DE10244266A1

DE10244266A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussschutz von Leistungshalbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE10244266A1
Application number: DE10244266A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr.-Ing. Jakob; Günter Junge; Wolfgang Lasse
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: GE Energy Power Conversion GmbH
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Vorgeschlagen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung, mittels denen ein im Leistungshalbleiterbauelement (1) auftretender Überstrom- oder Kurzschlussschutzfall schnell erkannt wird, ohne dass ein Hilfkollektoranschluss bzw. eine galvanische Verbindung zu dem Leistungshalbleiterbauelement verwendet bzw. hergestellt werden muss. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dazu die Strömänderung im Leistungshalbleiterbauelement (1) mittels einer als Spule, vorzugsweise als Rogowski-Spule, ausgebildeten Stromsonde (2), die in der Umgebung des Leistungshalbleiterbauelements (1) angeordnet ist, überwacht. Mittels mindestens einer mit der Stromsonde (2) verbundenen Überwachungsschaltung (S1, S2) wird der Überstrom- oder Kurzschlussfall erkannt und es wird dann ein Abschalten des Leistungshalbleiterelements (1) veranlasst. DOLLAR A Hierdurch wird eine schnelle Abschaltung im Überstrom- und Kurzschlussfall besonders bei relativ träge einschaltenden Hochspannungs-Leistungshalbleiterbauelementen, wie z. B. bei Insultated Gate Bipolar Transistoren (IGBT), erreicht, da eine Stromüberlastung hiermit schon sehr frühzeitig noch während des Einschaltvorgangs sicher erkannt werden kann, was ein rechtzeitiges und damit zerstörungsfreies Abschalten ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überstrom- und Kurzschlussschutz eines Leistungshalbleiterbauelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine danach arbeitende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.
Bei Leistungshalbleiterbauelementen, wie z.B. bei IGBTs (IGBT = insulated gate bipolar transistor), kann der Überstrom- oder Kurzschlussfall am Entsättigungsverhalten erkannt werden. Eine Entsättigung bei einem IGBT liegt vor, wenn er im eingeschalteten Zustand zwischen Kollektor und Emitter eine Spannung aufnimmt, die deutlich oberhalb der im Datenblatt ausgewiesenen Werte der Sättigungsspannung liegt. Bei Strömen, die etwa um den Faktor 3 bis 5 größer sind als der angegebene Typenstrom, nimmt der IGBT die gesamte DC-Busspannung über seine Kollektor-Emitter-Strecke auf. Dies führt zu hohen Verlustleistungen, die den IGBT zerstören, wenn dieser nicht innerhalb einer kurzen Zeitdauer von etwa 10 μsec abgeschaltet wird.
Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen zum Überstrom- und Kurzschlussschutz, die zur Erkennung einer Stromüberlastung des Leistungshalbleiterbauelements die überhöhte Durchlassspannung (Entsättigung) als direktes Bewertungskriterium heranziehen. Man spricht auch von der sogenannten Vcesat-Detektion, bei der über einen Hilfskollektor am IGBT die über der Kollektor-Emitter-Strecke entstehende Spannung direkt gemessen und als Maß für den augenblicklich fließenden Kollektorstrom verwendet wird. Anhand einer festgelegten Schwelle wird festgestellt, ob der Kollektorstrom zu hoch ist und ob eine Abschaltung des Leistungshalbleiterelements erfolgen muss. Problematisch ist dabei die rechtzeitige Erkennung eines Kurzschluss- oder Überstroms während der Einschaltphase des Leistungshalbleiterbauelements, da erst die Zeitspanne bis zum Erreichen des stationären Durchlassverhaltens abgewartet werden muss. Dieses Zeitintervall kann bei hochsperrenden Leistungshalbleiterbauelementen mehr als 10 μsec betragen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Überstrom- und Kurzschlussfall schneller erkannt werden, wobei kein Hilfskollektoranschluss verwendet werden soll.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.

Demnach wird vorgeschlagen, dass die Strömänderung im Leistungshalbleiterbauelement mittels einer als Spule ausgebildeten Stromsonde, die in der Umgebung des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist, überwacht wird, und dass mittels mindestens einer mit der Stromsonde verbundenen Überwachungsschaltung der Überstrom- oder Kurzschlussschutzfall erkannt wird und dann ein Abschalten des Leistungshalbleiterbauelements veranlasst wird.

Durch diese Maßnahmen wird eine schnelle, nahezu unverzögerte Abschaltung im Überstrom- oder Kurzschlussfall besonders bei relativ träge einschaltenden Hochspannungs-Leistungshalbleiterbauelementen, wie z.B. bei IGBTs, für Spannungen Uces ≥ 4.5 kV erreicht. Eine Stromüberlastung kann schon sehr frühzeitig noch während des Einschaltvorgangs sicher erkannt werden, was ein rechtzeitiges und damit zerstörungsfreies Abschalten des betreffenden Leistungshalbleiterbauelements ermöglicht. Ein weiterer großer Vorteil liegt darin, dass damit auch Hochspannungs-Leistungshalbleiterbauelemente verwendet werden können, die auf minimale Durchlassspannung (minimale Verlustleistung) zu Lasten einer dadurch physikalisch bedingten geringeren Kurzschlussüberlastbarkeitsdauer hin optimiert sind, die nur etwa 5 μsec beträgt und damit deutlich geringer ist als die üblichen 10 μsec, wobei dies auch eine deutliche Reduzierung der Durchlasssättigungsspannung Vcesat und der damit verbundenen Durchlassverluste bedeutet.

Außerdem kann eine einfach zu realisierende Stromsonde verwendet werden, die auf deutliche Stromänderungen, verursacht durch plötzlich einsetzenden Über- bzw. Kurzschlussstrom, reagiert. Das bedeutet auch, dass zur Sondierung auf Überstrom oder Kurzschlussstrom keine Bauelemente benötigt werden, die galvanisch mit dem hohen Potential des Leistungshalbleiterbauelementes (z.B. über einen Hilfskollektoranschluss) verbunden sind. So werden etwa keine Hochspannungsdioden, wie bei konventionellen Entsättigungs- Überwachungen üblich, benötigt und es werden die damit verbundenen Schutz- und Zuverlässigkeitsprobleme von vornherein vermieden. Zudem entfallen die üblicherweise erforderlichen großen Kriech- und Luftstrecken zum Hilfskollektoranschluss in der Ansteuerschaltung des Leistungshalbleiterbauelements, wodurch dieses kompakter und kostengünstiger hergestellt werden kann.

Im Vergleich zu den üblichen Verfahren, bei denen auf Entsättigung erkannt wird, ist mit Hilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens eine sehr viel schnellere Überstrom- und Kurzschlusserkennung möglich, da nicht erst das Erreichen eines vorgegebenen Durchlassspannungswertes abgewartet werden muss. Das ist besonders vorteilhaft für relativ träg schaltende Hochspannungs-Leistungshalbleiterbauelemente, bei denen üblicherweise dies ein Vielfaches länger dauert.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demnach ist es besonders vorteilhaft, wenn die Stromsonde elektrisch mit dem Potential der Ansteuerschaltung verbunden wird, insbesondere wenn die Stromsonde in die Leiterplatte der Ansteuerschaltung des Leistungshalbleiterbauelementes integriert wird. Die Stromsonde kann also vorzugsweise einfach, kostengünstig und störsicher auf einer mehrlagigen Leiterplatte realisiert werden, die z.B. gleichzeitig auch Träger der auf gleichem elektrischen Potential befindlichen Ansteuerschaltung des Leistungshalbleiterbauelements ist. Dadurch entfällt auch die Notwendigkeit, die Stromsonde als separates Bauelement zu installieren. Des weiteren wird dadurch eine hohe Güte in der Reproduzierbarkeit der räumlichen Lage der Stromsonde zum Leistungshalbleiterbauelement bzw. dessen Stromzuführung erreicht. In diesem Zusammenhang, aber auch lösgelöst davon, ist es von Vorteil, wenn die Stromsonde als Rogowski-Spule ausgeführt wird.

Zur Erkennung von Überstrom während der Einschaltphase wird vorteilhafter Weise mittels einer ersten Überwachungsschaltung aus dem Ausgangssignal der Stromsonde das zeitliche Integral gebildet und ausgewertet, wodurch die Stromänderung als eine zum zeitlichen Stromverlauf im Leistungshalbleiterbauelement proportionale Größe erfasst wird. In diesem Zusammenhang wird, wenn das zeitliche Integral ein Integrator-Ausgangssignal eines Integrators ist, das Integrator-Ausgangssignal nach jedem Ausschalten des Leistungshalbleiterbauelements wieder auf einen Anfangswert, insbesondere auf Null, zurückgesetzt.

Zur Erkennung von Überstrom während des stationären Betriebs wird mittels einer zweiten Überwachungsschaltung das Ausgangssignals der Stromsonde unmittelbar ausgewertet, wodurch die Geschwindigkeit der Stromänderung als eine zur zeitlichen Änderung des Stromverlaufs im Leistungshalbleiterbauelement proportionale Größe erfasst wird.

Um den Überstrom- und Kurzschlussschutz insgesamt während beider Phasen sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn in einer ersten Phase nach dem Einschalten des Leistungshalbleiterbauelements die erste Überwachungsschaltung aktiviert wird und wenn anschließend in einer zweiten Phase während des stationären Betriebs des Leistungshalbleiterbauelements die zweite Überwachungsschaltung aktiviert wird. In diesem Zusammenhang ist es von weiterem Vorteil, wenn die beiden Überwachungsschaltungen als zwei parallele Überwachungszweige ausgebildet sind, und wenn für eine Überlappungszeit beide Überwachungszweige zur Überstrom- und Kurzschlusserkennung gleichzeitig aktiviert werden.

Die Erfindung wird im weiteren anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf folgende Zeichnungen näher beschrieben:
1, die das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, welche in der Umgebung eines Leitungshalbleiterbauelements angeordnet ist;
2, die den typischen, ungestörten Stromverlauf in dem Leitungshalbleiterbauelement veranschaulicht;
3, die das Auftreten von Überstrom während der Einschaltphase des Leitungshalbleiterbauelements zeigt; und
4, die das Auftreten von Überstrom während der stationären Betriebsphase des Leitungshalbleiterbauelements zeigt.
In der 1 ist das Blockschaltbild einer Vorrichtung dargestellt, bei der zum Schutz eines Leitungshalbleiterbauelements 1, hier zum Schutz eines IGBT (IGBT = insulated gate bipolar transistor), eine Stromsonde 2 in unmittelbarer Nähe dazu angeordnet ist. Die Stromsonde 2 ist dazu geeignet, Stromänderungen dIc/dt des über das Leistungshalbleiterbauelement 1 fließenden Stroms Ic zu sondieren. Als Stromsonde 2 kann vorzugsweise eine Spule in der nach Rogowski benannten Wicklungsanordnung vorhanden sein, die in einem gewissen Abstand zum Leistungshalbleiterbauelement 1, d.h. nahe zu dessen Stromzuführung, angeordnet ist.
Die aus den zeitlichen Stromänderungen im Leistungshalbleiterbauelement 1 resultierenden elektromagnetischen Feldänderungen, welche in der Umgebung des Leistungshalbleiterbauelements 1 wirksam sind, induzieren in der Stromsonde 2 eine dazu proportional Spannung Uout.
Diese Spannung Uout wird einem nachgeschaltetem Integrator 3 in einem ersten Überwachungszweig S1 zugeführt. Der Integrator 3 bildet an seinem Ausgang ein Signal Uint, das dem Verlauf des Stroms Ic über der Zeit t im Leistungshalbleiterbauelement 1 proportional ist. Das Signal Uint ist einem ersten Komparator 4 zugeführt, von dem es mit einem ersten Referenzwert Uref1 verglichen wird.
Parallel dazu wird die Spannung Uout der Stromsonde 2 einem zweiten Überwachungszweig S2 zugeführt, und zwar dort direkt einem zweiten Komparator 5, von dem es mit einem zweiten Referenzwert Uref2 verglichen wird.
Die beiden Komparatoren 4, 5 leiten jeweils ein Fehlersignal an eine Fehlerschaltung 6 weiter, wenn der erste oder der zweite Referenzwert Uref1, Uref2 überschritten wird. Diese Fehlersignale werden in der Fehlerschaltung 6 weiterverarbeitet und dienen insbesondere dazu, das Leistungshalbleiterbauelement 1 im Fehlerfall schnellstmöglich abzuschalten.
Die Funktionsweisen der ersten Überwachungsschaltung S1 und der zweiten Überwachungsschaltung S2 werden nachstehend näher anhand der 2 bis 4 erläutert.
2 zeigt einen typischen Verlauf des Stroms Ic über der Zeit t in dem Leistungshalbleiterbauelement 1 der 1 bei regulärem (ungestörtem) Einschalt- und Durchlassvorgang.
3 stellt einen ersten Kurzschlussfall dar, der zu Beginn des Einschaltvorgangs (Icks1) auftritt und zum Zeitpunkt tks1 von der ersten Überwachungsschaltung S1 erkannt wird.
4 stellt schließlich einen zweiten Kurzschlussfall dar, der während der stationären Durchlassphase (Icks2) zum Zeitpunkt tks2 erfolgt und nahezu verzögerungsfrei von der zweiten Überwachungsschaltung S2 erkannt wird.
Der in 2 dargestellte Stromverlauf für einen ungestörten Einschaltfall des Leistungshalbleiterbauelements 1 entsteht bei Laststromkommutierung von einer hier nicht dargestellten Freilaufdiode, wie dies bei Stromrichtern periodisch mit der Pulsfrequenz von z. B. 1 kHz auftritt. Das Einschaltsignal am Steuereingang des Leistungshalbleiterbauelements 1 wird durch die ansteigende, positive Flanke der Gatessteuerspannung U_GE zum Zeitpunkt ton gegeben.
Nach einer bauelementspezifischen Verzugszeit tvon kommutiert der Laststrom I_L ab dem Zeitpunkt tic,on von der Freilaufdiode mit hoher Stromänderungsgeschwindigkeit dIc/dt in das eingeschaltete Leistungshalbleiterbauelement 1. Der Kommutierungsvorgang ist beendet, sobald der Laststrom I_L vollständig auf das Leistungshalbleiterbauelement übergegangen (kommutiert) ist. Die anschließend auftretenden Laststromänderungen sind um Größenordnungen geringer und sind für das Stromerfassungsprinzip unbedeutend.
Damit kann ein Überstromschutzpegel imax festgelegt werden, der während eines regulären und ungestörten Einschalt- und Durchlassvorgangs des Leistungshalbleiterbauelements 1 nicht überschritten wird.
Zu beachten ist dabei die bei Kommutierungsvorgängen typische kurzzeitige Stromüberhöhung im Leistungshalbleiterbauelement 1, die in der Sperrträgheit der Freilaufdiode begründet liegt.
Bei der hier vorgeschlagenen Vorrichtung wird diese Stromüberhöhung dadurch berücksichtigt, dass der erste Referenzwert Uref1 des Komparators 4 der 1, der den Überstromschutzpegel imax abbildet, über der höchsten, im ungestörten Stromrichterbetrieb auftretenden Stromüberhöhung liegt.
Ein Kurzschluss, der gleich zu Beginn des Einschaltvorgangs des Leistungshalbleiterbauelements 1 besteht bzw. entsteht, wird damit bereits nach Ablauf der Zeit tks1 der 3 dadurch erkannt, dass das Signal Uint größer wird als der erste Referenzwert Uref1.
Das vorstehend beschriebene Verfahren läuft nur während einer ersten Überwachungszeitdauer T1 ab. Diese ist in den 2 und 3 dargestellt. Die erste Überwachungszeitdauer T1 ist derart gewählt, dass sie im wesentlichen nur den Einschaltvorgang des Leistungshalbleiterbauelements 1 abdeckt. Die erste Einschaltdauer T1 kann in der Vorrichtung der 1 beispielsweise dadurch berücksichtigt werden, dass der Integrator 3 nur während dieser ersten Zeitdauer T1 aktiviert ist.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung, wie sie anhand der Vorrichtung nach der 1 veranschaulicht ist, liegt darin, dass der zweite Überwachungszweig S2 mit dem zweiten Komparator 5 versehen ist, der nach Ablauf der ersten Überwachungszeit T1, d.h. während der gesamten, an den Einschaltvorgang sich anschließenden, stationären Leitendzeit des Leistungshalbleiterbauelements 1, die unmittelbar von der Stromsonde 2 sondierte Änderung des Stroms dIc/dt bewertet. Die vorgenannte Leitendzeit ist als zweite Zeitdauer T2 in den 2 und 4 dargestellt und kann in der Vorrichtung der 1 durch eine entsprechende Aktivierung des Komparators 5 realisiert werden.
Durch den zweiten Komparator 5 wird festgestellt, ob eine maximal erlaubte Stromänderung dimax überschritten wird. Diese Stromänderung dimax ist in dem zweiten Komparator 5 durch den zweiten Referenzwert Uref2 abgebildet.
Durch die Einführung des zweiten Überwachungszweiges S2 lässt sich die Ausgestaltung der Schaltung für den Integrator 3 der 1 sehr einfach, zuverlässig und kostengünstig ausführen. da dieser nur für eine sehr kurze Integrationszeit (10 bis 20 μsec) ausgelegt sein muss, wodurch die sonst bei Integratorschaltungen üblichen Langzeitstabilitätsprobleme (Messwert-Verfälschungen durch unvermeidliche Drifterscheinungen) vermieden werden.
Ein Über- oder Kurzschlussstrom, der erst nach Ablauf der ersten Zeitdauer T1 , wie in 4 gezeigt, im stationären Durchlassbetrieb des Leistungshalbleiterbauelements 1 auftritt, wird auf Grund der damit verbundenen schnellen Strömänderung, die sich sehr deutlich von möglichen Lastströmänderungsgeschwindigkeiten abhebt, sehr schnell im Zeitpunkt tks2 durch die direkte Bewertung des am Ausgang der Stromsonde anstehenden Signals Uout erkannt.
Um Über- und Kurzschlussströme auch in der Übergangsphase der Erkennungseinrichtung bei Wechsel von dem Überwachungszweig S1 auf den Überwachungszweig S2 sicher erkennen zu können, wird vorzugsweise eine gewisse Überlappungszeit Tü vorgesehen (z.B. 5...10 μsec), in der beide Überwachungszweige S1, S2 aktiv geschaltet sind.
In den dargestellten Überstrom- oder Kurzschlussfällen stehen an den Ausgängen der beiden Komparatoren 4, 5 der 1, soweit die betreffenden Überwachungszweige S1 bzw. S2 aktiv geschaltet sind, Fehlersignale an, die logisch in der Fehlerschaltung 6 miteinander verknüpft, insbesondere einem ODER-Glied zugeführt werden. Daraus resultiert dann ein unverzügliches Abschalten des Leistungshalbleiterbauelements 1. Der Überstrom- und Kurzschlussschutz ist während der gesamten Zeitspanne aktiv, in der das Leistungshalbleiterbauelement 1 eingeschaltet ist (U_GE > 0).

Claims

Verfahren zum Überstrom- und Kurzschlussschutz eines Leistungshalbleiterbauelements (1), bei dem die Strömänderung im Leistungshalbleiterbauelement (1) überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromänderung mittels einer als Spule ausgebildeten Stromsonde (2), die in der Umgebung des Leistungshalbleiterbauelements (1) angeordnet ist, überwacht wird, und dass mittels mindestens einer mit der Stromsonde (2) verbundenen Überwachungsschaltung (S1, S2) der Überstrom- und/oder Kurzschlussfall erkannt wird und dann ein Abschalten des Leistungshalbleiterelements (1) veranlasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsonde (2) elektrisch mit dem Potential einer Ansteuerschaltung des Leistungshalbleiterbauelements (1) verbunden wird, insbesondere dadurch, dass die Stromsonde (2) in die Leiterplatte der Ansteuerschaltung des Leistungshalbleiterbauelementes (1) integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsonde (2) als Rogowski-Spule ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer ersten Überwachungsschaltung (S1) aus dem Ausgangssignal (Uout) der Stromsonde (2) das zeitliche Integral gebildet und ausgewertet wird, wodurch die Stromänderung als eine zum zeitlichen Stromverlauf im Leistungshalbleiterbauelement (1) proportionale Größe erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitliche Integral ein Integrator-Ausgangssignal (Uint) eines Integrators (3) ist, das nach jedem Ausschalten des Leistungshalbleiterbauelements (1) wieder auf einen Anfangswert, insbesondere auf Null, zurückgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer zweiten Überwachungsschaltung (S2) das Ausgangssignals (Uout) der Stromsonde (2) unmittelbar ausgewertet wird, wodurch die Geschwindigkeit der Stromänderung als eine zur zeitlichen Änderung des Stromverlaufs im Leistungshalbleiterbauelement (1) proportionale Größe erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überstrom- und Kurzschlusserkennung in einer ersten Zeitdauer (T1) nach dem Einschalten des Leistungshalbleiterbauelements (1) die erste Überwachungsschaltung (S1) aktiviert wird, und dass anschließend in einer zweiten Zeitdauer (T2) während des stationären Betriebs des Leistungshalbleiterbauelements (1) die zweite Überwachungsschaltung (S2) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltungen (S1, S2) als parallele Überwachungszweige ausgebildet sind, und dass für eine Überlappungszeit (Tü) beide Überwachungsschaltungen (S1, S2) zur Überstrom- und Kurzschlusserkennung gleichzeitig aktiviert werden.
Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussschutz eines Leistungshalbleiterbauelements (1), die die Strömänderung im Leistungshalbleiterbauelement (1) überwacht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine als Spule ausgebildete Stromsonde (2), die in der Umgebung des Leistungshalbleiterbauelements (1) angeordnet ist, enthält, welche die Stromänderung überwacht, und dass die Vorrichtung mindestens eine mit der Stromsonde (2) verbundene Überwachungsschaltung (S1, S2) enthält, die den Überstrom- und/oder Kurzschlussfall erkennt und die dann ein Abschalten des Leistungshalbleiterelements (1) veranlasst.