DE102019129728B4 - Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters - Google Patents

Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) eines Umrichters (1), wobei das Halbbrücken-Leistungsmodul (2) einen ersten Schalter (S1, S3, S5) und einen zweiten Schalter (S2, S4, S6) aufweist, mit den Schritten:
- Ausschalten (10) der Schalter (S1-S6);
- Vorladen (11) eines Zwischenkreises des Umrichters (1) mit einer Zwischenkreisspannung (UZk);
- Einprägen (12) eines Konstantstromes (IM) in einen Phasenanschluss (3) des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2);
- Auswerten (13) einer sich über den Schaltern (S1-S6) einstellenden Spannung (UM); und
- Ermitteln (14) einer Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) auf Basis der Auswertung (13) der Spannung (UM).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters. Die Erfindung betrifft zudem eine Anlage mit zumindest einem Umrichter, in der eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird oder in der ein erfindungsgemäßes Verfahren umgesetzt ist.
  • Untersuchungen zu den Ausfallursachen von Windenergieanlagen haben gezeigt, dass die Phasenmodule der verbauten Umrichter einer der häufigsten Gründe für Ausfälle und Stillstandzeiten sind. Das Phasenmodul beschreibt dabei die Halbbrückenanordnungen aus Leistungsmodulen, welche die geschalteten Ausgangsspannungen des Umrichters erzeugen. Als hauptsächlich für den Ausfall eines Phasenmoduls verantwortliche Komponente wird oftmals das Leistungsmodul angesehen. In der Literatur wird in der Regel davon ausgegangen, dass der Hauptausfallgrund der Leistungsmodule die thermischen Zyklen der Module sind, die zu Bonddrahtablösungen oder Lotschichtdegradation führen können. Andere Untersuchungen [1, 2] legen jedoch nahe, dass die Feuchtigkeitsbeanspruchung der Module mindestens in einem ähnlichen Maße zu Ausfällen führt. Die Ergebnisse einer statistischen Analyse umfassender Feldausfalldaten auf der Grundlage eines Datensatzes von mehr als 2900 Windenergieanlagen werden im Artikel von K. Pelka et al.: „Failure Behaviour of Power Converters in Wind Turbines“ [4] vorgestellt. Die Analyse zielt darauf ab, die Umrichterzuverlässigkeit von Anlagen mit unterschiedlichen Generator-Umrichter-Konzepten zu vergleichen und das zeitliche Ausfallverhalten der Kernkomponente ‚Phasenmodul‘ der Umrichter zu ermitteln.
  • Handelsübliche Umrichtersysteme für Windenergieanlagen oder andere Anwendungen weisen nach derzeitigem Stand keine Sensorsysteme auf, um Feuchtigkeitsschäden zu detektieren. Es werden vor allem Simulationen vor Inbetriebnahme der Anlagen durchgeführt und mit Degradationsmodellen gekoppelt. Nach aktuellem Stand der Forschung gibt es bereits Konzepte zur Erfassung von Feuchtigkeit in Leistungsmodulen, welche genutzt werden können, um Informationen über den Alterungszustand zu erlangen. Dabei werden in der Regel zusätzliche Feuchtigkeitssensoren mit in das Leistungsmodul eingebracht, welche beispielsweise auf dünne Substrate aufgedruckt werden können. Durch die Messdaten dieser Sensoren kann Feuchtigkeit innerhalb des Moduls punktuell gemessen und ihr Fortschritt über Modelle beobachtet werden.
  • DE 10 2015 225 909 A1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion einer Alterung einer zumindest ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung. Bei dem Verfahren wird ein Anregungssignal bereitgestellt, das ausgebildet ist, um zum Eintragen einer Verlustleistung in das Halbleiterbauelement einen Durchfluss eines zumindest näherungsweise halbsinusförmigen Anregungsstroms durch das Halbleiterbauelement zu bewirken. Zudem wird ein Temperatursignal eingelesen, das einen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Halbleiterbauelements abbildet. Unter Verwendung des Temperatursignals wird ein die Alterung der leistungselektronischen Vorrichtung repräsentierender Alterungswert bestimmt.
  • DE 10 2013 211 038 B3 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustands für einen konkreten Leistungshalbleiter. Vor Inbetriebnahme des Halbleiterbauelements werden eine Temperatur-Spannungs-Kennlinie und ein Widerstandsreferenzwert des thermischen Widerstands des Halbleiterbauelements ermittelt. Nach der Inbetriebnahme wird dann zur Bestimmung eines aktuellen thermischen Widerstandswerts ein Temperaturhub des Halbleiterbauelements bei dessen Erwärmung bestimmt. Anschließend wird ein Unterschied zwischen dem aktuellen thermischen Widerstandswert und dem Widerstandsreferenzwert ermittelt und in Abhängigkeit davon eine Information über den Alterszustand abgegeben.
  • DE 10 2017 205 477 A1 beschreibt ein Verfahren zur Diagnose der Schaltelemente in einem Wechselrichter. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, einen Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters aufzuladen und gezielt entweder ein Schaltelement der oberen Schalter in den Halbbrücken des Wechselrichters oder ein Schaltelement der unteren Schalter der Halbbrücken des Wechselrichters zu schließen. Durch Überwachen des Spannungsverlaufs über dem Zwischenkreiskondensator kann daraufhin festgestellt werden, ob eines der Schaltelemente in dem Wechselrichter einen Fehler aufweist.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, alternative Lösungen für das Erkennen von geschädigten Leistungsmodulen eines Umrichters bereitzustellen, die das Erkennen von Schädigungen ermöglichen, bevor der Umrichter in Betrieb genommen wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Computerprogramm mit Instruktionen mit den Merkmalen des Anspruchs 9, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters, wobei das Halbbrücken-Leistungsmodul einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist, die Schritte:
    • - Ausschalten der Schalter;
    • - Vorladen eines Zwischenkreises mit einer Zwischenkreisspannung;
    • - Einprägen eines Konstantstromes in einen Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls;
    • - Auswerten einer sich über den Schaltern einstellenden Spannung; und
    • - Ermitteln einer Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls auf Basis der Auswertung der Spannung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der folgenden Schritte zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters, wobei das Halbbrücken-Leistungsmodul einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist, veranlassen:
    • - Ausschalten der Schalter;
    • - Vorladen eines Zwischenkreises mit einer Zwischenkreisspannung;
    • - Einprägen eines Konstantstromes in einen Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls;
    • - Auswerten einer sich über den Schaltern einstellenden Spannung; und
    • - Ermitteln einer Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls auf Basis der Auswertung der Spannung.
  • Der Begriff Computer ist dabei breit zu verstehen. Insbesondere umfasst er auch Mikrocontroller, FPGAs (FPGA: Field Programmable Gate Array; vor Ort programmierbare (Logik-)Gatter-Anordnung) und andere prozessorbasierte Datenverarbeitungsvorrichtungen mit programmierbarer und nichtprogrammierbarer Logik.
  • Das Computerprogramm kann beispielsweise für einen elektronischen Abruf bereitgestellt werden oder auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hat eine Vorrichtung zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters, wobei das Halbbrücken-Leistungsmodul einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist:
    • - ein Steuerungsmodul zum Ausschalten der Schalter, zum Vorladen eines Zwischenkreises mit einer Zwischenkreisspannung und zum Einprägen eines Konstantstromes in einen Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls;
    • - ein Messmodul zum Auswerten von Leckströmen der Schalter unter Verwendung eines in das Halbbrücken-Leistungsmodul eingeprägten Konstantstromes; und
    • - ein Auswertemodul zum Ermitteln einer Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls auf Basis der Auswertung der Spannung.
  • Die erfindungsgemäße Lösung benötigt keine weiteren Sensoren innerhalb des Moduls, weshalb handelsübliche Leistungsmodule ohne Anpassung verwendet werden können. Anstatt Feuchtigkeitssensoren innerhalb eines Umrichters auszuwerten und auf eine Schädigung rückzuschließen, werden vorhandene elektrische Größen des Umrichters ausgewertet, welche direkt durch die Moduldegradation beeinflusst werden. Dazu ist lediglich das Einbringen einer einfachen Messschaltung erforderlich. Da nicht die Ausbreitung der Feuchtigkeit innerhalb des Moduls überwacht und modelliert werden muss, sondern direkt Schädigungen erfasst werden, ist es ausreichend, diese Messung während der Stillstandzeiten der Anlagen auszuführen. Dies ist besonders interessant für die Nutzung in Windenergieanlangen, in der Photovoltaik oder in der Elektrotraktion.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Umrichter ein Zweipunkt-Wechselrichter. Zweipunkt-Wechselrichter verwenden üblicherweise Halbbrücken-Leistungsmodule, sodass eine Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung für derartige Umrichter besonders vorteilhaft ist. Das Verfahren ist dabei unabhängig von dem eingesetzten Halbleitermaterial oder der Halbleitertechnologie der Schalter. Es kann beispielsweise auf Module mit IGBTs (IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor; Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) und antiparalleler Diode, als auch auf Module mit MOSFETs (MOSFET: Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Es ist auf Halbleiter aus Silizium, aus Siliziumcarbid oder anderen Materialen anwendbar.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Konstantstrom mittels einer ersten Konstantstromquelle und einer zweiten Konstantstromquelle eingeprägt, wobei die erste Konstantstromquelle zwischen dem Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls und einem positiven Potential der Zwischenkreisspannung angeordnet ist und die zweite Konstantstromquelle zwischen dem Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls und einem negativen Potential der Zwischenkreisspannung angeordnet ist. Mit diesem Ansatz wird es auf einfache Weise ermöglicht, einen regelbaren Konstantstrom einzuprägen. Dabei ist es ausreichend, die Konstantstromquellen so groß zu dimensionieren, dass sie den gesamten Leckstrom der Schalter treiben können.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt, die eine Abhängigkeit zwischen dem eingeprägten Konstantstrom und einer für den eingeprägten Konstantstrom erfassten Mittelpunktspannung wiedergibt. Die Mittelpunktsspannung beschreibt dabei die Spannung zwischen dem Mittelpunkt des oberen und unteren Schalters bezogen auf das negative oder positive Zwischenkreispotential. Die Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls wird dann anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt, die durch die auftretenden Leckströme stark beeinflusst wird.
  • Messungen haben gezeigt, dass verschiedene Modultypen ein unterschiedliches Verhalten infolge von Alterung aufweisen. Bei einem ersten Modultyp weisen die Strom-Spannungs-Kennlinien eine Knickstelle mit einem stark ansteigenden Strom auf. Diese Knickstelle wandert mit der Alterung zu immer niedrigeren Spannungswerten. Bei einem zweiten Modultyp kommt es zu keinem plötzlichem Stromanstieg. Stattdessen erhöht sich der Kriechstrom über den gesamten Spannungsbereich. Für beide Modultypen ist die gleiche Messschaltung und Ansteuerung möglich, die Auswertung der sich ergebenden Strom-Spannungs-Kennlinie unterscheidet sich aber.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird bei einem Modul vom ersten Typ ein positiver Konstantstrom in den Phasenanschluss eingeprägt. Dieser wird erhöht, bis die Mittelpunktspannung die positive Zwischenkreisspannung erreicht oder die Mittelpunktspannung trotz Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes signifikant schwächer wächst. Durch die Auswertung des Verhaltens bei Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes kann der Spannungswert für die Knickstelle für den zweiten Schalter bestimmt werden. Die an diesem Punkt anliegende Spannung am zweiten Schalter stellt seine Restspannungsfestigkeit dar.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird bei einem Modul vom ersten Typ ein negativer Konstantstrom in den Phasenanschluss eingeprägt. Dieser wird erhöht, bis die Mittelpunktspannung die negative Zwischenkreisspannung erreicht oder die Mittelpunktspannung trotz Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes signifikant schwächer sinkt. Durch die Auswertung des Verhaltens bei Erhöhung des eingeprägten negativen Konstantstromes kann der Spannungswert für die Knickstelle für den ersten Schalter bestimmt werden. Die an diesem Punkt anliegende Spannung am ersten Schalter stellt seine Restspannungsfestigkeit dar.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Zwischenkreisspannung mindestens so groß, wie eine notwendige Spannungsfestigkeit eines einzelnen Schalters. Damit ist ein sicherer Betrieb möglich, sofern die Schalter eine Restspannungsfestigkeit von mindestens der halben notwendigen Spannungsfestigkeit im Betrieb haben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird bei einem Modul vom zweiten Typ die Mittelpunktspannung auf feste Werte eingestellt und es wird der für die jeweiligen festen Werte erforderliche Konstantstrom gemessen. Da die Zwischenkreisspannung und die Mittelpunktspannung bekannt sind, ist auch die Spannung über dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter bekannt. Erhöht sich der Leckstrom in einem der Schalter, wird ein betragsmäßig größerer Strom benötigt, um die gleiche Verschiebung der Mittelpunktspannung zu erreichen. Ein direkter Rückschluss auf die Restspannungsfestigkeit ist beim zweiten Modultyp nicht möglich. Der nötige Konstantstrom für die Verschiebung der Mittelpunktspannung lässt aber Rückschlüsse auf die Degradation zu. Zusätzlich kann die Messung in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden und mit historischen Daten verglichen werden. Wie hoch sich der Leckstrom in Summe durch alle Schalter erhöht hat, kann durch diese Messung quantitativ bestimmt werden. Diese Erhöhung kann als Alterungsindikator für Modelle genutzt werden oder es kann ein Schwellwert festgelegt werden, ab welchem die Schalter als defekt angesehen werden.
  • Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße Lösung in einer Anlage mit einem Umrichter eingesetzt. Zweipunkt-Wechselrichter und Leistungsmodule können z.B. in Windenergieanlagen, in der Photovoltaik, aber auch in Elektrofahrzeugen oder anderen Anwendungen von Elektrotraktion eingesetzt werden. Allgemein ist die Nutzung der erfindungsgemäßen Lösung in allen Einsatzgebieten von Umrichtern mit erhöhter Feuchtigkeitsbelastung von Interesse, beispielsweise auch in der Schiff- und Luftfahrt.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
    • 1 zeigt Strom-Spannungs-Kennlinien zweier Modultypen während einer künstlicher Alterung durch Spannungsbelastung und Feuchtigkeitsbeanspruchung;
    • 2 zeigt die Grundkomponenten einer Zweipunkt-Wechselrichterstruktur;
    • 3 zeigt schematisch ein Verfahren zum Überwachen eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters;
    • 4 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Überwachen eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters;
    • 5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Überwachen eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters;
    • 6 zeigt in die Zweipunkt-Wechselrichterstruktur aus 2 eingebrachte Konstantstromquellen und einen effektiven Kurzschluss der Phasen durch eine angeschlossene Last;
    • 7 zeigt einen simulierten Verlauf von Messungen an einem ersten Modultyp;
    • 8 veranschaulicht den Einfluss des alterungs- und spannungsabhängigen Leckstromes auf eine Mittelpunktspannung;
    • 9 zeigt einen simulierten Verlauf von Messungen an einem zweiten Modultyp bei gleicher Alterung aller Schalter; und
    • 10 zeigt einen simulierten Verlauf von Messungen am zweiten Modultyp bei Alterung nur der oberen Schalter.
  • Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
  • Heutige Leistungsmodule werden in der Regel als DCB-Struktur (DCB: Direct Copper Bonded; direkte Kupferbeschichtung) gefertigt, auf welche die entsprechenden Halbleiterschalter (IGBTs, Dioden, MOSFETs) direkt aufgelötet werden. Die DCB-Struktur wird üblicherweise in ein Gehäuse aus Kunststoff eingebracht und mit einem Silikongel vakuumvergossen. Das Silikongel soll insbesondere das Vordringen von Feuchtigkeit an die Halbleiterchips verhindern. Trotz des Silikongels kann aber Feuchtigkeit an den Halbleiterchip gelangen. Sie kann beispielsweise langsam durch das Silikon diffundieren oder entlang von Kriechstrecken an den Randbereichen des Silikongels vordringen. Zudem befinden sich bereits nach dem Vergießen Verunreinigungen direkt am Halbleiterchip. Der kritische Punkt für Feuchtigkeit ist der Randabschluss an den Halbleiterchips. Dieser muss insbesondere eine ausreichende Kriechstrecke für die gesperrte Spannung des Halbleiterchips im Betrieb bilden. In der Lebenszeit des Moduls kommt es zu elektrochemischen Alterungsprozessen, welche beispielsweise Dendriten im Randabschluss bilden oder die Metallisierung korrodieren.
  • Dendriten verkürzen die Kriechstrecke und damit die Spannungsfestigkeit des Halbleiterchips, insbesondere entlang des Randabschlusses. Wird eine gewisse Spannungsfestigkeit unterschritten, kommt es zum Durchschlag über den Randabschluss, was in der Regel zur Zerstörung des Moduls führt. Zusätzlich kann es vor dem Durchschlag zu erhöhten Leckströmen kommen. In welcher Form sich die Alterung manifestiert, ist technologieabhängig. In [3] wurden zwei Erscheinungsbilder gezeigt. Zum einen eine Senkung der Restspannungsfestigkeit, zum anderen eine Erhöhung der Leckströme. Welches Erscheinungsbild auftrat, hing dabei vom untersuchten Modultyp bzw. Hersteller ab.
  • 1 zeigt die in [3] gewonnene Ergebnisse von Messungen der Strom-Spannungs-Kennlinien zweier Modultypen während einer künstlicher Alterung durch Spannungsbelastung und Feuchtigkeitsbeanspruchung. In der Figur sind die Strom-Spannungs-Kennlinien für die zwei Modultypen mit durchgezogenen und gestrichelten Linien dargestellt. Die Module wurden aktiv durch Feuchtigkeitsbeanspruchung gealtert und dabei mehrfach vermessen. Für den ersten Modultyp, zu dem die durchgezogenen Linien gehören, ist zu erkennen, dass es zu einer Knickstelle mit einem stark ansteigenden Strom kommt. Diese Knickstelle wandert mit der Alterung zu immer niedrigeren Spannungswerten, was durch den durchgezogenen Pfeil angedeutet ist. Beim zweiten Modultyp, zu dem die gestrichelten Linien gehören, kommt es zu keinem plötzlichem Stromanstieg. Stattdessen erhöht sich der Kriechstrom über den gesamten Spannungsbereich, was durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist.
  • 2 zeigt die Grundkomponenten einer Zweipunkt-Wechselrichterstruktur mit IGBTs und Dioden als Beispiel für einen Umrichter 1. Ein dreiphasiger Zweipunkt-Wechselrichter kann entsprechend der gezeigten Darstellung veranschaulicht werden. Die Struktur umfasst drei Halbbrücken-Leistungsmodule 2, d.h. eines je Phase. Diese werden im Folgenden synonym auch als Halbbrücken bezeichnet. Jedes Halbbrücken-Leistungsmodul 2 umfasst einen ersten Schalter S1, S3, S5 und einen zweiten Schalter S2, S4, S6, zwischen denen sich der jeweilige Phasenanschluss 3 befindet. Je nach verwendeter Halbleiterschaltertechnologie enthalten die Schalter S1-S6 jeweils eine zusätzliche, antiparallele Diode D1-D6. Enthält ein Schalter eine antiparallele Diode, wird immer der Leckstrom der Diode und des Transistors gemeinsam erfasst. Eine Trennung nach Transistor und Diode innerhalb eines Schalters ist nicht möglich. Außerdem werden in einem Leistungsmodul häufig mehrere Halbleiterchips gleicher Art parallel geschaltet, um einen Schalter größerer Stromtragfähigkeit zu bilden. Eine Unterscheidung, welcher Chip innerhalb des ersten oder zweiten Schalters die Alterungseffekte verursacht, ist nicht möglich. Nachfolgend werden die Schalter S1, S3, S5 der Anschaulichkeit halber auch als erste oder obere Schalter 7 und die Schalter S2, S4, S6 als zweite oder untere Schalter 8 bezeichnet. Werden die Schalter S1-S6 ausgeschaltet, aber eine Spannung am Zwischenkreis angelegt, stellt sich am Mittelpunkt zwischen den Schaltern S1-S6 etwa die Mitte der Zwischenkreisspannung UZk ein. Die genaue Höhe hängt von den Verhältnissen der Summe der Leckströme der oberen Schalter 7 der Halbbrücken und der unteren Schalter 8 der Halbbrücken ab. Die Leckströme liegen üblicherweise maximal im Bereich einzelner mA je Schalter S1-S6. An den Phasenanschlüssen der Halbbrücken ist die Last 6 angeschlossen. Eine übliche Last 6 ist dabei eine elektrische Maschine, welche für den eingeprägten Konstantstrom als Kurzschluss angesehen werden kann.
  • 3 zeigt schematisch ein Verfahren zum Überwachen eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters, wobei das Halbbrücken-Leistungsmodul einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist. Insbesondere kann es sich bei dem Umrichter um einen Zweipunkt-Wechselrichter handeln. In einem ersten Schritt werden die Schalter ausgeschaltet 10. Dann wird ein Zwischenkreis mit einer Zwischenkreisspannung vorgeladen 11. Zudem wird ein Konstantstrom in einen Phasenanschluss das Halbbrücken-Leistungsmoduls eingeprägt 12. Anschließend wird eine sich über den Schaltern einstellende Spannung ausgewertet 13. Auf Basis der Auswertung 13 der Spannung wird schließlich eine Degradation des Umrichters ermittelt 14. Vorzugsweise wird der Konstantstrom mittels einer ersten Konstantstromquelle und einer zweiten Konstantstromquelle eingeprägt. Die erste Konstantstromquelle ist dabei zwischen einem Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls und einem positiven Potential der Zwischenkreisspannung angeordnet. Die zweite Konstantstromquelle ist zwischen dem Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls und einem negativen Potential der Zwischenkreisspannung angeordnet.
  • Für die Auswertung 13 der Spannung kann eine Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt werden, die eine Abhängigkeit zwischen dem eingeprägten Konstantstrom und einer für den eingeprägten Konstantstrom erfassten Mittelpunktspannung wiedergibt. Die Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls kann dann anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt werden 14. Zum Ermitteln der Strom-Spannungs-Kennlinie kann ein positiver Konstantstrom eingeprägt werden. Dieser wird dann erhöht, bis die Mittelpunktspannung die positive Zwischenkreisspannung erreicht oder die Mittelpunktspannung trotz Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes signifikant schwächer wächst. Alternativ kann ein negativer Konstantstrom eingeprägt werden. Dieser wird dann erhöht, bis die Mittelpunktspannung die negative Zwischenkreisspannung erreicht oder die Mittelpunktspannung trotz Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes signifikant schwächer sinkt. Bei einer weiteren Alternative werden die Steigung und der Offset der Mittelpunktspannung ausgewertet.
  • 4 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 20 zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters, wobei das Halbbrücken-Leistungsmodul einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist. Insbesondere kann es sich bei dem Umrichter um einen Zweipunkt-Wechselrichter handeln. Die Vorrichtung 20 hat einen Eingang 21, über den beispielsweise eine Anweisung zum Durchführen einer Messung an dem zumindest einen Halbbrücken-Leistungsmodul empfangen werden kann. Ein Steuerungsmodul 22 veranlasst daraufhin ein Ausschalten der Schalter, ein Vorladen eines Zwischenkreises mit einer Zwischenkreisspannung und ein Einprägen eines Konstantstromes in einen Phasenanschluss das Halbbrücken-Leistungsmoduls. Mittels eines Messmoduls 23 wird eine sich über den Schaltern einstellende Spannung ausgewertet. Auf Basis der Auswertung der Spannung ermittelt ein Auswertemodul 24 schließlich eine Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls. Eine so ermittelte Degradation kann über einen Ausgang 27 der Vorrichtung 20 ausgegeben werden, z.B. um einen Austausch des Halbbrücken-Leistungsmoduls zu veranlassen. Vorzugsweise wird der Konstantstrom mittels einer ersten Konstantstromquelle und einer zweiten Konstantstromquelle eingeprägt. Die erste Konstantstromquelle ist dabei zwischen einem Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls und einem positiven Potential der Zwischenkreisspannung angeordnet. Die zweite Konstantstromquelle ist zwischen dem Phasenanschluss des Halbbrücken-Leistungsmoduls und einem negativen Potential der Zwischenkreisspannung angeordnet. Für die Auswertung der Spannung kann durch das Messmodul 23 eine Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt werden, die eine Abhängigkeit zwischen dem eingeprägten Konstantstrom und einer für den eingeprägten Konstantstrom erfassten Mittelpunktspannung wiedergibt. Die Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls kann dann vom Auswertemodul 24 anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt werden. Zum Ermitteln der Strom-Spannungs-Kennlinie kann ein positiver Konstantstrom eingeprägt werden. Dieser wird dann erhöht, bis die Mittelpunktspannung die positive Zwischenkreisspannung erreicht oder die Mittelpunktspannung trotz Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes signifikant schwächer wächst. Alternativ kann ein negativer Konstantstrom eingeprägt werden. Dieser wird dann erhöht, bis die Mittelpunktspannung die negative Zwischenkreisspannung erreicht oder die Mittelpunktspannung trotz Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes signifikant schwächer sinkt. Bei einer weiteren Alternative wird die Mittelpunktspannung auf feste Werte eingestellt und es wird der für die jeweiligen festen Werte erforderliche Konstantstrom gemessen.
  • Das Steuerungsmodul 22, das Messmodul 23 und das Auswertemodul 24 können von einer Kontrolleinheit 25 gesteuert werden. Über eine Benutzerschnittstelle 28 können gegebenenfalls Einstellungen des Steuerungsmoduls 22, des Messmoduls 23, des Auswertemoduls 24 oder der Kontrolleinheit 25 geändert werden. Die in der Vorrichtung 20 anfallenden Daten können bei Bedarf in einem Speicher 26 abgelegt werden, beispielsweise für eine spätere Auswertung oder für eine Nutzung durch die Komponenten der Vorrichtung 20. Der Eingang 21 und der Ausgang 27 können zu einer bidirektionalen Schnittstelle zusammengefasst sein. Das Steuerungsmodul 22, das Messmodul 23, das Auswertemodul 24 sowie die Kontrolleinheit 25 können als dedizierte Hardware realisiert sein, beispielsweise als integrierte Schaltungen. Natürlich können sie aber auch teilweise oder vollständig kombiniert oder als Software implementiert werden, die auf einem geeigneten Prozessor läuft, beispielsweise auf einer CPU (CPU: Central Processing Unit; zentrale Verarbeitungseinheit), auf einem Mikrocontroller oder einem FPGA.
  • 5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung 30 zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls eines Umrichters. Die Vorrichtung 30 weist einen Prozessor 32 und einen Speicher 31 auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Vorrichtung 30 um einen Computer oder einen Mikrocontroller. Im Speicher 31 sind Instruktionen abgelegt, die die Vorrichtung 30 bei Ausführung durch den Prozessor 32 veranlassen, die Schritte gemäß einem der beschriebenen Verfahren auszuführen. Die im Speicher 31 abgelegten Instruktionen verkörpern somit ein durch den Prozessor 32 ausführbares Programm, welches das erfindungsgemäße Verfahren realisiert. Die Vorrichtung 30 hat einen Eingang 33 zum Empfangen von Informationen, insbesondere von Signalen, die von der elektronischen Komponente gesendet werden. Vom Prozessor 32 generierte Daten werden über einen Ausgang 34 bereitgestellt. Darüber hinaus können sie im Speicher 31 abgelegt werden. Im Speicher 31 können zudem Messdaten oder Berechnungsergebnisse abgelegt werden. Der Eingang 33 und der Ausgang 34 können zu einer bidirektionalen Schnittstelle zusammengefasst sein.
  • Der Prozessor 32 kann eine oder mehrere Prozessoreinheiten umfassen, beispielsweise Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder Kombinationen daraus.
  • Die Speicher 26, 31 der beschriebenen Ausführungsformen können sowohl volatile als auch nichtvolatile Speicherbereiche aufweisen und unterschiedlichste Speichergeräte und Speichermedien umfassen, beispielsweise Festplatten, optische Speichermedien oder Halbleiterspeicher.
  • Für die erfindungsgemäße Lösung werden zwei Konstantstromquellen 4, 5 eingebracht. Dies ist in 6 dargestellt. Die erste Konstantstromquelle 4 mit einem eingestellten Konstantstrom Iq1 ist dabei zwischen einem der Phasenanschlüsse 3 der Halbbrücken-Leistungsmodule 2 und einem positiven Potential der Zwischenkreisspannung UZk angeordnet. Die zweite Konstantstromquelle 5 mit einem eingestellten Konstantstrom Iq2 ist zwischen dem Phasenanschluss 3 und einem negativen Potential der Zwischenkreisspannung UZk angeordnet. Die Konstantstromquellen 4, 5 sollten so groß dimensioniert sein, dass sie den gesamten Leckstrom der Schalter treiben können. In 3 bezeichnen I1-I6 die Leckströme der Schalter, Iab und Ibc die Ausgleichsströme durch die Last 6, IM einen in das Halbbrücken-Leistungsmodul 2 eingeprägten Konstantstrom und UM eine Mittelpunktspannung.
  • Werden mit der oberen und unteren Konstantstromquelle 4, 5 unterschiedliche Ströme Iq1, Iq2 eingeprägt, wird dadurch ein Konstantstrom IM in den Phasenanschluss 3 des Halbbrücken-Leistungsmoduls 2 eingeprägt. Dieser verändert den jeweiligen Leckstrom I1-I6 im oberen und unteren Schalter 7, 8. Die Spannung des Phasenanschlusses 3 verändert sich entsprechend der Strom-Spannungs-Kennlinie der oberen und unteren Schalter 7, 8.
  • Durch die Verarbeitung des in die Halbbrücken eingeprägten Konstantstromes IM und der Höhe der Mittelpunktspannung UM lässt sich eine Erhöhung der Leckströme I1-I6 feststellen oder die Restspannungsfestigkeit der Schalter S1-S6 bestimmen. Es werden Gleichstromgrößen eingeprägt, weshalb eine evtl. angeschlossene elektrische Maschine als Kurzschluss der Halbbrücken in ihrem Mittelpunkt wirkt. Daher kann nur die Parallelschaltung der oberen Schalter 7 bzw. der unteren Schalter 8 betrachtet werden. Wird die Maschine abgetrennt, können die oberen und unteren Schalter 7, 8 der Phasen getrennt betrachtet werden. Daher kann die Messung zunächst mit der Maschine durchgeführt werden. Sollte dabei festgestellt werden, dass ein Schalter S1-S6 einen zu hohen Leckstrom hat, kann die Maschine über Schütze abgetrennt werden, was die selektive Vermessung der Halbbrücken je Phase ermöglicht, sofern diese jeweils über eigene Konstantstromquellen verfügen.
  • Die nominelle Spannungsfestigkeit der eingesetzten Schalter S1-S6 ist üblicherweise höher als die anliegende Zwischenkreisspannung UZk, da es während der Schaltvorgänge zu Überspannungen kommt. Durch die Alterung sinkt diese Restspannungsfestigkeit. Fällt der Wert unterhalb der Werte der auftretenden Spannungen, kann es zum Durchschlag kommen.
  • Die verbleibende Restspannungsfestigkeit soll mit den folgenden Verfahren unter kontrollierten Bedingungen bestimmt werden, ohne dass es zum Durchschlag kommt, sollte die Restspannungsfestigkeit bereits unterhalb der notwendigen Werte liegen. Dazu wird der Zwischenkreis auf eine Spannung aufgeladen, die idealerweise mindestens so hoch ist, wie die notwendige Spannungsfestigkeit eines einzelnen Schalters S1-S6. Die Schalter S1-S6 werden ausgeschaltet. Sind die Leckströme I1-I6 der oberen und unteren Schalter 7, 8 identisch, stellt sich über den oberen und unteren Schaltern 7, 8 jeweils die halbe Zwischenkreisspannung UZk ein. Sind die Leckströme I1-I6 unterschiedlich, käme es zu einer Verschiebung der Mittelpunktspannung UM. Dies kann jedoch mit Hilfe der eingebrachten Stromquellen 4, 5 ausgeregelt werden, sodass sich sicher die halbe Zwischenkreisspannung UZk über den oberen und unteren Schaltern 7, 8 ausbildet. Als Voraussetzung müssen die Stromquellen 4, 5 in der Lage sein, Ströme in der Größenordnung der Differenz der Leckströme I1-I6 zu führen. Beim Laden des Zwischenkreises muss darauf geachtet werden, dass die Konstantstromquellen 4, 5 die Mittelpunktspannung UM ausreichend schnell einregeln können. Dies kann beispielsweise durch einen begrenzten Spannungsanstieg am Zwischenkreiskondensator, weitere kapazitiver Stützung der Mittelpunktspannung UM oder schneller Regelung erfolgen. Damit ist ein sicherer Betrieb möglich, sofern die Schalter S1-S6 eine Restspannungsfestigkeit von mindestens der halben notwendigen Spannungsfestigkeit im Betrieb haben.
  • Wird nun ein Konstantstrom in den Phasenanschluss einer Halbbrücke eingeprägt, verschiebt sich die Mittelpunktspannung UM. Es erhöht sich die Spannungsbelastung für einen Schalter S1-S6 (oben oder unten) und sinkt für den anderen. Wird die Spannungsbelastung bis zum Punkt der Restspannungsfestigkeit erhöht, käme es zum Durchschlag des Leistungsmoduls 2. In der gegebenen Anordnung kann es jedoch zu keinem Durchschlag des Zwischenkreises kommen, da der zweite Schalter S1-S6 weiterhin sicher sperrt. Weiterhin können die Konstantstromquellen 4, 5 keinen Strom liefern, welcher zur Zerstörung des Leistungsmoduls 2 führen würde.
  • Der Ablauf einer Messung am ersten Modultyp ist nun wie folgt. Ein positiver Strom IM wird durch die erste Konstantstromquelle 4 in die Halbbrücke eingeprägt. Zugleich wird die Mittelpunktspannung UM überwacht. Diese beginnt mit steigenden Strom IM zu steigen, da der Leckstrom I1, I3, I5 in den oberen Schaltern 7 sinkt und der Leckstrom I2, I4, I6 in den unteren Schaltern 8 steigt. Der Strom IM wird so lange erhöht, bis entweder die positive Zwischenkreisspannung UZk erreicht wird oder die Spannung UM trotz der Erhöhung des eingeprägten Stromes IM signifikant schwächer wächst. Tritt der erste Fall ein, ist die verbleibende Restspannungsfestigkeit des unteren Halbleiterschalters S2, S4, S6 mindestens so groß wie die anliegende Zwischenkreisspannung UZk. Eine genauere Bestimmung ist nicht möglich. Tritt der zweite Fall ein, ist die verbleibende Restspannungsfestigkeit des unteren Halbleiterschalters S2, S4, S6 so hoch wie der Spannungswert, ab welchem dieser nicht weiter steigt, da es an dieser Stelle zu einer schlagartigen Erhöhung des Leckstromes kommen würde, welcher jedoch durch die Konstantstromquellen 4, 5 begrenzt wird.
  • Der Vorgang wird für den oberen Schalter analog durchgeführt. Ein negativer Strom IM wird durch die zweite Konstantstromquelle 5 in die Halbbrücke eingeprägt. Zugleich wird die Mittelpunktspannung UM überwacht. Diese beginnt mit steigenden Strom IM zu sinken, da der Leckstrom I1, I3, I5 in den oberen Schaltern 7 steigt und der Leckstrom I2, I4, I6 in den unteren Schaltern 8 sinkt. Der Strom IM wird so lange erhöht, bis entweder die negative Zwischenkreisspannung UZk erreicht wird oder die Spannung UM trotz der Erhöhung des eingeprägten Stromes IM signifikant schwächer sinkt. Tritt der erste Fall ein, ist die verbleibende Restspannungsfestigkeit des oberen Halbleiterschalters S1, S3, S5 mindestens so groß wie die anliegende Zwischenkreisspannung UZk. Eine genauere Bestimmung ist nicht möglich. Tritt der zweite Fall ein, ist die verbleibende Restspannungsfestigkeit des oberen Halbleiterschalters S1, S3, S5 so hoch wie der Spannungswert, ab welchem dieser nicht weiter steigt, da es an dieser Stelle zu einer schlagartigen Erhöhung des Leckstromes kommen würde, welcher jedoch durch die Konstantstromquellen 4, 5 begrenzt wird.
  • Ein Verlauf der Messungen wurde an einem Beispiel simuliert. Dazu wurden die Strom-Spannungs-Kennlinien für den ersten Modultyp aus 1 extrahiert. Der Verlauf der Mittelpunktspannung UM über den eingeprägten Strom IM ergibt sich entsprechend 7. Dabei wurde eine Vorladung des Zwischenkreises auf 1200 V angenommen. Es wurden alle Schalter identisch gealtert, entsprechend den ersten drei Alterungsstufen in 1. Eine unterschiedliche Alterung der Schalter führt zu einem ähnlichen Ergebnis. Der vierte Alterungszustand wurde nicht betrachtet, da die Restspannungsfestigkeit der Schalter bereits auf unter 200 V gefallen ist. Die Änderung der Kennlinien durch die zunehmende Alterung ist durch einen Pfeil angedeutet. Es ist zu erkennen, dass es in dem durch einen gestrichelten Kreis markierten Bereich zu einem starken Spannungsknick für den dritten Alterungszustand (durchgezogene Linie) bei ca. 830 V kommt, was der Restspannungsfestigkeit des zweiten Schalters entspricht. Analog ergibt sich ein Spannungsknick bei ca. 370 V durch die gleiche Restspannungsfestigkeit des ersten Schalters. Das beschriebene Verfahren an Modulen vom ersten Typ, wo ein Spannungsknick erfasst wird, ist an Modulen vom zweiten Typ nur schwer anwendbar. Module vom zweiten Typ weisen keine sprunghafte Erhöhung der Leckströme ab einer gewissen Spannung auf, weshalb es zu keinem signifikanten Spannungsknick kommt.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung für Module vom zweiten Typ werden die Konstantstromquellen 4, 5 genutzt, um die Mittelpunktspannung UM auf Werte zwischen der positiven der negativen Zwischenkreisspannung UZk einzustellen. Dabei wird der Strom IM aufgezeichnet, welcher notwendig ist, die gewünschte Änderung der Mittelpunktspannung UM zu erzeugen. 8 veranschaulicht den Einfluss des alterungs- und spannungsabhängigen Leckstromes auf die Mittelpunktspannung UM an Modulen des zweiten Typs. Da die Zwischenkreisspannung UZk und die Mittelpunktspannung UM bekannt sind, ist auch die Spannung über dem oberen und unteren Schalter 7, 8 bekannt. Erhöht sich der Leckstrom I1-I6 in einem der Schalter S1-S6, wird ein betragsmäßig größerer Strom IM benötigt, um die gleiche Verschiebung der Mittelpunktspannung UM zu erreichen. Es kann zwar nicht direkt zugeordnet werden, welcher Schalter S1-S6 dies verursacht und wie hoch der gesamte Leckstrom in den Schaltern S1-S6 ist. Zum einen kann das Modul bei Überschreiten eines Schwellwertes für den notwendigen eingeprägten Konstantstrom zur Verschiebung um ein festgelegten Spannungswert als defekt angesehen werden. Zusätzlich kann diese Messung in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden und mit historischen Daten verglichen werden. Wie hoch sich der Leckstrom in Summe durch alle Schalter erhöht hat, kann durch diese Messung quantitativ bestimmt werden. Die Erhöhung des Gesamtleckstromes kann als Alterungsindikator für Modelle genutzt werden oder es kann ein Schwellwert festgelegt werden, ab welchem die Schalter S1-S6 als defekt angesehen werden. Diese Ausführung ist für Module vom zweiten Typ besonders geeignet, da sich bei diesen der Leckstrom über den gesamten Spannungsbereich durch die Degradation erhöht. An Modulen vom ersten Typ kommt es zu geringer Änderung des Leckstroms, bevor die Restspannungsfestigkeit überschritten wird.
  • 9 stellt den simulierten Verlauf der Mittelpunktspannung UM gegenüber dem eingeprägten Strom IM für die vier Alterungszustände aus 1 dar. Für diese Untersuchung wurde der zweite Modultyp untersucht. Dabei wurden die unteren Schalter 8 und die oberen Schalter 7 zunächst gleich gealtert. Die Änderung der Kennlinien durch die zunehmende Alterung ist durch einen Pfeil angedeutet. Anhand der Änderung dieser Messdaten kann auf eine Alterung der Module rückgeschlossen werden.
  • 10 zeigt simulierte Messergebnisse für den Fall, dass nur die oberen Schalter 7 altern. Die Änderung der Kennlinien durch die zunehmende Alterung ist durch einen Pfeil angedeutet. Anhand der Verschiebung der Kennlinie aus dem Ursprung kann rückgeschlossen werden, ob es sich um eine Erhöhung der Leckströme in den oberen Schaltern 7 oder den unteren Schaltern 8 handelt.
  • Referenzen
    • [1] K. Fischer et al.: „Investigation of converter failure in wind turbines“ (2012), https://www.researchgate.net/publication/279511307.
    • [2] K. Fischer et al.: „Field-Experience Based Root-Cause Analysis of Power-Converter Failure in Wind Turbines“, IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 30 (2015), S. 2481-2492.
    • [3] C. Zorn et al.: „Temperature Humidity Bias (THB) Testing on IGBT Modules at High Bias Levels“, 8th International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS 2014), S. 1-7.
    • [4] K. Pelka et al.: „Failure Behaviour of Power Converters in Wind Turbines“, Proceedings of the 13th German Wind Energy Conference, DEWEK 2017, http://publica.fraunhofer.de/documents/N-473242.html.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Umrichter
    2
    Halbbrücken-Leistungsmodul
    3
    Phasenanschluss
    4
    Erste Konstantstromquelle
    5
    Zweite Konstantstromquelle
    6
    Last
    7
    Erster Schalter
    8
    Zweiter Schalter
    10
    Ausschalten der Schalter
    11
    Vorladen eines Zwischenkreises
    12
    Einprägen eines Konstantstromes
    13
    Auswerten einer sich über den Schaltern einstellenden Spannung
    14
    Ermitteln einer Degradation
    20
    Vorrichtung
    21
    Eingang
    22
    Steuerungsmodul
    23
    Messmodul
    24
    Auswertemodul
    25
    Kontrolleinheit
    26
    Speicher
    27
    Ausgang
    28
    Benutzerschnittstelle
    30
    Vorrichtung
    31
    Speicher
    32
    Prozessor
    33
    Eingang
    34
    Ausgang
    D1-D6
    Diode
    I1-I6
    Leckströme der Schalter
    Iab, Ibc
    Ausgleichsströme
    IM
    Eingeprägter Konstantstrom
    Iq1
    Konstantstrom der ersten Konstantstromquelle
    Iq2
    Konstantstrom der zweiten Konstantstromquelle
    S1-S6
    Schalter
    UZk
    Zwischenkreisspannung

Claims (11)

  1. Verfahren zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) eines Umrichters (1), wobei das Halbbrücken-Leistungsmodul (2) einen ersten Schalter (S1, S3, S5) und einen zweiten Schalter (S2, S4, S6) aufweist, mit den Schritten: - Ausschalten (10) der Schalter (S1-S6); - Vorladen (11) eines Zwischenkreises des Umrichters (1) mit einer Zwischenkreisspannung (UZk); - Einprägen (12) eines Konstantstromes (IM) in einen Phasenanschluss (3) des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2); - Auswerten (13) einer sich über den Schaltern (S1-S6) einstellenden Spannung (UM); und - Ermitteln (14) einer Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) auf Basis der Auswertung (13) der Spannung (UM).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Umrichter (1) ein Zweipunkt-Wechselrichter ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Konstantstrom (IM) mittels einer ersten Konstantstromquelle (4) und einer zweiten Konstantstromquelle (5) eingeprägt wird (12), wobei die erste Konstantstromquelle (4) zwischen dem Phasenanschluss (3) des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) und einem positiven Potential der Zwischenkreisspannung (UZk) angeordnet ist und die zweite Konstantstromquelle (5) zwischen dem Phasenanschluss (3) des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) und einem negativen Potential der Zwischenkreisspannung (UZk) angeordnet ist.
  4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt wird, die eine Abhängigkeit zwischen dem eingeprägten Konstantstrom (IM) und einer für den eingeprägten Konstantstrom (IM) erfassten Mittelpunktspannung (UM) wiedergibt, und wobei die Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) anhand der Strom-Spannungs-Kennlinie ermittelt wird (14).
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei ein positiver Konstantstrom (IM) in den Phasenanschluss eingeprägt (12) wird und dieser erhöht wird, bis die Mittelpunktspannung (UM) die positive Zwischenkreisspannung (UZk) erreicht oder die Mittelpunktspannung (UM) trotz Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes (IM) signifikant schwächer wächst.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei ein negativer Konstantstrom (IM) in den Phasenanschluss (3) eingeprägt (12) wird und dieser erhöht wird, bis die Mittelpunktspannung (UM) die negative Zwischenkreisspannung (UZk) erreicht oder die Mittelpunktspannung (UM) trotz Erhöhung des eingeprägten Konstantstromes (IM) signifikant schwächer sinkt.
  7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zwischenkreisspannung (UZk) mindestens so groß ist, wie eine notwendige Spannungsfestigkeit eines einzelnen Schalters (S1-S6).
  8. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Mittelpunktspannung (UM) auf feste Werte eingestellt wird und der für die jeweiligen festen Werte erforderliche Konstantstrom (IM) gemessen wird.
  9. Computerprogramm mit Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Überwachen eines Umrichters (1) veranlassen.
  10. Vorrichtung (20) zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) eines Umrichters (1), wobei das Halbbrücken-Leistungsmodul (2) einen ersten Schalter (S1, S3, S5) und einen zweiten Schalter (S2, S4, S6) aufweist, mit: - einem Steuerungsmodul (22) zum Ausschalten (10) der Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6), zum Vorladen (11) eines Zwischenkreises mit einer Zwischenkreisspannung (UZk) und zum Einprägen (12) eines Konstantstromes (IM) in einen Phasenanschluss (3) des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2); - einem Messmodul (23) zum Auswerten (13) einer sich über den Schaltern (S1-S6) einstellenden Spannung (UM); und - einem Auswertemodul (24) zum Ermitteln (14) einer Degradation des Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) auf Basis der Auswertung (13) der Spannung (UM).
  11. Anlage mit zumindest einem Umrichter (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 zum Überwachen zumindest eines Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) des zumindest einen Umrichters (1) aufweist oder eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Überwachen des zumindest einen Halbbrücken-Leistungsmoduls (2) des zumindest einen Umrichters (1) durchzuführen.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013211038B3 (de) 2013-06-13 2014-10-16 Siemens Aktiengesellschaft Bereitstellen einer Information über einen Alterungszustand eines Halbleiterbauelements
DE102015225909A1 (de) 2015-12-18 2017-06-22 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung und leistungelektronisches System
DE102017205477A1 (de) 2017-03-31 2018-10-04 Robert Bosch Gmbh Diagnoseverfahren für einen Wechselrichter, Wechselrichteranordnung und elektrisches Antriebssystem

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013211038B3 (de) 2013-06-13 2014-10-16 Siemens Aktiengesellschaft Bereitstellen einer Information über einen Alterungszustand eines Halbleiterbauelements
DE102015225909A1 (de) 2015-12-18 2017-06-22 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung und leistungelektronisches System
DE102017205477A1 (de) 2017-03-31 2018-10-04 Robert Bosch Gmbh Diagnoseverfahren für einen Wechselrichter, Wechselrichteranordnung und elektrisches Antriebssystem

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FISCHER, Katharina [et al.]: Field-experience based root-cause analysis of power-converter failure in wind turbines. In: IEEE Transactions on Power Electronics (T-PEL), Vol. 30, 2015, No. 5, S. 2481-2492. - ISSN 1941-0107 (E); 0885-8993 (P). DOI: 10.1109/TPEL.2014.2361733. URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6917013 [abgerufen am 2019-12-09]
FISCHER, Katharina [et al.]: Investigation of converter failure in wind turbines - A pre-study - Elforsk report 12:58. 11/2012. 83 S. URL: https://www.researchgate.net/profile/Jan_Wenske/publication/279511307_Investigation_of_converter_failure_in_wind_turbines/links/5593d1e508aed7453d46d144.pdf [abgerufen am 2019-12-11]. - Technical Report
PELKA, Karoline; Fischer, Katharina: Failure behaviour of power converters in wind turbines. In: DEWEK 2017, 13th German Wind Energy Conference. Proceedings : 17 / 18 October 2017, Bremen, Germany URL: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-473242.html [abgerufen am 2022-01-21]
ZORN, Christian ; KAMINSKI, Nando: Temperature humidity bias (THB) testing on IGBT modules at high bias levels. In: CIPS 2014; 8th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, 25-27 Feb. 2014, Nuremberg, Germany, 2014, 7 S. - ISBN 978-3-8007-3578-5. URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6776821 [abgerufen am 2019-11-09]

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