DE102014226475B3

DE102014226475B3 - Gleichstromschaltvorrichtung und Verfahren zur Steuerung

Info

Publication number: DE102014226475B3
Application number: DE102014226475.8A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Steiner; Alexander Kaiser; Peter Jänker
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: US20170346478A1; WO2016096101A2; WO2016096101A3; US10263611B2

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

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.
US 2012/0 057 387 A1 beschreibt einen Hybrid-Schalter, der zwischen zwei Anschlüssen angeordnet ist, wobei der Hybrid-Schalter einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), die parallel zueinander angeordnet sind, aufweist. Die beiden Transistoren werden mittels eines Steuersignals gesteuert. Beim Einschalten des Hybrid-Schalters wird zuerst der IGBT leitend geschaltet und danach wird der MOSFET leitend geschaltet. Beim Ausschalten des Hybrid-Schalters wird entweder der MOSFET nach dem IGBT nicht leitend geschaltet oder beide Transistoren werden gleichzeitig nicht leitend geschaltet.
JP 2009-142 070 A beschreibt einen Hybrid-Schalter mit einem IGBT und einem MOSFET. Dort wird bei einem Ausschaltvorgang des IGBT mittels einer Strommessung überprüft, wann sich der Kollektorstrom des IGBT dem Wert Null nähert. Wird eine Annäherung an den Wert Null festgestellt, wird der dem IGBT parallel geschaltete MOSFET ausgeschaltet. Das Einschalten des Hybrid-Schalters erfolgt durch ein gleichzeitiges Leitendschalten des IGBT und des MOSFET.
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 μs, 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 μs, 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 Spannungsabfälle 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 Vce_sat-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 Vce_sat-Erkennung. Anhand der Spannungserfassung kann ferner eine Überschreitung einer vorbestimmten (ersten) Schwelle eines Spannungsfalles (z. B. über dem Schalter) feststellbar 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
1 einen Schaltplan eines beispielhaften elektrischen Systems, das eine bidirektionale Gleichstromschaltvorrichtung enthält, und
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 verschiedener Beispiele im Rahmen des Schutzumfangs der unabhängigen Ansprüche umfasst sein.
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 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 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 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 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 11a, 11b 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 1 gekennzeichnet ist. Die Einheit 5b ist im Wesentlichen eine Detektions- und Vergleichseinheit 5b, die in 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 2 erläutert werden.
Weiterhin zeigt die 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 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 1 oberen Schaltern 6a, 6b der Steuereinheit 5 sowie der Spannungsquelle 7a verbunden sind. Die Gateanschlüsse der zweiten Schaltelemente 9a, 9b über die Leitung 17c 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 1 gezeigten unteren Leitung 17d, die an die Masse angeschlossen ist.
2 zeigt ein Zustandsdiagramm zur beispielhaften Veranschaulichung der Verfahren zur Steuerung der in 1 gezeigten Schaltvorrichtung 1. In 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 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 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 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 1 mit I_Schwelle1 bezeichnet. Der erste Schwellenwert kann beispielsweise der Nennwert I₀ 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. 1,25·I₀. Grundsätzlich sollen hier alle Ströme und Schwellen in Bezug auf den Nennwert I₀ des Stroms bezogen werden. Wie die 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 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 I_Schwelle1 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 Schaltungselementes 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 t₁ 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 I_Schwelle1 über die gesamte Zeit t₁ verbleibt, aber nicht über eine zweite Stromstärkeschwelle I_Schwelle2 steigt. Die zweite Schwelle I_Schwelle2 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·I₀ oder 2,5·I₀ 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 I_Schwelle2, dann greift der weitere in 2 gezeigte Pfad, der eine sofortige Komplettabschaltung auslöst (s. Zustand „Aus” rechts unten in 2).
Wie bereits erläutert wurde, bietet die Steuereinheit 5 auch die Möglichkeit einer Abschaltung auf Stopp-Befehl hin an, was der untere Pfad in der 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 2 auch das Anschalten der Schaltvorrichtung 1 bzw. eines oder mehrerer Schaltelemente 10a, 10b. Ausgehend vom Zustand „Aus” oben links in 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 I_Schwelle1 überschritten wird, nachdem das zweite Schaltelement 9a, 9b leitend geschaltet wurde. In diesem Fall kann zunächst geprüft werden, ob auch die zweite Schwelle I_Schwelle2 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 I_Schwelle1 die Stromstärke innerhalb einer ersten Zeitspanne t₁ wieder unter den Wert fällt. Dann würde das erste Schaltelement 8a, 8b leitend geschaltet. Andernfalls, d. h. wenn die Stromstärke oberhalb I_Schwelle1 für eine Zeitspanne t₁ 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 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

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.
Gleichstromschaltvorrichtung gemäß Anspruch 1 mit zumindest zwei Schalteinheiten, die derart zwischen den zwei Anschlüssen angeordnet ist, dass jeweils eine Schalteinheit einer Stromflussrichtung zugeordnet ist.
Gleichstromschaltvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinheit zwischen den beiden Schalteinheiten angeordnet ist und die beiden Schalteinheiten symmetrisch zu der Steuereinheit angeordnet sind.
Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das erste Schaltelement ein IGBT ist und das zweite Schaltelement ein MOSFET, insbesondere ein SiC-MOSFET.
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.
Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit eine Strommesseinrichtung zur Erfassung einer Stromstärke, die durch die Schalteinheit fließt, aufweist.
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.
Gleichstromschaltvorrichtung gemäß zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit einen schnellen Komparator (bevorzugt einen 50-Ohm-Komparator) umfasst, der dazu eingerichtet ist, einen Strommesswert mit zumindest einem Referenzwert zu vergleichen, um ein Überschreiten einer vorbestimmten Stromstärkeschwelle zu detektieren.
Gleichstromschaltvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, bei Detektion eines Überschreitens der vorbestimmten (ersten) Stromstärkeschwelle, das Ausschalten der Schalteinheit zu initiieren.
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 gemessene Stromstärke eine erste Stromstärkeschwelle nicht überschreitet und/oder eine erste Spannungsabfallschwelle nicht überschritten wird; und – Nichtleitendschalten des ersten Schaltelementes der Schalteinheit, wenn die gemessene 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.
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.
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.
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 gemessene Stromstärke die erste Stromstärkeschwelle nicht in der vorgegebenen ersten Zeitspanne unterschreitet und/oder die erste Spannungsabfallschwelle weiterhin überschritten wird.
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.
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.