DE102015106998B4

DE102015106998B4 - Gatetreibereinheit und Verfahren zum Kurzschlussschutz für einen Leistungsschalter

Info

Publication number: DE102015106998B4
Application number: DE102015106998.9A
Authority: DE
Inventors: Alvaro Jorge Mari Curbelo; Thomas Alois Zoels; Miguel Garcia Clemente; Philipp Leuner; Nicolas Wannenmacher
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2015-05-05
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2035-05-06
Also published as: JP2015216839A; DE102015106998A1; JP6579790B2; US20150326009A1; CN105099145A; US9209618B2; CN105099145B

Abstract

Gatetreibereinheit zum Betätigen eines Leistungsschalters in einem Wandler, wobei die Gatetreibereinheit aufweist:eine Messeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine erste Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters zu messen;eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung, die leitend mit einer Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt ist, wobei die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung einzeln steuerbare ohmsche Elemente aufweist, die leitend zwischen mindestens eine Spannungsquelle und die Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind; undeine Verarbeitungseinheit, die dafür ausgelegt ist, eine Steuerspannung zu steuern, die von der Spannungsquelle an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, um den Leistungsschalter zu aktivieren, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die ohmschen Elemente zu wechseln, die die Steuerspannung von der Spannungsquelle zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil zur Steuerelektrode des Leistungsschalters leiten, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, als Reaktion darauf, dass eine erste Art von Kurzschlussereignis stattfindet, die ohmschen Elemente zu wechseln, die aktiviert oder deaktiviert werden, um eine Rate zu ändern, mit der die Steuerspannung während der Deaktivierung des Leistungsschalters sinkt.

Description

GEBIET
Ausführungsformen des hierin beschriebenen Gegenstands betreffen Schalter, wie Leistungsschalter, die verwendet werden, um das Leiten von elektrischem Strom in einem Stromkreis zu steuern, beispielsweise in einem Stromkreis, der einen Hochleistungswandler oder eine andere Komponente aufweist. Einer oder mehrere der hierin beschriebenen Aspekte betreffen spannungsgesteuerte Halbleiterschalter wie MOSFETs, IGBTs und rückwärts leitende IGBTs.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Schalter in Stromkreisen alternieren zwischen aktivierten oder Durchlasszuständen, wo die Schalter geschlossen sind, um elektrischen Strom von einer Stromquelle zu einem oder mehreren Verbraucher(n) zu leiten, und deaktivierten oder Sperrzuständen, wo die Schalter geöffnet sind, um zu verhindern, dass elektrischer Strom geleitet wird. Diese Schalter und/oder die Stromkreise, welche die Schalter enthalten, können an verschiedenen Stellen der Stromkreise unterschiedliche Kurzschlüsse erfahren. Abhängig von der Art und der Schwere des Kurzschlusses kann der Schalter beschädigt oder zerstört werden.
Einige unterschiedliche Arten von Kurzschlüssen benötigen unterschiedliche Schutzsysteme, um eine Beschädigung oder Zerstörung des Schalters zu verhindern. Heutige Schutzvorrichtungen wie Schmelzsicherungen, Gatetreiber oder dergleichen können unzureichend sein, um die Schalter zu schützen, wenn bestimmte Kurzschlüsse auftreten.
Zum Beispiel treten manche Kurzschlüsse auf, wenn der Schalter zu Anfang aktiviert oder auf Durchlass gestellt wird. Diese Kurzschlüsse treten relativ schnell auf und können in Stromkreisen, wo eine relativ große Strommenge geleitet wird, den Schalter sehr schnell beschädigen oder zerstören. Schmelzsicherungen von Stromkreisen dieser Arten sind möglicherweise nicht in der Lage, rechtzeitig auszulösen, um zu verhindern, dass starke Ströme den Schalter beschädigen oder zerstören.
Manche andere Kurzschlüsse treten auf, nachdem der Schalter geschlossen worden ist und Strom durch den Schalter zum Verbraucher geleitet wird. Diese Kurzschlüsse können für den Schalter deswegen gefährlich sein, weil der Schalter mit Strom gesättigt sein kann und nicht mehr in der Lage ist, das Leiten des Stromes einfach abzustellen. Ein abruptes Eliminieren oder Senken der Spannung, die verwendet wird, um den Schalter zu steuern (z.B. einer Gate-Spannung), kann dazu führen, dass der Schalter beschädigt oder zerstört wird.
Ein bekannter Versuch, Schalter vor Kurzschlüssen zu schützen, beinhaltet aktives Klemmen, wodurch der Schalter vor einer Überspannung bei einer Kurzschlussabschaltung geschützt wird. Aber aktives Klemmen kann ein intensives Abstimmen einer analogen Schaltung und eine optimalen Leistung für alle Betriebszustände verlangen, was schwierig oder sogar unmöglich zu erreichen ist.
US 8,503,146 B1 offenbart ein Spannungsversorgungssystem mit einer Schalteinrichtung, die ein- und ausgeschaltet werden kann. Die Schalteinrichtung wird derart gesteuert, dass beim Auftreten eines Fehlers die Haltespannung für das Aufrechterhalten des leitenden Zustands gerade oberhalb des Schwellenwerts reduziert wird und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer eine weitere Reduzierung erfolgt, um eine Last von der Spannungsversorgung zu trennen.
US 6,097,582 A beschreibt den Schutz von Leistungshalbleitern (IGBTs) vor Kurzschlüssen. Wenn ein Kurzschluss erkannt wurde, wird eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer Zenerdiode zwischen dem Gate-Anschluss des Leistungshalbleiters und Masse geschaltet, so dass das Potential am Gate-Anschluss rasch auf das von der Zenerdiode definierte Niveau absinkt. Anschließend wird eine weitere Parallelschaltung aus einem vorher geladenen Kondensator der Zenerdiode mit dem Gate-Anschluss des Leistungshalbleiters verbunden, wobei sich der Kondensator über den Gate-Anschluss entlädt und den Leistungshalbleiter dadurch nach und nach in den nichtleitenden Zustand umschaltet.
KURZBESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft Gatetreibereinheiten nach Patentanspruch 1 und nach Patentanspruch 9, sowie Verfahren nach Patentanspruch 8 und nach Patentanspruch 10.
In einem Beispiel für den hierin beschriebenen Gegenstand der Erfindung wird eine Gatetreibereinheit für den Betrieb eines Wandlers geschaffen. Die Gatetreibereinheit weist eine Messeinheit, eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung und eine Verarbeitungseinheit auf. Die Messeinheit ist dafür ausgelegt, eine erste Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters zu messen. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung ist leitfähig mit einer Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung weist mehrere einzeln steuerbare ohmsche Elemente auf, die leitfähig zwischen eine Spannungsquelle und die Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind. Die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, eine Steuerspannung zu steuern, die von der Spannungsquelle an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, um den Leistungsschalter zu aktivieren. Die Verarbeitungseinheit ist außerdem dafür ausgelegt, die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die ohmschen Elemente zu wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil die Steuerspannung von der Spannungsquelle zur Steuerelektrode des Leistungsschalters leiten. Die Verarbeitungseinheit ist außerdem dafür ausgelegt, die ohmschen Elemente zu wechseln, die als Reaktion darauf, dass eine erste Art von Kurzschlussereignis stattfindet, aktiviert oder deaktiviert werden, um eine Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung während der Deaktivierung des Leistungsschalters abnimmt.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung die ohmschen Elemente aufweist, die in mehreren parallelen Stufen zwischen den einzelnen Spannungsquellen und der Steuerelektrode des Leistungsschalters miteinander verbunden sind, wobei die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung auch mehrere Schalter aufweist, die mit den ohmschen Elementen gekoppelt sind, wobei die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, die Schalter einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Steuerspannung durch die ohmschen Elemente zur Steuerelektrode des Leistungsschalters zu leiten oder deren Leitung zu verhindern, um die Steuerspannung zu teilen und zu senken.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, die Schalter zu wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden, um die Steuerspannung, die zu den unterschiedlichen Zeiten an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu teilen und in unterschiedlichen Maßen zu senken.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wenn die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluss an die Aktivierung des Leistungsschalters vergangen ist.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit außerdem dafür ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine andere, zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wobei die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, wenn die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters unter einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert sinkt, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird, und dann über den Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert steigt, während die Steuerschaltung an der Steuerelektrode des Leistungsschalters immer noch dafür ausgelegt ist, den Leistungsschalter zu schließen.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, dadurch zu senken, dass sie eine vorgegebene Verzögerungszeitspanne abwartet und nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne die Rate, mit der die Steuerspannung sinkt, dadurch steuert, dass sie die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln aktiviert oder deaktiviert.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung zu steuern, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, auf einen Anfangsaktivierungspegel zu erhöhen, wobei die Verarbeitungseinheit auch dafür ausgelegt ist, die Steuerspannung als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der vorgegebenen Zeitspanne nicht die erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, über den Anfangsaktivierungspegel zu erhöhen.
In einem anderen Beispiel des Gegenstands der Erfindung beinhaltet ein Verfahren das Überwachen einer Änderungsrate eines Stroms, der durch Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters geleitet wird, das Feststellen, wenn die Änderungsrate des Stroms höher ist als eine vorgegebene Erfassungsrate, und das Senken einer Steuerspannung auf einen Zwischenpegel als Reaktion darauf, dass die Änderungsrate des Stroms die vorgegebene Erfassungsrate überschreitet, gefolgt von einer Erhöhung der Steuerspannung auf einen erhöhten Pegel nach dem Ablauf einer zweiten Zeitspanne nach dem Senken der Steuerspannung auf den Zwischenpegel, und/oder nachdem die Änderungsrate des Stroms unter einen ersten vorgegebenen Schwellenwert gesunken ist und/oder eine Spannung über dem Leistungsschalter über einen zweiten vorgegebenen Schwellenwert gestiegen ist. Die Steuerspannung wird dadurch gesenkt, dass die aktiven von mehreren einzeln steuerbaren ohmschen Elementen in einer mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung, die eine Steuerspannung, die zu einer Steuerelektrode des Leistungsschalters geliefert wird, zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil leiten, gewechselt werden. Das Verfahren kann auch das Abstellen eines Kurzschlussstroms beinhalten durch Steuern eines Gefälles der Steuerspannung nach einer dritten vorgegebenen Zeitspanne, wenn die Spannung über dem Leistungsschalter über einem dritten vorgegebenen Schwellenwert liegt.
In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Senken der Steuerspannung beinhaltet, dass ohmsche Elementen einer mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung, die zwischen eine Spannungsquelle und eine Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind, einzeln aktiviert oder deaktiviert werden, wobei die ohmschen Elemente einzeln aktiviert oder deaktiviert werden, um die ohmschen Elemente zu wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil eine Steuerspannung von der Spannungsquelle zur Steuerelektrode des Leistungsschalters leiten.
In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Verfahren ferner beinhaltet, dass die Schalter gewechselt werden, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu den unterschiedlichen Zeiten zu teilen und in unterschiedlichen Maßen zu senken.
In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass damit begonnen wird, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wenn die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluss an die Aktivierung des Leistungsschalters vergangen ist.
In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Verfahren ferner beinhaltet, dass die ohmschen Elemente als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine andere, zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, einzeln aktiviert und deaktiviert werden, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wobei die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, wenn die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters unter einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert sinkt, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird, und dann über den Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert steigt, während die Steuerschaltung an der Steuerelektrode des Leistungsschalters immer noch dafür ausgelegt ist, den Leistungsschalter zu schließen.
In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, dadurch gesenkt wird, dass eine vorgegebene Verzögerungszeitspanne abgewartet wird und nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne die Rate, mit der die Steuerspannung sinkt, dadurch gesteuert wird, dass die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln aktiviert oder deaktiviert werden.
In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Verfahren das Erhöhen der Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, auf einen Anfangsaktivierungspegel und als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der vorgegebenen Zeitspanne nicht die erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, das Erhöhen der Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, über den Aktivierungspegel beinhaltet.
In einem anderen Beispiel für den hierin beschriebenen Gegenstand der Erfindung beinhaltet eine Gatetreibereinheit für den Betrieb eines Wandlers eine Messeinheit, eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung und eine Verarbeitungseinheit. Die Messeinheit ist dafür ausgelegt, eine erste Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters zu messen. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung ist für eine leitfähige Kopplung mit einer Steuerelektrode des Leistungsschalters ausgelegt, die eine Steuerspannung empfängt, um den Leistungsschalter zu aktivieren. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung weist mehrere einzeln steuerbare ohmsche Elemente auf, die leitfähig zwischen eine Spannungsquelle, welche die Steuerspannung liefert, und die Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind. Die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu unterschiedlichen Zeiten auf verschiedene Sätze von ohmschen Elementen zu verteilen, um die Steuerspannung zu senken und als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, den Leistungsschalter zu deaktivieren Die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, eine Rate, mit der die Steuerspannung während der Deaktivierung des Leistungsschalters sinkt, auf Basis eines absoluten Wertes der ersten Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters zu steuern.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, die Sätze der ohmschen Elemente, die zu den unterschiedlichen Zeiten aktiviert und/oder deaktiviert werden, auf Basis des absoluten Wertes der ersten Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters zu wechseln.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, einen oder mehrere Sätze der ohmschen Elemente, die aktiviert und/oder deaktiviert werden, auf Basis des absoluten Wertes der ersten Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters zu wechseln.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung die ohmschen Elemente aufweist, die in mehreren parallelen Stufen zwischen mindestens einer Spannungsquelle und der Steuerelektrode des Leistungsschalters miteinander verbunden sind, wobei die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung auch mehrere Schalter aufweist, die mit den ohmschen Elementen gekoppelt sind, wobei die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, die Schalter einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Steuerspannung durch die ohmschen Elemente zur Steuerelektrode des Leistungsschalters zu leiten oder deren Leitung zu verhindern, um die Steuerspannung zu teilen und zu senken.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wenn die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluss an die Aktivierung des Leistungsschalters vergangen ist.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit außerdem dafür ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine andere, zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wobei die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, wenn die Steuerspannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters unter einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert sinkt, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird, und dann über den Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert und/oder einen anderen Schwellenwert steigt, während die Steuerschaltung an der Steuerelektrode des Leistungsschalters immer noch dafür ausgelegt ist, den Leistungsschalter zu schließen.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, dadurch zu senken, dass sie eine vorgegebene Verzögerungszeitspanne abwartet und nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne die Rate, mit der die Steuerspannung sinkt, dadurch steuert, dass sie die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln aktiviert oder deaktiviert.
In jeder Ausführungsform der Gatetreibereinheit kann es von Vorteil sein, dass die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung zu steuern, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, auf einen Anfangsaktivierungspegel zu erhöhen, wobei die Verarbeitungseinheit auch dafür ausgelegt ist, die Steuerspannung als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der vorgegebenen Zeitspanne nicht die erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, über den Anfangsaktivierungspegel zu erhöhen.
Figurenliste
Der hierin beschriebene Gegenstand wird aus der Lektüre der folgenden Beschreibung von nicht-beschränkenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche besser verstanden werden, wobei nachstehend:

1 einen Schaltplan einer Leistungstraktions-Wandlerschaltung gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung darstellt;
2 einen Schaltplan einer Gatetreibereinheit oder eines Gatetreibersystems gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung darstellt;
3 einen Schaltplan einer in 2 dargestellten, mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung darstellt;
4 Betriebsspannungen eines in 1 dargestellten Leistungsschalters und einer in 2 dargestellten Gatetreibereinheit gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung darstellt;
5 Betriebsspannungen und Betriebsströme eines in 1 dargestellten Leistungsschalters und einer in 2 dargestellten Gatetreibereinheit gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung darstellt;
6 Betriebsspannungen zeigt, die an einen in 2 dargestellten Gate-Anschlussklemme des in 1 dargestellten Leistungsschalters angelegt werden, gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung;
7 eine andere Ausführungsform einer mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung, die in der in 2 dargestellten Gatetreibereinheit enthalten sein kann, darstellt; und
8 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Schaffung eines Kurzschlussschutzes für einen Leistungsschalter gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine oder mehrere Ausführungsformen des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung betreffen Gatetreibereinheiten und -verfahren, die einen Schutz von Leistungsschaltern bei Eintreten einer oder mehrerer unterschiedlicher Arten von Kurzschlüssen schaffen, beispielsweise für Halbleiter-Leistungsschalter wie Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) in Leistungswandlern. Obwohl die Beschreibung hierin den Schwerpunkt auf Halbleiter-Leistungsschalter wie IGBTs legt, sind nicht alle Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung so beschränkt. Verschiedene Aspekte des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung können verwendet werden, um einen Kurzschlussschutz für andere Arten von Leistungsschaltern zu schaffen.
In einem Aspekt erfasst eine Messeinheit einen Kurzschluss, eine programmierbare Treiberstufe oder -vorrichtung steuert eine Steuerspannung, die an eine Steuerelektrode eines Leistungsschalters angelegt wird, und eine Verarbeitungseinheit, beispielsweise ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder eine andere Art von Prozessor zum Steuern der Antriebsstufe oder -vorrichtung. Die Steuerspannung kann optional als Gate-Spannung, Aktivierungsspannung oder dergleichen bezeichnet werden, da diese Spannung den Leistungsschalter aktiviert oder deaktiviert. Zum Beispiel kann das Anlegen der Steuerspannung an die Steuerelektrode des Leistungsschalters den Leistungsschalter aktivieren, um eine Spannung zwischen Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters zu leiten. Die Treiberstufe oder -vorrichtung kann in mindestens einer Ausführungsform als mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung bezeichnet werden. Das System und das Verfahren können zwischen verschiedenen Arten von Kurzschlüssen in einem Stromkreis unterscheiden, der einen Leistungswandler (z.B. eine Stromzufuhr oder -spannung) und einen elektrischen Verbraucher aufweist. Das System und das Verfahren können dann verschiedene Schutzmechanismen für die verschiedenen Arten von erfassten Kurzschlüssen bereitstellen. Die Empfindlichkeit, mit welcher der Schutz gegen den Kurzschluss bereitgestellt wird, kann eine schnellere Bereitstellung schaffen als zumindest einige der heute bekannten Kurzschlussschutzmechanismen, und infolgedessen kann die Belastung des Leistungsschalters verringert werden und ein katastrophaler Schaden des Schalters während Kurzschlussereignissen kann vermieden werden.
Eine Art von Kurzschluss (auch als Kurzschlussereignis bezeichnet) kann auftreten, wenn der Leistungsschalter auf Durchlass gestellt (z.B. aktiviert) wird, um Strom zu leiten. Diese Art von Kurzschluss kann als erste Art von Kurzschlussereignis oder SC1 bezeichnet werden. Ein SC1-Ereignis kann durch Messen einer Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters erfasst werden. Im Falle eines SC1-Ereignisses hat mindestens ein Sperrelement des Stromkreises versagt und ist in einem leitenden Zustand, während der genannte Leistungsschalter in einem Sperrzustand ist. Wenn der genannte Leistungsschalter danach auf Durchlass gestellt wird, wird eine Schleife mit geringer Impedanz, die durch ein Energie lieferndes Element verläuft, geschlossen, was dazu führt, dass durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters ein Strom fließt, der die Strompegel überschreitet, die im Normalbetrieb auftreten. Manche Arten von Halbleiter-Leistungsschaltern wie MOSFETs und IGBTs beschränken den Kurzschlussstrom auf einen gesteuerten Pegel durch Entsättigung, das heißt durch Aufnahme von Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters und durch Übergehen in einem Modus, in dem der Kurzschlussstrom durch die Hauptanschlussklemmen der Leistungsschalter beschränkt wird. In einer Art von Leistungswandlern, die als Spannungsquellenwandler bezeichnet werden, kann das Energieversorgungselement ein Zwischenkreiskondensator sein. Das ausgefallene Sperrelement kann ein anderer Leistungsschalter im gleichen Wandlerzweig sein, der so gesteuert wird, dass er auf Sperren gestellt wird, der aber in einem leitenden Zustand ist. In einem Beispiel kann eine Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungsschalters gemessen werden. Wenn die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach einer vorgegebenen Zeitspanne (t₁, beispielsweise acht Mikrosekunden oder eine andere Zeitlänge) immer noch über einem bestimmten Schwellenwert (z.B. 40 Volt oder einem anderen Schwellenwert) liegt, wird ein SC1-Ereignis von der Gatetreibereinheit erfasst, und die Gatetreibereinheit veranlasst Schutzabschaltungsmaßnahmen für den Leistungsschalter. Wie oben beschrieben können diese Schutzabschaltungsmaßnahmen das Steuern der Rate oder des Gefälles, mit der bzw. dem die Steuerspannung (V_ge) sinkt, beinhalten. In mindestens einer Ausführungsform können solche Maßnahmen als „weiches Abschalten“ bezeichnet werden.
Wenn dagegen die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der vorgegebenen Zeitspanne unter dem Schwellenwert liegt, wird von der Verarbeitungseinheit ein erfolgreiches Anschalten registriert und das SC1-Ereignis wird nicht erkannt.
Eine andere Art von Kurzschlussereignis kann eintreten, nachdem der Leistungsschalter auf Durchlass gestellt worden ist und ein übermäßiger Strom zumindest zu Anfang durch den Leistungsschalter geleitet wird. Dieses Kurzschlussereignis kann als zweites Kurzschlussereignis oder SC2-Ereignis bezeichnet werden. Das SC2-Ereignis kann eintreten, nachdem der Schalter erfolgreich auf Durchlass gestellt worden ist (z.B. nachdem kein SC1-Ereignis erfasst worden ist). Das SC2-Ereignis kann erfasst werden, wenn die Spannung über dem Leistungsschalter nach der Austastungszeitspanne den Schwellenwert überschreitet, während der Leistungsschalter noch immer auf Durchlass gestellt ist, um Strom zu leiten. Das SC2-Ereignis kann auch auf andere Weise erfasst werden, beispielsweise wenn der Steuerklemmenstrom zurück in den Treiber fließt, die Steuerklemmenspannung eine Bezugsspannung (z.B. die statische Betriebsspannung, wie +15 V oder dergleichen) überschreitet.
Das SC2-Ereignis kann durch verschiedene Faktoren bewirkt werden, beispielsweise durch einen externen Kurzschluss im Verbraucher, einen internen Kurzschluss des gegenüberliegenden Leistungsschalters in einem Wandlerzweig, einen Kurzschluss in einer Stromschiene des Stromkreises oder einen anderen Faktor. Ein Schaden am Leistungsschalter wegen des SC2-Ereignisses kann schwerer sein als der Schaden, der durch das SC1-Ereignis bewirkt wird, weil die Strom- und Spannungspegel der Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters höher sein können. Die ansteigende Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters während der Entsättigung, das heißt beim Übergang des Leistungsschalters in den Strombegrenzungsmodus, speist Strom in die Steuerelektrode durch den Miller-Effekt, der die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode am Leistungsschalter über die Spannung ziehen kann, die von der Spannungsquelle geliefert wird. Dies kann zu einem Überschießen (z.B. einem Ansteigen über eine obere Sicherheitsschwelle) des Stroms, der zu den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters geliefert wird (z.B. eines Versorgungsstroms, wie eines Kollektor-Emitter-Stroms oder I_ce) und einer sehr hohen Belastung im Leistungsschalter führen. Wenn die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine Zwischenkreisspannung (d.h. die Spannung, die von den Kondensatoren 110 geliefert wird) erreicht, kann der Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) mit einer relativ hohen und ungesteuerten Rate auf einen statischen Kurzschlussstrom sinken, was zu einem hohen Überschießen der Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters führen kann, die für den Leistungsschalter zerstörend sein kann. In einem Aspekt kann der Leistungsschalter erst als Reaktion auf die Erkennung des SC2-Ereignisses abgeschaltet werden, wenn der Kurzschlussstrom einen Stationärzustand erreicht hat (z.B. für zumindest einen vorgegebene Zeitspanne nicht schneller steigt oder fällt als eine Schwellenrate). Ansonsten kann das hohe Überschießen der Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters stattfinden.
Als Reaktion auf die Erkennung des SC2-Ereignisses können andere Schutzmaßnahmen durchgeführt werden. Die Verarbeitungseinheit kann einen Zeitnehmer aufweisen oder auf andere Weise die ablaufende Zeit messen. Die Verarbeitungseinheit kann den Zeitnehmer als Reaktion auf eine Erfassung des SC2-Ereignisses initiieren. Wenn der Zeitnehmer einen vorgegebenen Wert (z.B. vier Mikrosekunden oder eine andere Zeitspanne) erreicht, wird eine Schutzabschaltung mit gesteuertem Steuerspannungsgefälle (V_ge) ausgelöst, ähnlich wie oben beschrieben. Zum Beispiel wird die Rate, mit der die Steuerspannung (V_ge) sinkt, nach Ablauf dieser Zeitspanne gesteuert, um sicherzustellen, dass der Kurzschlussstrom einen Stationärzustand erreicht hat. Die Steuerspannung (V_ge) wird so gesteuert, dass sie langsam sinkt, um ein Überschießen der Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters zu verhindern. Optional kann die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters als Reaktion auf die Erkennung des SC2-Ereignisses überwacht werden, und die Schutzabschaltung der Gate-Spannung kann durchgeführt werden, wenn zusätzlich zum Ablauf der Zeitspanne die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters über etwa 75 % (oder einem anderen Wert) der Zwischenkreisspannung (z.B. der Spannung, die vom Leistungswandler geliefert wird) liegt.
In einem anderen Aspekt kann das SC2-Ereignis durch Überwachen des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) und/oder die Änderungsrate des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters in Bezug auf die Zeit (z.B. $\frac{δ I_{c e}}{δ t}$
) schneller erkannt werden. Dadurch ist die Erfassung des SC2-Ereignisses möglich, wenn der Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) stärker wird (z.B. an der ansteigenden Flanke des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce)). Nach einer solchen Erfassung eines SC2-Ereignisses wird die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung so gesteuert, dass sie eine erste Widerstandskonfiguration aufweist (z.B. dass eine bestimmte Kombination aus ohmschen Elementen in der Vorrichtung aktiviert wird, um eine erste Spannungsteilungsschaltung zu schaffen), welche die Spannung (V_ge) auf einen vorgegebenen Wert (z.B. 13 Volt oder einen anderen Wert) senkt. Dies kann ein Überschießen der Steuerspannung (V_ge) und/oder des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) verhindern. Außerdem kann der Zeitnehmer gestartet werden. Wenn der Zeitnehmer einen ersten vordefinierten Wert erreicht und/oder dlce/dt unter einen bestimmten Schwellenwert sinkt und/oder die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters über einen bestimmten Schwellenwert steigt, wird eine andere Gate-Widerstandskonfiguration der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung eingerichtet, um die Steuerspannung (V_ge) zu erhöhen, beispielsweise auf 14,5 Volt oder einen anderen Wert. Dadurch können ein ungesteuerter Rückfall des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce)und ein Überschießen der Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (V_ce) verhindert werden. Nachdem der Zeitnehmer einen zweiten vordefinierten Wert erreicht hat, wird die Schutzabschaltung mit gesteuerter Steuerspannung durchgeführt wie hierin beschrieben. Zum Beispiel kann die Widerstandkonfiguration der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung in Bezug auf die Zeit modifiziert werden, um die Steuerschaltung mit einer vorgegebenen Rate oder einer Rate, die niedriger ist als dies andernfalls stattfinden würde, wenn ein einzelner Widerstand zwischen einer Versorgungsspannung, die niedriger ist als die Leistungsschalter-Schwellenschaltung, z.B. -15 V, und der Leistungsschalter-Steuerelektrode geschaltet wird.
Durch Bereitstellen der erfindungsgemäßen Gatetreibereinheiten und -verfahren, die zwischen verschiedenen Kurzschlussereignissen unterscheiden, und dann Bereitstellen eines Schutzsystems oder von Schutzmaßnahmen auf Basis des erkannten Kurzschlussereignisses kann eine Belastung eines Leistungsschalters während verschiedener Kurzschlussereignisse verringert werden. Die Senkung dieser Belastung kann zu niedrigeren Ausfallraten des Leistungsschalters führen. Infolgedessen kann eine verringerte Wandlerausfallrate in den Stromkreisen erreicht werden, mehr Wandler können verfügbar sein, die Notwendigkeit für Schmelzsicherungen in Leistungswandlern kann verringert oder eliminiert werden, und dergleichen.
Ein anderer Aspekt der hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Gatetreibereinheiten und -verfahren schafft die Fähigkeit, eine statische Gate-Spannung des Leistungswandlers im Durchlasszustand zu erhöhen. Zum Beispiel kann mit den oben beschriebenen Kurzschlussschutzeinrichtungen die Steuerspannung (V_ge), die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, in Bezug auf eine Obergrenze der Steuerspannung, die ohne die oben beschriebenen Kurzschlussschutzeinrichtungen verwendet wird, erhöht werden.
1 zeigt einen Schaltplan einer Leistungsversorgungsschaltung 100 gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung; Die Schaltung 100 koppelt einen oder mehrere Stromgeneratoren 102 über Leiterbahnen 106 (z.B. Stromschienen, Drähte, Kabel oder dergleichen) leitfähig mit einem oder mehreren Verbrauchern 104. Der Stromgenerator 102 kann einen Wechselstromgenerator, einen Generator, ein Versorgungsnetz, eine Batterie oder dergleichen darstellen, der bzw. die elektrischen Strom oder Spannung erzeugt, um die Verbraucher 104 mit Leistung zu versorgen. In dem dargestellten Beispiel stellen die Verbraucher 104 Fahrmotoren dar, können aber alternativ dazu andere Systeme oder Vorrichtungen darstellen, die elektrische Energie (z.B. Strom oder Spannung) verbrauchen, um Arbeit zu verrichten.
Die Schaltung 100 weist mehrere Leistungsschalter 108 (z.B. Leistungsschalter 108A-F) auf, die zwischen Zuständen zur Steuerung des Leitens von elektrischer Energie vom Leistungswandler 112 zu den Verbrauchern 104 alternieren. Zum Beispiel können die Leistungsschalter 108 in einen aktiven oder „Durchlass“-Zustand aktiviert werden, in dem Strom oder Spannung zwischen dem Stromgenerator 102 und dem Verbraucher 104 durch die Leistungsschalter 108 fließt, und kann in einen deaktivierten oder „Sperr“-Zustand deaktiviert werden, der ein Leiten des Stroms oder der Spannung zwischen dem Leistungswandler 112 und dem Verbraucher 104 verhindert. Die Schalter 108 können das Leiten von Strom vom Stromgenerator 102 zum Verbraucher 104 und/oder vom Verbraucher 104 zum Stromgenerator 102 steuern. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform Strom von den Verbrauchern 104 zum Generator 102 durch einen oder mehrere von den Schaltern 108 geleitet werden. In einem Aspekt ist bzw. sind einer oder mehrere der Leistungsschalter 108 Halbleiter-Leistungsschalter wie IGBTs oder andere Arten von Schaltern. Alternativ dazu können die Leistungsschalter 108 zu einer anderen Art von Schalter gehören.
Die Leistungsschalter 108 können zu unterschiedlichen Zeiten zwischen EIN- und AUS-Zuständen alternieren, um das Leiten mehrerer Phasen des Stroms, der vom Stromgenerator 102 zum Verbraucher 104 geliefert wird, zu steuern. In dem dargestellten Beispiel sind Leistungsschalter 108 paarweise angeordnet. Zum Beispiel können die Schalter 108A, 108B ein Paar sein, die Schalter 108C, 108D können ein anderes Paar sein und die Schalter 108E, 108F können ein anderes Paar sein. Die Schalter 108 in jedem Paar können alternieren, so dass jeweils nur einer von den Schaltern 108 in dem Paar durchlässig ist, um das Leiten einer Phase des Stroms zum Verbraucher 104 zu steuern. Alternativ dazu können die Schalter 108 in einer anderen Anordnung und/oder mit einer anderen Anzahl von Schaltern 108 verwendet werden.
Die Schalter 108 können über ein Stromschienennetz mit niedriger Induktivität mit einem Zwischenkreiskondensator 110 verbunden sein, der elektrische Energie während kurzzeitiger Ereignisse, beispielsweise Kommutierung, Kurzschlüssen oder dergleichen liefert. Wen es zu einem Kurzschlussereignis kommt, wird die Induktivität des Verbrauchers 104 überbrückt und eine Bahn mit niedriger Induktivität durch den Zwischenkreiskondensator 110 wird geschaffen. Wenn zum Beispiel der Leistungsschalter 108A, 108C oder 108E ausfällt, erfährt der entsprechende Leistungsschalter 108B, 108D oder 108F im gleichen Paar aus Schaltern 108 ein Kurzschlussereignis auch dann, wenn der entsprechende Leistungsschalter 108B, 108D oder 108F auf Durchlass gestellt ist. Die Gatetreibereinheit kann den entsprechenden Leistungsschalter 108B, 108D oder 108F durch Implementierung einer oder mehrerer der hierin beschriebenen Abschaltungsmaßnahmen schützen.
Die Leistungsschalter 108 können unter Verwendung von einer oder mehreren Gatetreibereinheiten gesteuert und vor einem Schaden oder Ausfall aufgrund von Kurzschlussereignissen geschützt werden. Wie hierin beschrieben, können die Gatetreibereinheiten verschiedene Arten von Kurzschlussereignissen erfassen und erkennen, und abhängig davon, welche Art von Kurzschlussereignissen erkannt wird, verschiedene Maßnahmen implementieren, um die Leistungsschalter 108 vor einem Schaden durch das Kurzschlussereignis zu schützen.
2 ist ein Schaltplan einer Gatetreibereinheit 200 gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung darstellt. Die Gatetreibereinheit 200 dient dazu, zwischen verschiedenen Kurzschlussereignissen zu unterschieden, an denen ein Leistungsschalter 108 beteiligt ist, und abhängig davon, welches Ereignis stattfindet, Abhilfeaktionen zu implementieren, um einen Schaden oder einen Ausfall des Leistungsschalters 108 zu verhindern.
Die Gatetreibereinheit 200 ist leitend mit einer Gatetreiber-Leistungsquelle zum Verbraucher 224 und einem Leistungsschalter 108 gekoppelt. In einer Ausführungsform wandelt der galvanisch isolierte Wandler an der Gatetreibereinheit die Spannung, die von der Gatetreiber-Leistungsquelle 224 in Spannungsquellen 218 und 220 geliefert wird, um, die bei +15 V und - 15 V liegen können. Die Spannungsquellen 218 und 220 stellen eine Quelle für eine Steuerspannung dar, die an eine Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 angelegt wird, um den Leistungsschalter 108 zu aktivieren. Die Gatetreiber-Leistungsquelle 224 kann eine Batterie oder andere Vorrichtung darstellen, die Spannung oder andere elektrische Energie liefert, bei der es sich nicht um den Strom handelt, der vom Stromgenerator 102 geliefert wird.
Die Gatetreibereinheit 200 kann in die in 1 gezeigte Schaltung 100 aufgenommen werden, indem sie über die Hilfsanschlussklemmen eines oder mehrerer Leistungsschalter 108 angeschlossen wird. Die Gatetreibereinheit 200 ist mit einer Steuerplatine 202 verbunden, welche die Gatetreibereinheit 200 der einzelnen Leistungsschalter aktivieren oder deaktivieren kann.
Die Gatetreibereinheit 200 weist Hardware-Schaltungen oder eine Schaltungsanordnung auf, die eine oder mehrere der Komponenten und/oder Prozessoren (z.B. Computer-Mikroprozessoren) enthält und/oder mit diesen verbunden sind. Eine Komponente der Gatetreibereinheit 200 ist eine Messeinheit 204 („V_ce-Pegelerfassung“ in 2), die eine Spannung am Leistungsschalter 108 misst. In der dargestellten Ausführungsform erfasst die Messeinheit 204 die Spannung über Hilfsanschlussklemmen 206, 208 des Leistungsschalters 108, welche die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 230, 232 des Leistungsschalters angibt. Die elektrischen Verbindungen 206 und 230, ebenso wie 208 und 232 sind elektrisch ähnliche Verbindungen. Zwischen diesen Anschlussklemmen gibt es eine kleine Induktivität im Nanohenry-Bereich, welche die Induktivität der internen Verdrahtung des Moduls von den Hauptanschlussklemmen zum Transistorchip anzeigt. Sowohl die Hilfsanschlussklemmen als auch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eignen sich zur Erkennung des Leistungsschalterzustands wie im Gegenstand der Erfindung beschrieben. Wenn der Leistungsschalter 108 ein IGBT-Leistungsschalter ist, kann diese Spannung als Kollektorspannung oder als Kollektor-Emitter-Spannung (V_ce) beschrieben werden, beispielsweise als ein Spannungsabfall über einer Kollektoranschlussklemme 206 und einer Emitteranschlussklemme 208 des Leistungsschalters 108. Alternativ dazu kann die Messeinheit 204 eine andere Art von elektrischer Größe messen und/oder die Größe an einer anderen Stelle messen. Die Messeinheit 204 kann eine oder mehrere Hardware-Schaltungen oder eine Verschaltung darstellen, die Spannung, Strom oder eine andere elektrische Größe misst bzw. messen, beispielsweise die Hardware eines Voltmeters oder dergleichen.
Die Gatetreibereinheit 200 weist außerdem eine Verarbeitungseinheit oder Treibereinheit 210 auf („Steuer- und Zeitsteuerungslogik“ in 2), die eine Rate steuert, mit der eine Steuerspannung (V_ge) an eine Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 angelegt wird. Diese Steuerspannung (V_ge) wird von den Spannungsquellen 218 und 220 geliefert und kann gesteuert werden, um den Schalter 108 zu aktivieren oder zu deaktivieren. Zum Beispiel kann die Erhöhung der Spannung über einen vorgegebenen Spannungspegel bewirken, dass sich der Schalter 108 schließt und Strom oder Spannung zum Verbraucher 104 leitet, während eine Senkung der Steuerspannung unter den vorgegebenen Pegel bewirken kann, dass sich der Schalter 108 öffnet. Die Verarbeitungseinheit 210 kann Hardware-Schaltungen oder eine Schaltungsanordnung aufweisen, die einen oder mehrere Prozessoren, beispielsweise Computer-Mikroprozessoren, feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) oder dergleichen aufweist und/oder mit solchen verbunden sind.
Die Gatetreibereinheit 200 steuert die Steuerspannung (V_ge) durch Ändern von Konfigurationen oder Zuständen einer mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 („Treiberstufe“ in 2) der Gatetreibereinheit 200. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung 214 weist mehre ohmsche Elemente (z.B. Widerstände) auf, die einzeln gesteuert werden können, um die Steuerspannung (V_ge) zu ändern, die an die Steuerelektrode 212 des Schalters 108 angelegt wird. Zum Beispiel kann die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung 214 die Steuerspannung (V_ge) von den Spannungsquellen 218 und 220 empfangen und kann als Spannungsteiler dienen, um die Steuerspannung (V_ge) zu senken, die an die Steuerelektrode 212 des Schalters 108 angelegt wird. Wie oben beschrieben, kann die Verarbeitungseinheit 210 die ohmsche Konfiguration der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 zeitabhängig ändern, so dass sich die Steuerspannung (V_ge) zeitabhängig ändert. Die Verarbeitungseinheit 210 kann auf diese Weise dazu dienen, eine Senkungsrate der Steuerspannung (V_ge) als Reaktion auf die Erkennung eines Kurzschlussereignisses zu steuern, um einen Schaden am Schalter 108 zu verhindern.
3 zeigt einen Schaltplan 300 der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung. In dem dargestellten Beispiel weist die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung oder -stufe 214 mehrere Push-Pull-Ausgabestufen 302 (z.B. Stufen 302a-d) auf, die parallel zueinander sind und leitfähig mit den Spannungsquellen 218 und 220 und dem Leistungsschalter 108 gekoppelt sind. Die Stufen 300 können zwischen den Spannungsquellen 218 und 220 und der Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 innerhalb der Gatetreibereinheit 200 parallel zueinander sein (in 2 dargestellt). Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung 214 weist vier parallele Stufen 302 auf, kann aber optional eine größere oder kleinere Anzahl von Stufen 302 aufweisen.
Die Schalter 306 können Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder andere Schalter, die durch ein von der (in 2 dargestellten) Verarbeitungseinheit 210 empfangenes Eingangssignal (z.B. Spannung, Strom oder ein anderes Signal) gesteuert werden, an (ebenfalls in 2 dargestellten) Eingangsleitungen 216 entlang aufweisen. Die Schalter 306 können von der Verarbeitungseinheit 210 einzeln steuerbar sein, da die Verarbeitungseinheit 210 einzelne Schalter 306 individuell aktivieren oder deaktivieren (z.B. auf Durchlass oder auf Sperrung stellen) kann, indem sie Kommunikationseingangssignale separat auf unterschiedlichen von den Eingabeleitungen 216 überträgt. Die Aktivierung des Widerstandsschalters 306 bewirkt, dass zumindest ein Teil der Steuerspannung, die von den Spannungsquellen 218 und 219 empfangen wird, durch das ohmsche Element 304 fließt, das mit dem Widerstandsschalter 306 verbunden ist, welcher der Spannungsquelle 224 nachgeschaltet ist. Verschiedene Kombinationen der Schalter 306 können aktiviert oder deaktiviert werden, um den Gesamtwiderstand zu ändern, der von der Steuerspannung erfahren wird, wenn die Steuerspannung durch die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung 214 geleitet wird. Zum Beispiel kann die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung 214 als Spannungsteiler dienen, wobei die Schalter 306 einzeln gesteuert werden, um die Steuerspannung (V_ge) zu ändern, die von der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 auf einer (ebenfalls in 2 dargestellten) Ausgabeleitung 222 ausgegeben wird, welche die verringerte Steuerspannung (V_ge) zur Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 leitet.
Zum Beispiel weisen die Stufen 302 mehrere ohmsche Elemente 304 (z.B. Widerstände) und Schalter 306 auf. Es sind zwei ohmsche Elemente 304 und zwei Schalter 306 in jeder Stufe 302 vorhanden, so dass insgesamt acht ohmsche Elemente 304 (z.B. ohmsche Elemente 304a-h) und insgesamt acht Schalter 306 (z.B. Schalter 306a-h) in der dargestellten Ausführungsform vorhanden sind. Alternativ dazu kann jede andere Anzahl von ohmschen Elementen 304 vorhanden sein. Die Schalter 306 können einzeln gesteuert werden, um zu bewirken oder um zu verhindern, dass die Steuerspannung aus den Eingangsleitungen 218 durch die ohmschen Elemente 304 geleitet wird. Zum Beispiel kann die Verarbeitungseinheit 210 den Widerstandsschalter 306a auf Durchlass stellen, um zu bewirken, dass zumindest ein Teil der Steuerspannung über die Leitung 222 durch das ohmsche Element 304a zur Steuerelektrode 212 geleitet wird, sie kann den Widerstandsschalter 306b auf Durchlass stellen, um zu bewirken, dass zumindest ein Teil der Steuerspannung über die Leitung 222 durch das ohmsche Element 304b zur Steuerelektrode 212 geleitet wird, und so weiter. Die Verarbeitungseinheit 210 kann außerdem den Widerstandsschalter 306a auf Sperrung stellen, um zu verhindern, dass die Steuerspannung über die Leitung 222 durch das ohmsche Element 304a zur Steuerelektrode 212 geleitet wird, sie kann den Widerstandsschalter 306b auf Sperrung stellen, um zu verhindern, dass die Steuerspannung über die Leitung 222 durch das ohmsche Element 304b zur Steuerelektrode 212 geleitet wird, und so weiter.
In dem dargestellten Beispiel gibt es mit vier parallelen Stufen 302, die jeweils zwei Schalter 306 und zwei ohmsche Elemente 304 aufweisen, abgesehen von der trivialen Konfiguration, in der alle Schalter auf Sperrung stehen, fünfzehn mögliche Werte des Gesamtwiderstands, der auf „Sperrung“ gestellt ist (z.B. des elektrischen Widerstands, der von den Widerständen 304b,d,f,h bereitgestellt wird, durch die eine von den Steuerspannungen geleitet wird, dargestellt durch R_goff) , und des Gesamtwiderstands, der auf „Durchlass“ gestellt ist (z.B des elektrischen Widerstands, der von den Widerständen 304a,c,e,g bereitgestellt wird, durch die eine von den Steuerspannungen geleitet wird, dargestellt durch R_gon) .
In einem Aspekt kann die Steuerspannung (V_ge) , die aus der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 zur Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 geleitet wird, durch die folgende Beziehung dargestellt werden: $V_{g e} = (V_{o n} - V_{o f f}) \frac{R_{g o f f}}{R_{g o n} + R_{g o f f}} + V_{o f f}$
worin V_ge die Steuerspannung darstellt, die an die Steuerelektrode ausgegeben wird, Von die positive Komponente der Steuerspannung darstellt, die durch die Vorrichtung 214 von der Gatetreiberenergiequelle 224 empfangen wird (z.B. + 15 Volt oder ein anderer Wert, die auf der Leitung 218 geleitet wird), Voff die negative Komponente der Steuerspannung darstellt, die durch die Vorrichtung 214 von der Gatetreiberenergiequelle 224 empfangen wird (z.B. - 15 Volt oder ein anderer Wert, die auf der Leitung 220 geleitet wird), R_goff den parallelen Widerstand darstellt, der von den aktivierten Widerständen 304b,d,f,h bereitgestellt wird, und R_gon den parallelen Widerstand darstellt, der von den aktivierten Widerständen 304a,c,e,g bereitgestellt wird..
In dem dargestellten Beispiel gibt es mit vier parallelen Stufen 302 225 mögliche Konfigurationen zum Einstellen der Steuerspannung (V_ge) zwischen den Versorgungsspannungen 218 und 220 auf Zwischenwerte, wodurch eine relativ feine Abstimmung der Steuerspannung (V_ge) möglich ist. Mit Konfiguration der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 ist gemeint, welche Widerstände 304 an- oder abgeschaltet werden. Zum Beispiel können bei unterschiedlichen Konfigurationen unterschiedliche Widerstände 304 angeschaltet werden und unterschiedliche Widerstände abgeschaltet werden.
4 stellt Betriebsspannungen und Betriebsströme eines in 1 dargestellten Leistungsschalters 108 und einer in 2 dargestellten Gatetreibereinheit 200 gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung dar. Die in 4 dargestellte Spannung zeigt ein Beispiel für die Erfassung einer ersten Art von Kurzschlussereignis (SC1) und die als Reaktion darauf durch die (in 2 dargestellte) Gatetreibereinheit 200 implementierten Maßnahmen, um zu verhindern, dass das SC1-Ereignis den (in 1 dargestellten) Leistungsschalter 108 beschädigt. Die in 4 dargestellten Spannungen beinhalten die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters, die Steuerspannung (V_ge) 402 und einen Kurzschlussstrom (I_sc) 404. Die Signale 400, 402, 404 sind entlang einer horizontalen Achse 406, die eine Zeit zeigt, und einer vertikalen Achse 408, die die absoluten Werte der Signale zeigt, dargestellt. Die Skala der vertikalen Achse 408 kann bei unterschiedlichen Signalen unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann die Skala der vertikalen Achse 408 für den Kurzschlussstrom 404 zehnmal kleiner sein als für die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters, und die Skala der vertikalen Achse 408 kann für die Steuerspannung 402 100-mal größer sein als für die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters. Infolgedessen können die absoluten Werte des Kurzschlussstroms 404 zehnmal kleiner sein als tatsächlich dargestellt, und die absoluten Werte der Steuerspannungen 402 können in Bezug auf die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters 100-mal größer sein als tatsächlich dargestellt
Im Betrieb wird der Leistungsschalter 108 zu einer Aktivierungszeit 410 durch Erhöhen der Steuerspannung 402, die von der (in 2 gezeigten) Vorrichtung 214 ausgegeben wird, von einem tieferen Deaktivierungspegel 412 (z.B. -15 Volt oder einer anderen Spannung) aus in Richtung auf einen höheren Aktivierungspegel 414 auf Durchlass gestellt. Es wird erwartet, das die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters sinkt (z.B. auf null Volt oder fast null Volt), wenn der Leistungsschalter 108 auf Durchlass gestellt wird. Aber wie in 4 dargestellt ist, sinkt die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters nur leicht, bevor sie auf einen vorherigen absoluten Wert steigt.
Die Messeinheit 204 überwacht die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters und meldet die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters an die Verarbeitungseinheit 210 (in 2 dargestellt). Die Verarbeitungseinheit 210 stellt fest, ob die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters bei oder über einem Kurzschluss- (SC)-Erfassungsschwellenwert 416 liegt, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne 418 abgelaufen ist, die zur Aktivierungszeit 410 beginnt. Die Zeitspanne 418 kann eine relativ kurze Zeitspanne sein, beispielsweise acht Mikrosekunden oder eine andere Zeitspanne. Optional kann die Verarbeitungseinheit 210 feststellen, ob die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters bei oder über dem SC-Erfassungsschwellenwert 416 liegt und während der Zeitspanne 418 bei oder über dem SC-Erfassungsschwellenwert 416 liegt. Falls die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters im Anschluss an die Zeitspanne 418 bei oder über dem SC-Erfassungsschwellenwert 416 liegt, stellt die Verarbeitungseinheit 210 fest, dass das SC1-Ereignis eingetreten ist. Optional stellt die Messeinheit 204 fest, ob die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters anzeigt, dass das SC1-Ereignis stattgefunden hat.
Der SC-Erfassungsschwellenwert 416 und die Zeitspanne 418 können auf der Art des Stromgenerators 102 und/oder des Verbrauchers 104, der vom Stromgenerator 102 mit Energie versorgt wird, und/oder der Art des Leistungsschalters basieren.
Wie in 4 dargestellt ist, bewirkt das SC1-Ereignis, dass Kurzschlussströme 404 steigen und, bei den hier betrachteten Schaltern, einen im Wesentlichen konstanten, aber hohen Kurzschlussstrompegel erreichen. Dies kann erklären, warum der Strom 404 ein Plateau aufweist. Diese Kurzschlussströme 404 können Ströme darstellen, die durch den Leistungsschalter 108 fließen und den Schalter 108 schädigen können. Wenn das SC1-Ereignis auf Basis der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters erkannt wird, kann die Verarbeitungseinheit 210 eine weiche Abschaltungsmaßnahme implementieren, um das SC1-Ereignis zu stoppen (z.B. durch Eliminieren oder weitgehendes Verringern der Kurzschlussströme 404). In einem Aspekt beinhaltet diese Maßnahme die Senkung der Steuerspannung 402 mit einer gesteuerten Rate. Zum Beispiel würde das Unterbrechen oder Eliminieren der Steuerspannung 402 dazu führen, dass die Steuerspannung 402 in der Zeitspanne 418 oder unmittelbar danach ein vertikales oder fast vertikales Gefälle oder eine vertikale oder fast vertikale abfallende Flanke aufweist. Dies kann eine Spitze oder ein Überschießen der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters bewirken, was den Leistungsschalter 108 beschädigen würde.
Statt dessen steuert die Verarbeitungseinheit 210 in dem dargestellten Beispiel die Senkung der Steuerspannung 402 in Bezug auf die Zeit so, dass ein Gefälle oder eine Verringerungsrate 424, mit dem bzw. der ein sinkender Abschnitt 420 der Steuerspannung 402 im Anschluss an die Zeitspanne 418 sinkt, ein Gefälle von nicht null aufweist (z.B. ist das Gefälle nicht vertikal oder fast vertikal) Die Verarbeitungseinheit 210 kann das Gefälle der Steuerspannung 402 über dem sinkenden Abschnitt 420 steuern, so dass die Rate 424, mit der die Steuerspannung 402 sinkt, geringer ist als dies der Fall wäre, wenn die normale Abschaltmaßnahmen angewendet werden würden.
Die Verarbeitungseinheit 210 kann die Verringerung der Steuerspannung 402 durch Wechseln der (in 3 dargestellten) ohmschen Elemente 304 in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 (in 2 dargestellt), die zu unterschiedlichen Zeit EIN oder AUS sind (wie oben beschrieben), steuern. Zum Beispiel kann zu einer ersten Zeit ein erster Untersatz der ohmschen Elemente 304 auf Durchlass stehen, während zu einer anderen, zweiten Zeit ein anderer, zweiter Untersatz der ohmschen Elemente 304 auf Durchlass steht, und so weiter. Das Wechseln der ohmschen Elemente 304, welche die eingegebene Steuerspannung 402 zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil leiten und teilen, bewirkt, dass sich die Gate-Spannung 402, die von der Vorrichtung 214 ausgegeben wird, in Bezug auf die Zeit ändert. Die Sätze der ohmschen Elemente 304, welche die Steuerspannung leiten, können im Lauf der Zeit gemäß einem Schaltmuster wechseln, das vorgibt, welche ohmschen Elemente 304 zu unterschiedlichen Zeiten auf Durchlass stehen und welche auf Sperrung stehen. Eine Eingangskapazität des Leistungsschalters 108 kann mit den ohmschen Elementen 304 zusammenwirken, um als Tiefpassfilter zu wirken, der dazu beiträgt, voneinander abgegrenzte Stufen in der Steuerspannung 402, die von der Vorrichtung 214 ausgegeben wird, zu glätten. Das Schaltmuster kann sich auf Basis der Art des Verbrauchers 104 und/oder der Art des Leistungsschalters ändern. Das Schaltmuster kann in der Verarbeitungseinheit 210 gespeichert sein, beispielsweise in einem nicht-flüchtigen Speicher der Verarbeitungseinheit 210 oder an einem anderen Ort.
Die Steuerspannung 402 wird durch Wechseln der Elemente 304, die auf Durchlass stehen, in Bezug auf die Zeit relativ langsam gesenkt. Die Steuerspannung 402 wird mit einer Rate gesenkt, die nicht höher ist als eine vorgegebene Rate. Nach einer Weile wird der Kurzschlussstrom 404 gelöscht. Die Steuerspannung 402 kann weiterhin langsam gesenkt werden, bis der Leistungsschalter 108 ganz abgeschaltet wird. Unter Verwendung vieler unterschiedlicher Konfigurationen in Bezug darauf, welche ohmschen Elemente 304 in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 auf Durchlass oder auf Sperrung stehen, können mehr Möglichkeiten (z.B. Freiheitsgrade) für die Verringerung der Steuerspannung 402 zulassen. Zum Beispiel weist die Treibervorrichtung 214 im Gegensatz zu einer Treibereinheit ohne mehrere parallele Stufen von ohmschen Elementen 304 viele verschiedene Anordnungen der ohmschen Elemente 304 auf, wodurch relativ kleine und voneinander abgegrenzte Verringerungen der Steuerspannung 402 erreicht werden können.
In einem Aspekt ist die Rate 424, mit der die Steuerspannung 402 gesenkt wird, niedriger als die Rate, mit der die Steuerspannung 402 gesenkt werden würde, wenn weniger Anordnungen ohmscher Elemente 304 verwendet werden würden, um die Steuerspannung 402 zu verringern. Zum Beispiel kann im Gegensatz zu einer Gatetreibereinheit mit nur einem einzigen Satz von Widerständen, die alle gleichzeitig an- oder abgeschaltet werden, die Rate 424, mit der die Steuerspannung 402 verringert wird, niedriger sein als eine Rate, mit der die Steuerspannung 402 verringert werden würde, wenn nur ein Satz von Widerständen aktiviert werden würde. Die Aktivierung von mehreren unterschiedlichen Sätzen von ohmschen Elementen 304 in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 zu unterschiedlichen Zeiten kann bewirken, dass die Steuerspannung 402 mit einer niedrigeren Rate gesenkt wird als durch einfaches durchlässig stellen eines statischen Satzes (der z.B. in Bezug auf die Zeit unveränderlich ist) der ohmschen Elemente 304.
Wie in 4 dargestellt ist, kann die Verringerung des Kurzschlussstroms 404 bewirken, dass die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters über eine zeitlich entsprechende Anstiegsperiode 422 ansteigt. Dieser Anstieg der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters als Reaktion auf eine Initiierung der weichen Abschaltungsmaßnahmen kann als zweites Überschießen der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters bezeichnet werden. Der absolute Wert des zweiten Überschießens der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters hängt von der Rate ab, mit der die Steuerspannung 402 verringert wird. Wenn beispielsweise die Rate, mit der die Steuerspannung 402 sinkt, höher wird (z.B. das Gefälle des sinkenden Abschnitts 420 mehr vertikal wird), wird der absolute Wert des zweiten Überschießens der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters größer. Wenn dagegen die Rate, mit der die Steuerspannung 402 sinkt, niedriger wird (z.B. das Gefälle des sinkenden Abschnitts 420 mehr horizontal wird), wird der absolute Wert des zweiten Überschießens der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters kleiner. Das Schaltmuster der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 kann erzeugt werden, um sicherzustellen, dass die Rate, mit der die Steuerspannung 402 abnimmt, ausreichend niedrig ist, um zu verhindern, dass der absolute Wert des zweiten Überschießens der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters zu groß wird (z.B. eine obere Spannungsgrenze 426 überschreitet) und der Schalter 108 beschädigt wird, aber ausreichend hoch ist, um zu verhindern, dass der Leistungsschalter 108 zu lange in der Kurzschlussstellung bleibt.
Die ohmschen Elemente 304 können in unterschiedlichen Konfigurationen über die Zeit aktiviert oder deaktiviert bleiben, bis die Steuerspannung 420 unter einen Schwellenwert (z.B. null Volt) sinkt, auf den tieferen Pegel 412 sinkt, wo der Schalter 108 deaktiviert wird, oder über zumindest eine vorgegebene Zeitspanne mit einer gesteuerten Rate sinkt. Der Leistungsschalter 108 wird dann deaktiviert und das SC1-Ereignis wird beendet, ohne zuzulassen, dass der Kurzschlussstrom 404 und/oder die Kollektorspannung 400 den Leistungsschalter 108 beschädigt.
Eine andere Art von Kurzschlussereignis, das von der Gatetreibereinheit 200 erfasst werden kann, ist das zweite Kurzschlussereignis oder SC2. Das SC2-Ereignis kann stattfinden, nachdem der Leistungsschalter 108 erfolgreich auf Durchlass gestellt worden ist. Wenn zum Beispiel das SC1-Ereignis nicht erfasst wird, nachdem der Leistungsschalter 108 auf Durchlass gestellt worden ist (wenn z.B. die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 400 des Leistungsschalters während der Zeitspanne 418 unter dem SC-Erfassungsschwellenwert liegt, nachdem der Leistungsschalter 108 aktiviert worden ist), dann kann der Leistungsschalter 108 erfolgreich auf Durchlass gestellt worden sein, ohne dass ein Kurzschlussereignis stattgefunden hat.
Aber eine andere, zweite Art von Kurzschlussereignis (SC2) kann stattfinden, nachdem der Leistungsschalter 108 erfolgreich aktiviert worden ist, wobei die elektrische Energie durch den Leistungsschalter 108 geleitet wird. Zum Beispiel kann ein externer Kurzschluss im Verbraucher 104 stattfinden, ein interner Kurzschluss kann in einem Wandlerzweig des Leistungsschalters 108 auftreten, ein Kurzschluss in einer Stromschiene des Leistungsschalters 108 oder dergleichen kann auftreten, nachdem der Leistungsschalter 108 aktiviert worden ist. Diese Art von Kurzschluss kann sogar noch gefährlicher sein.
Um das SC2-Ereignis zu erfassen, wird die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters von der Messeinheit 204 und/oder der Verarbeitungseinheit 210 nach der Zeitspanne 418 überprüft. Falls die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der Zeitspanne 418 den SC-Erfassungsschwellenwert 416 überschreitet, stellt bzw. stellen die Messeinheit 204 und/oder die Verarbeitungseinheit 210 fest, dass das SC2-Ereignis stattfindet.
5 stellt Betriebsvariablen eines in 1 dargestellten Leistungsschalters 108 und einer in 2 dargestellten Gatetreibereinheit 200 gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung dar. Die in 5 gezeigten Spannungen zeigen eine Erfassung der zweiten Art von Kurzschlussereignis (SC2) und ein Beispiel für eine als Reaktion darauf ergriffene Maßnahme, die von der (in 2 dargestellten) Gatetreibereinheit 200 als Reaktion auf die Erkennung des SC2-Ereignisses implementiert wird, um einen Schaden am Leistungsschalter 108 zu verhindern.
Die in 5 dargestellten Spannungen beinhalten die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters, die Steuerspannung (V_ge) 502 und den Kurzschlussstrom (Isc) durch die Vorrichtung, die den Kurzschluss erfährt, Ice 504. Diese Signale 500, 502, 504 können für die ähnlich benannten Signale 400, 402, 404 stehen, die in der Darstellung des SC1-Ereignisses in 4 dargestellt sind. Die Signale 500, 502, 504 sind entlang einer horizontalen Achse 506, die eine Zeit zeigt, und der vertikalen Achse 408, die die absoluten Werte der Spannungen zeigt, dargestellt. Wie oben in Verbindung mit 4 beschrieben ist, kann die Skala der vertikalen Achse 408 für die verschiedenen Signale 500, 502, 504 unterschiedlich sein.
In dem in 5 dargestellten Beispiel bleibt die Kollektorspannung 500 unter dem SC-Erfassungsschwellenwert 416, während der Leistungsschalter 108 elektrische Energie zwischen dem Leistungsschalter 102 und dem Verbraucher 104 leitet. Die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters liegt zumindest für die Zeitspanne 418 unter dem SC-Erfassungsschwellenwert 416. Nach Ablauf der Zeitspanne 418 steigt dann die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters über den SC-Erfassungsschwellenwert 416, während die Vorrichtung auf Durchlass gestellt ist.
Wenn die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters steigt, kann diese Spannung bewirken, dass elektrischer Strom aufgrund des Miller-Effekts in die (in 2 dargestellte) Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 gespeist wird, wodurch dann bewirkt werden kann, dass die Steuerspannung 502 am Leistungsschalter 108 über die Spannung steigt, die von der Spannungsquelle 218 geliefert wird. Dies kann bewirken, dass der Strom, der in die Kollektoranschlussklemme 230 fließt (z.B. der Kollektorstrom I_ce) , stärker wird und möglicherweise den Leistungsschalter 108 beschädigt, wie von einer Stromspitze 520 in 5 dargestellt. Sobald die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters auf die Zwischenkreisspannung steigt, die vom Stromgenerator 102 und vom Zwischenkreiskondensator erzeugt wird, fällt (z.B. sinkt) der Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce)auf einen niedrigeren Kurzschlussstrompegel 526 durch den Leistungsschalter 108. Dieses unkontrollierte Abfallen kann bewirken, dass die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters deutlich über die Zwischenkreisspannung steigt, wodurch der Leistungsschalter 108 beschädigt oder zerstört werden kann.
Um diese Beschädigung oder Zerstörung zu verhindern, kann die Maßnahme, die von der Gatetreibereinheit 200 ergriffen wird, um zu verhindern, dass der Kurzschlussstrom 504 durch den Leistungsschalter 108 geleitet wird, das Hinauszögern der Verringerung oder Eliminierung des Kurzschlussstroms 504 bis nach Erreichen eines Stationärzustands durch diesen Kurzschlussstrom 504 (der z.B. weder steigt noch sinkt mit einer Rate, die höher ist als eine vorgegebene Rate) beinhalten.
Diese Maßnahme kann beinhalten, dass die Messeinheit 204 und/oder die Verarbeitungseinheit 210 die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters überwacht bzw. überwachen und feststellt bzw. feststellen, wann die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters über den SC-Erfassungsschwellenwert 416 steigt (z.B. eine Kurzschlusserfassungszeit 508). Die Verarbeitungseinheit 210 kann dann einen Verzögerungszeitnehmer oder eine anderweitige Zeitverfolgung im Anschluss an die Erfassungszeit 508 starten. Nach einer vorgegebenen Verzögerungszeitspanne 510 im Anschluss an die Erfassungszeit 508 kann die Verarbeitungseinheit 210 damit beginnen, die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung 214 so zu steuern, dass diese die Steuerspannung 502 mit einer gesteuerten Rate relativ langsam verringert. In einer Ausführungsform kann die Verzögerungszeitspanne 510 vier Mikrosekunden sein, aber eine andere Zeitspanne kann abhängig vom verwendeten Leistungsschalter 108, Stromgenerator 102 und/oder Verbraucher 104 verwendet werden.
Die Verarbeitungseinheit 210 kann die Steuerspannung 502 mit einer gesteuerten Verringerungsrate 524 verringern, die der (in 4 dargestellten) Rate 424, mit der die (in 4 dargestellte) Steuerspannung 402 als Reaktion auf die Erfassung des SC1-Ereignisses verringert wird, gleich ist oder die verschieden davon ist. Wie oben beschrieben, kann die Verarbeitungseinheit 210 die Steuerspannung 502 durch Wechseln der (in 3 dargestellten) ohmschen Elemente 304, die aktiviert oder deaktiviert werden, um die Steuerspannung 502 zu unterschiedlichen Zeiten zu leiten oder nicht zu leiten, mit einer gesteuerten Rate verringern. Wie in 5 dargestellt ist, wird die Steuerspannung 502 mit einer relativ niedrigen Rate gesenkt (die z.B. niedriger ist als beim bloßen Abschalten der Steuerspannung 502). Die Steuerspannung 502 kann weiter gesenkt werden, bis der Leistungsschalter 108 auf Sperrung gestellt wird (z.B. bis die Steuerspannung 502 null erreicht oder auf den tieferen Pegel 412 sinkt). Eine allmähliche Verringerung der Steuerspannung 502 bewirkt, dass der Kurzschlussstrom 504 mit ungefähr der gleichen oder mit der gleichen Rate sinkt wie die Steuerspannung 502, bis der Kurzschlussstrom 504 gelöscht wird.
Durch Hinauszögern des Beginns der Verringerung der Steuerspannung 502 kann sichergestellt werden, dass die Schutzabschaltung der Steuerspannung 502 (z.B. mit der gesteuerten Rate) durchgeführt wird, wenn der Kurzschlussstrom 504 im Stationärzustand ist. Wie beispielsweise in 5 dargestellt ist, erreicht der Kurzschlussstrom 504 einen Stationärzustand über einer Stationärzustandszeitspanne 512, wenn sich der Kurzschlussstrom 504 nicht um mehr als einen vorgegebenen Betrag ändert und/oder Änderungen des Kurzschlussstroms 504 mit einer relativ niedrigen Rate (z.B. niedriger als eine vorgegebene Rate) stattfinden. Sobald der Kurzschlussstrom 504 einen solchen Stationärzustand erreicht, kann die Steuerspannung 502 langsam verringert werden, um zu vermeiden, dass die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters zu hoch steigt und den Leistungsschalter 108 beschädigt oder zerstört. Wie in 5 dargestellt ist, kann die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters bei Initiierung der Schutzabschaltungsmaßnahme für die Steuerspannung 502 (die z.B. durch den steigenden Abschnitt 514 dargestellt wird) leicht steigen, aber diese Steigerung kann beträchtlich weniger sein als wenn die Steuerspannung 502 mit einer höheren Rate verringert, abrupt abgeschaltet und/oder verringert werden würde, bevor der Kurzschlussstrom 504 einen Stationärzustand erreicht.
Optional kann die Schutzabschaltungsmaßnahme für die Steuerspannung 502 auf Basis des absoluten Wertes der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters initiiert werden. Zum Beispiel kann die Messeinheit 204 und/oder die Verarbeitungseinheit 210 die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters überwachen, um festzustellen, wann die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters einen vorgegebenen Bruchteil oder Prozentsatz der Zwischenkreisspannung erreicht (z.B. die Spannung, die vom Stromgenerator 102 erzeugt oder ausgegeben wird). In einem Aspekt kann dieser Bruchteil oder Prozentsatz 75 % oder ein anderer Bruchteil oder Prozentsatz sein. Sobald die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters diesen Bruchteil oder Prozentsatz der Zwischenkreisspannung erreicht, wird die Steuerspannung 502 mit einer gesteuerten Rate 524 verringert, wie oben beschrieben.
In einer Ausführungsform kann die Steuerspannung 502 als Reaktion darauf, dass die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters den vorgegebenen Bruchteil oder Prozentsatz der Zwischenkreisspannung erreicht oder überschreitet, unabhängig davon, wie lange dies nach der Erfassungszeit 508 stattfindet, mit der gesteuerten Rate verringert werden. Zum Beispiel muss die Verarbeitungseinheit 210 nicht auf den Ablauf der Verzögerungszeitspanne 510 warten, bevor sie mit der Verringerung der Steuerspannung 502 beginnt. Alternativ dazu kann es sein, dass die Verarbeitungseinheit 210 die gesteuerte Verringerung der Steuerspannung 502 nicht initiiert, bevor sowohl die Verzögerungszeitspanne 510 abgelaufen ist als auch die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters den vorgegebenen Bruchteil oder Prozentsatz der Zwischenkreisspannung erreicht oder überschreitet.
Zusätzlich zu oder alternativ zur Beobachtung der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters, um das SC2-Ereignis zu erkennen und/oder festzustellen, wann die Schutzabschaltung für die Steuerspannung 502 initiiert werden soll, kann bzw. können die Messeinheit 204 und/oder die Verarbeitungseinheit 210 den Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce)und/oder die Änderungsrate des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters $(\frac{\partial I_{c e}}{\partial t})$
überwachen. Der Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce)kann den elektrischen Strom beinhalten, der zur Kollektoranschlussklemme 230 des Leistungsschalters 108 geleitet wird, wie oben beschrieben. Die Messeinheit 204 kann den Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) erfassen, und die Verarbeitungseinheit 210 kann feststellen, wann der Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) einen vorgegebenen Strom-Erfassungsschwellenwert überschreitet und/oder wann die Änderungsrate des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters höher ist als eine vorgegebene Erfassungsrate. Die Verstärkung des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) und/oder die Änderungsrate des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters kann anzeigen, dass die Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters aufgrund des SC2-Ereignisses schnell steigt.
Eine andere Messeinheit 226 („V_kepe-Pegelerfassung“ in 2) kann den Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) und/oder die Änderungsrate des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters in Bezug auf die Zeit (z.B. $\frac{δ I_{c e}}{δ t}$
) erfassen. Die Messeinheit 226 kann Hardware-Schaltungen oder eine Schaltungsanordnung aufweisen, die eine oder mehrere Komponenten und/oder Prozessoren (z.B. Computer-Mikroprozessoren) enthält und/oder damit verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform erfasst die Messeinheit 226 eine Spannung zwischen dem Kelvin- (oder Hilfs-) Emitter und der Stromemitter- (oder Hauptemitteranschlussklemmen)-Verbindung (z.B. 232 in 2). Es kann eine Streuinduktivität zwischen diesen Anschlussklemmen vorhanden sein, durch die der Hauptstrom durch den Leistungsschalter fließt.
Sobald erfasst wird, dass der Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) über den Strom-Erfassungsschwellenwert steigt und/oder die Änderungsrate des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) höher ist als eine vorgegebene Rate, kann die Verarbeitungseinheit 210 einen ersten vorgegebenen Satz der ohmschen Elemente 304 in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 aktivieren. Dies bewirkt, dass die Steuerspannung 502 auf eine vorgegebene erste Spannung verringert wird, beispielsweise auf 13 Volt oder einen anderen Wert. Die Steuerspannung 502 kann relativ schnell auf diese vorgegebene Spannung verringert werden, so dass die Steuerspannung 502 und/oder der Strom durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) nicht zu stark steigt oder überschießt und eine Beschädigung des Leistungsschalters 108 bewirkt. Die Verarbeitungseinheit 210 kann einen Zeitnehmer initiieren, nachdem die Steuerspannung 502 auf die vorgegebene Spannung verringert worden ist, und wenn eine vorgegebene Verzögerungszeitspanne erreicht wird, kann die Verarbeitungseinheit 210 dann einen anderen, zweiten vorgegebenen Satz der ohmschen Elemente 304 in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 aktivieren. Diese vorgegebene Verzögerungszeitspanne kann sich von der Zeitspanne 510 unterscheiden oder dieser gleich sein.
Die ohmschen Elemente 304 im zweiten Satz werden aktiviert, um die Steuerspannung 502 auf eine vorgegebene zweite Spannung, beispielsweise 14,5 Volt oder einen anderen Wert zu erhöhen. Die Verringerung und dann Erhöhung der Steuerspannung 502 kann einen unkontrollierten Abfall oder eine unkontrollierte Verringerung des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters (I_ce) verringern, was dazu beiträgt, ausreichend weit zu verhindern, dass die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters überschießt oder steigt, um eine Beschädigung des Leistungsschalters 108 zu verhindern.
Die Verarbeitungseinheit 210 kann dann eine zweite vorgegebene Verzögerungszeitspanne im Anschluss an die vorgegebene Erhöhung der Steuerspannung 502 abwarten. Diese zweite Verzögerungszeitspanne kann der Zeitspanne 510 gleich sein oder sich davon unterscheiden. Nach dieser zweiten Verzögerungszeitspanne kann die Verarbeitungseinheit 210 dann die oben beschriebene Schutzabschaltungsmaßnahme implementieren. Zum Beispiel kann die Verarbeitungseinheit 210 die ohmschen Elemente 304, welche die Steuerspannung zu unterschiedlichen Zeiten leiten, um die Steuerspannung 502 mit der gesteuerten Rate 524 allmählich zu senken, in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 210 wechseln. Die Steuerspannung 502 kann weiterhin gesenkt werden, bis der Leistungsschalter 108 deaktiviert wird. Wie in 5 dargestellt ist, kann diese Steuerung der Steuerspannung 502 den Kurzschlussstrom 504 löschen, während ein erhebliches Überschießen der Spannung über den Hauptanschlussklemmen 500 des Leistungsschalters, das den Leistungsschalter 108 beschädigen oder zerstören könnte, vermieden wird.
Zurück zur Beschreibung der in 2 dargestellten Gatetreibereinheit 200: in einem anderen Aspekt des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung kann die Steuerspannung (V_ge), die an den Leistungsschalter 108 angelegt wird, um den Leistungsschalter 108 zu aktivieren, erhöht werden. Die Sättigungsspannung (V_ceSat) eines Leistungsschalters 108 wie eines IGBT kann von der Steuerspannung (V_ge) abhängen, die an den Leistungsschalter 108 angelegt wird. Bei manchen Leistungsschaltern 108 kann eine Steuerspannung (V_ge) von 15 Volt (oder einem anderen Wert) verwendet werden, um den Leistungsschalter 108 auf Durchlass zu stellen. Aber manche Leistungsschalter 108 weisen höhere Grenzen für die Steuerspannungen (V_ge) auf, die an die Leistungsschalter 108 angelegt werden können, beispielsweise 20 Volt (oder einen anderen Wert). Eine Erhöhung der Steuerspannung (V_ge) für einen Leistungsschalter 108 kann die Verluste der Spannung und des Stroms, die bzw. der durch den Leistungsschalter 108 geleitet wird, verringern, kann aber auch die Belastung des Leistungsschalters 108 während eines Kurzschlussereignisses aufgrund eines verstärkten Kurzschlussstroms, der durch die erhöhte Steuerspannung (V_ge) bewirkt wird, erhöhen. Zum Beispiel können bei relativ starken Strömen die Leitungsverluste, die durch das Leiten der Spannung oder des Stroms durch den Leistungsschalter 108 um etwa 10 % (oder einen anderen Betrag) verringert werden, wenn die Steuerspannung (V_ge) erhöht wird, beispielsweise durch Erhöhen der Steuerspannung (V_ge) um 33 % oder einen anderen Wert (z.B. von 15 Volt bis 20 Volt).
Um die Steuerspannung (V_ge) auf sichere Weise zu erhöhen, kann die Gatetreibereinheit 200 auf steuerbare Weise die Steuerspannung (V_ge) während einer Aktivierung des Leistungsschalters 108 unter Verwendung der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 erhöhen. 6 zeigt Betriebsspannungen 600, die an die (in 2 dargestellte) Steuerelektrode 212 des (in 1 dargestellten) Leistungsschalters 108 angelegt werden, gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung. Die Steuerspannungen 600 sind entlang einer horizontalen Achse 602, die eine Zeit zeigt, und einer vertikalen Achse 604, die die absoluten Werte der Steuerspannung 600 zeigt, dargestellt.
Bevor der Leistungsschalter 108 auf Durchlass gestellt wird, liegt die Steuerspannung 600 auf dem oben beschriebenen tieferen Pegel 412, der die Versorgungsspannung 220 darstellt. Wenn der Leistungsschalter 108 zur Aktivierungszeit 610 auf Durchlass gestellt wird, wechselt die Verarbeitungseinheit 210 die (in 3 dargestellten) ohmschen Elemente 304 der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214, die zu unterschiedlichen Zeiten an- oder abgeschaltet werden, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung (V_ge) erhöht wird. Verschiedene ohmsche Elemente 304 werden in Bezug auf die Zeit, bis die Steuerspannung (V_ge) eine vorgegebene Schwellenspannung (V_th) 606 des Leistungsschalters 108 erreicht, an- oder abgeschaltet. Die Verarbeitungseinheit 210 kann mit dem Wechseln der ohmschen Elemente 304, welche die Steuerspannung (V_ge) leiten, fortfahren, bis die Steuerspannung (V_ge) den oberen Pegel 414 erreicht (z.B. die Spannung, die den Leistungsschalter 108 aktiviert oder anschaltet, beispielsweise 15 Volt oder einen anderen Wert).
Die Verarbeitungseinheit 210 kann dann das Wechseln der ohmschen Elemente 304, die aktiviert werden, um die Steuerspannung (V_ge) auf dem oberen Pegel 414 oder in dessen Nähe zu halten, stoppen. Wie oben beschrieben, kann die Verarbeitungseinheit 210 die vorgegebene Zeitspanne 418 abwarten, um festzustellen, ob ein Kurzschlussereignis (z.B. ein SC1-Ereignis) erfasst wird. Wenn kein Kurzschlussereignis während der Zeitspanne 418 erfasst wird, dann kann die Verarbeitungseinheit 210 die ohmschen Elemente 304 wechseln, die aktiviert oder deaktiviert werden, um die Steuerspannung (V_ge) erneut auf einen oberen Schwellenwert 608 (z.B. 20 Volt oder einen anderen Wert) zu erhöhen, der die andere Versorgungsspannung 218 darstellt. Infolgedessen ist die Steuertreibereinheit 200 in der Lage, die Steuerspannung (V_ge) auf größere absolute Werte zu erhöhen, um Verluste im Leistungsschalter 108 zu verringern, während ein erhöhter Schutz gegen Kurzschlussereignisse bereitgestellt wird, wie oben beschrieben.
Wie oben beschrieben kann die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung 214 verwendet werden, um die Steuerspannung (V_ge) und/oder die Rate, mit der sich die Steuerspannung (V_ge) ändert, zu steuern. Wie oben beschrieben, kann eine bzw. können mehrere Vorrichtungen verwendet werden, um die Steuerspannung (V_ge) und/oder die Rate, mit der sich die Steuerspannung (V_ge) ändert, zu steuern. Als ein Beispiel könnte ein Gatetreiber verwendet werden, der in Petar J. Grbovic, „An IGBT Gate Driver For Feed-Forward Control Of Turn-On Losses And Reverse Recovery Current," IEEE Transactions On Power Electronics, Bd. 23, Nr. 2, März 2008, beschrieben ist. Der in Grbovic beschriebene Gatetreiber erzeugt eine Spannungsreferenz, die erzeugt wird und die in eine Verstärkerstufe eingespeist wird. Die Verstärkerstufe gibt eine Spannung aus, die der Bezugsspannung folgt (die sich z.B. auf die gleiche oder eine ähnliche Weise ändert wie diese), und kann den Strom für die Ladung einer Eingangskapazität eines Leistungsschalters 108 wie eines IGBT bereitstellen. Der Spannungsbezug könnte mit einem Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) erzeugt werden, der durch eine Verarbeitungsvorrichtung, beispielsweise die Verarbeitungseinheit 210 oder eine andere Vorrichtung, gesteuert wird. Die Gate-Spannung und die Änderungsrate der Gate-Spannung könnten dann durch die Verarbeitungseinheit 210 gesteuert werden, die den Spannungsbezug steuert. Zum Beispiel könnte die Verarbeitungseinheit 210 den Spannungsbezug als gesteuerte Rate ändern, um zu bewirken, dass sich die Steuerspannung, die von der Treiberstufe ausgegeben wird, auch mit der gesteuerten Rate ändert.
Alternativ dazu kann die Steuerspannung durch die Gatetreibereinheit 200 gesteuert werden, die eine Eingangskapazität des Leistungsschalters mit einem konstanten oder ungefähr konstanten Strom lädt. Dies könnte bewirken, dass sich die Steuerspannung mit einer gesteuerten Rate ändert (z.B. eine konstante oder ungefähr konstante Anstiegsgeschwindigkeit aufweist). Als ein Beispiel für die Implementierung einer solchen Steuerung über der Steuerspannung könnte ein großer induktiver Widerstand mit elektrischer Energie geladen und dann an die Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 entladen werden. Als ein Beispiel könnte der in der US-Patentanmeldung Nr. 2010/019807 beschriebene Induktor verwendet werden.
In einem anderen Aspekt der hierin beschriebenen und dargestellten Gatetreibereinheiten kann die Verarbeitungseinheit der Gatetreibereinheit auf Basis der Zwischenkreisspannung des Wandlers auf steuerbare Weise die Rate senken, mit der die Steuerspannung gesenkt wird. Wenn zum Beispiel die Zwischenkreisspannung des Wandlers steigt, kann die Verarbeitungseinheit die Rate senken, mit der die Steuerspannung gesenkt wird (z.B. kann die Steuerspannung langsamer sinken), während die Verarbeitungseinheit, wenn die Zwischenkreisspannung des Wandlers sinkt, die Rate erhöhen kann, mit der die Steuerspannung gesenkt wird (z.B. kann die Steuerspannung schneller sinken). Die Steuerspannung kann für größere Versorgungsspannungen mit niedrigeren Raten gesenkt werden, um ein hohes Überschießen des Stroms, der über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters angelegt wird, zu verhindern. In einem Beispiel kann die Verarbeitungseinheit als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters niedriger ist als ein vorgegebener absoluter Wert, die Rate erhöhen, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, und kann als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters mindestens so hoch ist wie der vorgegebene absolute Wert, die Rate, mit der die Steuerspannung erhöht wird, senken.
Die Verarbeitungseinheit kann die Rate, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, durch Wechseln der Sätze aus ohmschen Elementen in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung, die gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert oder deaktiviert werden, steuern. Zum Beispiel kann während einer ersten Zeitspanne ein erster Satz aus ohmschen Elementen aktiviert werden und ein anderer, zweiter Satz der ohmschen Elemente kann deaktiviert werden. Während einer anschließenden, zweiten Zeitspanne kann ein anderer, dritter Satz aus ohmschen Elementen aktiviert werden und ein anderer, vierter Satz aus ohmschen Elementen kann deaktiviert werden. Die ohmschen Elemente, die in einem oder mehreren dieser Sätze enthalten sind, können durch die Verarbeitungseinheit auf Basis der Versorgungsspannung gewechselt werden. Zum Beispiel können verschiedene Sätze aus den ohmschen Elementen für verschiedene Bereiche der Versorgungsspannungen vorgesehen sein. Abhängig davon, in welchen von diesen Bereichen die Versorgungsspannung fällt, kann die Verarbeitungseinheit die ohmschen Elemente wechseln, die in den ersten, zweiten, dritten, vierten Sätzen und so weiter enthalten sind.
Optional kann die Verarbeitungseinheit die Rate, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, durch Ändern der Zeitspannen, während denen verschiedene Sätze von ohmschen Elementen in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung aktiviert oder deaktiviert werden, steuern. Zum Beispiel können die erste Zeitspanne, über die der erste Satz aus ohmschen Elementen aktiviert wird und der zweite Satz von ohmschen Elementen deaktiviert wird, die zweite Zeitspanne, über die der dritte Satz von ohmschen Elementen aktiviert wird und der vierte Satz von ohmschen Elementen deaktiviert wird, und so weiter, auf Basis von Änderungen der Versorgungsspannung geändert werden.
7 zeigt eine andere Ausführungsform einer mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 700, die in der in 2 dargestellten Gatetreibereinheit 200 enthalten sein kann. Die Vorrichtung 700 empfängt die Steuerspannung von der Gatetreiber-Leistungsquelle 224 über die Leitungen 218, 220. Obwohl die Steuerspannung, die von den Leitungen 218, 220 empfangen wird, als +/- 15 Volt angegeben ist, kann auch eine andere Spannung vorgesehen werden. Die Vorrichtung 700 weist ohmsche Elemente 702 und Schalter 704 auf, die den ohmschen Elementen 304 bzw. Schaltern 306, die in 3 dargestellt sind, ähnlich oder gleich sein.
Im Gegensatz zu der in 3 dargestellten mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung 214 werden die Stellen der ohmschen Elemente und Schalter in der in 7 dargestellten Vorrichtung 700 gewechselt. Zum Beispiel wird die Steuerspannung von den Spannungsquellen 218 und 220 durch die ohmschen Elemente 702 geleitet, bevor sie durch die Schalter 704 geleitet wird. An diesen Stellen wirken die ohmschen Elemente 702 als Nebenschlusswiderstände, die eine negative Rückmeldung an die Steuerspannung der Schalter 704 ausgeben. Die Schalter 704 können in der aktiven Region arbeiten und als variabler Widerstand wirken. Wenn der Leistungsschalter 108 aktiviert wird, weisen die Schalter 704 relativ hohe Widerstände auf, die im Lauf der Zeit abnehmen. Diese Widerstände können abnehmen, bis Gate-Anschlussklemmen der Schalter 704 gewechselt werden (z.B. eine Gate-Spannung von 15 Volt oder einen anderen Wert empfangen). Infolgedessen erhöhen die Schalter 704 allmählich die Steuerspannung, die durch die Schalter 704 an die Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 über die Leitung 222 ausgegeben wird. Im Gegensatz dazu kann die Steuerspannung verringert werden, um zu bewirken, dass die Widerstände der Schalter 704 im Lauf der Zeit steigen und infolgedessen die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode 212 des Leistungsschalters 108 ausgegeben wird, allmählich sinkt. In einem Aspekt kann der Widerstand, der nötig ist, um die Gate-Anschlussklemme der Schalter 704 zu laden, durch den absoluten Wert des Widerstands, der von den ohmschen Elementen 702 bereitgestellt wird, und/oder dem Einschaltwiderstand (R_dson) der Schalter 704 definiert werden.
8 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens 800 zur Schaffung eines Kurzschlussschutzes für einen Leistungsschalter gemäß einem Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung. Das Verfahren 800 kann unter Verwendung einer oder mehrerer Ausführungsformen der in 2 dargestellten Gatetreibereinheit 200 implementiert werden.
Bei 802 wird ein Leistungsschalter aktiviert. Der Leistungsschalter kann durch Initiieren eines Verfahrens zum Schließen des Leistungsschalters, so dass der Leistungsschalter damit beginnt, elektrische Energie von einer Leistungsquelle zu einem Verbraucher zu leiten, aktiviert werden. In einem Beispiel beginnt eine Aktivierung eines Leistungsschalters durch Erhöhen einer Steuerspannung, die an eine Steuerelektrode angelegt wird.
Bei 804 wird die Steuerspannung auf einen Betätigungspegel des Leistungsschalters erhöht. Zum Beispiel kann die Steuerspannung auf einen absoluten Wert (z.B. mit einer gesteuerten oder erniedrigten Rate) erhöht werden, bei dem der Leistungsschalter sich schließt und damit beginnt, elektrische Energie von der Leistungsquelle zum Verbraucher zu leiten.
Bei 806 wird die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters überwacht. Zum Beispiel kann die Spannung, die an die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters angelegt wird, periodisch oder auf andere Weise gemessen werden. Bei 808 wird die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters überprüft, um festzustellen, ob die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet. In einem Aspekt wird die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters, die nach der vorgegebenen Zeitspanne im Anschluss an die Aktivierung des Leistungsschalters gemessen wird, überprüft, um festzustellen, ob die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters den Erfassungsschwellenwert überschreitet. Wenn die Versorgungsspannung den Erfassungsschwellenwert überschreitet, kann dies anzeigen, dass eine erste Art von Kurzschlussereignis (SC1) stattfindet. Infolgedessen kann der Fluss des Verfahrens 800 zu 810 weitergehen. Wenn die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters den Erfassungsschwellenwert nicht überschreitet, kann die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters anzeigen, dass der Leistungsschalter erfolgreich geschlossen oder aktiviert worden ist und elektrische Energie von der Leistungsquelle zum Verbraucher leitet, ohne dass das SC1-Ereignis stattfindet. Infolgedessen kann der Fluss des Verfahrens 800 zu 812 oder 814 weitergehen.
Bei 810 wird eine Schutzabschaltung der Steuerspannung mit einer gesteuerten Rate durchgeführt. Wie oben beschrieben, kann die Steuerspannung mit einer Rate gesenkt werden, die niedriger ist als beim einfachen Abstellen der Steuerspannung. Die Rate, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, kann durch Modulieren in Bezug auf die Zeit gesteuert werden, über die mehrere ohmsche Elemente aktiviert werden, um die Steuerspannung durch eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung zu leiten und die Steuerspannung zu teilen oder auf andere Weise zu verringern. Optional können andere Techniken verwendet werden, um die Steuerspannung zu steuern wie oben beschrieben. Die Steuerspannung kann weiterhin gesenkt werden, bis der Leistungsschalter geöffnet oder deaktiviert wird und nicht länger elektrische Energie von der Leistungsquelle zum Verbraucher leitet.
Bei 812 kann die Steuerspannung optional über den Betätigungspegel des Leistungsschalters erhöht werden. Sobald der Leistungsschalter geschlossen wird und elektrischen Strom leitet, ohne dass das SC1-Ereignis erfasst wird, kann die Steuerspannung, wie oben beschrieben, noch weiter erhöht werden, um Leitungsverluste des Leistungsschalters zu verringern.
Bei 814 wird die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters weiterhin überwacht. Zum Beispiel kann die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters periodisch oder auf andere Weise gemessen werden, während der Leistungsschalter geschlossen ist, um Strom von der Leistungsquelle zum Verbraucher zu leiten.
Bei 816 wird die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters überprüft, um festzustellen, ob die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters den Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet, während der Leistungsschalter für Strom geschlossen ist. Wenn die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters einen Schwellenwert nicht überschreitet (beispielsweise den Erfassungsschwellenwert oder einen anderen Schwellenwert), wird erkannt, dass die zweite Art von Kurzschlussereignis (SC2) stattfindet. Infolgedessen kann der Fluss des Verfahrens 800 zu 818 weitergehen. Wenn dagegen die Kollektorspannung den Erfassungsschwellenwert nicht überschreitet, wird kein SC2-Ereignis erkannt und das Verfahren 800 kann zu 814 zurückkehren, um die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters weiterhin zu überwachen und zu überprüfen.
Bei 818 wird eine Maßnahme zum weichen Abschalten der Steuerspannung für mindestens eine vorgegebene Zeitspanne verzögert. Wie oben beschrieben, kann die Maßnahme modifiziert werden, um sicherzustellen, dass der Kurzschlussstrom oder die Kurzschlussspannung einen Stationärzustand erreicht hat. Bei 820 wird eine Schutzabschaltung der Steuerspannung nach der Verzögerung durchgeführt. Die Steuerspannung kann mit einer Rate gesenkt werden, die niedriger ist als einfache Abschaltmethoden. Die Rate, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, kann durch Modulieren in Bezug auf die Zeit gesteuert werden, über die mehrere ohmsche Elemente aktiviert werden, um die Steuerspannung durch eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung zu leiten und die Steuerspannung zu teilen oder auf andere Weise zu verringern. Optional können andere Techniken verwendet werden, um die Steuerspannung zu steuern wie oben beschrieben. Die Steuerspannung kann weiterhin gesenkt werden, bis der Leistungsschalter geöffnet oder deaktiviert wird und nicht länger Strom leitet.
In einem Beispiel für den hierin beschriebenen Gegenstand der Erfindung wird eine Gatetreibereinheit für den Betrieb eines Wandlers geschaffen. Die Gatetreibereinheit weist eine Messeinheit, eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung und eine Verarbeitungseinheit auf. Die Messeinheit ist dafür ausgelegt, eine erste Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters zu messen. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung ist leitfähig mit einer elektrisch isolierten Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung weist mehrere einzeln steuerbare ohmsche Elemente auf, die leitfähig zwischen eine Spannungsquelle und die Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind. Die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, die Spannung zu steuern, die von der Spannungsquelle an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, um den Leistungsschalter zu aktivieren. Die Verarbeitungseinheit ist außerdem dafür ausgelegt, die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die ohmschen Elemente zu wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil die Steuerspannung von der Spannungsquelle zur Steuerelektrode des Leistungsschalters leiten. Die Verarbeitungseinheit ist außerdem dafür ausgelegt, die ohmschen Elemente zu wechseln, die als Reaktion darauf, dass eine erste Art von Kurzschlussereignis stattfindet, aktiviert oder deaktiviert werden, um eine Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung während der Deaktivierung des Leistungsschalters abnimmt.
In einem Aspekt weist die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung die ohmschen Elemente auf, die miteinander in mehreren parallelen Stufen zwischen der Spannungsquelle und der Steuerelektrode des Leistungsschalters verbunden sind. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung kann auch mehrere Schalter aufweisen, die mit den ohmschen Elementen gekoppelt sind. Die Verarbeitungseinheit kann so gestaltet sein, dass sie die Schalter einzeln aktiviert oder deaktiviert, um ein Leiten der Steuerspannung durch die ohmschen Elemente zur Steuerelektrode des Leistungsschalters zu bewirken oder zu verhindern, um die Steuerspannung zu teilen und zu verringern.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, die Schalter zu wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert oder deaktiviert werden, um die Steuerspannung, die zu den unterschiedlichen Zeiten an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu teilen und in unterschiedlichen Maßen zu senken.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wenn die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluss an die Aktivierung des Leistungsschalters vergangen ist.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit außerdem dafür ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen eine andere, zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird. Die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters stellt die zweite Art von Kurzschlussereignis auch dann dar, wenn die Steuerspannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters unter einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert sinkt, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird, und dann über die Kurzschlussschutz steigt, während die Steuerspannung an der Steuerelektrode des Leistungsschalters trotzdem dafür ausgelegt ist, den Leistungsschalter zu schließen.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, dadurch zu senken, dass sie eine vorgegebene Verzögerungszeitspanne abwartet und nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne die Rate, mit der die Steuerspannung sinkt, dadurch steuert, dass sie die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln aktiviert oder deaktiviert.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit so ausgelegt, dass sie die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung so steuert, dass diese die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, auf einen Anfangsaktivierungspegel erhöht. Die Verarbeitungseinheit kann auch so ausgelegt sein, dass sie als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der vorgegebenen Zeitspanne nicht die erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, die Steuerspannung über den Anfangsaktivierungspegel erhöht.
In einem anderen Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Schaffung eines Kurzschlussschutzes das Überwachen einer Änderungsrate eines Stroms, der durch Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters geleitet wird, das Feststellen, ob die Änderungsrate des Stroms höher ist als eine vorgegebene Erfassungsrate, und das Wechseln von aktiven von den mehreren einzeln steuerbaren ohmschen Elementen in einer mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung, die zumindest zum Teil eine Steuerspannung leiten, die zu unterschiedlichen Zeiten an eine Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, als Reaktion darauf, dass die Änderungsrate die vorgegebene Erfassungsrate übersteigt. Das Wechseln der ohmschen Elemente, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiv sind, steuert eine Rate, mit der die Steuerspannung sinkt, die zur Steuerelektrode des Leistungsschalters geliefert wird.
In einem Aspekt übertrifft die Änderungsrate des Stroms über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die vorgegebene Erfassungsrate als Reaktion darauf, dass eine zweite Art von Kurzschlussereignis stattfindet.
In einem Aspekt beinhaltet das Wechseln der ohmschen Elemente, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiv sind, das Teilen der Steuerspannung durch verschiedene Sätze von ohmschen Elementen zu den unterschiedlichen Zeitpunkten.
In einem anderen Beispiel des hierin beschriebenen Gegenstands der Erfindung beinhaltet eine Gatetreibereinheit eine Messeinheit, eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung mit mehreren einzeln steuerbaren ohmschen Elementen und eine Verarbeitungseinheit. Die Messeinheit ist dafür ausgelegt, eine Änderungsrate des Stroms, der über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters geleitet wird, zu messen. Die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt festzustellen, wann die Änderungsrate des Stromes höher ist als eine vorgegebene Änderungsrate. Die Verarbeitungseinheit ist außerdem dafür ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die Änderungsrate des Stroms die vorgegebene Änderungsrate übersteigt, die ohmschen Elemente in der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung zu wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiv sind, um zumindest zum Teil eine Steuerspannung, die an eine Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu leiten. Die Verarbeitungseinheit kann die ohmschen Elemente wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiv sind, um eine Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die zur Steuerelektrode des Leistungsschalters geliefert wird.
In einem Aspekt übertrifft die Änderungsrate des Stroms über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die vorgegebene Erfassungsrate als Reaktion darauf, dass eine zweite Art von Kurzschlussereignis stattfindet.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, die ohmschen Elemente zu wechseln, die zu den unterschiedlichen Zeiten aktiv sind, um die Steuerspannung durch verschiedene Sätze von ohmschen Elementen zu teilen.
In einem anderen Beispiel für den Gegenstand der Erfindung beinhaltet ein Verfahren (z.B. zur Schaffung eines Kurzschlussschutzes), dass eine erste Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters gemessen wird und als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, ohmsche Elemente einer mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung, die zwischen eine Spannungsquelle und eine Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind, einzeln aktiviert oder deaktiviert werden. Die ohmschen Elemente werden einzeln aktiviert oder deaktiviert, um die ohmschen Elemente zu wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil eine Steuerspannung von der Spannungsquelle zur Steuerelektrode des Leistungsschalters leiten. Dadurch, dass die ohmschen Elemente einzeln aktiviert oder deaktiviert werden, wird die Steuerspannung mit einer gesteuerten Rate gesenkt.
In einem anderen Beispiel des Gegenstands der Erfindung beinhaltet ein Verfahren das Überwachen einer Änderungsrate eines Stroms, der durch Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters geleitet wird, das Feststellen, wenn die Änderungsrate des Stroms höher ist als eine vorgegebene Erfassungsrate, und das Senken einer Steuerspannung auf einen Zwischenpegel innerhalb einer verkürzten ersten Zeitspanne als Reaktion darauf, dass die Änderungsrate des Stroms die vorgegebene Erfassungsrate überschreitet, gefolgt von einer Erhöhung der Steuerspannung auf einen erhöhten Pegel nach dem Senken der Steuerspannung auf den Zwischenpegel, und/oder nachdem die Änderungsrate des Stroms unter eine erste vorgegebene Schwellenwert*gesunken ist und/oder eine Spannung über dem Leistungsschalter über eine zweite vorgegebene Schwellenwert*gestiegen ist. Die Steuerspannung wird dadurch gesenkt, dass die aktiven von mehreren einzeln steuerbaren ohmschen Elementen in einer mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung gewechselt werden, die eine Steuerspannung, die zu einer Steuerelektrode des Leistungsschalters geliefert wird, zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil leiten. Das Verfahren kann auch das Abstellen eines Kurzschlussstroms beinhalten durch Steuern eines Gefälles der Steuerspannung nach einer dritten vorgegebenen Zeitspanne, wenn die Spannung über dem Leistungsschalter über einem dritten vorgegebenen Schwellenwert liegt.
In einem Aspekt beinhaltet das einzelne Aktivieren oder Deaktivieren der ohmschen Elemente das einzelne Aktivieren oder Deaktivieren von Schaltern, die mit den ohmschen Elementen verbunden sind. Die Schalter können aktiviert oder deaktiviert werden, um ein Leiten der Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, durch die ohmschen Elemente zu leiten oder deren Leitung zu verhindern, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu teilen und zu verringern.
In einem Aspekt kann das Verfahren beinhalten, dass die Schalter gewechselt werden, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden, um die Steuerspannung, die zu den unterschiedlichen Zeiten an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu teilen und in unterschiedlichen Maßen zu senken.
In einem Aspekt beginnt das einzelne Aktivieren oder Deaktivieren der ohmschen Elemente, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wenn die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluss an die Aktivierung des Leistungsschalters vergangen ist.
In einem Aspekt beinhaltet das Verfahren außerdem, dass das einzelne Aktivieren oder Deaktivieren der ohmschen Elemente, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, als Reaktion darauf beginnt, dass die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen eine andere, zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt. Die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters kann die zweite Art von Kurzschlussereignis auch dann darstellen, wenn die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters unter einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert sinkt, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird, und dann über die Kurzschlussschutz steigt, während die Steuerspannung an der Steuerelektrode des Leistungsschalters trotzdem dafür ausgelegt ist, den Leistungsschalter zu schließen.
In einem Aspekt wird die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, dadurch gesenkt, dass eine vorgegebene Verzögerungszeitspanne abgewartet wird und nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne die Rate, mit der die Steuerspannung sinkt, dadurch gesteuert wird, dass die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln aktiviert oder deaktiviert werden.
In einem Aspekt beinhaltet das Verfahren außerdem das Erhöhen der Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, auf einen Anfangsaktivierungspegel, wenn der Leistungsschalter zumindest für eine vorgegebene Zeitspanne aktiviert wird, und das Erhöhen der Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, über den Aktivierungspegel als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der vorgegebenen Zeitspanne nicht die erste Art von Kurzschlussereignis darstellt.
In einem anderen Beispiel für den hierin beschriebenen Gegenstand der Erfindung beinhaltet eine Gatetreibereinheit für den Betrieb eines Wandlers eine Messeinheit, eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung und eine Verarbeitungseinheit. Die Messeinheit ist dafür ausgelegt, eine erste Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters zu messen. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung ist für eine leitfähige Kopplung mit einer Steuerelektrode des Leistungsschalters ausgelegt, die eine Steuerspannung empfängt, um den Leistungsschalter zu aktivieren. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung weist mehrere einzeln steuerbare ohmsche Elemente auf, die leitfähig zwischen eine Spannungsquelle, welche die Steuerspannung liefert, und die Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind. Die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu unterschiedlichen Zeiten auf verschiedene Sätze von ohmschen Elementen zu verteilen, um die Steuerspannung zu senken und als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, den Leistungsschalter zu deaktivieren Die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, eine Rate, mit der die Steuerspannung während der Deaktivierung des Leistungsschalters sinkt, auf Basis eines absoluten Wertes der ersten Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters zu steuern.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters niedriger ist als ein vorgegebener absoluter Wert, die Rate zu erhöhen, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, und kann als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters mindestens so hoch ist wie der vorgegebene absolute Wert, die Rate, mit der die Steuerspannung erhöht wird, senken.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, die Sätze der ohmschen Elemente, die zu den unterschiedlichen Zeiten aktiviert und/oder deaktiviert werden, auf Basis des absoluten Wertes der ersten Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters zu wechseln.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, die Zeit, über welche einer oder mehrere von den Sätzen der ohmschen Elemente aktiviert und/oder deaktiviert wird bzw. werden, auf Basis des absoluten Wertes der ersten Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters zu ändern.
In einem Aspekt weist die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung die ohmschen Elemente auf, die miteinander in mehreren parallelen Stufen zwischen der Spannungsquelle und der Steuerelektrode des Leistungsschalters verbunden sind. Die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung kann auch mehrere Schalter aufweisen, die mit den ohmschen Elementen gekoppelt sind. Die Verarbeitungseinheit kann so gestaltet sein, dass sie die Schalter einzeln aktiviert oder deaktiviert, um ein Leiten der Steuerspannung durch die ohmschen Elemente zur Steuerelektrode des Leistungsschalters zu bewirken oder zu verhindern, um die Steuerspannung zu teilen und zu verringern.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wenn die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluss an die Aktivierung des Leistungsschalters vergangen ist.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit außerdem dafür ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen eine andere, zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird. Die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters stellt die zweite Art von Kurzschlussereignis auch dann dar, wenn die Steuerspannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters unter einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert sinkt, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird, und dann über die Kurzschlussschutz steigt, während die Steuerspannung an der Steuerelektrode des Leistungsschalters trotzdem dafür ausgelegt ist, den Leistungsschalter zu schließen.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, dadurch zu senken, dass sie eine vorgegebene Verzögerungszeitspanne abwartet und nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne die Rate, mit der die Steuerspannung sinkt, dadurch steuert, dass sie die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln aktiviert oder deaktiviert.
In einem Aspekt ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung zu steuern, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, auf einen Anfangsaktivierungspegel zu erhöhen, wobei die Verarbeitungseinheit auch dafür ausgelegt ist, die Steuerspannung als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der vorgegebenen Zeitspanne nicht die erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, über den Anfangsaktivierungspegel zu erhöhen.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Erfassen eines Kurzschlussereignisses, nachdem ein Leistungsschalter eingeschaltet worden ist, wobei das Kurzschlussereignis nach mindestens einem der folgenden Ereignisse erfasst wird: einer Feststellung, wann eine Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters einen Schwellenwert überschreitet, nachdem eine Zeitspanne abgelaufen ist, die beginnt, wenn der Leistungsschalter auf Durchlass gestellt wird, einer Feststellung, wann ein Steuerklemmenstrom zurück in eine Gatetreibereinheit fließt oder eine Steuerspannung des Leistungsschalters eine Bezugsspannung überschreitet, oder einer Feststellung, wann eine Änderungsrate des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine Schwellenrate überschreitet. Das Verfahren beinhaltet außerdem das Abwarten einer vorgegebenen Zeitspanne im Anschluss an die Erfassung des Kurzschlussereignisses und das Auslösen einer Schutzabschaltung der Steuerspannung mit einem gesteuerten abnehmenden Gefälle der Steuerspannung. Die Schutzabschaltung beinhaltet die Verringerung der Steuerspannung auf mindestens zwei verschiedene Stufen. Zum Beispiel kann die Steuerspannung mit einer gesteuerten Rate auf einen ersten verringerten Wert gesenkt werden, dann mit der gleichen oder einer anderen gesteuerten Rate auf einen niedrigeren, zweiten verringerten Wert gesenkt werden und so weiter.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren das Erfassen eines Kurzschlussereignisses, an dem ein Leistungsschalter beteiligt ist, und das Steuern einer Rate, mit der eine Steuerspannung sinkt, die zum Leistungsschalter geliefert wird, als Reaktion auf das Kurzschlussereignis.
In einem Aspekt beinhaltet das Verfahren außerdem das Erkennen einer Art des Kurzschlussereignisses. Die Zeitsteuerung für die Senkung der Steuerspannung kann auf der Art des Kurzschlussereignisses basieren.
Man beachte, dass die obige Beschreibung erläuternd, aber nicht beschränkend sein soll. Zum Beispiel können die oben beschriebene Ausführungsformen (und/oder Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Außerdem können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren des Gegenstands der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Bereich abzuweichen. Obwohl die hierin beschriebenen Abmessungen und Arten von Materialien die Parameter des Gegenstands der Erfindung definieren sollen, sind sie in keiner Weise beschränkend und sind nur Ausführungsbeispiele. Viele andere Ausführungsformen werden für den Durchschnittsfachmann beim Lesen der obigen Beschreibung naheliegend sein. Der Bereich des Gegenstands der Erfindung sollte daher unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit dem gesamten Bereich von Äquivalenten, für die diese Ansprüche gelten, bestimmt werden. In den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe „beinhalten“ und „worin“ als Äquivalente der jeweiligen Ansprüche „umfassend“ und „wobei“ verwendet. Darüber hinaus werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. nur zur Kennzeichnung verwendet und sollen keine numerischen Anforderungen an ihre Objekte stellen.
In der Beschreibung werden Beispiele verwendet, um mehrere Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung zu offenbaren und außerdem einen Durchschnittsfachmann zu befähigen, die Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung in die Praxis umzusetzen, was die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und die Ausführung jeglicher enthaltener Verfahren einschließt. Der patentfähige Bereich des Gegenstands der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele einschließen, die einem Durchschnittsfachmann einfallen mögen. Diese Beispiele sollen im Bereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die sich vom Wortsinn der Ansprüche nur unerheblich unterscheiden.
Die obige Beschreibung bestimmter Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung werden besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden. In dem Maß, dass die Figuren Diagramme der Funktionsblöcke verschiedener Ausführungsformen darstellen, wobei die Funktionsblöcke nicht unbedingt die Teilung zwischen Hardware-Schaltungsanordnungen angeben. So kann bzw. können zum Beispiel einer oder mehrere von den Funktionsblöcken (zum Beispiel Prozessoren oder Speicher) in einem einzelnen Hardwareteil implementiert werden (zum Beispiel einem Universal-Signalprozessor, Mikrocontroller, Schreib-Lese-Speicher, einer Festplatte und dergleichen). Ebenso können die Programme eigenständige Programme sein, können als Subroutinen in einem Betriebssystem enthalten sein, können Funktionen in einem installierten Software-Paket sein und dergleichen. Die verschiedenen Ausführungsformen sind nicht auf die Anordnungen und Instrumente beschränkt, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
Wie hierin verwendet, sollte ein Element oder ein Schritt, der im Singular genannt ist und dem ein unbestimmter Artikel („ein“ oder „eine“) voransteht, so verstanden werden, dass er nicht den Plural der Elemente oder Schritte ausschließt, solange ein solcher Ausschluss nicht ausdrücklich angegeben wird. Ferner sollen Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ des Gegenstands der Erfindung nicht so interpretiert werden, dass sie das Vorhandensein zusätzlicher Ausführungsformen ausschließen, die die genannten Merkmale ebenfalls beinhalten. Solange nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, können Ausführungsformen, die ein Element oder mehrere Elemente mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen“, „einschließen“ oder „aufweisen“ zusätzliche von diesen Elementen einschließen, die diese Eigenschaft nicht aufweisen.
Eine Gatetreibereinheit weist eine Messeinheit, eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung und eine Verarbeitungseinheit auf. Die Messeinheit misst eine Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters. Die Treibervorrichtung beinhaltet mehrere einzeln steuerbare ohmsche Elemente. Die Verarbeitungseinheit steuert eine Steuerspannung, die an eine Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, um den Leistungsschalter zu aktivieren. Die Verarbeitungseinheit aktiviert oder deaktiviert die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln als Reaktion darauf, dass die Spannung über den Hauptanschlussklemmen ein Kurzschlussereignis darstellt, um die ohmschen Elemente zu wechseln, die zumindest zum Teil die Steuerspannung von der Spannungsquelle zur Steuerelektrode des Leistungsschalters leiten. Die Verarbeitungseinheit wechselt die ohmschen Elemente, die aktiviert oder deaktiviert werden, um eine Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt.

Claims

Gatetreibereinheit zum Betätigen eines Leistungsschalters in einem Wandler, wobei die Gatetreibereinheit aufweist: eine Messeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine erste Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters zu messen; eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung, die leitend mit einer Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt ist, wobei die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung einzeln steuerbare ohmsche Elemente aufweist, die leitend zwischen mindestens eine Spannungsquelle und die Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind; und eine Verarbeitungseinheit, die dafür ausgelegt ist, eine Steuerspannung zu steuern, die von der Spannungsquelle an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, um den Leistungsschalter zu aktivieren, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die ohmschen Elemente zu wechseln, die die Steuerspannung von der Spannungsquelle zu unterschiedlichen Zeiten zumindest zum Teil zur Steuerelektrode des Leistungsschalters leiten, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, als Reaktion darauf, dass eine erste Art von Kurzschlussereignis stattfindet, die ohmschen Elemente zu wechseln, die aktiviert oder deaktiviert werden, um eine Rate zu ändern, mit der die Steuerspannung während der Deaktivierung des Leistungsschalters sinkt.
Gatetreibereinheit nach Anspruch 1, wobei die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung die ohmschen Elemente aufweist, die in mehreren parallelen Stufen zwischen den einzelnen Spannungsquellen und der Steuerelektrode des Leistungsschalters miteinander verbunden sind, wobei die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung auch mehrere Schalter aufweist, die mit den ohmschen Elementen gekoppelt sind, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Schalter einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Steuerspannung durch die ohmschen Elemente zur Steuerelektrode des Leistungsschalters zu leiten oder deren Leitung zu verhindern, um die Steuerspannung zu teilen und zu senken.
Gatetreibereinheit nach Anspruch 2, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Schalter zu wechseln, die zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert oder deaktiviert werden, um die Steuerspannung, die zu den unterschiedlichen Zeiten an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu teilen und in unterschiedlichen Maßen zu senken.
Gatetreibereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung sinkt, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wenn die erste Spannung über den Leistungsschalter-Hauptanschlussklemmen einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert überschreitet, nachdem eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluss an die Aktivierung des Leistungsschalters vergangen ist.
Gatetreibereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit außerdem dazu eingerichtet ist, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine andere, zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, damit zu beginnen, die ohmschen Elemente einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung gesenkt wird, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, wobei die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, wenn die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters unter einen Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert sinkt, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird, und dann über den Kurzschluss-Erfassungsschwellenwert steigt, während die Steuerschaltung an der Steuerelektrode des Leistungsschalters immer noch dazu eingerichtet ist, den Leistungsschalter zu schließen.
Gatetreibereinheit nach Anspruch 5, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters die zweite Art von Kurzschlussereignis darstellt, die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, dadurch zu senken, dass sie eine vorgegebene Verzögerungszeitspanne abwartet und nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne die Rate, mit der die Steuerspannung sinkt, dadurch steuert, dass sie die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln aktiviert oder deaktiviert.
Gatetreibereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung zu steuern, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, auf einen Anfangsaktivierungspegel zu erhöhen, wobei die Verarbeitungseinheit auch dafür ausgelegt ist, die Steuerspannung als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters nach der vorgegebenen Zeitspanne nicht die erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, über den Anfangsaktivierungspegel zu erhöhen.
Verfahren aufweisend: Überwachen einer Änderungsrate des Stroms, der durch Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters geleitet wird; Feststellen, wann die Änderungsrate des Stromes größer ist als eine vorgegebene Erfassungsrate; und Senken einer Steuerspannung auf einen Zwischenpegel innerhalb einer verkürzten ersten Zeitspanne als Reaktion darauf, dass die Änderungsrate des Stroms die vorgegebene Erfassungsrate überschreitet, gefolgt von der Erhöhung der Steuerspannung auf einen erhöhten Pegel, nachdem seit dem Senken der Steuerspannung auf den Zwischenpegel eine zweite Zeitspanne vergangen ist und/oder nachdem die Änderungsrate des Stroms unter einen ersten vorgegebenen Schwellenwert gesunken ist und/oder eine Spannung über dem Leistungsschalter über einen zweiten vorgegebenen Schwellenwert gestiegen ist; und Abstellen eines Kurzschlussstroms durch Steuern eines abnehmenden Gefälles der Steuerspannung nach einer dritten vorgegebenen Zeitspanne, wenn die Spannung über dem Leistungsschalter über einem dritten vorgegebenen Schwellenwert liegt.
Gatetreibereinheit zum Betätigen eines Leistungsschalters in einem Wandler, wobei die Gatetreibereinheit aufweist: eine Messeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine erste Spannung über Hauptanschlussklemmen eines Leistungsschalters zu messen; eine mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, leitend mit einer Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt zu werden, die eine Steuerspannung empfängt, um den Leistungsschalter zu aktivieren, wobei die mehrere Widerstände aufweisende Treibervorrichtung einzeln steuerbare ohmsche Elemente aufweist, die leitend zwischen mindestens eine Spannungsquelle, welche die Steuerspannung liefert, und die Steuerelektrode des Leistungsschalters gekoppelt sind; und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, die ohmschen Elemente der mehrere Widerstände aufweisenden Treibervorrichtung einzeln zu aktivieren oder zu deaktivieren, um die Steuerspannung, die an die Steuerelektrode des Leistungsschalters angelegt wird, zu unterschiedlichen Zeiten auf verschiedene Sätze von ohmschen Elementen zu verteilen, um die Steuerspannung zu senken und als Reaktion darauf, dass die erste Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine erste Art von Kurzschlussereignis darstellt, den Leistungsschalter zu deaktivieren, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Rate zu steuern, mit der die Steuerspannung während der Deaktivierung des Leis- tungsschalters sinkt, auf Basis eines absoluten Werts der ersten Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters.
Verfahren aufweisend: Erfassen eines Kurzschlussereignisses, nachdem ein Leistungsschalter eingeschaltet worden ist, wobei das Kurzschlussereignis nach mindestens einem der folgenden Ereignisse erfasst wird: einer Feststellung, wann eine Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters einen ersten Schwellenwert überschreitet, nachdem eine Zeitspanne abgelaufen ist, die beginnt, wenn der Leistungsschalter auf Durchlass geschaltet wird, einer Feststellung, wann ein Steuerklemmenstrom zurück in eine Gatetreibereinheit fließt oder eine Steuerelektrodenspannung des Leistungsschalters eine Bezugsspannung überschreitet, oder einer Feststellung, wann eine Änderungsrate des Stroms durch die Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters eine Schwellenrate überschreitet; Abwarten einer vorgegebenen Zeitspanne im Anschluss an die Erfassung des Kurzschlussereignisses oder Abwarten, bis die Spannung über den Hauptanschlussklemmen des Leistungsschalters einen zweiten Schwellenwert überschreitet, der größer ist als der erste Schwellenwert; und Auslösen einer Schutzabschaltung der Steuerspannung durch gesteuertes Verringern des Gefälles der Steuerelektrodenspannung des Leistungsschalters, wobei die Schutzabschaltung das Senken der Steuerelektrodenspannung aus einer Gatetreibereinheit auf mindestens zwei verschiedene Werte oberhalb einer Leitungschwellenspannung des Leistungsschalters beinhaltet