrichtungen bidirektional aufgebaut sein, damit z.B. ein Entladen und Laden der Spannungsquelle möglich ist.
Gemäß einem Aspekt kann eine Gleichstromschaltvorrichtung zumindest eine Schalteinheit aufweisen. Die Schalteinheit kann zwischen zwei Anschlüssen angeordnet sein. Ferner kann die Gleichstromschaltvorrichtung zumindest eine Steuereinheit zum Steuern der zumindest einen Schalteinheit aufweisen. Die Schalteinheit kann zumindest ein erstes und ein zweites (Halbleiter-)Schaltelement umfassen, die parallel zueinander angeordnet sein können.
Das erste Schaltelement kann ein Hochspannungsschaltelement sein. Mit anderen Worten kann das erste Schaltelement ein robustes, insbesondere robusteres Schaltelement als das zweite Schaltelement, sein. „Robust" soll insbesondere bedeuten, dass das Schaltelement gegenüber Kurzschlüssen und/oder schnellen Schaltvorgängen in Übererlast wenig empfindlich ist. Mit anderen Worten kann das Hochspannungsschaltelement gegenüber Kurzschlüssen und/oder schnellen Schaltvorgängen in Übererlast robust sein. So kann das erste Schaltelemente beispielweise hohe Ströme und/oder Spannungen für eine bestimmte Zeit ohne Durchbrennen oder anderweitige Zerstörung aushalten können. Beispielsweise kann das erste Schaltelement einem doppelten Nennstrom bzw. einen Spannungsabfall von einem doppelten Nennspannungswert für eine bestimmte Zeit,' z.B. 10 ps, standhalten. Allerdings kann das erste Schaltelement gegenüber dem zweiten Schaltelement über den gesamten Betriebsbereich eine höhere Verlustleistung mit sich bringen.
Das zweite Schaltelement kann hingegen bevorzugt ein verlustleistungsarmes Schaltelement sein. Dies soll . insbesondere bedeuten, dass das zweite Schaltelement über den gesamten Betriebsbereich eine geringe Verlustleistung aufweist, z.B. weil das zweite Schaltelement über den Betriebsbereich ohmsches Verhalten haben kann. „Verlustleistungsarmes Schaltelement" soll somit insbesondere bedeuten, dass die Verlustleistung über den gesamten Betriebsbereich für dieses Schaltelement minimiert ist, insbesondere im Vergleich zum ersten Schaltelement.
Aus der Kombination der beiden obigen Schaltelemente, die parallel geschaltet sein können, ergibt sich somit der Vorteil, dass die Robustheit des ersten Schaltelementes mit der geringeren Verlustleistung des zweiten Schaltelementes optimal kombiniert sind, um eine insgesamt robustere und verlustleistungsärmere Schaltvorrichtung anbieten zu können.
Weiter kann das erste Schaltelement bevorzugt stromlimitierende Eigenschaften haben, was im Zuge der unten beschriebenen Schaltverfahren den technischen Vorteil hat, dass bspw. Kurzschlussströme bereits durch ein Schließen des ersten Schaltelementes begrenzt werden können. Das zweite Schaltelement kann hingegen so eingerichtet sein, dass es keine stromlimitierenden Eigenschaften hat. Beide Schaltelemente, erstes und zweites, können eine sehr hohe Sperrspannung von bspw. 1200 V haben.
Ferner kann die Schalteinheit derart von der Steuereinheit steuerbar sein bzw. die Steuereinheit die Schalteinheit derart steuern, dass bei einem Ausschalten der Schalteinheit zuerst das zweite Schaltelement nicht leitend geschaltet wird und danach das erste Schaltelement nicht leitend geschaltet wird. Bei einem Einschalten der Schalteinheit kann zuerst das erste Schaltelement leitend geschaltet werden und danach das zweite Schaltelement leitend geschaltet werden.
Die Anschlüsse können insbesondere dazu geeignet sein, eine Batterie oder einen Akkumulator mit einem Bordnetz, z.B. eines Flugzeuges zu verbinden. Die Schalteinheiten können ferner auch Dioden, z.B. Freilaufdioden aufweisen, die parallel zu zumindest einem Schaltelement angeordnet sein können.
Die oben genannte Reihenfolge des Schaltens der Schaltelemente schließt nicht aus, dass weitere Zwischenschritte vorhanden sein können. Die Gleichstromschaltvorrichtung ermöglicht, dass die Schalteinheit auch bei großen zu beherrschenden Energien/Strömen sicher und schnell abschalten kann, wobei die Leitungsverluste minimiert werden können. Unter anderem können diese Vorteile dadurch erreicht werden, dass die beiden beschriebenen Schaltelemente mit ihren spezifischen Eigenschaften parallel geschaltet sind und separat angesteuert werden können. Die Ansteuerung, dass beim Einschalten zunächst das hochspannungsresistente(re) bzw. robuste Schaltelement eingeschaltet bzw. leitend geschaltet wird, hat zur Folge, das große Energie sicher gehandhabt werden kann und es nicht zu einem Durchbrennen etc. kommt. Zudem wirkt das erste Schaltelement bereits stromlimitierend. Das Hinzuschalten des Weiteren, parallelen Schaltelementes bewirkt dann eine Reduktion der Leitungsverluste, so dass sowohl ein verlustleistungsarmes wie auch schnelles, hochspannungsfestes Schalten ermöglicht wird. Das Ausschalten, wobei das hochspannungsresistente Schaltelement die abschließende Sperrung der Leitung vornimmt, erfolgt nach dem gleichen Prinzip, so dass auch beim Ausschaltvorgang die gleichen Vorteile erzielt werden können.
Ferner kann die Gleichstromschaltvorrichtung zumindest zwei Schalteinheiten haben, die derart zwischen den zwei Anschlüssen angeordnet sein können, dass jeweils eine Schalteinheit einem Anschluss zugeordnet sein kann. Dieser Aufbau ermöglicht insbesondere eine bidirektionale Steuerung von elektrischen Strömen, die zwischen den beiden Anschlüssen in beiden Richtungen fließen können. Jeweils eine Schalteinheit ist dabei für eine jeweilige Stromflussrichtung ausgebildet bzw. dieser zugeordnet. So kann mittels der beschriebenen Gleichstromschaltvorrichtung als Schalter für eine Batterieenergiequelle realisiert werden, dass sowohl ein Laden als auch ein Entladen geregelt werden kann. Bei einem Entladevorgang kann z.B. eine Schalteinheit grundsätzlich leitend geschaltet sein, während die zweite Schalteinheit aktiv leitend/nicht leitend geschaltet werden kann. Bei einem Ladevorgang können die Rollen der beiden Schalteinheiten dann vertauscht sein. Die Steuereinheit kann die jeweils erforderliche Schalteinheit für den aktuellen Betriebsmodus aktivieren. Beispielsweise kann bei einem Entladen die Schalteinheit, die näher zu der Energiequelle angeordnet ist, aktiv geregelt werden, während die weiter entfernte Schalteinheit leitend gestellt wird. Beim Ladevorgang kann dies dann umgekehrt werden.
Die Steuereinheit kann zwischen den beiden Schalteinheiten angeordnet sein. Besonders bevorzugt können die beiden Schalteinheiten symmetrisch zu der Steuereinheit angeordnet sein. Dadurch wird eine sehr kompakte und gut steuerbare Schaltvorrichtung ermöglicht, die aufgrund kurzer Leitungswege sehr schnelle Reaktionszeiten aufweist.
Das erste Schaltelement der Schalteinheit kann ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) sein. Das zweite Schaltelement kann ein Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor sein (MOSFET). Besonders bevorzugt kann der MOSFET ein SiC-MOSFET sein, d.h. ein Siliziumkarbid-MOSFET. Die Verwendung dieser beiden Transistorarten bringt den Vorteil mit sich, dass IGBTs sehr gut und für eine relativ lange Zeit, z.B. für bis zu 10 ps, hohen Spannungen standhalten. Dem Nachteil von IGBTs, dass eine Schwellenspannung zu höheren Leitungsverlusten führt, wird in der hier beschriebenen Schaltvorrichtung schließlich durch Verwendung eines parallelen MOSFET, insbesondere eines SiC- MOSFETs, begegnet. Diese weisen geringere Leitungsverluste aufgrund einer weitgehend ohmschen Charakteristik auf. Die Kombination aus hoher Spannungssicherheit und gleichzeitig geringer Leitungsverluste wird somit erreicht. Sind mehrere Schalteinheiten für unterschiedliche Stromrichtungen vorgesehen, dann können auch die Schaltelemente entsprechend der jeweiligen vorgesehenen Stromrichtung passend angeordnet sein.
Ferner kann das zweite Schaltelement auch ein integrated gate-commutated Thyristor (IGCT) sein, der ebenfalls keine Stromlimitierung bewirkt, aber, wie der SiC-MOSFET, geringere Leistungsverluste bzw. Leitendverluste über den gesamten Betriebsbereich als das erste Schaltelement, bspw. der IGBT, aufweisen kann.
Zusätzlich kann eine Schalteinheit auch mehrere erste und/oder zweite parallel angeordnete Schaltelemente aufweisen, um größere Stromstärken führen und schalten zu können. In Ausführungsbeispielen können in einer Schalteinheit mehrere IGBTs parallel angeordnet sein und gemeinsam angesteuert werden. Auch können mehrere SiC-MOSFETs oder IGCTs parallel angeordnet sein und gemeinsam angesteuert werden.
Ferner kann die Gleichstromschaltvorrichtung Leitungs(-abzweigungen) zu einem Energiewandlerkreis/Energieableitungskreis haben. Der Energiewandlerkreis kann besonders bevorzugt Kapazitäten aufweisen, um überschüssige Energien sicher ableiten zu können. Die Abzweigungen können bevorzugt jeweils zwischen Schalteinheit und Anschluss angeordnet sein. Das Anordnen eines Energiewandlerkreises in der Schaltvorrichtung erhöht somit weiter die Sicherheit gegen hohe Energien und damit gegen ein Durchbrennen der Schaltvorrichtung, da überschüssige Energie sicher aufgenommen werden kann.
Die Steuereinheit kann eine (schnelle) Strommesseinrichtung, beispielsweise einen Messwiderstand bzw. einen Shunt, zur Erfassung einer Stromstärke, die durch die Schalteinheit fließt, umfassen. Die Strommesseinrichtung kann bevorzugt symmetrisch mittig zwischen den Schalteinheiten angeordnet sein, so dass kurze Leitungswege ermöglicht werden, die eine schnelle Reaktionszeit ermöglichen. Die Steuereinheit kann zumindest eine erste und zweite Spannungsquelle aufweisen, wovon die erste mit einem Gate des ersten Schaltelementes und die zweite mit einem Gate des zweiten Schaltelementes verbunden sein können. Es können beispielsweise zwei Spannungsquellen für zwei Schalteinheiten mit jeweils zwei Schaltelementen vorgesehen sein. Es können aber auch z.B. vier Spannungsquellen für zwei Schalteinheiten mit jeweils zwei Schaltelementen vorgesehen sein. Im ersten Fall wird die Schaltvorrichtung besonders kompakt. Die Steuereinheit kann (optional) ferner Schalter zum Kurzschließen der Spannungsquellen umfassen, um eine Spannung am Gate eines Schaltelementes durch Kurzschließen einer Spannungsquelle zu verändern. Im Allgemeinen erfolgt die Ansteuerung der Gates der Schaltelement durch steuerbare Spannungsquellen oder besonders bevorzugt mittels Gatedrivern (Gatetreibern), die mit den jeweiligen Gates verbunden sind, und je nach Typ des Schaltelements eine entsprechende Gatespannung zum Leitendschalten bzw. Nichtleitendschalten des Schaltelements erzeugen. Dabei kann die Gatespannung für das erste und zweite Schaltelement sowohl unterschiedliche Pegel als auch unterschiedliche logische Zustände haben (z.B.„1" für leitend und„0" für sperrend oder umgekehrt).
Die Steuereinheit kann ferner zusätzlich oder alternativ zu der Strommesseinrichtung auch eine Spannungserfassungseinrichtung aufweisen, z.B. zum Erfassen eines Spannungsabfalls über eine/mehrere Schalteinheiten oder Schaltelement(e).
Der Begriff „Leitendschalten" soll insbesondere so verstanden werden, dass das Schaltelement dadurch in den stromleitenden Zustand bzw. in einen geöffneten Zustand versetzt wird.„Nichtleitendschalten" soll insbesondere als Schließen des Schaltelementes für den Durchfluss von elektrischem Strom verstanden werden.
Die Steuereinheit kann ferner einen schnellen Komparator, besonders bevorzugt einen 50-Ohm-Komparator, umfassen, der dazu eingerichtet sein kann, einen Messwert der Strommesseinrichtung mit zumindest einem Referenzwert zu vergleichen, um ein Überschreiten einer vorbestimmten Stromstärkeschwelle zu detektieren. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, bei Detektion eines Überschreitens der vorbestimmten (ersten) Stromstärkeschwelle, das Ausschalten der Schalteinheit zu initiieren. Der Komparator ist bevorzugt so eingerichtet, z.B. als ein niederohmiger Komparator, insbesondere ein 50-Ohm- Komparator, dass er den Strom, der durch die Schaltvorrichtung bzw. die Schalteinheit(en) fließt, sehr schnell detektieren und erkennen kann, ob der Strom zu hoch ist. Insbesondere dient diese Funktion der Notabschaltung der geöffneten (d.h. leitenden) Schaltvorrichtung, wenn z.B. ein Kurzschluss auftritt und sehr schnell große Ströme auftreten, die die Schaltvorrichtung beschädigen könnten. Wenn die Steuerlogik Grenz- bzw. Schwellenwerte für die zu handhabenden Ströme enthält, so kann die Notabschaltung z.B. dadurch getriggert werden, dass ein Schwellenwert überschritten wird. Das Verfahren wird im Detail noch weiter unten erläutert.
Weiterhin kann grundsätzlich gemäß und im Rahmen der vorliegenden Schaltvorrichtung und den zugehörigen Verfahren vorgesehen sein, dass zusätzlich oder alternativ eine Erfassung der Spannungen/Spannungsabfällen in der stromführenden Leitung, z.B. von der Strommesseinrichtung bzw. einer Spannungserfassungseinrichtung, erfolgen kann. Spannungen oder Spann ungsabfälle können alternativ oder zusätzlich auch an einzelnen Schaltelementen oder Schalteinheiten erfasst werden. Ein Abschalten aufgrund der oben und nachfolgend beschriebenen Stromschwellenüberschreitungen kann dann zusätzlich oder alternativ auch anhand von einer Grenzwertüberschreitung eines oder mehrerer vorbestimmter maximaler Werte für einen Spannungsabfall, z.B. am Schaltelement und/oder der Spannungserfassungseinrichtung erfolgen.
Neben einer oder mehrerer Stromstärkeschwelle(n) kann/können zusätzlich oder alternativ auch ein/mehrere Grenzwert(e) für Steigungen der Stromstärke (erste Ableitung nach der Zeit) hinterlegt sein und für die Steuerung verwendet werden.
Weiterhin können Einrichtungen zur dauernden Überwachung des fließenden Stromes, z.B. ein Strommonitor, implementiert sein. Es können ferner Einrichtungen zur Überwachung des Spannungsfalles einzelner oder aller Schaltelemente, z.B. eine analog VceSat-Erkennung bei IGBT, implementiert sein.
Zudem kann die Schaltvorrichtung in der stromführenden Leitung, an die bevorzugt auch die Schalteinheiten und die Steuereinheit angeschlossen sind, ein stromsensitives Abschaltelement aufweisen, das besonders bevorzugt Teil der Steuereinheit sein kann. Das stromsensitive Abschaltelement kann z.B. bei einem zu hohen Spannungsabfall über einem der Schaltelemente oder Schalteinheiten oder bei einem zu hohen Strom dazu befähigt sein, selbsttätig die stromführende Leitung zu unterbrechen. D.h. das Abschaltelement kann ein Schalter sein, bevorzugt ein Halbleiterschalter und besonders bevorzugt kann es mehrere Halbleiterschalter vereinen, der selbsttätig und dauerhaft die Leitung unterbricht. Die Spannungs-/Stromerfassung bzw. eine Überschreitung eines entsprechenden Schwellenwertes kann beispielsweise und besonders bevorzugt von dem Schaltelement selbst vorgenommen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass an einem Halbleiterschalter des Abschaltelementes die Stromstärke zu groß wird, so dass der Leitungspfad dieses Schalters deaktiviert wird, was einen Spannungsanstieg an einem weiteren Halbleiterschalter des Abschaltelementes bewirkt, so dass auch dieser nichtleitend geschaltet wird. Eine Aufhebung der Unterbrechung des Abschaltelementes, wie voranstehend beschrieben, kann bevorzugt beispielsweise lediglich mittels aktiver Reaktivierung des Schalters erfolgen, beispielsweise mittels Abklemmen der Spannungs- bzw. Stromquelle der Schaltvorrichtung. Das Abschaltelement kann alternativ oder zusätzlich zu dem Messwiderstand vorgesehen sein.
Weiter wird hier ein Verfahren zur Steuerung eines Einschaltvorgangs einer (bevorzugt bidirektionalen) Gleichstromschaltvorrichtung gemäß einem der Beispiele und Aspekte, wie sie vorbeschrieben wurden, dargelegt. Im Ausgangszustand können die parallelen Schaltelemente einer Schalteinheit nicht leitend sein (d.h. die Schalteinheit ist geschlossen) und das Verfahren (zum Öffnen/Einschalten) kann die Schritte in der unten bevorzugt wiedergegebenen Reihenfolge umfassen, wobei Zwischenschritte und dgl. möglich sein können: Zunächst erfolgt ein Leitendschalten des ersten Schaltelementes der Schalteinheit. Nach dem Leitendschalten des ersten Schaltelementes erfolgt ein Messen einer Stromstärke eines Stroms, der durch die Schalteinheit fließen kann. Hier sei angemerkt, dass das Messen der Stromstärke kontinuierlich von der Steuereinheit bzw. der Strommesseinrichtung ausgeführt wird, so dass der Schritt des Messens auch als ein Schritt des„Prüfens" bzw.„Messens und Prüfens" bezeichnet werden kann, um eine Stromstärkeschwellenüberschreitung festzustellen. Zudem kann alternativ oder zusätzlich (gleichzeitig) das Messen/Erfassen der über dem Schalter/Schaltelement anliegenden Spannung vorgesehen sein; z.B. mittels Vcesar Erkennung. Anhand der Spann ungserfassung kann ferner eine Überschreitung einer vorbestimmten (ersten) Schwelle eines Spannungsfalles (z.B. über dem Schalter) feststell bar sein. Weiter kann das Verfahren umfassen: Leitendschalten des zweiten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn die Stromstärke eine erste Stromstärkeschwelle (und/oder eine erste Spannungsabfallschwelle) nicht überschreitet; bzw. Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn die Stromstärke eine zweite Stromstärkeschwelle, die grösser ist als die erste Stromstärkeschwelle, überschreitet und/oder der Spannungsfall über dem Schalter zu hohe Werte (gegenüber einem vorbestimmten Grenzwert) annimmt, d.h. zusätzlich oder alternativ kann das erste Schaltelement auch nichtleitend geschaltet werden, wenn eine zweite Spannungsabfallschwelle, die größer als die erste Spannungsabfallschwelle sein kann, überschritten wird.
Weiter kann das Verfahren umfassen, dass geprüft wird, ob die Stromstärke wieder unter den ersten Stromstärkeschwellenwert innerhalb einer (vorgegebenen) ersten Zeitspanne fällt, wenn die Stromstärke die erste Stromstärkeschwelle nach dem Leitendschalten des ersten Schaltelementes überschreitet und die zweite Stromstärkeschwelle nicht überschreitet. Das erste Schaltelement kann nichtleitend geschaltet werden, wenn die Stromstärke innerhalb der vorgegebenen ersten Zeitspanne nicht unter den Wert der ersten Stromstärkeschwelle fällt, d.h. auf dem hohen Niveau verbleibt. Anderenfalls kann das zweite Schaltelement leitend geschaltet werden, wenn die Stromstärke innerhalb der vorgegebenen ersten Zeitspanne wieder unter den Wert der ersten Stromstärkeschwelle fällt, also wieder im Normalbetriebsbereich liegt. Analog können die vorgenannten Verfahrensschritte auch alternativ oder zusätzlich mit die oben beschriebenen Spannungsabfallschwellen (anstatt oder im Zusatz zu den Stromstärkeschwellen bzw. den gemessenen Strömen) herangezogen werden.
Die oben beschriebene zweistufige Schaltung der Schaltelemente ermöglicht die Kontrolle beim Einschalten, die bewirkt, dass hohe Spannungen von dem hochspannungsresistenten Schaltelement abgefangen bzw. getragen werden. Wenn die Stromstärke nicht oberhalb eines Wertes liegt, der für das zweite Schaltelement kritisch ist, dann kann das zweite Schaltelement sicher leitend geschaltet werden, um die Leitungsverluste im anschließenden Betrieb zu minimieren.
Die erste Stromstärkeschwelle kann beispielsweise der Nennwert der Stromstärke sein, die von der Schaltvorrichtung gehandhabt werden können soll bzw. der im Normalfall durch die Schaltvorrichtung fließen können soll. Beispielsweise kann dieser Nennwert 300 A oder beispielsweise auch 1000 A sein, wobei bei sehr hohen Nennwerten, z.B. 1000 A, das zweite Schaltelement bevorzugt ein IGCT ist. Der Nennwert kann je nach Anwendungsszenario aber auch höher oder niedriger liegen. Weiterhin kann die erste Stromstärkeschwelle auch geringfügig oberhalb des Nennwertes liegen, z.B. bei dem 1,1-fachen; 1,2-fachen; oder 1,25-fachen des Nennwertes. Besonders bevorzugt kann die erste Stromstärkeschwelle auch ein Bereich sein, beispielsweise 1,0-fach bis 1,25-fach der Nennwert. Besonders bevorzugt liegt die erste Stromstärkeschwelle bei dem maximalen Wert, den das zweite Schaltelement ohne Beschädigung leiten kann. Die zweite Stromstärkeschwelle kann bspw. auf die Maximalstromstärkeresistenz des ersten Schaltelementes ausgelegt sein. Beispielsweise können hier Werte vom 2-fachen oder 2,5-fachen des Nennwertes angesetzt werden. Es kann auch ein Wertebereich von z.B. 2,0-fach bis 2,5-fach des Nennwertes vorgesehen sein. Die Spannungsabfallschwellen, z.B. eine erste und zweite, können ebenfalls wie die oben beschriebenen Stromstärkeschwellen in Relation zu einer Nennspannung definiert sein, beispielsweise können die oben genannten Zahlen- und Bereichsbeispiele auch für die Spannung verwendet werden oder aber auch abweichend zu diesen definiert sein.
Die erste vorgegebene Zeitspanne kann beispielsweise bei 40-100 ms liegen. Die Zeitspanne kann aber auch bei sehr viel geringeren Werten angesetzt werden. Angenommen, dass die Gesamtschaltzeit der Schaltvorrichtung im Bereich von wenigen Mikrosendungen liegen soll, so kann die erste vorgegebene Zeitspanne auch im Bereich von wenigen Mikrosekunden liegen. Beispielsweise kann die erste vorgegebene Zeitspanne als unteren Bereichswert auch an der Gesamtschaltzeit ausgerichtet sein, z.B. das 1,5-fache, 5-fache, 10-fache, 100-fache, 1000-fache oder dgl.
Weiterhin wird hier ein Ausschaltverfahren zur Steuerung einer bidirektionalen Gleichstromschaltvorrichtung gemäß einem der Beispiele und Aspekte, wie sie vorbeschrieben wurden, dargelegt. Im Ausgangszustand können die Schaltelemente einer Schalteinheit leitend (d.h. offen) sein. Das Verfahren zum Ausschalten kann die Schritte in der bevorzugten Reihenfolge umfassen: Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes der Schalteinheit, auf einen erhaltenen Stoppbefehl hin; und Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes einer Schalteinheit nach Ablauf einer (vorgegebenen) zweiten Zeitspanne nach dem Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes. Weitere Schritte und/oder Zwischenschritte können vorgesehen sein. Die zweite Zeitspanne kann beispielsweise der ersten Zeitspanne entsprechen. Die zweite Zeitspanne und die erste Zeitspanne können aber auch unterschiedlich sein.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht insbesondere, dass auf einen z.B. von der Steuereinheit abgegebenen Befehl hin, die Schaltvorrichtung geschlossen werden kann, ohne dass Grenzwertverletzungen bei Stromstärke oder erster Zeitableitung dieser vorlägen. Der Vorgang kann sehr schnell durchgeführt werden und ist im Hinblick auf Durchbrennsicherheit und Leistungsverluste insbesondere aufgrund der Schaltreihenfolge optimiert. Die optionale zweite Zeitspanne kann insbesondere dazu gesetzt sein, dass sichergestellt werden kann, dass das zweite Schaltelement vollständig abgeschaltet ist, bevor das erste Schaltelement geschlossen wird.
Weiterhin wird hier ein automatisches Abschaltverfahren zur Steuerung einer bidirektionalen Gleichstromschaltvorrichtung gemäß einem der Beispiele und Aspekte, wie sie vorbeschrieben wurden, dargelegt. Im Ausgangszustand können die Schaltelemente einer Schalteinheit leitend sind. Das Verfahren zum Abschalten (insbesondere in Notfallsituationen, z.B. einem Kurzschluss) kann die Schritte (aber auch weitere oder Zwischenschritte) in der bevorzugten Reihenfolge umfassen: Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn ein Strom, der durch die Schalteinheit fließt, eine erste Stromstärkeschwelle überschreitet, um dieses vor Beschädigung schützen zu können. Alternativ oder gleichzeitig kann auch eine weitere Schwelle bezüglich des Anstiegs der Stromstärke gesetzt sein, die ebenfalls geprüft werden kann (d.h. die erste Ableitung der Stromstärke), um die Sicherheit weiter zu erhöhen. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich zu beiden vorgenannten Beispielen (Stromstärke und Stromstärkeanstieg) auch eine Überschreitung einer ersten Spannungsabfallschwelle der Spannung, die z.B. an der Schalteinheit, einem der Schaltelemente und/oder einer Spannungsmesseinrichtung (der Steuereinheit) anliegen kann, ein Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes bewirken.
Weiter kann ein Schritt des Messens einer Stromstärke eines Stroms (und/oder einer Spannung bzw. eines Spannungsabfalls), der durch die Schalteinheit fließt, nach dem Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes, vorgesehen sein. Dieser Schritt kann aufgrund des bevorzugt kontinuierlichen Messens auch als ein „Prüfschritt" angesehen werden, bei dem gemessene Stromstärke/Spannung und Schwellenwert miteinander verglichen werden können. Ein Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes der Schalteinheit erfolgt nach einer (vorgegebenen) ersten Zeitspanne, die oben bereits erläutert wurde, wenn die Stromstärke die erste Stromstärkeschwelle/erste Spannungsabfallschwelle nicht in der vorgegebenen ersten Zeitspanne unterschreitet.
Das oben geschilderte Verfahren ermöglicht insbesondere, dass bei einem für die Schaltvorrichtung bzw. für die Komponenten der Schaltvorrichtung zu hohen Stromstärke und/oder Stromstärkenanstieg und/oder Spannungsabfall eine schnelle selbsttätige Abschaltung erfolgen kann, die im Hinblick auf Sicherheit und Leitungsverluste optimiert ist. Die Erfassung einer Schwellenwertüberschreitung kann u.a. und bspw. mittels der oben beschriebenen Steuereinheit mit z.B. Strommesseinrichtung (z.B. Messwiderstand) und schnellem Komparator durchgeführt werden.
Bei dem vorgenannten Verfahren kann ein weiterer Schritt sein: Leitendschalten des zweiten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn die Stromstärke die erste Stromstärkeschwelle innerhalb der vorgegebenen ersten Zeitspanne wieder unterschreitet. Dieser Schritt kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn eine vollständige Abschaltung beider Schaltelemente nicht notwendig sein sollte, wenn bspw. die Stromstärke nur kurz über den Schwellenwert angestiegen ist und danach wieder rasch abfällt. Die Schalteinheit kann dann schneller wieder geöffnet werden; und ohne dass Leitungsverluste durch das Schalten des ersten Schaltelementes auftreten. Zusätzlich oder alternativ kann dieser Schritt auch bei einem (wieder) Unterschreiten der ersten Spannungsabfallschwelle durchgeführt werden.
Bei dem vorgenannten Verfahren kann ein weiterer Schritt sein: Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes, wenn die Stromstärke nach dem Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes eine zweite Stromstärkenschwelle überschreitet, die grösser ist als die erste Stromstärkeschwelle und/oder die Spannung eine zweite Spannungsabfallschwelle, die größer als die erste ist, überschreitet. Dieser Schritt ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Stromstärke/Spannungsabfall schnell und stark ansteigt, und insbesondere über den zweiten Schwellenwert, der oben bereits beschrieben wurde. In diesem Fall ist es vorteilhaft für die Sicherheit der Schaltvorrichtung, dass die erste Zeitspanne nicht abgewartet wird, sondern eine sofortige Abschaltung vorgenommen werden kann.
Zusammenfassend vereint die beschriebene Schaltvorrichtung die technischen Vorteile von hochspannungsresistenten und leitungsverlustarmen Schaltelementen und ist dabei möglichst kompakt und leicht genug, um auch im Luftfahrtbereich Anwendung finden zu ' können. Die Ansteuerung der Schaltelemente erfolgt insbesondere separat und sehr schnell, pegel- und zustandsabhängig sowie gestuft, so dass eine Minimierung der zu beherrschenden Schaltenergien gewährleistet wird. Es können Lichtbögen sicher vermieden werden, die Effizienz wird insbesondere im Teillastbereich durch den Einsatz des parallelen SiC-MOSFET erhöht und es findet eine eigenständige Stromlimitierung statt, insbesondere dadurch, dass die Ein- und Ausschaltvorgänge mittels IGBT erfolgen, während die SiC-Halbleiter in diesem Zustand nicht aktiv sind und diese im Wesentlichen nur zur Reduzierung von AN-Verlusten im leitenden Zustand der Schalteinheit zugeschaltet werden. Kurzschlüsse und andere Fehler werden sehr schnell erkannt und es erfolgt ein sehr schnelles Abschalten.
Besonders bevorzugt kann die hier beschriebene Gleichstromschaltvorrichtung im Bereich des Flugzeugbaus eingesetzt werden, da eine hohe Sicherheit, insbesondere gegen ein Durchbrennen der Schaltvorrichtung auch bei hohen Strömen, gewährleistet wird, was im Flugzeugbau von höchster Wichtigkeit ist. Gleichzeitig beherrscht die Schaltvorrichtung schnelle Schaltvorgänge, die u.a. im Hinblick auf Notabschaltungen bei Kurzschlüssen erforderlich sind. Ferner werden die Leitungsverluste gegenüber bekannten Schaltvorrichtungen minimiert und es wird eine bidirektionale Funktionalität gewährleistet. Die Elemente sind zudem robust gegen Vibrationslasten, da keine mechanischen Teile verwendet werden.
Die hier dargelegte Vorrichtung und das dazugehörige werden im Folgenden exemplarisch mit Bezug auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Schaltplan eines beispielhaften elektrischen Systems, das eine bidirektionale Gleichstromschaltvorrichtung enthält, und
Fig. 2 ein Zustandsdiagramm mit möglichen Zuständen der bidirektionalen Gleichstromschaltvorrichtung.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele detailliert und unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren werden hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die vorliegende Vorrichtung und die Verfahren sind jedoch nicht auf die beschriebenen Kombinationen von Merkmalen begrenzt. Vielmehr sollen auch weitere Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen vßrschiedener Beispiele im Rahmen des Schutzumfangs der unabhängigen Ansprüche umfasst sein. Fig. 1 zeigt einen Schaltkreis mit der hier beschriebenen bidirektionalen Gleichstromschaltvorrichtung 1. Beispielhaft ist auf der linken Seite eine Spannungsquelle 2 am Anschluss DC-IN angeordnet. Auf der rechten Seite ist beispielhaft ein Lastkreis 3 angeordnet, der lediglich zum Zwecke der Illustration beispielhaft einen Schalter 3a zum Simulieren eines Kurzschlusses enthält. Weiterhin zeigt Fig. 1 in den links und rechts mit gestrichelter Linie umkreisten Bereichen 4a, 4b zum Zwecke der Simulation der elektrischen Eigenschaften der Leitungen beispielhaft jeweils einen Widerstand 4aa, 4ba und eine Impedanz 4ab, 4bb.
Mittig ist in der Fig.. 1 ferner ein Beispiel einer Steuereinheit 5 auf Systemebene dargestellt; ein Teil der Steuereinheit 5 ist in dem großen eingekreisten Bereich 5a. Die Steuereinheit 5 ist lediglich beispielhaft und zum Zwecke der Simulation widergegeben. Die tatsächliche Ausgestaltung kann von der in Fig. 1 gezeigten abweichen, wie dies auch für die oben beschriebenen Strukturen bezüglich der Bereiche 4a, 4b und der an den Anschlüssen DC-IN und DC-OUT angeschlossenen Komponenten gilt.
Die Steuereinheit 5 weist z.B. Schalter 6a-d auf, die beim Schließen, die ebenfalls der Steuereinheit 5 zugeordneten Spannungsquellen 7a, 7b kurzschließen. Die Spannungsquelle 7a ist mit zumindest einem Gate eines ersten Schaltelementes 8a verschaltet. Wenn diese Spannungsquelle 7a kurzgeschlossen wird, wird die Gatespannung an dem oder den ersten Schaltelementen 8a verändert, so dass dieses öffnet. In der Figur 1 werden zwei erste Schaltelemente 8a, 8b zweier Schalteinheiten 10a, 10b gezeigt, die beide mit der Spannungsquelle 7a verbunden sind. Selbstverständlich können auch mehrere Spannungsquellen 7a vorgesehen sein, so dass die ersten Schaltelemente 8a, 8b unabhängig voneinander geschaltet werden können. Weiterhin sei hier angemerkt, dass die Spannungsquellen 7a, 7b nur beispielhaft gezeigt sind und andere Möglichkeiten zum Schalten der Schalteinheiten 10a, 10b bzw. deren Schaltelemente 8, 9 auch einsetzbar sind. Die zweite Spannungsquelle 7b ist ferner analog zu der oben beschriebenen Verschaltung mit den Gates von zwei zweiten Schaltelementen 9a, 9b verbunden. Die Aktivierung/Deaktivierung bzw. das Nichtleitendschalten oder Leitendschalten der zweiten Schaltelemente 9a, 9b kann, wie bereits beschrieben wurde, beispielsweise mittels kurzschalten/nicht kurzschalten der zweiten Spannungsquelle 7b erfolgen. Auch hier können mehrere Spannungsquellen 7b vorgesehen sein, um eine separate Ansteuerung der zweiten Schaltelemente 9a, 9b zu ermöglichen.
Grundsätzlich können die Schaltelemente mittels gesteuerter Spannungsquellen gesteuert werden, die auf die Gateanschlüsse der Schaltelemente wirken, dort die gewünschten Gatespannungen erzeugen und die Schaltelemente in einen leitenden bzw. sperrenden Zustand versetzen. Hier sind viele verschiedene Ausgestaltungen der Steuereinheit möglich, die unter die beigefügten Ansprüche fallen sollen.
Die oben bereits eingeführten Schalteinheiten 10a, 10b sind im Wesentlichen symmetrisch zu der Steuereinheit 5 angeordnet und im Wesentlichen identisch aufgebaut. Insbesondere enthalten diese jeweils die beiden parallel zueinander angeordneten ersten und zweiten Schaltelemente 8, 9. Bevorzugt ist das erste Schaltelement 8 dabei ein IGBT mit hoher Spannungstoleranz. Bevorzugt ist das zweite Schaltelement 9 ein SiC-MOSFET mit geringen Leitungsverlusten. Zudem kann auch eine Diode IIa, IIb in die Schalteinheiten 10, 10b integriert sein, um Induktivitäten abzufangen, d.h. diese kann als Freilaufdiode agieren.
Beispielhaft kann die Steuereinheit 5 weiterhin den Teil enthalten, der mit„5b" in der Figur 1 gekennzeichnet ist. Die Einheit 5b ist im Wesentlichen eine Detektions- und Vergleichseinheit 5b, die in Figur 1 lediglich zum Zwecke der Simulation wiedergegeben ist. Die tatsächliche Gestaltung kann von der angegebenen Zeichnung abweichen. Im Wesentlichen weist die Einheit 5b einen (für eine Strommesseinrichtung beispielhaft eingefügten) Messwiderstand 12 auf, der gleichzeitig auch in dem oberen Schaltplan wiedergeben ist (im Bereich 5a), sowie einen Komparator 13, der einen Referenzwert mit dem gemessenen Wert am Messwiderstand 12 vergleicht, um z.B. einen Stromstärkeanstieg zu detektieren. Wie bereits dargelegt wurde, ist die Einheit 5b rein schematisch zu verstehen, so wurde beispielsweise die Stromquelle lediglich zu Simulationszwecken dort angeordnet, um den in der Schaltvorrichtung fließenden Strom zu simulieren.
Das Ausgangssignal„Out-Comp" des Komparators 13 dient der Steuerung zum Öffnen/Schließen der einzelnen Schaltelemente 8, 9. Weitere solche Einheiten 5b können vorgesehen sein, um separate Steuerbefehle/Ausgangssignale für einzelne Schaltelemente 8, 9 ausgeben zu können. Beispiele für den Einsatz der Einheit 5b und der Verwendung der Steuerbefehle werden in größerem Detail im Zusammenhang mit Figur 2 erläutert werden.
Weiterhin zeigt die Figur 1 eine Diode 14, die die beiden Potentiale der Schaltung voneinander trennt. Zudem sind zwei Dioden 15 vor den Abzweigungen 16a, 16b zu einem Energiewandlerkreis 16 angeordnet. Der Energiewandlerkreis 16 ist nicht weiter dargestellt. Dieser hat die technische Funktion, überschüssige Energie ableiten zu können. Dazu kann dieser beispielsweise Kondensatoren oder Kapazitäten aufweisen.
Wie Figur 1 weiter zeigt, verläuft zwischen den Anschlüssen DC-IN und DC-OUT eine stromführende Leitung 17a, an die die Schalteinheiten 10a, 10b, die Steuereinheit 5 sowie die Leitungsabzweigungen 16a, 16b angeschlossen sind. Die zweiten Schaltelemente 9a, 9b und der Messwiderstand 12 sind an dieser stromführenden Leitung 17a seriell zueinander angeordnet. Parallel zu den zweiten Schaltelementen 9a, 9b sind die ersten Schaltelemente 8a, 8b angeordnet, deren Gateanschlüsse über eine weitere Leitung 17b mit den in Figur 1 oberen Schaltern 6a, 6b der Steuereinheit 5 sowie der Spannungsquelle 7a verbunden sind. Die Gateanschlüsse der zweiten Schaltelemente 9a, 9b über die Leitung 17e mit den Schaltern 6c, 6d der Steuereinheit 5 und der Spannungsquelle 7b verbunden. Die oben beschriebene Diode 14 trennt die Leitung 17a von der in Figur 1 gezeigten unteren Leitung 17d, dje an die Masse angeschlossen ist. Figur 2 zeigt ein Zustandsdiagrämm zur beispielhaften Veranschaulichung der Verfahren zur Steuerung der in Fig. 1 gezeigten Schaltvorrichtung 1. In Figur 1 werden die Zustände der Schaltelemente 8, 9 mit „0" für nicht leitend (Schaltelement geschlossen) und„1" für leitend (Schaltelement offen) bezeichnet. Die erste Stelle innerhalb der eckigen Klammer gilt dem ersten Schaltelement 8a, 8b, z.B. einem IGBT, während die zweite Stelle das zweite Schaltelement 9a, 9b, z.B. einen SiC-MOSFET, angibt. Die Zustände„AUS" bezeichnen ein geschlossenes Schaltelement 10a, 10b und wurden lediglich zum Zwecke der besseren Lesbarkeit zweimal in Figur 2 dargestellt. Der Betriebszustand „Betrieb" bedeutet, dass das entsprechende Schaltelement 10a, 10b Strom leitet und vollständig geöffnet ist, d.h. beide Schaltelemente 8, 9 offen/leitend sind. Die Label „Start" und „Stopp" bezeichnen explizite Signale von der Steuereinheit 5 zum Öffnen bzw. Schließen der angesprochenen Schalteinheit 10a, 10b. Mit anderen Worten sind dies Befehle, die unabhängig von möglichen Steuerungseingriffen erfolgen, wenn beispielsweise ein Notschließen aufgrund zu hoher Ströme, zu schnellem Stromanstieg und/oder zu großem Spannungsabfall notwendig wird. Diese Befehle können auch von außen der Steuereinheit zugeführt werden, beispielsweise von einer übergeordneten Steuerung oder einem Bediener.
Nachfolgend werden der Einfachheit halber das Verfahren bzw. die Schritte anhand von gemessener Stromstärke und entsprechenden ersten und zweiten Stromstärkeschwellen beschrieben. Wie oben bereits dargelegt wurde, können diese Schritte jedoch auch zusätzlich oder alternativ die erste Ableitung der Stromstärke nach der Zeit mit entsprechenden vorbestimmten Schwellenwerten umfassen. Weiterhin können die nachfolgend im Zusammenhang mit Figur 2 erläuterten Schritte auch zusätzlich oder alternativ zu der Stromstärke und den beiden beschriebenen Stromstärkeschwellen basierend auf erfassten Spannungen und entsprechenden Spannungsabfallschwellen, z.B. erster und zweiter, durchgeführt werden.
Ein Notabschaltpfad ist in Figur 2 auf der Seite„Ausschalten" mit dem oberen Pfeil, der vom Zustand„Betrieb" abgeht, markiert. Dieser Pfad wird aktiviert, wenn beispielsweise von dem Messwiderstand 12 und dem Komparator 13 eine Überschreitung der Stromstärke über eine vorgegebene erste Stromstärkeschwelle festgestellt werden sollte. Dieser Pfad, obwohl nicht eingezeichnet, kann alternativ oder zusätzlich auch für den Fall eines zu schnellen Stromstärkeanstieges aktiviert werden. Die erste Stromstärkeschwelle ist in der Figur 1 mit Ischweiiei bezeichnet. Der erste Schwellenwert kann beispielsweise der Nennwert lo des Stroms sein, der durch die Schaltvorrichtung 1 bzw. die entsprechende Schaltvorrichtung 10 fließt. Der Wert kann aber auch z.B. ein Vielfaches davon sein, z.B. l,25*lo- Grundsätzlich sollen hier alle Ströme und Schwellen in Bezug auf den Nennwert lo des Stroms bezogen werden. Wie die Figur 2 zeigt bewirkt das Überschreiten (und die Detektion davon) ein Abschalten des zweiten Schaltelementes 9a, 9b der angesteuerten Schalteinheit 10a, 10b oder aller Schalteinheiten 10a, 10b. Dazu gibt der Komparator 13 beispielsweise das oben erläuterte Signal„Komp-Out" aus, das die Überschreitung anzeigt und gleichzeitig die Steuereinheit 5 dazu veranlasst, die Maßnahmen einzuleiten, die zu einem Schließen/nichtleitend Stellen des entsprechenden Schaltelementes 9a, 9b führen. Die Maßnahmen wurden bereits dargelegt und können beispielsweise sein, dass die Spannungsquelle 7b kurgeschlossen wird, indem die zugeordneten Schalter, der Schalter 6a-d geschlossen werden.
Der Zustand nach dem Schließen des zweiten Schaltelementes 9a, 9b ist in der Figur 2 oben rechts eingezeichnet. Von diesem gehen drei mögliche Pfade ab. Ein Pfad führt zurück zu dem Betriebszustand. Dies ist der Fall, wenn innerhalb einer vorgegeben ersten Zeitspanne, die z.B. 40-100 ms sein kann, der Wert des Stromes wieder unter die Schwelle Ischweiiei fällt. Die vollständige Abschaltung ist dann nicht mehr notwendig, da die Sicherheit der Schaltvorrichtung 1 nicht mehr gefährdet ist und eine Rückkehr zum Betrieb schneller und ohne größere Schaltungs- /Leitungsverluste erfolgen kann, insbesondere weil ein Abschalten des ersten Schaltüngselementes 8a, 8b ausbleibt. Hier sei angemerkt, dass ein Messen und Überprüfen der Stromstärke bevorzugt kontinuierlich und ständig erfolgt, so dass die Information über die Stromstärke jederzeit vorliegen kann. Über eine mögliche Monitoreinrichtung für den fließenden Strom kann dieser Wert nach Außen gegeben werden. Dadurch wird eine Beurteilung der Stromhöhe ohne zusätzliche Einrichtungen ermöglicht.
Ferner kann ein weiterer Schritt in dem Verfahren zur Abschaltung sein, dass nach einer vorgegebenen ersten Zeitspanne ti das erste Schaltelement 8a, 8b ebenfalls nichtleitend geschaltet wird, ohne dass die Stromstärke weiter berücksichtigt wird. Dieser Fall tritt insbesondere dann ein, wenn die Stromstärke oberhalb der ersten Schwelle Ischweiiei über die gesamte Zeit ti verbleibt, aber nicht über eine zweite Stromstärkeschwelle Ischweiie2 steigt. Die zweite Schwelle Ischweiie2 wird bevorzugt so gelegt, dass diese dem Maximum der tolerierbaren Spannungswerte des ersten Schaltelementes 8a, 8b entspricht. Dies kann beispielsweise ein Wert sein, der bei 2*lo oder 2,5*lo liegt. Auch für die zweite Stromstärkeschwelle kann, wie bereits für die erste beschriebene wurde, kann zusätzlich oder alternativ eine maximale Steigung, d.h. erste zeitliche Ableitung der Stromstärke, eingesetzt werden.
Steigt die Stromstärke nach Abschalten des zweiten Schaltelementes 9a, 9b über die zweite Schwelle Ischweiie2, dann greift der weitere in Figur 2 gezeigte Pfad, der eine sofortige Komplettabschaltung auslöst (s. Zustand„Aus" rechts unten in Figur 2).
Wie bereits erläutert wurde, bietet die Steuereinheit 5 auch die Möglichkeit einer Abschaltung auf Stopp-Befehl hin an, was der untere Ffad in der Figur 2, der von „Betrieb" zu „Aus" führt, darstellt. Hier wird zunächst ein „Stopp-Befehl" ausgegeben und nach daraufhin erfolgter Nichtleitendschaltung des zweiten Schaltelementes 9a, 9b wird, nach vollständiger Inaktivierung dessen, das erste Schaltelement 8a, 8b nichtleitend geschaltet. Dazu kann bevorzugt eine zweite Zeitspanne t2 gesetzt sein, nach deren Ablauf die Deaktivierung des ersten Schaltelementes 8a, 8b angesteuert werden kann.
Die oben beschriebenen Abläufe zum Abschalten einer Schalteinheit 10a, 10b bzw. der Schaltvorrichtung 1 haben insbesondere die technischen Vorteile, dass die Sicherheit der Bauelemente jederzeit gewährleistet wird und dass die Verluste minimiert werden, da zunächst das erste, kritischere Schaltelement 8a, 8b und nachfolgend das zweite, robustere Schaltelement 9a, 9b nichtleitend geschaltet wird. So wird das erste Schaltelement beim Abschalten geschützt. Wie bereits erwähnt, ist die Reihenfolge beim Anschalten anders herum.
Weiter zeigt die Figur 2 auch das Anschalten der Schaltvorrichtung 1 bzw. eines oder mehrerer Schaltelemente 10a, 10b. Ausgehend vom Zustand„Aus" oben links in Figur 2 gibt die Steuereinheit 5 einen „Start-Befehl", der dazu führt, dass zunächst das zweite Schaltelement 9a, 9b leitend geschaltet wird. Wenn dieser Vorgang vollständig erfolgt ist, wird auch das erste Schaltelement 8a, 8b leitend geschaltet. Hier gelten bevorzugt jedoch Bedingungen, die die weiteren Schritte beeinflussen. So wird das erste Schaltelement 9a, 9b nicht schnellstmöglich leitend geschaltet, wenn die oben beschriebene erste Stromstärkeschwelle Ischweiiei überschritten wird, nachdem das zweite Schaltelement 9a, 9b leitend geschaltet wurde. In diesem Fall kann zunächst geprüft werden, ob auch die zweite Schwelle Ischweiie2 überschritten wird, so dass, wenn dies vorliegt, das zweite Schaltelement 9a, 9b wieder nichtleitend geschaltet wird. Ferner kann auch geprüft, ob nach überschreiten der ersten Schwelle Ischweiiei die Stromstärke innerhalb einer ersten Zeitspanne ti wieder unter den Wert fällt. Dann würde das erste Schaltelement 8a, 8b leitend geschaltet. Andernfalls, d.h. wenn die Stromstärke oberhalb Ischweiiei für eine Zeitspanne ti verharrt, dann wird zum Schutz der Schaltvorrichtung 1 das zweite Schaltelement 9a, 9b wieder geschlossen, d.h. nichtleitend geschaltet.
Es sei hier angemerkt, dass die im voranstehenden eingeführten Zeitspannen nicht alle gleich lang sein müssen oder nicht alle unterschiedlich lang sein müssen. So kann die Steuereinheit 5 über nur eine Zeitspanne für alle Vorgänge verfügen, es können aber auch mehr als die hier beschriebenen zwei vorgegebenen Zeitspannen hinterlegt sein. So können beispielsweise für alle in Figur 2 gezeigten Vorgänge/Entscheidungen, die zeitabhängig sein können, auch individuelle Zeitspannen vorgegeben sein. Abschließend ist zusammenzufassen, dass die Schaltvorrichtung 1 und die Verfahren zur Steuerung dieser, die hier beschrieben werden, die Vorteile von zwei verschiedenen Halbleiterschaltelementen miteinander vereinen und diese im Hinblick auf Sicherheit und Leistungseffizienz optimiert einsetzen. Hierzu sei insbesondere zu nennen, dass das erste Schaltelement bevorzugt ein IGBT ist, der gemäß hier beschriebener Steuerung hohe Spannung abfängt, während das zweite Schaltelement bevorzugt ein SiC-MOSFET ist, der dazugeschaltet wird, um
Leitungsverluste zu minimieren.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Gleichstromschaltvorrichtung mit
zumindest einer Schalteinheit, die zwischen zwei Anschlüssen angeordnet ist; und
zumindest einer Steuereinheit zum Steuern der Schalteinheit;
die Schalteinheit weist zumindest ein erstes und ein zweites Halbleiter- Schaltelement auf, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei das erste Schaltelement ein Hochspannungsschaltelement ist und das zweite Schaltelement ein verlustleistungsarmes Schaltelement ist,
wobei die Schalteinheit derart von der Steuereinheit steuerbar ist, dass
bei einem Ausschalten der Schalteinheit zuerst das zweite Schaltelement nicht leitend geschaltet wird und danach das erste Schaltelement nicht leitend geschaltet wird, und
bei einem Einschalten der Schalteinheit zuerst das erste Schaltelement leitend geschaltet wird und danach das zweite Schaltelement leitend geschaltet wird.
2. Gleichstromschaltvorrichtung gemäß Anspruch 1 mit
zumindest zwei Schalteinheiten, die derart zwischen den zwei Anschlüssen angeordnet ist, dass jeweils eine Schalteinheit einer Stromflussrichtung zugeordnet ist.
3. Gleichstromschaltvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinheit zwischen den beiden Schalteinheiten angeordnet ist und die beiden Schalteinheiten symmetrisch zu der Steuereinheit angeordnet sind.
4. Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das erste Schaltelement ein IGBT ist und das zweite Schaltejement ein MOSFET, insbesondere ein SiC-MOSFET.
5. Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, mit Leitungsabzweigungen für einen Energiewandlerkreis, wobei der Energiewandlerkreis Kapazitäten aufweist und die Leitungsabzweigungen jeweils zwischen Schalteinheit und Anschluss angeordnet sind.
6. Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit eine Strommesseinrichtung zur Erfassung einer Stromstärke, die durch die Schalteinheit fließt, aufweist.
7. Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit zumindest erste und zweite gesteuerte Spannungsquellen und/oder Gatedriver aufweist, wovon die erste mit einem Gate des ersten Schaltelementes und die zweite mit einem Gate des zweiten Schaltelementes verbunden sind.
8. Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit einen schnellen Komparator (bevorzugt einen 50-0hm-Komparator) umfasst, der dazu eingerichtet ist, einen Strommesswert mit zumindest einem Referenzwert zu vergleichen, um ein Überschreiten einer vorbestimmten Stromstärkeschwelle zu detektieren.
9. Gleichstromschaltvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, bei Detektion eines Überschreitens der vorbestimmten (ersten) Stromstärkeschwelle, das Ausschalten der Schalteinheit zu initiieren.
10. Verfahren zur Steuerung einer bidirektionalen Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1-9, wobei im Ausgangszustand die Schaltelemente einer Schalteinheit nicht leitend sind, umfassend die Schritte
Leitendschalten des ersten Schaltelementes der Schalteinheit;
Messen einer Stromstärke eines Stroms und/oder eines Spannungsabfalls, der durch die Schalteinheit fließt bzw. der an dem Schaltelement anfällt, nach dem Leitendschalten des ersten Schaltelementes;
Leitendschalten des zweiten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn die Stromstärke eine erste Stromstärkeschwelle nicht überschreitet und/oder eine erste Spannungsabfallschwelle nicht überschritten wird; und
Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn die Stromstärke eine zweite Stromstärkeschwelle, die grösser ist als die erste Stromstärkeschwelle, überschreitet und/oder wenn der erfasste Spannungsabfall eine zweite Spannungsabfallschwelle, die grösser ist als die erste Spannungsabfallschwelle, überschreitet.
11. Verfahren nach Anspruch 10, umfassend
Prüfen, ob die Stromstärke wieder unter den ersten Stromstärkeschwellenwert innerhalb einer vorgegebenen ersten Zeitspanne fällt, wenn die Stromstärke die erste Stromstärkeschwelle nach dem Leitendschalten des ersten Schaltelementes überschreitet und die zweite Stromstärkeschwelle nicht überschreitet;
Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes, wenn die Stromstärke innerhalb der vorgegebenen ersten Zeitspanne nicht unter den Wert der ersten Stromstärkeschwelle fällt; und
Leitendschalten des zweiten Schaltelementes, wenn die Stromstärke innerhalb der vorgegebenen ersten Zeitspanne wieder unter den Wert der ersten Stromstärkeschwelle fällt.
12. Verfahren zur Steuerung einer bidirektionalen Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1-9, wobei im Ausgangszustand die Schaltelemente einer Schalteinheit leitend sind, umfassend die Schritte
Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes der Schalteinheit, auf einen Stoppbefehl hin;
Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes der Schalteinheit nach Ablauf einer vorgegebenen zweiten Zeitspanne nach dem Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes.
13. Verfahren zur Steuerung einer bidirektionalen Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1-9, wobei im Ausgangszustand die Schaltelemente einer Schalteinheit leitend sind, umfassend die Schritte
Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn ein Strom, der durch die Schalteinheit fließt, eine erste Stromstärkeschwelle überschreitet und/oder ein Spannungsabfall an dem zweiten Schaltelement eine erste Spannungsabfallschwelle überschreitet;
Messen einer Stromstärke eines Stroms und/oder einer Spannung, der durch die Schalteinheit fließt bzw. die an dem zweiten Schaltelement anfällt, nach dem Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes,;
Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes der Schalteinheit nach einer vorgegebenen ersten Zeitspanne, wenn die Stromstärke die erste Stromstärkeschwelle nicht in der vorgegebenen ersten Zeitspanne unterschreitet und/oder die erste Spannungsabfallschwelle weiterhin überschritten wird.
14. Verfahren zur Steuerung einer bidirektionalen Gleichstromschaltvorrichtung gemäß Anspruch 13, mit dem Schritt
Leitendschalten des zweiten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn die Stromstärke die erste Stromstärkeschwelle innerhalb der vorgegebenen ersten Zeitspanne unterschreitet.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, umfassend den Schritt des Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes, wenn die Stromstärke nach dem Nichtleitendschalten des zweiten Schaltelementes eine zweite Stromstärkenschwelle überschreitet, die grösser ist als die erste Stromstärkeschwelle.
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