CN116097556B - 变流器的容错运行 - Google Patents

变流器的容错运行 Download PDF

Info

Publication number
CN116097556B
CN116097556B CN202180056060.3A CN202180056060A CN116097556B CN 116097556 B CN116097556 B CN 116097556B CN 202180056060 A CN202180056060 A CN 202180056060A CN 116097556 B CN116097556 B CN 116097556B
Authority
CN
China
Prior art keywords
semiconductor elements
damaged
semiconductor element
semiconductor
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202180056060.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116097556A (zh
Inventor
马库斯·普法伊费尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of CN116097556A publication Critical patent/CN116097556A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116097556B publication Critical patent/CN116097556B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于运行电子模块(1)的方法，电子模块包括至少三个半导体元件(S1至S6)，其中，在半导体元件(S1至S6)之一损坏的情况下，通过有针对性地驱控剩余的半导体元件(S1至S6)中的至少两个来引导电流经过已损坏的半导体元件(S1至S6)，以破坏或隔开已损坏的半导体元件(S1至S6)或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点，其中，该电流分布到被有针对性地驱控的半导体元件(S1至S6)上。

Description

变流器的容错运行
技术领域
本发明涉及根据权利要求1所述的用于运行电子模块的方法和包括电子模块的设备。
背景技术
具有多个半导体元件、特别是功率半导体元件的电子模块、例如变流器、整流器或逆变器在半导体元件之一损坏的情况下通常不能继续运行。由此能够产生大的故障成本。
公开文献WO 2016 005 092A1描述了一种变流器，其具有用于提供正极线路和负极线路之间的直流电压的中间电路、用于接收和/或发送交流电压的相线路、以及具有用于将正极线路与相线路连接的第一开关装置和用于将负极线路与相线路连接的第二开关装置的半桥电路。在变流器的半导体元件之一损坏的情况下，变流器应当能够自我保护并且继续运行。为此，第一开关装置和第二开关装置分别具有由多个连接支路组成的并联电路，并且在每个连接支路中为半导体开关之一提供各自的与半导体开关的开关间隔串联的熔断器。
公开文献WO 2016 169 817A1描述了一种用于控制变流器的方法，其中，中间电路的正极线路和负极线路通过半桥分别经由多个半导体开关与交流电压相导体连接，其中每个半导体开关分别具有自身的串联的熔断器。变流器应当在持续短路时通过半导体开关之一可靠地起反应。该方法为此包括：探测持续保持在导电状态的损坏的半导体开关，以及由于正极线路和负极线路经由损坏的导体开关并且经由半导体开关中的至少另外两个多次相互短路而使损坏的半导体开关的熔断器逐渐熔化。每次短路仅分别持续一个脉冲持续时间，其小于熔断器在连续短路的情况下熔化所需的熔断持续时间。
公开文献DE 10 2017 218 189 A1描述了一种逆变器，其设置用于控制与具有第一和第二电势的电压源连接的电机。在此，逆变器包括多个分别具有第一电流阀、第二电流阀和电机接口的桥电路和用于接收各个电流阀控制信号的第一接口以及用于检测关断信号的第二接口。每个第一电流阀设置用于控制高电势和对应的接口之间的电流，并且每个第二电流阀设置用于控制对应的接口和低电势之间的电流。关断装置设置用于根据关断信号并且与第一接口上的信号无关地关闭全部第一电流阀或者全部第二电流阀。
发明内容
本发明的目的在于，给出用于运行电子模块的改善的方法以及包括电子模块的改善的设备。
根据本发明，该目的通过具有根据权利要求1所述的特征的方法和具有根据权利要求6所述的特征的设备实现。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的内容。
在根据本发明的用于运行包括至少三个半导体元件的电子模块的方法中，在半导体元件之一损坏的情况下，通过有针对性地驱控剩余的半导体元件中的至少两个来引导电流经过已损坏的半导体元件，以破坏或隔开已损坏的半导体元件或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点，其中，该电流分布到被有针对性地驱控的半导体元件上。
利用这样中断的半导体元件，模块能够首先在可能的情况下不以全部功率继续运行，因为不能接通全部的开关模式。然而能够实现保留部分负载运行。
半导体元件例如能够被设计为半导体开关、特别是场效应晶体管、双极型晶体管、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、晶闸管或者二极管等。半导体开关例如能够借助于脉冲宽度调制来驱控。
此外，电子模块包括至少六个半导体元件，半导体元件布置在分别具有上支路和下支路的三个半桥中。
此外，在半桥之一的上支路中的半导体元件之一损坏的情况下，有针对性地驱控其他两个半桥的上支路中的两个半导体元件，以破坏或隔开已损坏的半导体元件或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点，其中，在半桥之一的下支路中的半导体元件之一损坏的情况下，有针对性地驱控其他两个半桥的下支路中的两个半导体元件，以破坏或隔开已损坏的半导体元件或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点。
在一个实施方式中，该方法用于运行被设计用于整流或转换具有三相的交流电压的电子模块。
在一个实施方式中，在一个时间点进行有针对性地驱控两个半导体元件，在该时间点在各个不受已损坏的半导体元件影响的相上存在的电压比与在受已损坏的半导体元件影响的相上的电压比相同，或者在该时间点的容差范围之内，尤其在不受已损坏的半导体元件影响的相与受已损坏的半导体影响的相之间的电压差小于4伏时，在各个不受已损坏的半导体元件影响的相上存在的电压比与在受已损坏的半导体元件影响的相上的电压比基本相同。
在一个实施方式中，两个半导体元件在时间点接通至各个不受已损坏的半导体元件影响的相，以使分布到两个半导体元件上的短路电流流通，而使全部短路电流流过已损坏的半导体元件。因此实现的是，完全破坏或隔开已损坏的半导体元件或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点，并且在此能运行地保持剩余的半导体元件。
在一个实施方式中，尤其当在一次驱控后未造成预期的破坏或隔开时，重复有针对性地驱控两个半导体元件，直到破坏或隔开已损坏的半导体元件或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点为止。因此在相同的条件下重复该过程，直到出现预期的破坏或隔开为止，从而使得短路电流不再流过已损坏的半导体元件。
根据本发明的一个观点的设备包括带至少三个半导体元件的电子模块以及控制装置，控制装置设计用于探测半导体元件的损坏并且用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法，以破坏或隔开已损坏的半导体元件或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点。
在一个实施方式中，薄弱点被设计为半导体元件的接合线，接合线的尺寸构造成使得接合线能够承受预设的运行电流和在预设的界限内超出预设的运行电流的电流，然而不能承受一个短路电流或重复施加的短路电流。
在一个实施方式中，可替换地或附加地，薄弱点被设计为半导体元件在电路板(特别是DCB或PCB)上的连接部处的铜层的收缩部。
附图说明
结合下述联系附图详细阐述的实施例的说明，更加清楚易懂地阐述本发明的上述特性、特征和优点以及实现方式和方法。在此示出：
图1示出具有多个半导体元件的模块的示意性电路图，并且
图2示出三相交流电压的示意图。
相互对应的部分在附图中具有相同的标号。
具体实施方式
图1是具有能借助控制装置2驱控的多个半导体元件S1至S6的模块1、例如变流器模块的示意图。模块1例如被设计为用于将具有相L1、L2和L3的三相交流电压首先变为直流电压V的变流器模块。在该情况下，半导体元件S1至S6例如被设计为半导体开关、特别是场效应晶体管、双极型晶体管、IGBT、晶闸管或者二极管等，并且布置在三个半桥HB1至HB3中。半导体开关例如能够借助实施脉冲宽度调制的控制装置2驱控。
如果半导体元件S1至S6之一、例如半桥HB2的上支路中的半导体元件S3在常规的模块1中损坏，那么模块1就不能继续运行。由此能够产生大的故障成本。
根据本发明，在模块1中能够有针对性地设置用于半导体元件S3的薄弱点，尤其为半导体元件S1至S6中的每一个分别设置薄弱点。可替换地或附加地，能够借助于有针对性的调制将损坏的半导体元件S1至S6、例如半导体元件S3设置为无法运行的。以该方式可以实现保留模块1的部分运行。接下来描述如何实现调制。
图2是施加在相L1，L2，L3上的三相交流电压的示意图，其中示出关于时间t的电压V。损坏的半导体元件S3与半导体元件S4一起用于相L2的交流电压的整流。在时间点t1，在半桥HB1和HB3的上支路中的半导体元件S1和S5、即相L1和L3上存在与相L2以及损坏的半导体元件S3的电压比相同的电压比。半导体元件S1和S5在时间点t1或在时间点t1的容差范围内接通，上述电压比在该容差范围中基本相同，从而使分布到半导体元件S1和S5上的短路电流流通，而使全部短路电流流过已损坏的半导体元件S3。在此的目的是，完全破坏或隔开已损坏的半导体元件S3或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点，并且在此能运行地保持剩余的半导体元件S1，S2，S4至S6。如果在该接通期间未造成预期的破坏或隔开，那么就能够在相同的条件下重复该过程，直到出现预期的破坏或隔开为止，从而使得短路电流不流过损坏的半导体元件S3。利用这样中断的半导体元件S3，模块1能够首先在可能的情况下不以全部功率继续运行，因为不能接通全部的开关模式。然而可以实现保留部分负载运行。
薄弱点例如能够是半导体元件S1至S6的接合线，接合线的尺寸构造成使得其能够承受预设的运行电流和在预设的界限内超出预设的运行电流的电流、例如预设的运行电流的确定的倍数，然而不能承受一个短路电流或重复施加的短路电流。同样地，薄弱点能够被设计为半导体元件S1至S6在电路板(特别是DCB或PCB)上的连接部处的铜层的收缩部。
尽管通过优选的实施例在细节上详细阐述并描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的实例，并且其他的变体能够由专业人员推导出，这并不脱离本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于运行电子模块(1)的方法，所述电子模块包括至少三个半导体元件(S1至S6)，其中，在所述半导体元件(S1至S6)之一损坏的情况下，通过有针对性地驱控剩余的半导体元件(S1至S6)中的至少两个来引导电流经过已损坏的半导体元件(S1至S6)，以破坏或隔开已损坏的半导体元件(S1至S6)或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点，其中，所述电流分布到被有针对性地驱控的半导体元件(S1至S6)上，
其中，所述电子模块(1)包括至少六个半导体元件(S1至S6)，所述半导体元件布置在三个分别具有上支路和下支路的半桥(HB1至HB3)中，
其特征在于，
在所述半桥(HB1至HB3)之一的上支路中的半导体元件(S1，S3，S5)之一损坏的情况下，有针对性地驱控其他两个半桥(HB1至HB3)的上支路中的两个半导体元件(S1，S3，S5)，以破坏或隔开已损坏的半导体元件(S1，S3，S5)或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点，
其中，在所述半桥(HB1至HB3)之一的下支路中的半导体元件(S2，S4，S6)之一损坏的情况下，有针对性地驱控其他两个半桥(HB1至HB3)的下支路中的两个半导体元件(S2，S4，S6)，以破坏或隔开已损坏的半导体元件(S2，S4，S6)或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法用于运行被设计用于整流或转换具有三相(L1，L2，L3)的交流电压的电子模块(1)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在一个时间点(t1)进行有针对性地驱控两个半导体元件(S1至S6)，在所述时间点在各个不受已损坏的半导体元件(S1至S6)影响的相(L1至L3)上存在的电压比与在受已损坏的半导体元件(S1至S6)影响的相(L1至L3)上的电压比相同，或者在所述时间点(t1)的容差范围之内在各个不受已损坏的半导体元件影响的相上存在的电压比与在受已损坏的半导体元件影响的相上的电压比基本相同。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，两个半导体元件(S1至S6)在所述时间点(t1)接通至各个不受已损坏的半导体元件(S1至S6)影响的相(L1至L3)，以使分布到所述两个半导体元件(S1至S6)上的短路电流流通，而使全部短路电流流过已损坏的半导体元件(S1至S6)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，重复有针对性地驱控两个半导体元件(S1至S6)，直到破坏或隔开已损坏的半导体元件(S1至S6)或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点为止。
6.一种包括电子模块(1)和控制装置(2)的设备，所述电子模块包括至少三个半导体元件(S1至S6)，所述控制装置用于探测所述半导体元件(S1至S6)的损坏并且用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法，以破坏或隔开已损坏的半导体元件(S1至S6)或与已损坏的半导体元件相关的薄弱点。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述薄弱点被设计为所述半导体元件(S1至S6)的接合线，所述接合线的尺寸构造成使得所述接合线能够承受预设的运行电流和在预设的界限内超出预设的所述运行电流的电流，然而不能承受一个短路电流或重复施加的短路电流。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述薄弱点被设计为所述半导体元件(S1至S6)在电路板上的连接部处的铜层的收缩部。
CN202180056060.3A 2020-08-12 2021-06-25 变流器的容错运行 Active CN116097556B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20190711.0 2020-08-12
EP20190711.0A EP3955443A1 (de) 2020-08-12 2020-08-12 Fehlertoleranter betrieb eines stromrichters
PCT/EP2021/067449 WO2022033755A1 (de) 2020-08-12 2021-06-25 Fehlertoleranter betrieb eines stromrichters

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116097556A CN116097556A (zh) 2023-05-09
CN116097556B true CN116097556B (zh) 2023-10-31

Family

ID=72050740

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180056060.3A Active CN116097556B (zh) 2020-08-12 2021-06-25 变流器的容错运行

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11876440B2 (zh)
EP (2) EP3955443A1 (zh)
CN (1) CN116097556B (zh)
WO (1) WO2022033755A1 (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102903715A (zh) * 2011-07-25 2013-01-30 瑞萨电子株式会社 半导体集成电路
CN103715874A (zh) * 2012-10-09 2014-04-09 富士电机株式会社 具有半导体开关元件的故障检测电路的栅极驱动电路
CN203951357U (zh) * 2014-05-22 2014-11-19 国家电网公司 半导体元件的电力转换器保护装置
WO2016005092A1 (de) * 2014-07-09 2016-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Umrichter mit redundanten schalter-schmelzsicherungskombinationen und verfahren zum selektiven auslösen der sicherung im schalterversagensfall
DE102017218189A1 (de) * 2017-10-12 2019-04-18 Zf Friedrichshafen Ag Sicherer Zustand einer elektrischen Maschine

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9178410B2 (en) * 2012-01-06 2015-11-03 General Electric Company Adaptive power conversion system
WO2014118942A1 (ja) * 2013-01-31 2014-08-07 三菱電機株式会社 電動機駆動装置
DE102013217896A1 (de) * 2013-08-27 2015-03-05 Robert Bosch Gmbh Überspannungsschutz für aktive Gleichrichter bei Lastabwurf
DE102013226795A1 (de) * 2013-12-20 2015-06-25 Robert Bosch Gmbh Schaltungsanordnung für einen Notlauf eines mehrphasigen Spannungswandlers mittels speziellen Betriebsverfahren
DE102015207117A1 (de) * 2014-07-09 2016-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Umrichter mit redundanter Schaltungstopologie
DE102015207187B4 (de) 2015-04-21 2016-11-17 Siemens Aktiengesellschaft Umrichter mit Kurzschlussunterbrechung in einer Halbbrücke
DE102015109466A1 (de) * 2015-06-15 2016-12-15 Ge Energy Power Conversion Technology Limited Stromrichter-Submodul mit Kurzschlusseinrichtung und Stromrichter mit diesem
GB2545236B (en) * 2015-12-10 2017-12-13 Rolls Royce Plc A method of controlling an inverter
CN109873407B (zh) * 2019-03-28 2020-01-17 北京交通大学 一种环形桥式多端口混合直流断路器
EP3866325A1 (en) * 2020-02-12 2021-08-18 GE Energy Power Conversion Technology Ltd. Method of short-circuiting a faulty converter submodule and power converter supporting same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102903715A (zh) * 2011-07-25 2013-01-30 瑞萨电子株式会社 半导体集成电路
CN103715874A (zh) * 2012-10-09 2014-04-09 富士电机株式会社 具有半导体开关元件的故障检测电路的栅极驱动电路
CN203951357U (zh) * 2014-05-22 2014-11-19 国家电网公司 半导体元件的电力转换器保护装置
WO2016005092A1 (de) * 2014-07-09 2016-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Umrichter mit redundanten schalter-schmelzsicherungskombinationen und verfahren zum selektiven auslösen der sicherung im schalterversagensfall
CN106797173A (zh) * 2014-07-09 2017-05-31 西门子公司 具有冗余的开关熔融保险装置组合的变流器和用于在开关失效情况下选择性地触发保险装置的方法
DE102017218189A1 (de) * 2017-10-12 2019-04-18 Zf Friedrichshafen Ag Sicherer Zustand einer elektrischen Maschine

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022033755A1 (de) 2022-02-17
US20230246540A1 (en) 2023-08-03
CN116097556A (zh) 2023-05-09
US11876440B2 (en) 2024-01-16
EP4147337A1 (de) 2023-03-15
EP3955443A1 (de) 2022-02-16
EP4147337B1 (de) 2023-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9787213B2 (en) Power cell bypass method and apparatus for multilevel inverter
US9007787B2 (en) Method and apparatus for bypassing Cascaded H-Bridge (CHB) power cells and power sub cell for multilevel inverter
WO2015090428A1 (en) Method and system for handling converter cell failure
CN102237849A (zh) 电动机驱动装置
JP2013027260A (ja) 電力変換装置
EP2747260B1 (en) Method for operating an electrical power rectifier, and an electrical power rectifier
US11923833B2 (en) Switch driving device
WO2012120567A1 (ja) 電力変換装置
CN107534384B (zh) 在半桥中具有短路中断的变频器
JP2015162999A (ja) 電力変換装置、及び電力変換装置の制御方法
US11356013B2 (en) Method of short-circuiting a faulty converter submodule and power converter supporting same
US10560014B2 (en) Fault protection for voltage source converters
CN113497549A (zh) 栅极驱动器集成电路和操作栅极驱动器集成电路的方法
CN107710580B (zh) 用于转换器的快速开关的电路装置
US5663858A (en) Method for fault correction in a power converter circuit arrangement
CN116097556B (zh) 变流器的容错运行
FI116175B (fi) Menetelmä ja järjestely taajuusmuuttajan suojaamiseksi
US11128131B2 (en) Semiconductor device
US20200251981A1 (en) Three-level pulse width modulation technique for reducing semiconductor short circuit conduction loss
US20220345125A1 (en) Circuit arrangement for controlling a plurality of semiconductor switches connected in parallel
US11349303B2 (en) Power module with integrated surge voltage limiting element
US20230155532A1 (en) Power Module with Protection Circuit
US20220149839A1 (en) Semiconductor device
JPH09130217A (ja) 半導体装置
KR20170090911A (ko) 서브 모듈 제어장치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant