DE102015206031B4

DE102015206031B4 - Vorrichtung zum Begrenzen einer über einem Leistungsschalter abfallenden Spannung, Spannungszwischenkreisumrichter sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102015206031B4
Application number: DE102015206031.4A
Authority: DE
Inventors: Hubert Schierling; Günter Schwesig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: DE102015206031A1

Abstract

Vorrichtung (9) zum Begrenzen einer über einem Leistungsschalter (1) abfallenden Spannung, mit einer Begrenzungseinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, einen beim Ausschalten des Leistungsschalters (1) anliegenden und einen vorgegebenen Schwellwert überschreitenden Überspannungswert der Spannung zu detektieren und für diesen Fall ein Steuersignal zum Einschalten des Leistungsschalters (1) und damit zum aktiven Abbau der Überspannung mittels des Leistungsschalters (1) bereitzustellen, wobei die Vorrichtung (9) eine Regelungseinrichtung (12) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, eine Häufigkeit an Eingriffen der Begrenzungseinrichtung (10) und/oder eine Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung (10) zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Häufigkeit und/oder der erfassten Intensität eine Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters (1) beim Ausschalten des Leistungsschalters (1) einzustellen, wobei die Intensität eine Zeitdauer einer Eingriffshandlung oder ein Anstieg der Spannung über den Schwellwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (12) zum Erfassen der Häufigkeit an Eingriffen der Begrenzungseinrichtung (10) einen Integrator (14) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begrenzen einer über einem Leistungsschalter abfallenden Spannung, mit einer Begrenzungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen beim Ausschalten des Leistungsschalters anliegenden und einen vorgegebenen Schwellwert überschreitenden Überspannungswert der Spannung zu detektieren und für diesen Fall ein Steuersignal zum Einschalten des Leistungsschalters und damit zum aktiven Abbau der Überspannung mittels des Leistungsschalters bereitzustellen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Spannungszwischenkreisumrichter mit einer Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Begrenzen einer über einem Leistungsschalter abfallenden Spannung.
Spannungszwischenkreisumrichter mit Leistungsschaltern sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Spannungszwischenkreisumrichter sind Umrichter, welche aus einer Wechselspannung eine in der Frequenz und Amplitude variable Wechselspannung generieren und bei welchen Energie beispielsweise in einem Zwischenkreiskondensator zwischengespeichert wird. Die Spannungszwischenkreisumrichter können beispielsweise einen eingangsseitigen Dreiphasengleichrichter, einen Gleichspannungskreis, welcher den Zwischenkreiskondensator umfasst, und einen ausgangsseitigen Wechselrichter umfassen. Als Leistungsschalter kann der Spannungszwischenkreisumrichter Leistungshalbleiterbauelemente, beispielsweise MOSFETs oder IG-BTs, aufweisen.
Aufgrund parasitärer Induktivitäten in einem Kommutierungskreis des Spannungszwischenkreisumrichters kann beim Abschalten eines Leistungsschalters eine Überspannung über dem Leistungsschalter abfallen, welche größer als die Zwischenkreisspannung ist. Um zu gewährleisten, dass diese Überspannung unterhalb einer maximal zulässigen Sperrspannung des Leistungsschalters bleibt, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Maßnahmen bekannt.
Eine solche Maßnahme, eine Spannung über dem Leistungsschalter zu begrenzen, wird anhand eines in 1 gezeigten Ausschnittes aus einem Spannungszwischenkreisumrichter gemäß dem Stand der Technik beschrieben. Der Spannungszwischenkreisumrichter weist mehrere Leistungsschalter auf, von denen hier ein Leistungsschalter 1 exemplarisch gezeigt ist. Der Leistungsschalter 1 ist über ein elektrisches Leitelement 2 und einen Anschluss 3 mit einem hier nicht dargestellten Zwischenkreis verbunden. Der Anschluss 3 weist dabei das Zwischenkreispotenzial UZK auf.
Der Leistungsschalter 1 wird von einer Treibereinrichtung 4 zum Schalten angesteuert. Dazu ist die Treibereinrichtung 4 über eine Diode D_{G_ein} und einen Einschaltwiderstand R_{G_ein} sowie über eine Diode D_{G_aus} und einen Ausschaltwiderstand R_{G_aus} mit einem Steuereingang S beziehungsweise einem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 1 elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt können für einen Einschaltvorgang und einen Ausschaltvorgang des Leistungsschalters 1 unterschiedliche Widerstände R_{G_ein}, R_{G_aus} bereitgestellt werden.
Der Treibereinrichtung 4 wird über eine Potenzialtrennstufe 6 ein Schaltsignal 5 zugeführt, in Abhängigkeit dessen sie ein Steuersignal für den Leistungsschalter 1, beispielsweise einen Steuerstrom für den Steuereingang S, bereitstellt. Die Treibereinrichtung 4 kann über eine hier nicht gezeigte Spannungsquelle mit einer elektrischen Spannung versorgt werden. Mit dem Versorgungsanschluss 7 kann eine Diode D_GC1 verbunden sein, die die maximale Spannung am Steuereingang S auf die Spannung der Versorgungsspannungsquelle begrenzt.
Der Spannungszwischenkreisumrichter weist eine parasitäre Induktivität auf, welche hier als eine Induktivität Ls des elektrischen Leitelementes 2 dargestellt ist. Aufgrund dieser Induktivität Ls kann beim Abschalten des Leistungsschalters 1 eine Überspannung über dem Leistungsschalter 1 abfallen, welche einen vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise die Zwischenkreisspannung UZK, überschreitet.
Um diese beim Abschalten des Leistungsschalters 1 über dem Leistungsschalter 1 abfallende Überspannung abzubauen beziehungsweise zu begrenzen, kann der Spannungszwischenkreisumrichter gemäß dem Stand der Technik eine Begrenzungseinrichtung 8 aufweisen. Die Ausdrücke „Überspannung abbauen“ und „Überspannung begrenzen“ werden im Folgenden synonym verwendet, da die Begrenzungseinrichtung 8 beispielsweise aufgrund von Verzögerungen nicht unbegrenzt schnell reagieren kann und die Überspannung während der Reaktionszeit weiter ansteigen kann. Gründe für eine Verzögerung sind beispielsweise die Laufzeiten innerhalb der Treiberschaltung 4 sowie eine Gatekapazität des Leistungsschalters 1.
Das Abbauen der Überspannung wird durch ein Wiedereinschalten des Leistungsschalters 1 mittels der Begrenzungseinrichtung 8, welche hier über einen Rückkopplungspfad mit einem Anschluss beziehungsweise einer Klemme des Leistungsschalters 1 sowie mit einem Eingang der Treibereinrichtung 4 verbunden ist, erreicht. Die Begrenzungseinrichtung 8 weist mehrere in Reihe geschaltete Zener-Dioden oder Transildioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 auf. Der Schwellwert wird dabei durch die Summe der Durchbruchspannungen oder Zenerspannungen Uz der einzelnen Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 bestimmt. Sobald die über dem Leistungsschalter 1 abfallende Spannung die Summe der Zenerspannungen Uz der Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 überschreitet, fließt ein Strom über die Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 und der Leistungsschalter 1 wird durch die Treibereinrichtung 4 zum Wiedereinschalten angesteuert. Dabei wird der Leistungsschalter 1 in einem linearen Bereich betrieben und die in der Induktivität Ls gespeicherte Energie von dem Leistungsschalter 1 in Wärme umgewandelt. Dieses Verfahren, den Leistungsschalter 1 selbst zum Abbauen der Überspannung zu nutzen, wird auch als „Active Clamping“ bezeichnet.
In 2 ist die Begrenzungseinrichtung 8 des Spannungszwischenkreisumrichters gemäß dem Stand der Technik über einen Widerstand R_GC direkt mit dem Steueranschluss oder dem Steuereingang S des Leistungsschalters 1 elektrisch verbunden. Um im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters 1 einen Stromfluss über die Begrenzungseinrichtung 8 zu vermeiden, weist die Begrenzungseinrichtung 8 hier zusätzlich eine Diode D_C1 auf. Um zu verhindern, dass bei einer sehr hohen Zwischenkreisspannung UZK im ausgeschalteten Zustand des Leistungsschalters 1 ständig ein Strom fließt, kann die Wirkung der Begrenzungseinrichtung 10 mittels des Kondensators C_C1 abhängig von einer Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung über dem Leistungsschalter 1 gemacht werden.
In dieser Ausführungsform gemäß 2 wird die Treibereinrichtung 4 beim Wiedereinschalten des Leistungsschalters 1 umgangen. Dadurch wirkt die Begrenzungseinrichtung 8 schneller, da eine Verzögerung der Treibereinrichtung 4 das Wiedereinschalten des Leistungsschalters 1 nicht beeinflusst. Darüber hinaus wird der Steuerstrom zum Einschalten des Leistungsschalters 1 nicht durch einen Maximalstrom der Treibereinrichtung 4 und den für das betriebsgemäße Einschalten, also das Einschalten des Leistungsschalters 1 ohne Vorliegen einer Überspannung, vorgesehenen Gatewiderstand R_{G_ein} limitiert.
Der Nachteil gemäß dem Stand der Technik, welcher in den 1 und 2 veranschaulicht ist, entsteht dadurch, dass die Kennlinien der eingesetzten Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 weich sind. Das bedeutet, dass die Spannung an einer der Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 die Zenerspannung Uz deutlich übersteigen muss, damit ein für das Wiedereinschalten des Leistungsschalters 1 ausreichender Strom fließt.
Außerdem muss der Schwellwert aufgrund der Temperaturabhängigkeit sowie der exemplarbedingten Streuung der Zenerspannungen U_Z der Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 konservativ, das heißt deutlich niedriger als der eigentlich gewünschte Schwellwert, gewählt werden. Zusätzlich verursacht der zum Wiedereinschalten des Leistungsschalters 1 benötigte Strom in den Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 hohe Verluste. Insbesondere bei einem häufigen Eingriff der Begrenzungsschaltung 8 müssen die Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 somit entsprechend groß dimensioniert werden.
Die gattungsgemäße Druckschrift US 2013/0155560 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einer Überspannungsschutzfunktion für ein Schaltelement welche dazu ausgelegt ist, einen beim Ausschalten des Leistungsschalters anliegenden Überspannungswert der Spannung zu reduzieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein besonders effizientes und verlustarmes Begrenzen einer über einem Leistungsschalter abfallenden Spannung bei gleichzeitig hoher Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters zu realisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, einen Spannungszwischenkreisumrichter sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Begrenzen einer über einem Leistungsschalter abfallenden Spannung. Die Vorrichtung umfasst eine Begrenzungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen beim Ausschalten des Leistungsschalters anliegenden und einen vorgegebenen Schwellwert überschreitenden Überspannungswert der Spannung zu detektieren und für diesen Fall ein Steuersignal zum Einschalten des Leistungsschalters und damit zum aktiven Abbau der Überspannung mittels des Leistungsschalters bereitzustellen. Um die Schaltgeschwindigkeit zu maximieren, weist die Vorrichtung eine Regelungseinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, eine Häufigkeit an Eingriffen, das heißt eine Eingriffsrate, und/oder eine Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Häufigkeit und/oder der erfassten Intensität eine Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters beim Ausschalten des Leistungsschalters einzustellen.
Der Leistungsschalter ist dabei beispielsweise als ein Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere als ein MOSFET mit einem Gate-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Drain-Anschluss, oder als ein IGBT mit einem Gate-Anschluss, einem Emitter-Anschluss und einem Kollektor-Anschluss, ausgestaltet. Die über dem Leistungsschalter abfallende Spannung entspricht dabei einer Drain-Source-Spannung oder einer Kollektor-Emitter-Spannung. Der Gate-Anschluss bildet einen Steuereingang oder einen Steueranschluss des Leistungsschalters, über welchen der Leistungsschalter einschaltbar und ausschaltbar ist. Der Leistungsschalter sowie die Vorrichtung sind insbesondere Komponenten eines Spannungszwischenkreisumrichters, welcher ebenfalls Teil der Erfindung ist.
Um die Überspannung, welche, beispielsweise aufgrund der bereits beschriebenen parasitären Induktivitäten, beim Ausschalten des Leistungsschalters über dem Leistungsschalter abfällt und den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, abzubauen, weist die Vorrichtung die Begrenzungseinrichtung auf. Die Begrenzungseinrichtung ist dazu ausgelegt, die Überspannung zu erfassen und bei Auftreten der Überspannung das Steuersignal zum Wiedereinschalten des Leistungsschalters und damit zum aktiven Abbau der Überspannung mittels des Leistungsschalters bereitzustellen. Dieses Steuersignal kann dem Steueranschluss des Leistungsschalters entweder direkt oder über eine Treibereinrichtung, welche zum Schalten des Leistungsschalters mit dem Steuereingang des Leistungsschalters verbunden ist, bereitgestellt werden. Durch das Steuersignal wird der Leistungsschalter in den eingeschalteten Zustand überführt und solange in dem eingeschalteten Zustand betrieben, bis sich die über dem Leistungsschalter abfallende Spannung bis unterhalb des Schwellwertes verringert hat.
Um nun ein sich wiederholendes Auftreten der Überspannung beim Ausschalten des Leistungsschalters und damit einen ständigen, periodischen Eingriff der Begrenzungseinrichtung zu verhindern, umfasst die Vorrichtung die Regelungseinrichtung. Die Regelungseinrichtung ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von der Häufigkeit an Eingriffen und/oder der Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung die Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters einzustellen oder dynamisch vorzugeben. Zum Erfassen der Häufigkeit an Eingriffen kann durch die Regelungseinrichtung beispielsweise eine Anzahl an bisherigen Eingriffen oder eine Anzahl an Eingriffen seit der zuletzt vorgenommenen Einstellung der Schaltgeschwindigkeit erfasst werden. Zum Erfassen der Intensität zumindest eines Eingriffes kann beispielsweise eine Zeitdauer einer Eingriffshandlung erfasst werden oder eine stark über den Schwellwert angestiegene Spannung erfasst werden. So kann eine Eingriffshandlung beispielsweise gewichtet werden, indem ein lang andauernder Eingriff höher bewertet beziehungsweise gewichtet wird als ein kurzer schwacher Eingriff. Auch kann eine gewichtete Häufigkeit von der Regelungseinrichtung erfasst werden, indem sowohl eine Anzahl an Eingriffen erfasst wird, als auch die Intensität der einzelnen Eingriffe ermittelt und gewichtet wird.
Durch das Einstellen der Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters kann verhindert werden, dass bei einem zukünftigen Ausschalten des Leistungsschalters die Überspannung überhaupt auftritt, also die über dem Leistungsschalter abfallende Spannung den Schwellwert überschreitet. Dabei wird die Schaltgeschwindigkeit ab einer bestimmten Häufigkeit an Eingriffen und/oder einer bestimmten Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung bei den darauffolgenden Abschaltvorgängen des Leistungsschalters zum Vermeiden der Überspannung reduziert. Auch ist die Regelungseinrichtung dazu ausgelegt, die Schaltgeschwindigkeit wieder zu erhöhen, wenn durch die Regelungseinrichtung erfasst wurde, dass die Begrenzungseinrichtung beispielsweise über einen längeren, vorbestimmten Zeitraum keinen Eingriff vorgenommen hat.
Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Weise jederzeit die höchst mögliche Schaltgeschwindigkeit für den Leistungsschalter vorgegeben werden. Dadurch können auch die Schaltverluste des Leistungsschalters minimiert werden. Darüber hinaus ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Begrenzungseinrichtung entlastet wird, da ein periodisches, immer wiederkehrendes Eingreifen der Begrenzungseinrichtung verhindert wird.
Bevorzugt weist die Begrenzungseinrichtung eine Spannungsquelle auf. Insbesondere werden die aus dem Stand der Technik bekannten Zener-Dioden zumindest teilweise, bevorzugt jedoch die gesamte Reihenschaltung der Zener-Dioden, durch die Spannungsquelle ersetzt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Schwellwert, also der Eingriffszeitpunkt der Begrenzungseinrichtung, nicht von den temperaturabhängigen und exemplarabhängigen Durchbruchspannungen der Zener-Dioden sondern von der Spannungsquelle bestimmt wird. Dadurch kann der Schwellwert maximiert werden, da die Spannungsquelle im Gegensatz zu den Zener-Dioden keine weiche Kennlinie aufweist.
Besonders bevorzugt ist die Spannungsquelle als ein Schaltnetzteil mit Potenzialtrennung ausgebildet. Das Schaltnetzteil weist einen Transformator und einen Kondensator auf. Mittels des Transformators kann der Kondensator in vorteilhafter Weise auf einen einstellbaren Schwellwert geladen werden. Anders ausgedrückt ist der Schwellwert über die Spannungsquelle, insbesondere über den Kondensator, einstellbar, sodass der Schwellwert beispielsweise abhängig von einer Temperatur der Leistungsschalter oder abhängig von den eingesetzten Leistungsschaltern angepasst werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Regelungseinrichtung zum Erfassen der Häufigkeit an Eingriffen und/oder der Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung einen Integrator auf. Der Integrator oder ein I-Glied ist dabei dazu ausgelegt, so lange ein Signal zum Verändern oder zum Einstellen der Schaltgeschwindigkeit bereitzustellen, bis kein Eingriff mehr durch die Begrenzungseinrichtung erfolgt. Mittels des I-Glieds kann eine besonders genaue Regelung der Schaltgeschwindigkeit erreicht werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Regelungseinrichtung zum Erfassen der Häufigkeit an Eingriffen der Begrenzungseinrichtung eine diskrete Schaltung mit einem Kondensator, einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand aufweist, wobei der erste Widerstand und der Kondensator ein erstes RC-Glied mit einer ersten Zeitkonstante und der zweite Widerstand und der Kondensator ein zweites RC-Glied mit einer zweiten Zeitkonstante bilden. Die diskrete Schaltung wirkt dabei wie ein PT1-Glied mit unterschiedlichen Zeitkonstanten für das Laden des Kondensators und das Entladen des Kondensators. Dabei ist die erste Zeitkonstante insbesondere kleiner als die zweite Zeitkonstante. Somit kann auf Eingriffe durch die Begrenzungseinrichtung besonders schnell reagiert werden, da der Kondensator bei einem Eingriff durch die Begrenzungseinrichtung über den ersten Widerstand schnell geladen wird. Daraufhin wird die Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters verringert, um die Begrenzungseinrichtung zu entlasten.
Wenn die Begrenzungseinrichtung nicht mehr eingreift, wird der Kondensator über den zweiten Widerstand langsam entladen. Durch das langsame Entladen des Kondensators kann die Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters bei dem, über einen vorbestimmten Zeitraum, welcher durch die zweite Zeitkonstante vorgegeben wird, Ausbleiben von Eingriffen durch die Begrenzungseinrichtung langsam wieder erhöht werden. Somit kann der Leistungsschalter in vorteilhafter Weise jederzeit mit maximaler Steilheit geschaltet werden. Zudem ist eine Regelungseinrichtung, welche zum Erfassen der Häufigkeit wenige, diskrete Bauteilen aufweist, besonders einfach gestaltet.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Eingriff der Begrenzungseinrichtung, insbesondere eine Intensität eins Eingriffes, oder eine Überspannung über dem Leistungsschalter auch durch eine Messung der Spannung selbst, welche über dem Leistungsschalter abfällt, detektiert werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Regelungseinrichtung zum Einstellen der Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung am Steuereingang des Leistungsschalters zu steuern. Dazu kann die Regelungseinrichtung mit dem Steuereingang des Leistungsschalters verbunden sein und beispielsweise einen durch die Treibereinrichtung bereitgestellten Steuerstrom zum Einstellen der Schaltgeschwindigkeit verändern.
Vorzugsweise weist die Regelungseinrichtung zum Steuern des elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung an dem Steuereingang des Leistungsschalters einen dynamisch einstellbaren Widerstand auf. Der Widerstand ist dabei mit dem Steuereingang des Leistungsschalters sowie mit einem Anschluss der Treibereinrichtung elektrisch verbindbar. Um die Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters zu verringern, kann der Wert des dynamisch veränderbaren Widerstandes von der Regelungseinrichtung erhöht werden. Um die Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters zu erhöhen, kann der Wert des dynamisch veränderbaren Widerstandes von der Regelungseinrichtung verringert werden. Somit kann auf besonders einfache Weise der Strom und/oder die Spannung am Steuereingang des Leistungsschalters und damit eine Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters dynamisch an eine Häufigkeit an Eingriffen und/oder eine Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung angepasst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der dynamisch einstellbare Widerstand bevorzugt zumindest zwei elektrische Widerstände und eine Schalteinrichtung auf, wobei die zumindest zwei elektrischen Widerstände mittels der Schalteinrichtung zu einer Parallelschaltung zusammen schaltbar sind. Dabei kann ein erster der Widerstände dauerhaft elektrisch mit dem Steuereingang des Leistungsschalters und dem Treiberausgang verbunden sein. Bei geöffneter Schalteinrichtung wird der Wert des Gatewiderstandes am Steuereingang des Leistungsschalters nur durch den Wert des ersten Widerstandes vorgegeben. Bei geschlossener Schalteinrichtung wird zumindest ein zweiter der Widerstände zu dem ersten Widerstand parallel geschaltet und der Wert des Gatewiderstandes durch den Wert des Gesamtwiderstandes der Parallelschaltung der parallel geschalteten Widerstände bestimmt. Bei einer als Transistorschaltung ausgestalteten Schalteinrichtung können durch den Betrieb der Transistorschaltung in einem linearen Bereich in Abhängigkeit der Häufigkeit an Eingriffen und/oder der Intensität an Eingriffen durch die Begrenzungseinrichtung stufenlos Werte zwischen dem Wert des ersten Widerstandes und dem Wert des Gesamtwiderstandes der Parallelschaltung eingestellt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Spannungszwischenkreisumrichter mit zumindest einem Leistungsschalter, einer jeweiligen Treibereinrichtung, welche zum Ansteuern des jeweiligen Leistungsschalters mit einem Steueranschluss des jeweiligen Leistungsschalters verbunden ist, einer Spannungsversorgungseinrichtung zum Versorgen der Treibereinrichtung und zumindest einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Treibereinrichtung kann beispielsweise als ein Stromquellentreiber oder als ein intelligenter Treiber ausgestaltet sein, welcher einen vorgebbaren Stromverlauf und/oder Spannungsverlauf erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform des Spannungszwischenkreisumrichters ist die Begrenzungseinrichtung der zumindest einen Vorrichtung zum Bereitstellen des Steuersignals direkt mit dem Steuereingang des Leistungsschalters elektrisch verbunden. Somit kann in vorteilhafter Weise eine Verzögerung der Treibereinrichtung beim Schalten des Leistungsschalters vermieden werden.
Alternativ dazu kann die Begrenzungseinrichtung mit einem Eingang der Treibereinrichtung elektrisch verbunden sein, wobei die Treibereinrichtung dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit des Steuersignals der Begrenzungseinrichtung ein weiteres Steuersignal zum Einschalten des Leistungsschalters bereitzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Spannungszwischenkreisumrichters weist die Begrenzungseinrichtung eine Spannungsquelle auf. Die Spannungsquelle umfasst einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung und einen Kondensator, wobei der Kondensator mittels des Transformators geladen wird. Außerdem weist der Transformator eine weitere Sekundärwicklung auf. Über einen durch die Primärwicklung und die weitere Sekundärwicklung gebildeten Transformator kann die Treibereinrichtung mit Energie versorgt werden. Somit verringert sich in vorteilhafter Weise ein Realisierungsaufwand für den Spannungszwischenkreisumrichter.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum Begrenzen einer über einem Leistungsschalter abfallenden Spannung, bei welchem ein beim Ausschalten des Leistungsschalters anliegender und einen vorgegebenen Schwellwert überschreitender Überspannungswert der Spannung von einer Begrenzungseinrichtung detektiert wird und für diesen Fall von der Begrenzungseinrichtung ein Steuersignal für einen Steuereingang des Leistungsschalters zum Einschalten des Leistungsschalters und damit zum aktiven Abbau der Überspannung mittels des Leistungsschalters bereitgestellt wird. Darüber hinaus wird eine Häufigkeit an Eingriffen und/oder eine Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung erfasst und in Abhängigkeit von der erfassten Häufigkeit und/oder der erfassten Intensität eine Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters beim Ausschalten des Leistungsschalters eingestellt.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Spannungszwischenkreisumrichter sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Leistungsschalters und einer Begrenzungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Leistungsschalters und einer Begrenzungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik;
3 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Begrenzungseinrichtung und einer Regelungseinrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters und einer Ausführungsform einer Begrenzungseinrichtung sowie einer Regelungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters und einer weiteren Ausführungsform einer Regelungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters und einer weiteren Ausführungsform einer Begrenzungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
7 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters und einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen dabei die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung auch jeweils unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
3 zeigt den Leistungsschalter 1 eines Spannungszwischenkreisumrichters, dessen Steuereingang S über die Diode D_{G_ein} und den Widerstand R_{G_ein} sowie über die D_{G_aus} und einen dynamisch veränderbaren Widerstand R_GD mit der Treibereinrichtung 4 verbunden ist und von der Treibereinrichtung 4 zum Einschalten und Ausschalten angesteuert wird. Die Treibereinrichtung 4 kann als ein Stromquellentreiber oder als ein intelligenter Treiber ausgestaltet sein, welcher einen vorgegebenen Stromverlauf und/oder einen vorgegebenen Spannungsverlauf für den Steuereingang S des Leistungsschalters 1 bereitstellt.
Die über dem Leistungsschalter 1 abfallende Spannung kann mittels einer Vorrichtung 9 zum Begrenzen der Spannung begrenzt werden. Die Vorrichtung 9 weist eine Begrenzungseinrichtung 10 auf, mittels welcher eine beim Ausschalten des Leistungsschalters 1 über dem Leistungsschalter 1 abfallende Überspannung, welche einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, detektiert und abgebaut werden kann. Die Begrenzungseinrichtung 10 ist hier über einen Rückkopplungspfad mit dem Anschluss des Leistungsschalters 1 sowie mit dem Eingang der Treibereinrichtung 4 verbunden.
Die Begrenzungseinrichtung 10 umfasst hier eine Spannungsquelle 11, eine Diode D_C1 sowie eine optionale Zener-Diode D_ZC. Die Spannungsquelle 11 ersetzt dabei die Serienschaltung der Zener-Dioden D_Z1, D_Z2, D_Z3, D_Z4 aus den 1 und 2. Die Spannungsquelle 11 liefert eine Spannung U_H. Der Schwellwert, bei welchem die Begrenzungseinrichtung 10 eine über dem Leistungsschalter 1 abfallende Überspannung begrenzt, setzt sich also aus der Summe der Spannung U_H der Spannungsquelle 11 und der Zenerspannung Uz der Zener-Diode Dzc zusammen. Sobald also an dem Leistungsschalter 1 die den Schwellwert überschreitende Überspannung anliegt, stellt die Begrenzungseinrichtung 10 ein Steuersignal zum Wiedereinschalten des Leistungsschalters 1 und damit zum Abbauen der Überspannung bereit. Hier wird das Steuersignal dem Eingang der Treibereinrichtung 4 zum Auslösen des Wiedereinschaltvorganges bereitgestellt.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung 9 eine Regelungseinrichtung 12 auf, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit einer Häufigkeit an Eingriffen und/oder einer Intensität zumindest eines Eingriffes durch die Begrenzungseinrichtung 10 eine Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 1 einzustellen. Zum Einstellen der Schaltgeschwindigkeit weist die Regelungseinrichtung 12 hier den dynamisch veränderbaren Widerstand R_GD auf. Je häufiger die Begrenzungseinrichtung 10 zum Abbauen der Überspannung eingreift, desto mehr wird die Schaltgeschwindigkeit durch Vergrößern des Widerstandes R_GD an dem Steuereingang S des Leistungsschalters 1 verringert. Dadurch kann bei einem darauffolgenden Ausschaltvorgang des Leistungsschalters 1 die Überspannung vermieden werden. Wenn die Begrenzungseinrichtung 10 beispielsweise über einen vorgegebenen Zeitraum keinen Eingriff zum Abbauen der Überspannung an dem Leistungsschalter 1 vorgenommen hat, ist die Regelungseinrichtung 12 dazu ausgelegt, die Schaltgeschwindigkeit durch Verringern des Widerstandes R_GD an dem Steuereingang S des Leistungsschalters 1 zu erhöhen. Mittels der Dioden D_{G_ein}, D_{G_aus} kann sichergestellt werden, dass die durch die Änderung der Schaltgeschwindigkeit beim Ausschalten des Leistungsschalters 1 das betriebsgemäße Einschalten des Leistungsschalters 1 nicht verändert wird.
In 4 ist die Vorrichtung 9 mit Ausführungsformen der Spannungsquelle 11 der Begrenzungseinrichtung 10 und der Regelungseinrichtung 12 gezeigt. Die Spannungsquelle 11 ist hier als ein Schaltnetzteil mit Potenzialtrennung ausgebildet, welches einen Transformator 13 sowie einen Kondensator C_H aufweist. Dabei wird der von dem Transformator 13 bereitgestellte Wechselstrom von einer Diode D_H des Schaltnetzteils gleichgerichtet und zum Laden des Kondensators C_H bereitgestellt. Optional kann dem Kondensator C_H zum Entladen des Kondensators C_H ein Widerstand R_H1 parallel geschaltet werden. Ein weiterer optionaler Widerstand R_H2 dient zur Strombegrenzung.
Die Regelungseinrichtung 12 weist hier ein I-Glied oder einen Integrator 14 auf, welcher in Abhängigkeit einer Abweichung einer Spannung, welche über einem Widerstand R_C1 abfällt, von einem Sollwert der Spannung U_Soll eine Stellgröße zum Verändern der Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 1 bereitstellt. Zum Verändern der Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 1 weist die Regelungseinrichtung 12 als den dynamisch veränderbaren Widerstand R_GD gemäß 3 zwei elektrische Widerstände R_G1 und R_G2 auf, welche über eine Schalteinrichtung 15 zu einer Parallelschaltung zusammenschaltbar sind. Die Schalteinrichtung 15 weist dabei eine Transistorschaltung aus drei Transistoren T_C1, T_C2, T_C3 auf.
Zum Bereitstellen der maximalen Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 1 wird der dynamisch veränderbare Widerstand R_GD auf den minimalen Wert eingestellt. Dazu wird der Transistor T_C3 voll aufgesteuert, so dass sich der Widerstand am Steuereingang S des Leistungsschalters 1 aus dem Gesamtwiderstand der Parallelschaltung der Widerstände R_G1 und R_G2 ergibt. Zum Bereitstellen der minimalen Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 1 wird der dynamisch veränderbare Widerstand R_GD auf den maximalen Wert eingestellt. Dazu wird der Transistor T_C3 abgeschaltet, sodass am Steuereingang S des Leistungsschalters 1 nur der Widerstand R_G1 anliegt. Wenn die Transistoren T_C1, T_C2, T_C3 in einem linearen Bereich betrieben werden, können Widerstandswerte zwischen dem maximalen Wert und dem minimalen Wert und damit eine Schaltgeschwindigkeit stufenlos eingestellt werden.
5 zeigt die Vorrichtung 9 mit einer weiteren Ausführungsform der Regelungseinrichtung 12. Hierbei weist die Regelungseinrichtung 12 zum Erfassen der Häufigkeit des Eingriffes durch die Begrenzungseinrichtung 10 eine diskrete Schaltung 16 auf. Die diskrete Schaltung 16 umfasst eine Diode D_C2, zwei Widerstände R_C4, R_C5 sowie einen Kondensator C_C1. Dabei bilden der Kondensator C_C1 und der Widerstand R_C4 ein erstes RC-Glied mit einer ersten Zeitkonstante und der Kondensator C_C1 und der Widerstand +R_C5 ein RC-Glied mit einer zweiten Zeitkonstante. Die diskrete Schaltung 16 wirkt wie ein PT1-Glied mit unterschiedlichen Zeitkonstanten für das Laden und das Entladen des Kondensators C_C1. Dabei ist die Zeitkonstante des ersten RC-Gliedes bevorzugt kleiner als die Zeitkonstante des zweiten RC-Gliedes.
Sobald die Begrenzungseinrichtung 10 einen Eingriff zum Abbauen der Überspannung am Leistungsschalter 1 vornimmt, wird der Kondensator C_C1 über den Widerstand R_C4 aufgeladen und die Transistoren T_C1, T_C2, T_C3 zur Vergrößerung des Widerstandes R_GD und damit zur Verringerung der Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 1 angesteuert. Wenn die Begrenzungseinrichtung 10 über einen längeren Zeitraum keinen Eingriff vorgenommen hat, entlädt sich der Kondensator Cci aufgrund der zweiten, größeren Zeitkonstante langsam über den Widerstand R_C5 und die Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters 1 wird durch Verringern des Widerstandes R_GD wieder erhöht.
Alternativ oder zusätzlich zu den Ausführungsformen gemäß 4 und 5 kann der Eingriff der Begrenzungseinrichtung 10 oder die Überspannung auch direkt über eine Messung der Spannung über dem Leistungsschalter 1 detektiert werden.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Begrenzungseinrichtung 10 der Vorrichtung 9. Hier ist die Begrenzungseinrichtung 10 über den Widerstand R_GC direkt mit dem Steueranschluss S des Leistungsschalters 1 verbunden. So kann eine etwaige Verzögerung der Treibereinrichtung 4 beim Schalten verhindert werden. Eine Diode D_GC2 sperrt einen Stromfluss in Richtung des Kondensators C_H.
7 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 9, mittels welcher auch die Treibereinrichtung 4 mit einer elektrischen Spannung versorgbar ist. Dazu wird der Transformator 13 der Spannungsquelle 11 der Begrenzungseinrichtung 10, welcher eine Primärwicklung 17 und eine Sekundärwicklung 18 aufweist und zum Laden des Kondensators C_H dient, um eine weitere Sekundärwicklung 19 erweitert. Über den durch die Primärwicklung 17 und die weitere Sekundärwicklung 19 gebildeten Transformator wird über eine Diode D_DC ein Kondensator C_DC geladen. Die Spannung des Kondensators C_DC kann an dem Versorgungsanschluss 7 abgegriffen werden und der Treibereinrichtung 4, aber auch der Transistorschaltung 15 der Regelungseinrichtung 12, bereitgestellt werden. Anders ausgedrückt, kann also in vorteilhafter Weise die Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung des Leistungsschalters 1, welche die Treibereinrichtung 4 sowie die Regelungseinrichtung 12 umfasst, in dem gleichen Schaltnetzteil gebildet werden.
Insgesamt ist also durch die Erfindung eine aktive Begrenzung der Schaltüberspannung eines Leistungshalbhalbleiters 1 gezeigt.

Claims

Vorrichtung (9) zum Begrenzen einer über einem Leistungsschalter (1) abfallenden Spannung, mit einer Begrenzungseinrichtung (10), welche dazu ausgelegt ist, einen beim Ausschalten des Leistungsschalters (1) anliegenden und einen vorgegebenen Schwellwert überschreitenden Überspannungswert der Spannung zu detektieren und für diesen Fall ein Steuersignal zum Einschalten des Leistungsschalters (1) und damit zum aktiven Abbau der Überspannung mittels des Leistungsschalters (1) bereitzustellen, wobei die Vorrichtung (9) eine Regelungseinrichtung (12) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, eine Häufigkeit an Eingriffen der Begrenzungseinrichtung (10) und/oder eine Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung (10) zu erfassen und in Abhängigkeit von der erfassten Häufigkeit und/oder der erfassten Intensität eine Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters (1) beim Ausschalten des Leistungsschalters (1) einzustellen, wobei die Intensität eine Zeitdauer einer Eingriffshandlung oder ein Anstieg der Spannung über den Schwellwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (12) zum Erfassen der Häufigkeit an Eingriffen der Begrenzungseinrichtung (10) einen Integrator (14) aufweist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungseinrichtung (10) eine Spannungsquelle (11) zum Bereitstellen des Schwellwertes aufweist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 2, wobei die Spannungsquelle (11) als ein Schaltnetzteil umfassend einen Transformator (13) und einen Kondensator (C_H) ausgebildet ist.
Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (12) zum Erfassen der Häufigkeit an Eingriffen der Begrenzungseinrichtung (10) eine diskrete Schaltung (16) mit einem Kondensator (C_C1), einem ersten Widerstand (R_C4) und einem zweiten Widerstand (R_C5) aufweist, wobei der erste Widerstand (R_C4) und der Kondensator (C_C1) ein erstes RC-Glied mit einer ersten Zeitkonstante und der zweite Widerstand (R_C5) und der Kondensator (C_C1) ein zweites RC-Glied mit einer zweiten Zeitkonstante bilden.
Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (12) zum Einstellen der Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters (1) dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung an einem Steuereingang (S) des Leistungsschalters (1) zu steuern.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 5, wobei die Regelungseinrichtung (12) zum Steuern des elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung an einem Steuereingang (S) des Leistungsschalters (1) einen dynamisch einstellbaren Widerstand (R_GD) aufweist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 6, wobei der dynamisch einstellbare Widerstand (R_GD) zumindest zwei elektrische Widerstände (R_G1, R_G2) und eine Schalteinrichtung (15) aufweist, wobei die Schalteinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, die zumindest zwei elektrischen Widerstände (R_G1, R_G2) in Abhängigkeit von einem Steuersignal zu einer Parallelschaltung zusammenzuschalten.
Spannungszwischenkreisumrichter mit zumindest einem Leistungsschalter (1), einer jeweiligen Treibereinrichtung (4), welche zum Ansteuern des jeweiligen Leistungsschalters (1) mit einem Steuereingang (S) des jeweiligen Leistungsschalters (1) verbunden ist, und zumindest einer Vorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Spannungszwischenkreisumrichter nach Anspruch 8, wobei die Begrenzungseinrichtung (10) der zumindest einen Vorrichtung (9) zum Bereitstellen des Steuersignals direkt mit dem Steuereingang (S) des zumindest einen Leistungsschalters (1) elektrisch verbunden ist.
Spannungszwischenkreisumrichter nach Anspruch 8, wobei die Begrenzungseinrichtung (10) mit einem Eingang der Treibereinrichtung (4) elektrisch verbunden ist, wobei die Treibereinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit des Steuersignals ein weiteres Steuersignal zum Einschalten des zumindest einen Leistungsschalters (1) bereitzustellen.
Spannungszwischenkreisumrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Begrenzungseinrichtung (10) eine Spannungsquelle (11) aufweist, welche einen Transformator (13) mit einer Primärwicklung (18) und einer Sekundärwicklung (19) und einen Kondensator (C_H) umfasst, und der Transformator (13) eine weitere Sekundärwicklung (20) aufweist, über welche die Treibereinrichtung (4) mit Energie versorgbar ist.
Verfahren zum Begrenzen einer über einem Leistungsschalter (1) abfallenden Spannung, bei welchem ein beim Ausschalten des Leistungsschalters (1) anliegender und einen vorgegebenen Schwellwert überschreitender Überspannungswert der Spannung von einer Begrenzungseinrichtung (10) detektiert wird und für diesen Fall von der Begrenzungseinrichtung (10) ein Steuersignal zum Einschalten des Leistungsschalters (1) und damit zum aktiven Abbau der Überspannung mittels des Leistungsschalters (1) bereitgestellt wird, wobei eine Häufigkeit an Eingriffen der Begrenzungseinrichtung (10) und/oder eine Intensität zumindest eines Eingriffes der Begrenzungseinrichtung (10) erfasst wird und in Abhängigkeit von der erfassten Häufigkeit und/oder der erfassten Intensität eine Schaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters (1) beim Ausschalten des Leistungsschalters (1) eingestellt wird, wobei die Intensität eine Zeitdauer einer Eingriffshandlung oder ein Anstieg der Spannung über den Schwellwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (12) die Häufigkeit an Eingriffen der Begrenzungseinrichtung (10) durch einen Integrator (14) erfasst.