DE10323220B4 - Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter - Google Patents
Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter Download PDFInfo
- Publication number
- DE10323220B4 DE10323220B4 DE10323220.6A DE10323220A DE10323220B4 DE 10323220 B4 DE10323220 B4 DE 10323220B4 DE 10323220 A DE10323220 A DE 10323220A DE 10323220 B4 DE10323220 B4 DE 10323220B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- circuit
- short
- capacitor
- voltage
- converter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
- H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Rectifiers (AREA)
Abstract
Kurzschluss-Schaltung für einen fehlerhaften Teilumrichter, der als Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut und Teil einer Reihenschaltung von Teilumrichtern ist, wobei der Teilumrichter mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator (C) als Energiespeicher beschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zwischenkreiskondensator (C) oder zu einer Reihenschaltung von Zwischenkreiskondensatoren (C) des Teilumrichters mindestens ein elektronisches Halbleiterbauelement parallel geschaltet ist, das im Fehlerfall des Teilumrichters einen Kurzschlussstrom des Zwischenkreiskondensators (C) entweder übernimmt oder in Abhängigkeit von einem solchen Kurzschlussstrom angesteuert wird und anschließend dauerhaft durchlegiert oder infolge einer einen vorbestimmten Wert übersteigenden Kondensatorspannung (Udc1...UdcN) durchlegiert, wobei parallel zum Speicherkondensator gleichspannungsseitig ein Kurzschlusspfad bereitgestellt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Kurzschluss-Schaltung für einen fehlerhaften Teilumrichter, der wie ein Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut ist, der mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator als Energiespeicher beschaltet ist, in einer Reihenschaltung von Teilumrichtern. Die Reihenschaltung kann wechsel- oder gleichspannungsseitig angeordnet sein. Mit dem Kurzschluss soll eine redundante Reihenschaltung von Teilumrichtern ermöglicht werden, die als Zwei- oder Mehrpunktumrichter ausgebildet sein können.
- Bei Umrichtertopologien mit in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern kann der Leerlauf eines einzigen Halbleiterventils einen ganzen Stromrichterzweig außer Betrieb setzen. In gleicher Weise kann bei Umrichtern mit in Reihe geschalteten Teilumrichtern der Leerlauf eines einzigen Halbleiterventils den Weiterbetrieb des Umrichters erheblich einschränken, wenn nicht sogar verhindern.
- Derartige Umrichter bestehen zum Beispiel aus einer Brückenschaltung mit Brückenzweigen aus einer Serienschaltung einer beliebigen Anzahl von Zweipolen (Submodule), wobei die Zweipole bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmenspannung aufweisen. Der Brückenausgang ist mit einem Mittelfrequenztransformator verbunden. Die Submodule haben einen internen Spannungszwischenkreis mit einem Energiespeicher (Kondensator) und sind so aufgebaut, dass ihre Klemmenspannung unabhängig von der Stromrichtung einen positiven oder negativen Wert annehmen kann. Mit den Submodulen werden treppenförmige Spannungen sowohl auf der Netzseite als auch auf der Mittelfrequenzseite realisiert. Zusätzlich kann ein Kurzschlusszustand vorgesehen sein.
- Damit Umrichter mit vielen in Reihe geschalteten Teilumrichtern redundant arbeiten können, muss sichergestellt werden, dass ein fehlerhafter Teilumrichter an seinen Klemmen dauerhaft kurzgeschlossen wird.
- Aus Schibli/Rufer, Single- and three-phase multilevel converters for traction systems 50 Hz/16 2/3 Hz, Proceedings, 7th European Conference an Power Electronics Applications (EPE), 1997, vol. 4, Seite 210–215 ist für ein Traktionssystem eine Lösung bekannt, mit der eine galvanische Trennung der Motoren vom Fahrdraht unter Einsatz einer Anzahl einzelner Mittelfrequenztransformatoren vorgenommen wird. Die Mittelfrequenztransformatoren sind jeweils seriengeschalteten Teilstromrichtern zugeordnet. Netzseitig besteht eine Serienschaltung von Teilstromrichtergruppen, die in Summe eine treppenförmige Spannung erzeugen. Jede dieser Teilstromrichtergruppen weist einen netzseitigen Vierquadrantensteller, einen ersten Gleichspannungskondensator, einen primärseitigen Mittelfrequenzwechselrichter, einen Mittelfrequenztransformator, einen sekundärseitigen Mittelfrequenzgleichrichter und einen zweiten Gleichspannungskondensator auf. Zur Redundanzherstellung wird hier ein mechanischer Kurzschließer auf der Netzseite parallel zum zugehörigen Teilstromrichter vorgeschlagen.
- Sobald ein Teilstromrichter defekt ist, wird der Kurzschließer geschlossen und somit der Kurzschluss zwischen den Anschlussstellen gewährleistet.
- Dies ist jedoch eine aufwändige Variante, wenn man bedenkt, dass der mechanische Kurzschließer eine auf Hochspannung liegende Stromversorgung benötigt. Zusätzlich müssten diese Kurzschließer aufgrund ihrer Mechanik häufiger gewartet werden.
- Bei der Reihenschaltung von mehreren Halbleiterschaltern ist eine heute übliche Methode zur Erzielung eines redundanten Aufbaus die Druckkontaktierung der Halbleiterchips der Ventile. Durch den Druckkontakt ist garantiert, dass ein defektes Halbleiterventil sich im Kurzschluss befindet. Auf diese Weise sind zum Beispiel in HGÜ-Anlagen mehrere Netz-Thyristoren in Reihe geschaltet.
- Aus dem Beitrag von Kaufmann, Lang und Chokhawala „Innovative press pack modules for high power IGBTs”, ISPSD Osaka, Juni 2001 ist beispielsweise bekannt, dass druckkontaktierte IGBTs so ausgelegt werden können, dass diese im Falle eines Kurzschlusses durchlegieren und somit leitend werden. Das Durchlegieren wird metallurgisch dadurch erreicht, dass das Silikon mit einem zweckmäßigen Partner zusammengebracht wird, so dass sich bei den im Kurzschlussfall auftretenden hohen Temperaturen eine leitende Legierung ausbildet. Auf diese Weise ist der gewünschte „Short Circuit Failure Mode” bereitgestellt.
- Ein kurzschlussfestes IGBT-Modul ist auch in der
EP 0 989 611 A2 beschrieben. - Die Druckkontaktierung von Leistungshalbleitern stellt jedoch im Vergleich zur Modultechnik mit einer Bonddrahtkontaktierung eine aufwendige und teure Alternative dar. Dies gilt insbesondere für kleinere Strom- und Leistungsdichten als bei heutigen HGÜ-Anlagen, die typische Leistungen von 100 bis 800 MW aufweisen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für wechsel- oder gleichspannungsseitig in Reihe geschaltete Teilumrichter mit internem Spannungszwischenkreis eine Kurzschluss-Schaltung anzugeben, die ohne Druckkontaktierung bei den Halbleiterschaltern und ohne mechanische Schalteinrichtungen auskommt.
- Die Teilumrichter sollen bei Ausfall der Ansteuerung eines einzelnen Halbleiterschalters in einem Teilumrichter oder beim Versagen eines internen Halbleiterventils mit anschließendem Kurzschluss des Spannungszwischenkreises (Speicherkondensator) sicher einen dauerhaften Klemmenkurzschluss des Teilumrichters bewirken.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Danach ist zu jedem Spannungszwischenkreiskondensator oder der Reihenschaltung von Zwischenkreiskondensatoren eines Teilumrichters mindestens ein elektronisches Halbleiterbauelement parallel geschaltet, das im Fehlerfall des Teilumrichters einen Kurzschlussstrom des Kondensators entweder mindestens zum überwiegenden Anteil übernimmt oder in Abhängigkeit von einem solchen Kurzschlussstrom angesteuert wird und anschließend dauerhaft durchlegiert oder infolge einer einen vorbestimmten Wert übersteigenden Kondensatorspannung durchlegiert. Mit Hilfe des durchlegierten Halbleiterbauelementes kann ein Kurzschluss des Spannungszwischenkreiskondensators für Nennstromwerte garantiert werden. Durch die Auslegung auf ein Durchlegieren ab einer bestimmten Kondensatorspannung kann außerdem die im Spannungszwischenkreis gespeicherte Energie gezielt auf ein Maximum begrenzt werden. Das hat den Vorteil, dass auch die im Fehlerfall maximal freiwerdende Energie begrenzt wird.
- Die Erfindung nutzt die grundsätzliche Eigenschaft von Spannungsumrichtern mit niederinduktiv angeschlossenem Spannungszwischenkreiskondensator, dass im Fehlerfall dieser Umrichter ein Kurzschlussstrom auftritt, dessen maximale Amplitude bereits ab geringen Kondensatorspannungen immer wesentlich größer ist, als die der maximalen Betriebsströme. Mit Hilfe dieser hohen Kurzschlussströme kann ein zusätzlicher Kurzschlusspfad parallel zum Speicherkondensator erzeugt werden.
- Bei Ausfall der Ansteuerung von Halbleiterschaltern und damit dem Sperren einzelner aktiver Halbleiterschalter innerhalb eines Teilumrichters kann ein dauerhafter Kurzschluss dieses Teilumrichters mit Hilfe der Erfindung auf folgende Weise erzielt werden. Zu unterscheiden ist in diesem Fall die wechselspannungsseitige und die gleichspannungsseitige Reihenschaltung der Teilumrichter:
Bei der wechselspannungsseitigen Reihenschaltung hat ein Ausfall der Ansteuerung zur Folge, dass der Teilumrichter eine falsche Ausgangsspannung einstellt. Dies kann von der übergeordneten Regelung erkannt werden. Daraufhin sperrt diese alle aktiven Halbleiterschalter des betroffenen Teilumrichters, so dass nur noch die antiparallelen Dioden den Wechselstrom führen. Durch die Gleichrichtfunktion der Dioden prägt der defekte Teilumrichter immer die Gleichspannung auf der Wechselspannungsseite folgendermaßen ein: negative Gleichspannung bei negativem Strom und positive Gleichspannung bei positivem Strom. Diese Fehlspannung kann mit Hilfe der anderen in Reihe geschalteten Teilumrichter in einem speziellen Betriebsmodus kompensiert werden. In diesem Betriebsmodus wird ein Wechselstrom in dem betreffenden Stromrichterzweig eingeprägt. Dieser führt dazu, dass der defekte Teilumrichter dauerhaft Energie aufnimmt. Auf diese Weise steigt die Spannung des Teilumrichterzwischenkreises über die maximale Nennbetriebsspannung hinaus an. Das dem Zwischenkreiskondensator parallel geschaltete Halbleiterbauelement ist so ausgelegt, dass dessen Sperrspannung nur knapp oberhalb der maximalen Nennbetriebsspannung auf der Gleichspannungsseite liegt. Dadurch wird dieses Halbleiterbauelement im Teilumrichter aufgrund von Überspannung noch weit vor allen anderen Halbleiterschaltern des Teilumrichters zerstört werden. Dies hat wiederum einen Kurzschluss des Zwischenkreiskondensators und eine anschließende dauerhafte Durchlegierung des betroffenen Halbleiterbauelementes zur Folge. Durch die spezielle Sperrspannungsauslegung dieses Halbleiterbauelementes, die unterhalb der der anderen Halbleiterbauelemente liegt, kann die im Fehlerfall maximal freiwerdende Energie um bis zu zirka 40% reduziert werden. - Bei der gleichspannungsseitigen Reihenschaltung erkennt analog zur wechselspannungsseitigen Reihenschaltung die Regelung den Fehlerfall und sperrt alle Halbleiterschalter des defekten Teilumrichters. Anschließend wird auch dieser Teilumrichter mit einem von der Gleichspannungsseite oder auch von der Wechselspannungsseite eingeprägten Stromes so lange aufgeladen, bis das dem Zwischenkreiskondensator parallel geschaltete elektronische Halbleiterbauelement aufgrund von Überspannung zerstört wird und daraufhin durchlegiert.
- Mit der Erfindung bleibt der Schutz der Dioden des Leistungsteils, zum Beispiel der Vollbrückenschaltung, vor der Zerstörung erhalten. Ausgenommen sind einzelne Dioden-Chips, wenn sie den Fehlerfall verursacht haben. Parallel zum Speicherkondensator wird gleichspannungsseitig ein Kurzschlusspfad errichtet. Für die Herstellung eines wechselstromseitigen Kurzschlusspfades wird die Gleichrichtfunktion der Dioden des Leistungsteils weiter benutzt.
- Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
-
1 einen Umrichter in Brückenschaltung; -
2 die zugehörigen Teilumrichter eines einzelnen Brückenzweiges; -
3 einen Teilumrichter (Submodul) mit Rückschwingdiode als Kurzschluss-Schalter; -
4 eine Schaltung mit einem Kurzschluss-Thyristor und -
5 eine weitere Variante mit einem Kurzschluss-Thyristor. -
1 zeigt zunächst den allgemeinen Aufbau des Stromrichters in einer Version als Vollbrückenschaltung. Am Eingang des Stromrichters liegt die Netzspannung UN an. In Form einer Brückenschaltung sind vier Stromrichterzweige11 ,12 ,21 und22 angeordnet. An der Brückendiagonale befindet sich ein Mittelfrequenztransformator T mit der Primärspannung UT und der Sekundärspannung UT'. Wie2 zeigt, bestehen die Stromrichterzweige11 ,12 ,21 ,22 jeweils aus mehreren Submodulen mit der Klemmenspannung Uss1...ussN. - Eine mögliche Realisierung der Submodule ist in
2 dargestellt. Ein Submodul hat jeweils die Form einer Vollbrückenschaltung eines Spannungsumrichters, nur dass diese hier als einzelner Zweipol genutzt wird. Die Brückenschaltung besteht aus vier Leistungshalbleiterschaltern IGBT1...IGBT4 mit antiparallel geschalteten Dioden D1...D4. An die gleichspannungsseitigen Anschlüsse ist ein Speicherkondensator C geschaltet, der sich jeweils auf die Spannung Udc1...UdcN auflädt, solange kein Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 geschaltet wird. Mit dem Schalten der Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 entstehen Schaltzustände, mit denen die Klemmenspannung uss1...ussN, unabhängig von der Stromrichtung positiv, negativ oder auch Null (Kurzschluss) wird. - Unter der Annahme, dass die Spannungen Udc1...UdcN der Kondensatoren C aller Submodule einen gleichen Ausgangszustand Udc = U0 haben und eine Anzahl N von Submodulen vorhanden ist, kann die Spannung Uac eines Stromrichterzweiges
11 ,12 ,21 ,22 den Wertebereich –n U0...+nU0 annehmen und lässt sich somit in diskreten ”Treppenstufen” der Spannung U0 stellen. - Die Submodule sind als Hochleistungs-IGBT-Module aufgebaut, die meist eine Vielzahl von IGBT- und antiparallelen Dioden-Chips aufweisen. Dabei wird jeder Chip über Bonddrähte elektrisch mit der modulinternen Verschienung verbunden. Im Fehlerfall eines IGBT-Ventils legiert meist nur ein einzelner Chip durch. Die diesem Chip parallel geschalteten Chips sind meist noch funktionsfähig. Bei den meisten Fehlern wird der Fehlerstrom deshalb nur über den defekten Chip geführt. Aufgrund der hohen Amplitude des Kurzschlussstromes sowie der Konzentration auf nur einen Chip entstehen extrem hohe Stromdichten in den Bonddrähten des fehlerhaften Chips. Nach wenigen Mikrosekunden schmelzen diese oder reißen aufgrund der magnetischen Kräfte ab und es bildet sich ein Lichtbogen aus, der bis zur Explosion des Moduls führen kann. Die Explosion von IGBT- oder Diodenmodulen kann zur Folge haben, dass die Halbleiterschalter sich wechsel- oder gleichspannungsseitig im Leerlauf befinden, was unter anderem mit der Erfindung vermieden wird. Ein defekter Teilumrichter stellt im Fehlerfall einen mit Nennstrom belastbaren Kurzschluss her.
- Ein erstes Beispiel für die erfindungsgemäße Kurzschluss-Schaltung ist in
3 dargestellt. Dem Speicherkondensator C ist eine Rückschwingdiode DR parallel geschaltet und so dimensioniert, dass sie in allen möglichen Fehlerfällen mit anschließendem gleichspannungsseitigen Kurzschluss durchlegiert und dadurch die Gleichspannungsseite dauerhaft kurzschließt. - Die Rückschwingdiode DR vermeidet zusammen mit Streuinduktivitäten Lσ, dass im Kurzschlussfall die Dioden D1...D4 des Leistungsteils mit einem sehr großen Rückschwingstrom belastet werden. Hierdurch wird eine Schädigung der Bonddrähte der Dioden D1...D4 vermieden.
- Für den Fall, dass eine Lichtbogenbildung in den Submodulen durch eine hohe Stromamplitude ausgelöst werden kann, empfiehlt sich eine räumliche Aufteilung der Module in entweder eine Parallelschaltung kleiner IGBT-Module mit Freilaufdiode oder eine Aufteilung in Dioden- und IGBT-Module. Mit dieser Maßnahme kann eine ausreichende Redundanz der Freilaufdioden gewährleistet werden.
- Ein dauerhafter gleichspannungsseitiger Kurzschluss im Fehlerfall wird dadurch erreicht, dass der hohe Rückschwingstrom in der Rückschwingdiode DR diese durchlegieren lässt. Dafür ist notwendig, dass die Rückschwingdiode DR einen Großteil des Stromes übernimmt. Dies erreicht man durch eine niederinduktive Anbindung an den Speicherkondensator C.
- Die
4 und5 zeigen Beispiele mit einem Kurzschluss-Thyristor VK parallel zum Speicherkondensator. Der Kurzschluss-Thyristor VK ist niederinduktiv an den Speicherkondensator C angebunden. - Die Dioden- und IGBT-Module werden vor einer Lichtbogenbildung geschützt, indem eine Sensorschaltung den gleichspannungsseitigen Kurzschluss innerhalb von wenigen Mikrosekunden (μs) erkennt und dann eine Zündung des Kurzschluss-Thyristors VK einleitet. Aufgrund der Eigenschaft von IGBTs, bei zirka fünf- bis zehnfachem Nennstrom zu entsättigen, kann sehr schnell der Kurzschlussstrom in den Leistungshalbleiterschaltern IGBT1...IGBT4 und/oder Dioden D1...D4 des Leistungsteils auf den dann gezündeten Kurzschluss-Thyristor VK kommutieren. Dessen Kontaktierung ist so kurzschlussfest ausgelegt, dass sich bei ihm kein Lichtbogen aufgrund des hohen Kurzschlussstromes ausbilden kann. Eine solche Kontaktierung kann beispielsweise durch einen Druckkontakt, verstärkte Bondungen, harte Lötung oder eine großflächige Lötung mit Lötkugeln realisiert werden.
- Mit der Maßnahme der niederinduktiven Anbindung an den Speicherkondensator C kommutiert der Kurzschlussstrom in sehr kurzer Zeit auf den Kurzschluss-Thyristor VK über. Hierbei entsteht ein extrem großes di/dt, was beim Kurzschluss-Thyristor VK zur lokalen Überhitzung des Halbleitermaterials führt. Durch diesen Effekt wird der Kurzschluss-Thyristor VK zerstört und er bildet einen dauerhaften Kurzschluss. Es kann aber auch die hohe Kurzschlussstromamplitude zur Zerstörung des Kurzschluss-Thyristors VK führen, so dass durch diesen Effekt genauso ein dauerhafter Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite des Submoduls entsteht.
- Aufgrund der sehr schnellen Entladung des Speicherkondensators C im Fehlerfall ist es notwendig, dass dieser Zustand in extrem kurzer Zeit erkannt wird (Ttot < 5 μs). Dies ist notwendig, um die Bildung eines Lichtbogens im Submodul zu verhindern.
-
4 zeigt eine erste Variante für eine solche Erkennungsschaltung. Der Kurzschlusszustand des Speicherkondensators C wird in einer Sensorschaltung1 anhand des stark negativen du/dt der Kondensatorspannung Udc erkannt. Dies erfolgt mit Hilfe eines ohmsch-kapazitiven Spannungsteilers mit den Widerständen R1, R2 und den Kondensatoren C1, C2. Ist der Kurzschluss festgestellt, dann wird mit Schalttransistoren V1 und V2 ein Zündtransformator TZ aus einer Spannungsquelle bestromt, hier einem Kondensator C3, Diese Spannungsquelle wird ebenfalls direkt aus dem Leistungskreis gespeist. Der Kurzschluss-Thyristor VK kann mit Hilfe dieser Schaltung so schnell gezündet werden, dass er nach weniger als 5 μs den Kurzschlussstrom übernimmt. Werden die Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 so angesteuert, dass sie im Kurzschlussfall entsättigen, dann ist eine Kommutierung des gesamten Kurzschlussstromes auf den Kurzschluss-Thyristor VK in weniger als 10 μs garantiert. Auf diese Weise kann eine Lichtbogenbildung in den IGBT-Modulen des Submoduls verhindert werden. - Nach der Thyristor-Zündung ist die Gleichspannungsseite des Submoduls durch den durchlegierten Kurzschluss-Thyristor VK dauerhaft kurzgeschlossen. Da außerdem eine Lichtbogenbildung in den IGBT-Modulen des Submoduls verhindert wurde, ist garantiert, dass die Mehrzahl aller Dioden-Chips in Flussrichtung leitend ist. Auf diese Weise ist auch ein dauerhafter Kurzschluss des Submoduls zwischen den Klemmen
1' und2' gewährleistet. - Eine Alternative zu der zuvor beschriebenen Kurzschlusserkennung bietet eine weitere Schaltung, die den Spannungsabfall an parasitären Streuinduktivitäten der Zwischenkreisverschienung nutzt. Auch diese Schaltung benötigt keinerlei zusätzliche Stromversorgungen.
- Eine solche mögliche Schaltung ist in
5 dargestellt. Die Schaltung reagiert auf das gegenüber normalen Schaltvorgängen deutlich länger anhaltende, stark positive di/dt in einer parasitären Streuinduktivität Lσ. Nach wenigen μs wird auch bei dieser Schaltung der Kurzschluss-Thyristor VK gezündet. - Ein di/dt wird von einer Sensorschaltung
2 , bestehend aus einer RC-Schaltung mit einem Kondensator C4 und den Widerständen R3, R4, R5, erkannt. Die nachfolgende schaltbare Spannungsquelle ist die gleiche wie in4 . - Kombiniert man eine Rückschwingdiode DR und einen Kurzschluss-Thyristor VK, so ist eine besonders niederinduktive Anbindung des Kurzschluss-Thyristors VK an die IGBT-Module des Submoduls sowie die der Rückschwingdiode DR an den Speicherkondensator C sinnvoll.
- Der modulnah angeordnete Kurzschluss-Thyristor VK kann somit genutzt werden, um den Kurzschlussstrom in den Submodulen stark zu begrenzen. Anschließend können Rückschwingdiode DR und Kurzschluss-Thyristor VK gemeinsam die Gleichspannungsseite des Submoduls dauerhaft kurzschließen. Falls die äußerst zuverlässige Zündsteuerung des Kurzschluss-Thyristors VK doch einmal ausfällt, dann kann als Rückfallebene mit der Rückschwingdiode DR immer noch ein dauerhafter Kurzschluss erzeugt werden.
- Die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Schaltungen benötigen keine zusätzliche Stromversorgung. Dies ist von besonderem Vorteil, da sich eine redundante und unabhängige Leistungsversorgung auf Hochspannungspotential (bis zu einigen 10 kV) sehr aufwendig gestaltet. Die Lösung ist einfach, robust und preisgünstig. Eine Wartung der Schaltung ist nicht notwendig. Bei Anlagen mit kleinen und mittleren Leistungen ist anstatt von IGBT-Scheibenzellen (mit IGBT-Druckkontakt) die Verwendung von IGBT-Modulen möglich.
Claims (10)
- Kurzschluss-Schaltung für einen fehlerhaften Teilumrichter, der als Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut und Teil einer Reihenschaltung von Teilumrichtern ist, wobei der Teilumrichter mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator (C) als Energiespeicher beschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zwischenkreiskondensator (C) oder zu einer Reihenschaltung von Zwischenkreiskondensatoren (C) des Teilumrichters mindestens ein elektronisches Halbleiterbauelement parallel geschaltet ist, das im Fehlerfall des Teilumrichters einen Kurzschlussstrom des Zwischenkreiskondensators (C) entweder übernimmt oder in Abhängigkeit von einem solchen Kurzschlussstrom angesteuert wird und anschließend dauerhaft durchlegiert oder infolge einer einen vorbestimmten Wert übersteigenden Kondensatorspannung (Udc1...UdcN) durchlegiert, wobei parallel zum Speicherkondensator gleichspannungsseitig ein Kurzschlusspfad bereitgestellt ist.
- Kurzschluss-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Halbleiterbauelement eine Rückschwingdiode (DR) ist.
- Kurzschluss-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Halbleiterbauelement ein aktiver Halbleiterschalter ist.
- Kurzschluss-Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Halbleiterschalter ein Kurzschluss-Thyristor (Vk) ist.
- Kurzschluss-Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Halbleiterschalter ein Leistunghalbleiterschalter (IGBT) ist.
- Kurzschluss-Schaltung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschwingdiode (DR) und der aktive Halbleiterschalter gemeinsam eingesetzt sind.
- Kurzschluss-Schaltung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Halbleiterschalter durch eine du/dt-Erkennungsschaltung, die parallel zum Zwischenkreiskondensator (C) angeordnet ist, angesteuert ist.
- Kurzschluss-Schaltung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Halbleiterschalter durch eine di/dt-Erkennungsschaltung, die parallel zu einer Streuinduktivität (Lσ) des Teilumrichters angeordnet ist, angesteuert ist.
- Kurzschluss-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschwingdiode (DR) und/oder der aktive Halbleiterschalter niederinduktiv an den Zwischenkreiskondensator (C) angebunden sind.
- Kurzschluss-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilumrichter als räumlich aufgeteilte, parallel geschaltete Module mindestens mit räumlicher Aufteilung der Dioden-Chips aufgebaut sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10323220.6A DE10323220B4 (de) | 2003-05-22 | 2003-05-22 | Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10323220.6A DE10323220B4 (de) | 2003-05-22 | 2003-05-22 | Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10323220A1 DE10323220A1 (de) | 2004-12-23 |
DE10323220B4 true DE10323220B4 (de) | 2014-07-17 |
Family
ID=33482093
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10323220.6A Expired - Lifetime DE10323220B4 (de) | 2003-05-22 | 2003-05-22 | Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10323220B4 (de) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102018102234A1 (de) | 2018-02-01 | 2019-08-01 | Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg | Kurzschluss-Halbleiterbauelement |
CN110495084A (zh) * | 2017-01-27 | 2019-11-22 | 通用电器技术有限公司 | 一种用于mmc-hvdc子模块的保护装置 |
EP3598628A1 (de) | 2018-07-17 | 2020-01-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Halbleiteranordnung, schaltmodul mit der halbleiteranordnung und modularer mehrstufenumrichter mit dem schaltmodul |
EP3772111A1 (de) | 2019-08-01 | 2021-02-03 | Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG | Kurzschluss-halbleiterbauelement und verfahren zu dessen betrieb |
EP3163729B1 (de) | 2014-06-30 | 2022-04-20 | Mitsubishi Electric Corporation | Stromwandler |
US11664445B2 (en) | 2019-08-01 | 2023-05-30 | Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg | Short-circuit semiconductor component and method for operating it |
Families Citing this family (35)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10333798B4 (de) | 2003-07-24 | 2018-11-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters |
DE102005040543A1 (de) * | 2005-08-26 | 2007-03-01 | Siemens Ag | Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern |
DE102005041087A1 (de) * | 2005-08-30 | 2007-03-01 | Siemens Ag | Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern |
JP2009507463A (ja) * | 2005-09-09 | 2009-02-19 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 電気エネルギー伝送のための装置 |
JP2009507462A (ja) * | 2005-09-09 | 2009-02-19 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 電気エネルギー伝送のための装置 |
CA2643110C (en) * | 2006-02-23 | 2014-09-16 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for short-circuiting of power semiconductor modules |
SI2100368T1 (sl) | 2006-12-08 | 2011-11-30 | Siemens Ag | Polprevodniški zaščitni elementi za obvladovanje kratkih stikov na strani enosmernega toka pri napetostnih pretvornikih v vmesnem krogu |
BRPI0721437B8 (pt) * | 2007-03-13 | 2023-04-25 | Siemens Ag | Dispositivo para converter uma corrente elétrica e método para limitar dano a conversor tendo semicondutores de potência |
DE102007018344B4 (de) | 2007-04-16 | 2022-08-04 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Vorrichtung zum Schutz von Umrichtermodulen |
MX2011009479A (es) * | 2009-03-11 | 2011-09-28 | Abb Technology Ag | Convertidor de fuente de voltaje modular. |
EP2369725B1 (de) * | 2010-03-25 | 2012-09-26 | ABB Schweiz AG | Überbrückungseinheit |
US20140226374A1 (en) * | 2011-07-29 | 2014-08-14 | Abb Technology Ag | Ctl cell protection |
ES2710557T3 (es) | 2011-09-29 | 2019-04-25 | Siemens Ag | Protección de corriente de cortocircuito para un submódulo de un convertidor multinivel modular (MMC) |
EP2608382A1 (de) * | 2011-12-19 | 2013-06-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Modularer Hochfrequenz Umrichter |
EP2608374A1 (de) * | 2011-12-19 | 2013-06-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Modularer Stromrichter |
CN104350663A (zh) * | 2012-06-15 | 2015-02-11 | 华为技术有限公司 | 用于执行功率转换的方法和设备 |
EP2824701B1 (de) * | 2013-07-12 | 2020-05-06 | ABB Power Grids Switzerland AG | Hochleistungshalbleitermodul |
WO2015090428A1 (en) * | 2013-12-19 | 2015-06-25 | Abb Technology Ltd | Method and system for handling converter cell failure |
DE202014104564U1 (de) | 2014-09-24 | 2014-11-20 | Sma Solar Technology Ag | Kurzschlussschalter mit Halbleiterschalter und Anordnung zum Kurzschließen einer dreiphasigen Wechselspannung |
US10447023B2 (en) | 2015-03-19 | 2019-10-15 | Ripd Ip Development Ltd | Devices for overvoltage, overcurrent and arc flash protection |
DE102015109466A1 (de) | 2015-06-15 | 2016-12-15 | Ge Energy Power Conversion Technology Limited | Stromrichter-Submodul mit Kurzschlusseinrichtung und Stromrichter mit diesem |
EP3208922A1 (de) * | 2016-02-18 | 2017-08-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Modulselbstdiagnose in einem modularen mehrzellen stromrichter |
US10319545B2 (en) | 2016-11-30 | 2019-06-11 | Iskra Za{hacek over (s)}{hacek over (c)}ite d.o.o. | Surge protective device modules and DIN rail device systems including same |
US10707678B2 (en) | 2016-12-23 | 2020-07-07 | Ripd Research And Ip Development Ltd. | Overvoltage protection device including multiple varistor wafers |
US10447026B2 (en) | 2016-12-23 | 2019-10-15 | Ripd Ip Development Ltd | Devices for active overvoltage protection |
CN211930497U (zh) | 2017-02-15 | 2020-11-13 | 西门子股份公司 | 变换器模块和电压中间电路变换器 |
US10340110B2 (en) | 2017-05-12 | 2019-07-02 | Raycap IP Development Ltd | Surge protective device modules including integral thermal disconnect mechanisms and methods including same |
US10685767B2 (en) | 2017-09-14 | 2020-06-16 | Raycap IP Development Ltd | Surge protective device modules and systems including same |
US11223200B2 (en) | 2018-07-26 | 2022-01-11 | Ripd Ip Development Ltd | Surge protective devices, circuits, modules and systems including same |
WO2020030262A1 (de) * | 2018-08-08 | 2020-02-13 | Siemens Aktiengesellschaft | Anordnung mit einem überbrückungsschalter |
EP3931958A1 (de) * | 2019-02-28 | 2022-01-05 | ABB Power Grids Switzerland AG | Konverterzelle mit überspannungsschutz |
EP3866325A1 (de) | 2020-02-12 | 2021-08-18 | GE Energy Power Conversion Technology Ltd. | Verfahren zum kurzschliessen eines fehlerhaften wandlersubmoduls und leistungswandler, der diesen unterstützt |
US11862967B2 (en) | 2021-09-13 | 2024-01-02 | Raycap, S.A. | Surge protective device assembly modules |
US11723145B2 (en) | 2021-09-20 | 2023-08-08 | Raycap IP Development Ltd | PCB-mountable surge protective device modules and SPD circuit systems and methods including same |
US11990745B2 (en) | 2022-01-12 | 2024-05-21 | Raycap IP Development Ltd | Methods and systems for remote monitoring of surge protective devices |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3037120C2 (de) * | 1980-10-01 | 1986-04-03 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Überspannungsschutzanordnung mit Z-Diode |
EP0989611A2 (de) * | 1998-09-22 | 2000-03-29 | Asea Brown Boveri AG | Kurzschlussfestes IGBT modul |
DE10114075A1 (de) * | 2001-03-22 | 2002-10-02 | Semikron Elektronik Gmbh | Stromrichterschaltungsanordnung für Generatoren mit dynamisch veränderlicher Leistungsabgabe |
-
2003
- 2003-05-22 DE DE10323220.6A patent/DE10323220B4/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3037120C2 (de) * | 1980-10-01 | 1986-04-03 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Überspannungsschutzanordnung mit Z-Diode |
EP0989611A2 (de) * | 1998-09-22 | 2000-03-29 | Asea Brown Boveri AG | Kurzschlussfestes IGBT modul |
DE10114075A1 (de) * | 2001-03-22 | 2002-10-02 | Semikron Elektronik Gmbh | Stromrichterschaltungsanordnung für Generatoren mit dynamisch veränderlicher Leistungsabgabe |
Non-Patent Citations (7)
Title |
---|
BERNET, S.: Recent developments of high power converters for industry and traction applications. In: Power Electronics, IEEE Transactions on, Nov 2000, 1102-1117. - ISSN 0885-8993 * |
Gunturi, S. et al.: Innovative metal system for IGBT press pack modules. In: Power Semiconductor Devices and ICs, 2003. Proceedings. ISPSD '03, April 2003, 110- 113. - ISSN 0780378768 * |
HOFFMANN, A.; STOCKER, K.: Thyristor- Handbuch. München : Siemens- Aktiengesellschaft, 1976. - ISBN 3 -8009-1220-1 * |
JOYCE, John C.: Current Sharing and Redistribution in High Power IGBT Modules. Ph.D. Thesis. Clare College, Cambridge University Engineering Department, 2001. * |
KAUFMANN, S.; LANG, T.; CHOKHAWALA, R: Innovative press pack modules for high power IGBTs. In: Proceedings of the 13th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 2001. ISPSD '01., 2001, 59 -62. - ISSN 4-88686-056-7 * |
Schibli,N., A.Rufer: Single- and Three-Phase Multilevel Converters for Traction Systems 50 Hz / 16 2/3 Hz.. In: Proc. 7th European Conv. on Power Electronics Applications (EPE'97), Vol.4, 1997, S.210-215. * |
ZELLER, H.: High Power Components From the State of the Art to Future Trends. In: PCIM 1998, 1998, 1 - 10. * |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3163729B1 (de) | 2014-06-30 | 2022-04-20 | Mitsubishi Electric Corporation | Stromwandler |
CN110495084A (zh) * | 2017-01-27 | 2019-11-22 | 通用电器技术有限公司 | 一种用于mmc-hvdc子模块的保护装置 |
CN110495084B (zh) * | 2017-01-27 | 2021-06-15 | 通用电器技术有限公司 | 一种用于mmc-hvdc子模块的保护装置 |
DE102018102234A1 (de) | 2018-02-01 | 2019-08-01 | Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg | Kurzschluss-Halbleiterbauelement |
WO2019149581A1 (de) | 2018-02-01 | 2019-08-08 | Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg | Kurzschluss-halbleiterbauelement und verfahren zu dessen betrieb |
US11646365B2 (en) | 2018-02-01 | 2023-05-09 | Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG. | Short-circuit semiconductor component and method for operating same |
EP3598628A1 (de) | 2018-07-17 | 2020-01-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Halbleiteranordnung, schaltmodul mit der halbleiteranordnung und modularer mehrstufenumrichter mit dem schaltmodul |
DE102018211900A1 (de) | 2018-07-17 | 2020-01-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Halbleiteranordnung, Schaltmodul mit der Halbleiteranordnung und modularer Mehrstufenumrichter mit dem Schaltmodul |
EP3772111A1 (de) | 2019-08-01 | 2021-02-03 | Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG | Kurzschluss-halbleiterbauelement und verfahren zu dessen betrieb |
US11664445B2 (en) | 2019-08-01 | 2023-05-30 | Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg | Short-circuit semiconductor component and method for operating it |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10323220A1 (de) | 2004-12-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE10323220B4 (de) | Kurzschluss-Schaltung für einen Teilumrichter | |
EP2100368B1 (de) | Halbleiterschutzelemente zur beherrschung von dc-seitigen kurzschlüssen bei spannungszwischenkreisumrichtern | |
EP3211784B1 (de) | Doppel-submodul für einen modularen mehrpunktstromrichter und modularer mehrpunktstromrichter mit diesem | |
EP2507884B1 (de) | Umrichter für hohe spannungen | |
DE69607965T2 (de) | Wandlerschaltung, schaltung mit wenigstens einem schalter und schaltungsmodul | |
EP3255773B1 (de) | Verlustarmes doppel-submodul für einen modularen mehrpunktstromrichter und modularer mehrpunktstromrichter mit diesem | |
DE102015109466A1 (de) | Stromrichter-Submodul mit Kurzschlusseinrichtung und Stromrichter mit diesem | |
WO2016155850A1 (de) | Umrichteranordnung und verfahren zu deren kurzschlussschutz | |
DE10333798B4 (de) | Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters | |
WO2007023064A1 (de) | Stromrichterschaltung mit verteilten energiespeichern | |
EP2338214A1 (de) | Vorrichtung mit einem umrichter | |
WO2018149493A1 (de) | Modul für modularen mehrpunktumrichter mit kurzschliesser und kondensatorstrombegrenzung | |
EP2580859B1 (de) | Doppelmodul für einen modularen mehrstufenumrichter | |
EP1269617A1 (de) | Verfahren zum schutz eines matrixumrichters vor überspannungen und eine aktive überspannungsvorrichtung | |
EP0771064B1 (de) | Summenlöschkreis für einen Thyristor-Stromrichter | |
DE19523095A1 (de) | Stromrichterschaltungsanordnung | |
EP1619783B1 (de) | Spannungsanstiegsbegrenzte Umrichterschaltung | |
EP0500032B1 (de) | Stromrichterschaltungsanordnung und ihre Verwendung | |
EP3878088B1 (de) | Anordnung mit einem multilevelstromrichter | |
EP1619785B1 (de) | Spannungsanstiegsbegrenzte Umrichterschaltung | |
EP3598628A1 (de) | Halbleiteranordnung, schaltmodul mit der halbleiteranordnung und modularer mehrstufenumrichter mit dem schaltmodul | |
WO2020043273A1 (de) | Anordnung mit einem modul eines multilevelstromrichters | |
DE2924729A1 (de) | Schaltungsanordnung zum schutz des wechselrichters in einem zwischenkreisumrichter | |
EP3698460B1 (de) | Teilmodule sowie anordnungen mit teilmodulen | |
DE3408788A1 (de) | Elektronische sicherungsvorrichtung fuer halbleiterschalter zum schutz gegen ueberstrom |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE |
|
R071 | Expiry of right |