DE102011103330A1

DE102011103330A1 - Device for determining state of e.g. gate commutated thyristor used in direct current to direct current converter for wind power plant, has control unit evaluating signal sequence for determining control signal and/or operating mode

Info

Publication number: DE102011103330A1
Application number: DE201110103330
Authority: DE
Inventors: Rik De Doncker; Thomas Butschen; Garikoitz Sarriegi Etxeberria
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-11-29

Abstract

The device (10) has a circuit arrangement (3) for measuring a forward voltage of power semiconductors (GCT A, GCT B). An output of the circuit arrangement is connected with a control unit (1) via a converter unit (4) i.e. analog to digital converter, for providing a signal sequence of the measured forward voltage in a digital form. The control unit evaluates the signal sequence for determining a control signal and/or an operating mode of the power semiconductors. An identifier memory (6) stores characteristic values related to a family of the power semiconductors.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes von Leistungshalbleitern mit einer Schaltungsanordnung zum Messen einer Durchlassspannung des Leistungshalbleiters.The invention relates to a device for determining the state of power semiconductors with a circuit arrangement for measuring a forward voltage of the power semiconductor.

Aus der DE 10 2004 028 648 B3 ist eine Schaltungsanordnung zum Messen einer Durchlassspannung von Leistungshalbleitern bekannt, mittels derer eine zuverlässige Erkennung von Kurzschlüssen in einem den Leistungshalbleitern enthaltenen Lastkreis ermöglicht wird. Hierzu wird die vermittels der Schaltungsanordnung gemessene Durchlassspannung an den Eingang eines Komparators gegeben und mit einem Referenzwert verglichen. Bei Überschreiten des vorgegebenen Referenzwertes wird ein Kurzschlussfall erkannt und somit ein Steuersignal erzeugt, mittels dessen der Lastkreis abgeschaltet werden kann.From the DE 10 2004 028 648 B3 a circuit arrangement for measuring a forward voltage of power semiconductors is known, by means of which a reliable detection of short-circuits in a load circuit containing the power semiconductors is made possible. For this purpose, the forward voltage measured by means of the circuit arrangement is applied to the input of a comparator and compared with a reference value. When the predetermined reference value is exceeded, a short-circuiting case is detected and thus a control signal is generated by means of which the load circuit can be switched off.

Aus dem Fachartikel „The Dual GCT – A New High-Power Device Using Optimized GCT Technology” der Herren Peter Köllensperger, Michael Bragat, Thomas Plum und Rik W. De Doncker, IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 45, No. 5, September/Oktober 2009 ist eine Parallelschaltung von einem ersten Leistungshalbleiter und einem zweiten Leistungshalbleiter bekannt, die einen Schalter bilden, wobei der erste Leistungshalbleiter bezüglich einer elektrischen Leitfähigkeit und der zweite Leistungshalbleiter bezüglich einer Schalteigenschaft optimiert ausgelegt worden ist. Die beiden schaltenden Leistungshalbleiter werden gleichzeitig eingeschaltet. Zum Ausschalten des Schalters wird der zweite Leistungshalbleiter um eine Ausschaltverzögerungszeit verzögert zu dem ersten Leistungshalbleiter ausgeschaltet, so dass die Vorteile der beiden Leistungshalbleitern jeweils hinsichtlich geringer Ausschalt- und Leitverluste kombiniert werden können. Zum Ermitteln der Ausschaltverzögerungszeit, die beispielsweise abhängig ist von den Umgebungsbedingungen, insbesondere Temperaturbedingungen, ist eine relativ „intelligente” Ansteuerung wünschenswert, damit die Leistungsfähigkeit des Schalters voll ausgenutzt werden kann.From the technical article Peter Köllensperger, Michael Bragat, Thomas Plum, and Rik W. De Doncker, IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 45, No. "The Dual GCT - A New High-Power Device Using Optimized GCT Technology". 5, September / October 2009 a parallel circuit of a first power semiconductor and a second power semiconductor is known, which form a switch, wherein the first power semiconductor has been designed for an electrical conductivity and the second power semiconductor optimized with respect to a switching property. The two switching power semiconductors are switched on simultaneously. To switch off the switch, the second power semiconductor is switched off by a switch-off delay time delayed to the first power semiconductor, so that the advantages of the two power semiconductors can be combined in each case in terms of low turn-off and conduction losses. To determine the switch-off delay time, which depends, for example, on the ambient conditions, in particular temperature conditions, a relatively "intelligent" control is desirable so that the performance of the switch can be fully utilized.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes von Leistungshalbleitern auf einfache Weise bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to provide a device for determining the state of power semiconductors in a simple manner.

Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang der Schaltungsanordnung über eine Wandlereinheit zur Bereitstellung eines Signalverlaufs der gemessenen Durchlassspannung in digitaler Form mit einer Steuereinheit verbunden ist, in der der Signalverlauf auswertbar ist zur Ermittlung eines Ansteuersignals für die Leistungshalbleiter und/oder zur Ermittlung eines Betriebszustandes des Leistungshalbleiters.To achieve the object, the invention in connection with the preamble of claim 1, characterized in that an output of the circuit arrangement is connected via a converter unit for providing a waveform of the measured forward voltage in digital form to a control unit, in which the waveform is evaluated for determination a drive signal for the power semiconductors and / or for determining an operating state of the power semiconductor.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch Vorsehen einer Wandlereinheit zur Bereitstellung eines Signalverlaufs der gemessenen Durchlassspannung in digitaler Form einer Steuereinheit Daten zur Auswertung bereitstellbar sind, so dass in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und/oder dem aktuellen Betriebszustand des Leistungshalbleiters Maßnahmen getroffen werden können, damit ein zuverlässiger Betrieb des Leistungshalbleiters gewährleistet ist. Vorzugsweise ist der Leistungshalbleiter als ein Schalter ausgebildet, der in Umrichtersystemen (DC/DC-Wandler für Windkraftanlagen) oder Antrieben im Mittelspannungsbereich oder als Thyristor im Hochspannungsbereich (HVDC) eingesetzt wird.The particular advantage of the invention is that data can be provided for evaluation by providing a converter unit for providing a signal curve of the measured forward voltage in digital form to a control unit, so that measures can be taken depending on the ambient conditions and / or the current operating state of the power semiconductor to ensure reliable operation of the power semiconductor. Preferably, the power semiconductor is designed as a switch, which is used in converter systems (DC / DC converters for wind turbines) or drives in the medium voltage range or as a thyristor in the high voltage range (HVDC).

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Kennungsspeicher zur Speicherung einer Schar von Leistungshalbleitern bezogenen Kennwerten vorgesehen, so dass eine Referenz gegeben ist für die über die Zeit gemessene Durchlassspannung des Leistungshalbleiters. Hierdurch kann ein Ansteuersignal für den Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von beispielsweise infolge der Umgebungstemperatur veränderter gemessener Durchlassspannungswerten erzeugt werden. Insbesondere können die Schaltzeitpunkte für die zeitlich unterschiedliche Ausschaltung einer Mehrzahl von Leistungshalbleitern (IGBTs etc.) optimiert werden.According to a particular embodiment of the invention, an identifier memory for storing a family of power semiconductors related characteristics is provided, so that a reference is given for the measured over time forward voltage of the power semiconductor. As a result, a drive signal for the power semiconductor can be generated as a function of measured, measured forward voltage values, for example, as a result of the ambient temperature. In particular, the switching times for the time-varying switching off of a plurality of power semiconductors (IGBTs, etc.) can be optimized.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann das Ansteuersignal für den Leistungshalbleiter durch Vergleich von Kennwerten und der gemessenen Durchlassspannung in zeitlich regelmäßigen Abständen erfolgen, so dass der Zeitpunkt für den Austausch des Leistungshalbleiters bestimmt werden kann. Heutzutage ist es üblich, den Leistungshalbleiter zur Schaltung in Umrichtern in fest vorgegebenen Zeitabständen (beispielsweise 30 Jahre) auszutauschen. Durch die relativ genaue Bestimmung der Lebensdauer der zur Schaltung eingesetzten Leistungshalbleiter können die Wartungskosten verringert werden und die Zuverlässigkeit des Umrichters wesentlich gesteigert werden.According to a development of the invention, the drive signal for the power semiconductor can be effected by comparing characteristic values and the measured forward voltage at regular time intervals, so that the time for the replacement of the power semiconductor can be determined. Today, it is common to exchange the power semiconductor for switching in converters at fixed predetermined intervals (for example, 30 years). The relatively accurate determination of the lifetime of the power semiconductors used for the circuit, the maintenance costs can be reduced and the reliability of the inverter can be significantly increased.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die gemessene Durchlassspannung des Leistungshalbleiters zur Bestimmung der Umgebungstemperatur desselben eingesetzt werden. Dies kann durch Vergleich mit einer im Kennungsspeicher als temperaturabhängige Funktion hinterlegten Kennungskurve erfolgen. Eine solche Temperaturmessung ist insbesondere in Antrieben für Züge und dergleichen sinnvoll einsetzbar.According to a development of the invention, the measured forward voltage of the power semiconductor can be used to determine its ambient temperature. This can be done by comparison with a stored in the identifier memory as a function of temperature-dependent characteristic curve. Such a temperature measurement is useful especially in drives for trains and the like.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Zustandsspeicher zur Speicherung einer Anzahl der gemessenen Durchlassspannungen eines Leistungshalbleiters vorgesehen, so dass durch Vergleich mit den aktuell gemessenen Durchlassspannungen desselben Leistungshalbleiters eine Auswertung hinsichtlich eines Betriebszustandes desselben erfolgen kann. According to a development of the invention, a state memory is provided for storing a number of the measured forward voltages of a power semiconductor, so that an evaluation with respect to an operating state of the same can take place by comparison with the currently measured forward voltages of the same power semiconductor.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens zwei Leistungshalbleiter parallel zueinander geschaltet, wobei ein erster Leistungshalbleiter bezüglich einer elektrischen Leitfähigkeit und ein zweiter Leistungshalbleiter bezüglich einer Schalteigenschaft optimiert ausgelegt sind. Hierdurch entsteht ein Kombinations-Schalter, der im Vergleich zu einzelnen, als Schalter eingesetzten Leistungshalbleitern verringerte Ausschalt- und Durchlassverluste aufweist. Der zweite Leistungshalbleiter wird hierbei um eine Ausschaltverzögerungszeit verzögert ausgeschaltet im Vergleich zum ersten Leistungshalbleiter. Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft, dass in Abhängigkeit von dem aktuellen Zustand des Kombinations-Schalters, insbesondere von den Umgebungsbedingungen, eine optimale Ausschaltzeitverzögerung bestimmt wird. Die Ausschaltzeitverzögerungszeit kann hierbei insbesondere in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bestimmt, und durch ein entsprechendes Ansteuersignal der zweite Leistungshalbleiter verzögert ausgeschaltet werden.According to a development of the invention, at least two power semiconductors are connected in parallel to one another, wherein a first power semiconductor is designed to be optimized with respect to an electrical conductivity and a second power semiconductor with respect to a switching property. This creates a combination switch that has reduced turn-off and forward losses compared to individual power semiconductors used as switches. The second power semiconductor is delayed in this case by a turn-off delay time delayed compared to the first power semiconductor. The invention advantageously makes it possible to determine an optimum switch-off delay in dependence on the current state of the combination switch, in particular on the ambient conditions. In this case, the switch-off delay time can be determined, in particular, as a function of the ambient temperature, and the second power semiconductor can be switched off with a delay by a corresponding drive signal.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Wandlereinheit als ein A/D-Wandler ausgebildet. Durch einen relativ einfachen schaltungstechnischen Aufbau kann der Zustand der Leistungshalbleiter genauer und sicherer festgestellt werden. Ferner kann eine Diagnose im Fehlerfall, insbesondere bei Kurzschluss, erfolgen.According to a development of the invention, the converter unit is designed as an A / D converter. By a relatively simple circuit design, the state of the power semiconductors can be determined more accurately and safely. Furthermore, a diagnosis can be made in the event of a fault, in particular in the case of a short circuit.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.Further advantages of the invention will become apparent from the further subclaims.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes von zwei Leistungshalbleitern, die als Kombinations-Schalter (Dual-GCT) parallel zueinander geschaltet sind, 1 2 shows a block diagram of a device according to the invention for determining the state of two power semiconductors which are connected in parallel as a combination switch (dual GCT),

2 eine Parallelschaltung der als Kombinationsschalter eingesetzten Leistungshalbleiter, 2 a parallel connection of the power semiconductors used as a combination switch,

3 Zeitverläufe der einzelnen Leistungshalbleiter GCT A, GCT B sowie des Kombinationsschalter DUAL-GCTs, 3 Time curves of the individual power semiconductors GCT A, GCT B and the combination switch DUAL-GCTs,

4 eine Schaltungsanordnung zum Messen einer Durchlassspannung des Leistungshalbleiters und 4 a circuit arrangement for measuring a forward voltage of the power semiconductor and

5 ein Ansteuerdiagramm über die einzelnen Zustandsautomaten, die die einzelnen Schaltelemente (Mosfets) für die Leistungshalbleiter kontrollieren. 5 a control diagram of the individual state machine that control the individual switching elements (MOSFETs) for the power semiconductors.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes von Leistungshalbleitern kann vorzugsweise in Umrichtersystemen oder Antrieben eingesetzt werden, in denen die Leistungshalbleiter als schaltende bzw. abschaltbare Leistungshalbleiter, beispielsweise als Thyristoren, GCTs (Gate Commutated Thyristor), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistoren), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), GTO, bipolare Leistungshalbleiter und dergleichen Verwendung finden.A device for determining the state of power semiconductors can be used preferably in converter systems or drives in which the power semiconductors as switching or turn-off power semiconductors, such as thyristors, GCTs (Gate Commutated Thyristor), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), IGCT (Integrated Gate commutated thyristor), GTO, bipolar power semiconductors, and the like.

Gemäß 1 weist die Vorrichtung 10 im Wesentlichen eine Steuereinheit 1 zur Ansteuerung eines elektronischen Schalters 2, eine Schaltungsanordnung 3 zum Messen einer Durchlassspannung v_AC der in dem Schalter 2 integrierten Leistungshalbleiter GCT A und GCT B sowie eine Wandlereinheit 4 auf. Die Steuereinheit 1, der Schalter 2 sowie die Wandlereinheit 4 sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen Träger bzw. Substrat angeordnet, so dass infolge kurzer Signalwege schneller reagiert werden kann.According to 1 has the device 10 essentially a control unit 1 for controlling an electronic switch 2 , a circuit arrangement 3 for measuring a forward voltage v _AC in the switch 2 integrated power semiconductors GCT A and GCT B as well as a converter unit 4 on. The control unit 1 , the desk 2 as well as the converter unit 4 are preferably arranged on a common carrier or substrate, so that it can be reacted more quickly due to short signal paths.

Wie besser aus 2 ersichtlich ist, ist ein erster Leistungshalbleiter GCT A parallel zu einem zweiten Leistungshalbleiter GCT B geschaltet. Der erste Leistungshalbleiter GCT A ist bezüglich einer elektrischen Leitfähigkeit optimiert ausgelegt. Der zweite Leistungshalbleiter GCT B ist bezüglich einer Schalteigenschaft optimiert ausgelegt. Der erste Leistungshalbleiter GCT A und der zweite Leistungshalbleiter GCT B bilden somit einen Kombinations-Schalter bzw. DUAL-GCT, bei dem die beiden Leistungshalbleiter GCT A, GCT B gleichzeitig zum Zeitpunkt t₁ eingeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter GCT B um eine Ausschaltzeitverzögerungszeit t_d (Differenz zwischen Zeitpunkt t₃ und t₂) zeitversetzt zu dem ersten Leistungshalbleiter GCT A ausgeschaltet wird.How better 2 is apparent, a first power semiconductor GCT A is connected in parallel with a second power semiconductor GCT B. The first power semiconductor GCT A is optimized in terms of electrical conductivity. The second power semiconductor GCT B is optimized in terms of a switching characteristic. The first power semiconductor GCT A and the second power semiconductor GCT B thus form a combination switch or DUAL-GCT, in which the two power semiconductors GCT A, GCT B are simultaneously turned on at time t ₁ and the second power semiconductor GCT B is switched off by a turn-off time delay t _d (Difference between time t ₃ and t ₂ ) is switched off in time with respect to the first power semiconductor GCT A.

Da der GCT A eine geringere Vorwärtsspannung und einen geringeren Leitwiderstand aufweist, fließt durch diesen ein Großteil des Stromes; die Leitverluste des Dual-GCT 2 entsprechen also in etwa den geringen Leitverlusten von dem ersten Leistungshalbleiter GCT A. Die Spannung über dem Dual-GCT 2 setzt sich zusammen aus der Schwellenspannung und dem Produkt aus Innenwiderstand und Stromfluss von GCT A. Zum Zeitpunkt t₂ wird der erste Leistungshalbleiter GCT A abgeschaltet, während der zweite Leistungshalbleiter GCT B weiterhin leitet. Die Spannung steigt auf die Durchlassspannung von dem zweiten Leistungshalbleiter GCT B. Sobald diese erreicht ist, kommutiert der Strom auf den zweiten Leistungshalbleiter GCT B. Die Ausschaltverluste von dem ersten Leistungshalbleiter GCT A sind in diesem Fall deutlich geringer, als dies im Einzelbetrieb der Fall desselben Leistungshalbleiter der Fall wäre, da er lediglich über die Vorwärtsspannung von dem zweiten Leistungshalbleiter GCT B ausgeschaltet werden muss. Der GCT B schaltet einige μs später zum Zeitpunkt t₃ die volle Spannung ab; hierbei entstehen nur vergleichsweise geringe Ausschaltverluste.Since the GCT A has a lower forward voltage and a lower conduction resistance, flows through this much of the current; the lead losses of the dual GCT 2 thus correspond approximately to the low conductivities of the first power semiconductor GCT A. The voltage across the dual-GCT 2 is composed of the threshold voltage and the product of internal resistance and current flow of GCT A. At time t ₂ , the first power semiconductor GCT A is turned off while the second power semiconductor GCT B continues to conduct. The voltage rises to the forward voltage of the second power semiconductor GCT B. Once this is achieved, the current commutates to the second power semiconductor GCT B. The turn-off losses of the first power semiconductor GCT A in this case are significantly lower than in the individual case of the same case Power semiconductor would be the case, since it only has to be turned off via the forward voltage from the second power semiconductor GCT B. The GCT B switches off the full voltage a few μs later at time t ₃ ; Here only comparatively small turn-off losses occur.

Die Ausschaltzeitverzögerungszeit t_d darf nicht zu kurz gewählt sein. Zwar entstehen in dieser Zeit die höheren Leitverluste durch den zweiten Leistungshalbleiter GCT B.The switch-off delay time t _d must not be too short. It is true that the higher conduction losses occur during this time due to the second power semiconductor GCT B.

Wird der zweite Leistungshalbleiter GCT B aber zu früh ausgeschaltet, bleibt nicht genügend Zeit, um die Ladungsträger aus dem Basisgebiet von dem ersten Leistungshalbleiter GCT A auszuräumen. Steigt zum Auschaltzeitpunkt von dem zweiten Leistungshalbleiter GCT B die Spannung an, führt dies zu einem zusätzlichen Strom in dem ersten Leistungshalbleiter GCT A, welcher die überschüssigen Ladungsträger ausräumt und nicht zu vernachlässigende Verluste erzeugt.However, if the second power semiconductor GCT B is turned off too early, there will not be enough time to clear the carriers from the base region of the first power semiconductor GCT A. If the voltage rises at the switch-off time of the second power semiconductor GCT B, this leads to an additional current in the first power semiconductor GCT A, which eliminates the excess charge carriers and generates non-negligible losses.

Die Steuereinheit 1 ist derart ausgelegt, dass der erste Leistungshalbleiter GCT A und der zweite Leistungshalbleiter GCT B des Dual GCTs 2 unabhängig voneinander angesteuert werden können. Insbesondere weist die Steuereinheit 1 hierzu ein nicht näher dargestelltes Einschaltmodul sowie ein Ausschaltmodul auf. Das Einschaltmodul ist derart ausgelegt, dass ein Einschaltspitzenstrom sowie ein Haltestrom variabel einstellbar sind. Wie das Einschaltmodul weist auch das Ausschaltmodul Mittel auf, so dass die beiden Leistungshalbleiter GCT A und GCT B jeweils über das Gate A und Gate B angesteuert werden können.The control unit 1 is designed such that the first power semiconductor GCT A and the second power semiconductor GCT B of the dual GCT 2 can be controlled independently of each other. In particular, the control unit 1 For this purpose, a not shown in detail power-up module and a switch-off on. The switch-on module is designed such that an inrush peak current and a holding current are variably adjustable. Like the switch-on module, the switch-off module also has means so that the two power semiconductors GCT A and GCT B can be controlled via the gate A and gate B, respectively.

Die Schaltungsanordnung (Spannungsüberwachungsmonitor) 3 zur Messung einer Durchlassspannung v_AC der Leistungshalbleiter GCT A, GCT B ist in 4 näher dargestellt. Um insbesondere einen unerwartet auftretenden Kurzschluss im Lastkreis des Dual GCTs 2 schnell erkennen zu können, ist die Schaltungsanordnung 3 vorzugsweise zusammen mit der Steuereinheit 1 und dem Dual GCT 2 auf dem gemeinsamen Substrat (Träger) angeordnet. Hierdurch kann ein relativ kurzer Signalweg gewährleistet sein. Die Schaltungsanordnung 3 ist eine Kombination aus zwei Hochspannungsdioden D₁, D₂ einerseits und einem Operationsverstärker OPA andererseits. Dem Operationsverstärker OPA ist eine Addierschaltung zugeordnet. Die Gleichung für die ausgangsseitig des Operationsverstärkers OPA liegenden gemessenen Durchlassspannung v_AC2 lautet wie folgt:

The circuit arrangement (voltage monitoring monitor) 3 for measuring a forward voltage v _{AC of} the power semiconductors GCT A, GCT B is in 4 shown in more detail. In particular, an unexpected short circuit in the load circuit of the dual GCTs 2 Being able to recognize quickly is the circuit arrangement 3 preferably together with the control unit 1 and the dual GCT 2 arranged on the common substrate (carrier). As a result, a relatively short signal path can be ensured. The circuit arrangement 3 is a combination of two high-voltage diodes D ₁ , D ₂ on the one hand and an operational amplifier OPA on the other hand. The operational amplifier OPA is assigned an adder circuit. The equation for the measured forward voltage v _AC2 on the output side of the operational amplifier OPA is as follows:

Im ausgeschalteten Zustand des Dual GCTs 2 liegt zwischen der Anode und der Kathode der Leistungshalbleiter GCT A, GCT B eine Hochspannung an. Zwischen der Anode und den Bauelementen ist eine Hochspannungsdiode D₁ angeordnet. Die Hochspannungsdiode D₁ dient als Blockierdiode, die die Schaltungsanordnung 3 vor einer Zerstörung schützt. Sobald der Dual GCT 2 eingeschaltet wird, liegt zwischen der Anode und der Kathode der Leistungshalbleiter GCT A, GCT B eine niedrige Spannung an. Die Blockierdiode D₁ ist nun im leitenden Zustand, da die Spannung v_D1 größer als null ist. Die Spannung am Punkt B entspricht V_B = v_D1 + v_AC. Zur Kompensation des Messfehlers durch die Blockierdiode D₁ ist eine weitere Hochspannungsdiode D₂ vom gleichen Typ vorgesehen, die zwischen Punkt D und Masse angeordnet ist. Diese beiden Hochspannungsdioden D₁, D₂ haben ein ähnliches Temperatur- und Stromverhalten. Um die Temperatur bei beiden Dioden D₁, D₂ auf dasselbe Niveau zu halten, werden diese beiden Dioden D₁, D₂ auf der Platine möglichst nah zueinander. Zur Bestimmung der Anoden-Kathoden-Spannung v_AC wird die Gleichung (2) mit folgenden Annahmen verwendet: v_B = v_D1 + v_AC v_D = –v_D2 v_D1 = v_D2 R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = R₅ In the off state of the dual GCT 2 Between the anode and the cathode of the power semiconductors GCT A, GCT B is a high voltage. Between the anode and the components, a high voltage diode D _{1 is} arranged. The high voltage diode D ₁ serves as a blocking diode, the circuit arrangement 3 protects against destruction. Once the dual GCT 2 is turned on, between the anode and the cathode of the power semiconductors GCT A, GCT B is a low voltage. The blocking diode D ₁ is now in the conductive state, since the voltage v _{D1 is} greater than zero. The voltage at point B corresponds to V _B = v _D1 + v _AC . To compensate for the measurement error by the blocking diode D ₁ , a further high-voltage diode D _{2 of} the same type is provided, which is arranged between point D and ground. These two high-voltage diodes D ₁ , D ₂ have a similar temperature and current behavior. In order to keep the temperature at both diodes D ₁ , D ₂ at the same level, these two diodes D ₁ , D ₂ on the board as close as possible to each other. For determining the anode-cathode voltage v _AC , equation (2) is used with the following assumptions: v _B = v _D1 + v _AC v _D = -v _D2 v _D1 = v _D2 R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R ₅

Ausgangsseitig des Operationsverstärkers OPA ergibt sich somit die gemessene Durchlassspannung v_AC2, die an den Eingang der Wandlereinheit 4 angelegt wird.On the output side of the operational amplifier OPA thus results in the measured forward voltage v _AC2 , to the input of the converter unit 4 is created.

Die Wandlereinheit 4 ist vorzugsweise als A/D-Wandler ausgebildet und ermöglicht die Bereitstellung eines Signalverlaufs der gemessenen Durchlassspannung v_AC2 in digitaler Form für die Steuereinheit 1. In der Steuereinheit 1 ist ein Zustandsspeicher 5 zugeordnet, in dem der Signalverlauf der gemessenen Durchlassspannungenn v_AC2 abgespeichert werden kann und dann zur Auswertung bzw. Ansteuerung des Dual GCTs genutzt werden kann. Hierzu weist die Steuereinheit 1 Auswertemittel auf, so dass in Abhängigkeit von der aktuell gemessenen Durchlassspannung v_AC2 und/oder von dem über die Zeit aufgenommenen Signalverlauf der gemessenen Durchlassspannung v_AC2 _, die in dem Zustandsspeicher 5 abgelegt wird, Ansteuersignale für den Dual GCT 2 erzeugt werden.The converter unit 4 is preferably formed as an A / D converter and allows the provision of a waveform of the measured forward voltage v _AC2 in digital form for the control unit 1 , In the control unit 1 is a state memory 5 assigned, in which the waveform of the measured forward voltages n v _AC2 can be stored and then used to evaluate or control the dual GCTs. For this purpose, the control unit 1 Evaluation means, so that in dependence on the currently measured forward voltage v _AC2 and / or of the recorded over the time waveform of the measured forward voltage v _AC2 _, in the state memory 5 is stored, control signals for the dual GCT 2 be generated.

Ferner ist der Steuereinheit 1 ein Kennungsspeicher 6 zugeordnet zur Speicherung einer Schar von Leistungshalbleiter bezogenen Kennwerten der Leistungshalbleiter GCT A, GCT B, die als Referenzdaten vorab gespeichert sind.Further, the control unit 1 an identifier memory 6 assigned for storing a family of power semiconductors related characteristics of the power semiconductors GCT A, GCT B, which are stored in advance as reference data.

In dem Kennungsspeicher 6 kann beispielsweise das zeitliche Verhalten bzw. eine Schar von Kennwerten gespeichert sein, beispielsweise den zeitlichen Verlauf einer vorgegebenen Grenz-Durchlassspannungskurve des Leistungshalbleiters GCT A, GCT B, so dass durch Vergleich mit dem aktuell gemessenen Durchlassspannungen v_AC2 und/oder den im Zustandsspeicher 5 gespeicherten zeitlich vorgelagerten gemessenen Durchlassspannungen v_AC2 überprüft werden kann, ob die zulässige Verlustleistung überschritten wird. Bei einer Durchlassspannung von 1 V und einem Durchlassstrom von 2 kA entsteht eine Verlustleistung von 2 kW. Würde beispielsweise eine Durchlassspannung v_AC2 von 1,5 V festgestellt werden, würde eine Verlustleistung von 3 kW entstehen, die größer ist als ein zulässiger Grenzwert von 2,5 kW. Durch Vergleich der Kennwerte mit den aktuell gemessenen Durchlassspannungswerten v_AC und durch Auswertung dieses Vergleiches unter Einbeziehung des zeitlichen Verlaufes der Durchlassspannung im Betrieb kann dann ein Warnsignal erzeugt werden, das über eine Kommunikationsschnittstelle 7 der Vorrichtung 10 sowie ein an dieselbe angeschlossenes Datennetz (Internet) an den Betreiber der Vorrichtung gesendet werden kann, so dass entsprechende Maßnahmen zur Aufrechterhaltung des Betriebes eingeleitet werden können. Beispielsweise kann bei Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes dann Servicepersonal zu der Vorrichtung geschickt werden, um den entsprechenden Leistungshalbleiter GCT A, GCT B auszutauschen. Hierdurch kann eine verbesserte Wartung unter Aufwendung von geringeren Kosten bewirkt werden.In the identifier memory 6 For example, the temporal behavior or a family of characteristic values can be stored, for example the time profile of a predetermined limit forward voltage curve of the power semiconductor GCT A, GCT B, so that by comparison with the currently measured forward voltages v _AC2 and / or in the state memory 5 stored temporally upstream measured forward voltages v _AC2 can be checked whether the allowable power loss is exceeded. With a forward voltage of 1 V and a forward current of 2 kA, a power loss of 2 kW is generated. If, for example, a forward voltage v _AC2 of 1.5 V were detected, a power loss of 3 kW would arise, which is greater than a permissible limit value of 2.5 kW. By comparing the characteristic values with the currently measured forward voltage values v _AC and by evaluating this comparison, taking into account the time profile of the forward voltage during operation, a warning signal can then be generated, which is transmitted via a communication interface 7 the device 10 as well as a connected to the same data network (Internet) can be sent to the operator of the device, so that appropriate measures to maintain the operation can be initiated. For example, if a predetermined threshold value is exceeded, service personnel can then be sent to the device in order to exchange the corresponding power semiconductor GCT A, GCT B. As a result, an improved maintenance can be effected at the expense of lower costs.

Alternativ kann der Kennungsspeicher 6 auch in einem externen bzw. ortsfernen System angeordnet sein.Alternatively, the identifier memory 6 be arranged in an external or remote location system.

Alternativ oder zusätzlich kann in dem Kennungsspeicher auch eine temperaturabhängige Funktion der Durchlassspannung v_AC der Leistungshalbleiter hinterlegt sein. Wenn der Laststrom gemessen wird, kann die aktuell gemessene Durchlassspannung v_AC2 der Leistungshalbleiter genutzt werden, die Temperatur zu messen. Hierzu wird die aktuell gemessene Durchlassspannung v_AC2 mit einer in dem Kennungsspeicher 6 vorab gespeicherten Spannungs-Temperaturkennlinie verglichen, wobei die Temperatur zu einem bestimmten Spannungswert korrespondiert.Alternatively or additionally, a temperature-dependent function of the forward voltage v _{AC of} the power semiconductors can also be stored in the identification memory. When the load current is measured, the currently measured forward voltage v _{AC2 of} the power semiconductors can be used to measure the temperature. For this purpose, the currently measured forward voltage v _AC2 with a in the identification memory 6 pre-stored voltage-temperature characteristic, wherein the temperature corresponds to a certain voltage value.

Die in der Steuereinheit 1 integrierte Ansteuerung des Dual GCTs 2 erfolgt nach einem in 5 dargestellten Ansteuerdiagramm. Die Ansteuerung muss dafür sorgen, dass die Einschalt- und Ausschaltverzögerungszeiten für GCT A und GCT B eingehalten werden und das Signal zur Aufladung der Ausschaltkondensatorbank gesendet wird. Zur universellen Einsetzbarkeit dieser Ansteuerung (Complex Programmable Logic Device, CPLD) kann diese entweder in einem „Dual Mode” für Dual-GCT 2 oder in einem „Single Mode” für einzelne GCTs eingesetzt werden. Hierfür gibt es insgesamt vier Schalter und zwei Druckknöpfe auf der Platine. Der gewählte Betriebsmodus wird durch Status-LEDs dargestellt und die Ein- und Ausschaltzeiten können über ein 7-Segment-Display angezeigt und durch die Druckknöpfe variiert werden.The in the control unit 1 integrated control of the dual GCT 2 takes place after a 5 illustrated driving diagram. The controller must ensure that the turn-on and turn-off delay times for GCT A and GCT B are met and the signal is sent to charge the shutdown capacitor bank. For universal use of this control (Complex Programmable Logic Device, CPLD), this can either be in a "dual mode" for dual-GCT 2 or in a "single mode" for individual GCTs. There are a total of four switches and two push buttons on the board. The selected operating mode is represented by status LEDs and the on and off times can be displayed on a 7-segment display and varied by the pushbuttons.

In 5 sind vereinfacht die Zustandsautomaten dargestellt, die die einzelnen Schalter (Mosfets) kontrollieren, dar. Am Anfang befindet sich der Zustandsautomat im „Off-state”. Die Einschaltmosfets befinden sich in „Off-state” (AUS-Zustand) und die Ausschaltmosfets befinden sich im „On-state” (EIN-Zustand), so dass sichergestellt wird, dass der Dual GCT 2 sicher ausgeschaltet ist. Wenn von außen (optischer Eingang) nun ein Einschaltsignal gesendet wird, wird zuerst eine „Dead time” (Verzögerungszeit) für die Ein- und Ausschaltmosfets realisiert, so dass zwischen diesen kein Kurzschluss entstehen kann. Falls nun auf der Treiberplatine der Schalter „Dual” auf „on” (ein)geschaltet ist, sorgt der CPLD für eine Einschaltverzögerung zwischen GCT A und GCT B. Nach einer weiteren „Dead time” (Verzögerungszeit) wechselt der CPLD auf den Zustand „On-state” über. Dieser „On-state” Zustand kann auch direkt erreicht werden, in dem der Schalter „Dual” auf der Treiberplatine auf „off” (aus)geschaltet wird, so dass der Betriebsmodus „Single Mode” für normale ICT gewählt werden kann.In 5 Simplified are the state machines that control the individual switches (mosfets). At the beginning, the state machine is in "off-state". The power-on clocks are in the off-state and the power off mosquets are in the on-state, ensuring that the dual GCT 2 safely turned off. If a switch-on signal is now sent from the outside (optical input), a "dead time" is first realized for the switch-on and switch-off patterns, so that no short-circuit can occur between them. If the switch "Dual" is switched to "on" on the driver board, the CPLD provides a switch-on delay between GCT A and GCT B. After another "dead time" the CPLD changes to the state " On-state "about. This "on-state" can also be achieved directly by switching the switch "Dual" on the driver board to "off", so that the operating mode "Single Mode" for normal ICT can be selected.

Falls ein Kurzschluss detektiert wird, wechselt der Zustandsautomat automatisch von „On-state” in den Modus „Error” (Fehler). Dieser „Error” Modus schaltet sofort die Leistungshalbleiter GCT A und GCT B gleichzeitig ab. Falls von außen das Ausschaltsignal (optisch) gesendet wird, wechselt der Zustandsautomat vom Zustand „On-state” in den Zustand „Dead-time” über. Dabei wird sichergestellt, dass die Einschaltmosfets ausgeschaltet werden und Ausschaltmosfets nun eingeschaltet werden können. Falls der Zustand „Dual” aktiviert ist, werden die Ausschaltimpulse für die Ausschaltverzögerung der beiden Ausschaltmosfets generiert. Falls die Treiberplatine im „Single Mode” für normale ICTs arbeitet, wechselt der Zustand direkt in den „Off-state” über.If a short circuit is detected, the state machine automatically switches from "on-state" to "error" mode. This "error" mode switches off the power semiconductors GCT A and GCT B at the same time. If the switch-off signal (optical) is sent from the outside, the state machine changes over from the state "on-state" to the state "dead-time". This ensures that the switch-on must be switched off and Ausschaltmosfets can now be turned on. If the "Dual" state is activated, the switch-off pulses for the switch-off delay of the two switch-offmosfets are generated. If the driver board operates in "single mode" for normal ICTs, the state will change directly to "off-state".

Infolge der oben beschriebenen Überwachung der aktuellen Durchlassspannung v_AC2 der Leistungshalbleiter GCT A, GCT B mittels der Schaltungsanordnung 3, der Wandlereinheit 4 sowie der Steuereinheit 1 kann ein vollständig automatisches und optimales Ausschalten des Dual GCTs 2 ermöglicht werden. Die Ausschaltzeitverzögerung t_d kann durch die Steuereinheit 1 bestimmt werden. Wenn der erste Leistungshalbleiter GCT A ausgeschaltet ist, kann die Schaltungsanordnung 3 die Durchlassspannung messen. Sobald der Strom vollständig von dem ersten Leistungshalbleiter GCT A auf den Leistungshalbleiter GCT B kommutiert ist. Anschließend gibt der CPLD das Signal zum Ausschalten von Leistungshalbleiter GCT B. Somit wird für jeden Dual GCT-Leistungshalbleitertyp immer die optimale Ausschaltzeitverzögerung t_d gewählt.As a result of the above-described monitoring of the current forward voltage v _{AC2 of} the power semiconductors GCT A, GCT B by means of circuitry 3 , the transformer unit 4 and the control unit 1 can be a completely automatic and optimal turn off the dual GCT 2 be enabled. The turn-off time delay t _d may be determined by the control unit 1 be determined. When the first power semiconductor GCT A is turned off, the circuitry can 3 measure the forward voltage. Once the current is fully commutated by the first power semiconductor GCT A on the power semiconductor GCT B. Subsequently, the CPLD outputs the signal to turn off the power semiconductor GCT B. Thus, for each dual GCT power semiconductor type, the optimum turn-off delay t _{d is} always selected.

Alternativ kann statt eines CPLDs auch ein Computer, FPGA oder ARM eingesetzt werden.Alternatively, a computer, FPGA or ARM can be used instead of a CPLD.

Die Erfindung ermöglicht auch die Abschaltung des Dual GCTs 2 in einem Kurzschlussfall.The invention also enables the shutdown of the dual GCT 2 in a short circuit case.

Die Steuereinheit weist zur Auswertung einen Mikrocontroller sowie eine Programmroutine auf.The control unit has for evaluation a microcontroller and a program routine.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004028648 B3 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Peter Köllensperger, Michael Bragat, Thomas Plum, and Rik W. De Doncker, IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 45, No. "The Dual GCT - A New High-Power Device Using Optimized GCT Technology". 5, September / October 2009 [0003]

Claims

Device for determining the state of power semiconductors with a circuit arrangement for measuring a forward voltage of the power semiconductor, characterized in that an output of the circuit arrangement ( 3 ) via a transducer unit ( 4 ) for providing a waveform of the measured forward voltage (v _AC2 ) in digital form with a control unit ( 1 ), in which the signal curve can be evaluated to determine a drive signal for the power semiconductors (GCT GC, GCT A, GCT B) and / or to determine an operating state of the power semiconductor (Dual GCT, GCT A, GCT B).

Apparatus according to claim 1, characterized in that an identification memory ( 6 ) is provided for storing a family of power semiconductors (Dual GCT, GCT A, GCT B), which is supplied by the control unit ( 1 ) is accessible, so that by comparison of the measured forward voltage (v _AC2 ) of the power semiconductor (Dual GCT, GCT A, GCT B) with at least one of the characteristic values, the drive signal for the power semiconductor (Dual GCT, GCT A, GCT B) can be generated.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the control unit ( 1 ) is designed such that the drive signal for the power semiconductor (Dual GCT, GCT A, GCT B) is generated by comparison with characteristic values and / or an identification curve at regular intervals.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the identification memory ( 6 ) a temperature-dependent function of the power semiconductor (Dual GCT, GCT A, GCT B) is stored, in particular a predetermined characteristic of the forward voltage across the temperature.

Apparatus according to claim 4, characterized in that by comparing the temperature-dependent function with the currently measured forward voltage (v _AC2 ) of the power semiconductor (Dual GCT, GCT A, GCT B), the temperature in the surrounding area of the power semiconductor (Dual GCT, GCT A, GCT B ) is determinable.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a state memory ( 5 ) is provided, in which a number of the measured forward voltage (v _AC2 ) of the power semiconductor is storable, and that the control unit ( 1 ) has a program routine such that from the comparison of the measured forward voltage (v _AC2 ) and a number of in the state memory ( 5 stored older measured Duschlasspannugen (v _AC2 ) and / or in the identification memory ( 6 ) stored characteristic values of the operating state of the power semiconductor (dual GCT, GCT A, GCT B) can be determined.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a first power semiconductor (GCT A) and a second power semiconductor (GCT B) are connected in parallel, wherein the first power semiconductor (GCT A) with respect to an electrical conductivity and wherein the second power semiconductor ( GCT B) are designed optimized for a switching characteristic, and that the circuit arrangement ( 3 ) is associated with the first power semiconductor (GCT A) and / or the second power semiconductor (GCT B).

Apparatus according to claim 7, characterized in that in the control unit ( 1 ) as a function of the currently measured forward voltage (v _AC2 ) of the first power semiconductor (GCT A) and / or the second power semiconductor (GCT B), a turn-off signal is generated, so that the second power semiconductor (GCT B) by a turn-off delay time (t _d ) to the first power semiconductor (GCT A) is delayed off.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the power semiconductor as a GCT (Gate Commutated Thyristor) and / or as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and / or as an IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) and / or is designed as a GTO or as another turn-off power semiconductor.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the power semiconductor (GCT A, GCT B) and the circuit arrangement ( 3 ) and the converter unit ( 4 ) and the control unit ( 1 ) are arranged on a common carrier.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the transducer unit ( 4 ) is formed as an A / D converter.