DE112019002506T5

DE112019002506T5 - Leistungswandler

Info

Publication number: DE112019002506T5
Application number: DE112019002506.6T
Authority: DE
Inventors: Ryoji Tsuruta; Takushi Jimichi; Kimiyuki Koyanagi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2021-03-04
Also published as: JPWO2019221160A1; US11463015B2; WO2019221160A1; JP6921319B2; US20210044215A1

Abstract

Ein Untermodul enthält eine Brückenschaltung (204a) mit zwei in Reihe geschalteten Hauptleistungshalbleitern (201a), (201b) zur Durchführung der Leistungsumwandlung durch EIN/AUS-Steuerung und ein Energiespeicherelement (203a), das parallel zu einem Pfad der beiden Hauptleistungshalbleiter (201a) geschaltet ist, (201b) die in Reihe geschaltet sind, eine Bypass-Einheit mit einem Bypass-Leistungshalbleiter (207a), eine Bypass-Einheit-Treibereinrichtung zur Ansteuerung der Bypass-Einheit, einen ersten externen Anschluss (205P) und einen zweiten externen Anschluss (205N). Der erste externe Anschluss (205P) ist mit einem Knoten zwischen den beiden Hauptleistungshalbleitern (201a), (201b) verbunden. Die Leistungswandlereinrichtung beinhaltet ferner ein optisches Leistungseinspeisesystem zur Einspeisung der Leistung in die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungswandlereinrichtung und insbesondere auf eine Leistungswandlereinrichtung mit einer Vielzahl von Untermodulen, die in Reihe geschaltete Einheitswandler sind.
STAND DER TECHNIK
Modulare Multi-Level-Converter (MMC) sind so aufgebaut, dass eine Vielzahl von Untermodulen einschließlich Leistungshalbleitern wie Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) und Energiespeicherelementen wie Kondensatoren in Reihe geschaltet sind.
MMCs sind Leistungswandler, die sich für hohe Spannungen und große Leistungskapazitäten eignen und Anwendungen für Hochspannungsmotorantriebe oder Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ, High Voltage Direct Current HVDC) finden.
Wenn eine Anomalität wie z.B. ein Ausfall eines Untermoduls in der MMC auftritt, überbrückt eine Bypass-Einheit das anomale Modul, um den kontinuierlichen Betrieb des gesamten Systems zu ermöglichen.
Zum Beispiel zeigt Patentdokument 1 eine Leistungswandlereinrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten Einheitswandlern (Untermodul) an. Der Einheitswandler hat eine Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung. Jeder Einheitswandler hat einen mechanischen Schalter mit einer Normal-EIN-Charakteristik als Bypass-Einheit. Wenn in einem Einheitswandler eine Anomalität festgestellt wird, wird der mechanische Schalter kurzgeschlossen, um den kontinuierlichen Betrieb des Leistungswandlers zu ermöglichen.
STAND DER TECHNIK
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2016-163 391A
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Leider ist die in Patentdokument 1 beschriebene Bypass-Einheit ein mechanischer Schalter und führt daher zu einer Größenzunahme der Leistungswandlereinrichtung und benötigt im Vergleich zu Halbleiterschaltern eine längere Zeit für den Bypass-Betrieb.
Wenn andererseits ein normaler AUS-Leistungshalbleiter als Bypass-Einheit verwendet wird und die Bypass-Einheit mit der Stromversorgung aus der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung betrieben wird, wird der Bypassbetrieb nicht fortgesetzt, wenn die Stromversorgung aus der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung unterbrochen wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Leistungswandlereinrichtung aufzuzeigen, die in der Lage ist, den Bypassbetrieb auch dann fortzusetzen, wenn die Stromversorgung aus der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung unterbrochen wird.
Mittel zum Lösen der Probleme
Eine Leistungswandlereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Vielzahl von Untermodulen, die zur Durchführung der Leistungswandlung in Reihe geschaltet sind. Die Untermodule enthalten jeweils eine Brückenschaltung mit zwei in Reihe geschalteten Hauptleistungshalbleitern zur Durchführung der Leistungswandlung durch EIN/AUS-Steuerung und ein Energiespeicherelement, das parallel zu einem Pfad der beiden in Reihe geschalteten Hauptleistungshalbleiter geschaltet ist, eine Bypass-Einheit mit einem Bypass-Leistungshalbleiter, eine Bypass-Einheit-Treibereinrichtung zur Ansteuerung der Bypass-Einheit, einen ersten externen Anschluss und einen zweiten externen Anschluss. Die Bypass-Einheit ist zwischen dem ersten externen Anschluss und dem zweiten externen Anschluss angeordnet, und der erste externe Anschluss ist mit einem Knoten zwischen den beiden Hauptleistungshalbleitern verbunden. Die Leistungswandlereinrichtung beinhaltet ferner ein optisches Energieversorgungssystem zur Einspeisung von Energie in die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung.
Effekt der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung kann der Bypassbetrieb auch dann fortgesetzt werden, wenn die Stromversorgung aus der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung eingestellt wird.
Figurenliste

1 ist ein Schaltbild einer Leistungswandlereinrichtung 104 einer ersten Ausführungsform;
2 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration eines Untermoduls 101a in der ersten Ausführungsform zeigt;
3 ist ein konzeptionelles Diagramm, das die Beziehung zwischen Nennspannung und Ausfallrate für gängige Leistungshalbleiter zeigt;
4 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Klemmenanordnung und ein Beispiel für die Konfiguration eines Leistungsmoduls 401 zeigt;
5 ist ein Schaltbild, das einen Fall illustriert, in dem eine Anomalität in der zweiten Halbbrückenschaltung 204b im Untermodul 101a erkannt wird;
6 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf von der Erkennung der Anomalität im Untermodul 101a bis zur Umgehung der Halbbrückenschaltung, bei der die Anomalität erkannt wurde, in der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
7 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration eines Untermoduls 101b in einer zweiten Ausführungsform illustriert;
8 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel für den Verlauf des Kurzschlussstroms zeigt;
9 ist ein Schaltbild, das ein weiteres Beispiel für den Verlauf des Kurzschlussstroms zeigt;
10 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration eines Untermoduls 101c in einer dritten Ausführungsform zeigt;
11 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf von der Erkennung einer Anomalität im Untermodul 101c bis zur Umgehung der Halbbrückenschaltung bei erkannter Anomalität in der dritten Ausführungsform veranschaulicht;
12 ist ein Flussdiagramm, das einen Vorgang am Bypass-Leistungshalbleiter vor Inbetriebnahme des Leistungswandlers zeigt, und
13 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration eines Untermoduls 101d in einer fünften Ausführungsform zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
In einer ersten Ausführungsform werden zwei Halbbrückenschaltungen in Reihe zu einem Untermodul verbunden. Das Untermodul wird mit einem weiteren Untermodul durch einen externen Anschluss in Reihe geschaltet.
1 ist ein Schaltbild einer Leistungswandlereinrichtung 104 nach der ersten Ausführungsform.
Die Leistungswandlereinrichtung 104 enthält eine Vielzahl von Untermodulen 101 und eine Vielzahl von Induktivitäten 102.
Mehrere Untermodule 101 sind mit der Induktivität 102 in Reihe geschaltet, um einen Zweig zu bilden.
Ein Verbindungsknoten zwischen der Induktivität 102 in einem Oberzweig und der Induktivität 102 in einem Unterzweig einer Phase dient als Ausgangsende einer Phase des Leistungswandlers.
Eine Zentralsteuerung 103 steuert den Betrieb des Untermoduls 101.
Ein Ausgangsende einer Phase ist mit einer Last 105 verbunden, und die anderen Anschlüsse der Zweige, die nicht als Ausgangsenden dienen, sind mit beiden Enden einer Gleichspannungsquelle 106 verbunden.
Die Leistungswandlereinrichtung 104 wird beispielsweise als modularer Multilevel-Konverter (MMC) bezeichnet. Der MMC enthält als Basiskomponenten das Untermodul 101 und die Induktivitäten 102. Die Leistungswandlereinrichtung 104 wird z.B. für eine Antriebseinrichtung eines Motors verwendet, der mit einer Spannung von 3 kV oder mehr betrieben wird. Die Leistungswandlereinrichtung 104 in 1 ist ein Beispiel für die Leistungswandlereinrichtung in der vorliegenden Ausführungsform. Die Leistungswandlereinrichtung in dieser Ausführungsform kann eine beliebige Schaltungskonfiguration mit mehreren in Reihe geschalteten Untermodulen aufweisen.
2 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration eines Untermoduls 101a in der ersten Ausführungsform zeigt.
Das Untermodul 101a enthält eine erste Halbbrückenschaltung 204a, eine zweite Halbbrückenschaltung 204b, eine Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 213a, eine Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 213b, eine Gate-Treibereinrichtung 211a, eine Gate-Treibereinrichtung 211b, eine Individualsteuerung 210, eine Bypass-Einheit 206 und eine Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212.
Die erste Halbbrückenschaltung 204a beinhaltet einen Hauptleistungshalbleiter 201a und einen Hauptleistungshalbleiter 201b, die in Reihe geschaltet sind, sowie ein Energiespeicherelement 203a, das parallel zu einer Strecke vom Hauptleistungshalbleiter 201a zum Hauptleistungshalbleiter 201b in Reihe geschaltet ist. Die erste Halbbrückenschaltung 204a beinhaltet ferner eine Freilaufdiode 202a, die antiparallel zum Hauptleistungshalbleiter 201a geschaltet ist, und eine Freilaufdiode 202b, die antiparallel zum Hauptleistungshalbleiter 201b geschaltet ist.
Die zweite Halbbrückenschaltung 204b beinhaltet einen Hauptleistungshalbleiter 201c und einen Hauptleistungshalbleiter 201d, die in Reihe geschaltet sind, sowie ein Energiespeicherelement 203b, das parallel zu einer Strecke vom Hauptleistungshalbleiter 201c zum Hauptleistungshalbleiter 201d in Reihe geschaltet ist. Die zweite Halbbrückenschaltung 204b beinhaltet ferner eine Freilaufdiode 202c, die antiparallel zum Hauptleistungshalbleiter 201c geschaltet ist, und eine Freilaufdiode 202d, die antiparallel zum Hauptleistungshalbleiter 201d geschaltet ist.
Die Hauptleistungshalbleiter 201a bis 201d sind Leistungshalbleiter, die zur EIN/AUS-Steuerung fähig sind und z.B. mit IGBTs aufgebaut sind.
Der Hauptleistungshalbleiter 201b der ersten Halbbrückenschaltung 204a und der Hauptleistungshalbleiter 201c der zweiten Halbbrückenschaltung 204b sind an einem Zwischenanschluss 209 angeschlossen.
Da im Untermodul 101 zwei Halbbrückenschaltungen 204a, 204b vorgesehen sind, kann auf diese Weise die Gesamtzahl der erforderlichen Untermodule 101 im Vergleich zu einer Halbbrückenschaltung 204 in einem Untermodul 101 reduziert werden.
Ein Knoten NDA zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 201a und dem Hauptleistungshalbleiter 201b ist mit einem externen Anschluss 205P des Untermoduls 101a verbunden. Ein Knoten NDB zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 201c und dem Hauptleistungshalbleiter 201d ist mit einem externen Anschluss 205N des Untermoduls 101a verbunden.
Die Bypass-Einheit 206 ist mit dem externen Anschluss 205P und dem externen Anschluss 205N verbunden und ist zwischen dem externen Anschluss 205P und dem externen Anschluss 205N angeordnet.
Der externe Anschluss 205P ist mit einem weiteren Untermodul 101 oder einer Induktivität 102 verbunden. Der Externe Anschluss 205N wird an ein weiteres Untermodul 101 oder eine Induktivität 102 angeschlossen.
Die Bypass-Einheit 206 ist zur Umgehung einer der ersten Halbbrückenschaltung 204a oder der zweiten Halbbrückenschaltung 204b vorgesehen, die als anomal bestimmt wird, wenn im Untermodul 101a eine Anomalität festgestellt wird. Wie hier verwendet, bedeutet Umgehung die Isolierung der ausgefallenen Halbbrückenschaltung vom Hauptstromkreis. Der Zweck besteht darin, der Leistungswandlereinrichtung 104 die Fortsetzung des Betriebs zu ermöglichen, indem der ausgefallene Teil isoliert wird.
Die Bypass-Einheit 206 beinhaltet einen Bypass-Leistungshalbleiter 207a und einen Bypass-Leistungshalbleiter 207b, die in Reihe geschaltet sind, eine Freilaufdiode 208a, die antiparallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 207a geschaltet ist, und eine Freilaufdiode 208b, die antiparallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 207b geschaltet ist.
Der Bypass-Leistungshalbleiter 207a und der Bypass-Leistungshalbleiter 207b sind am Zwischen-Anschluss 209 angeschlossen.
Eine Individualsteuerung 210 steuert die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 und die Gate-Treibereinrichtungen 211a, 211b entsprechend der Steuerung von der Zentralsteuerung 103.
Die Übertragung des Signals zwischen Zentralsteuerung 103 und Individualsteuerung 210 erfolgt über eine optische Faser FB5. Die Übertragung des Signals zwischen der Individualsteuerung 210 und der Gate-Treibereinrichtung 211a erfolgt über eine optische Faser FB4a. Die Übertragung des Signals zwischen der Individualsteuerung 210 und der Gate-Treibereinrichtung 211b erfolgt über eine optische Faser FB4b. Die Übertragung des Signals zwischen der Individualsteuerung 210 und der Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 erfolgt über eine optische Faser FB3. Die Übertragung des Signals zwischen der Zentralsteuerung 103 und der Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 erfolgt über eine optische Faser FB2.
Die Bypass-Einheit 206 ist auf einen offenen Modus eingestellt, wenn das Untermodul 101a normal ist. Der offene Modus ist ein Zustand, in dem der Strom abgeschaltet ist.
Wenn beispielsweise der Bypass-Leistungshalbleiter 207a und der Bypass-Leistungshalbleiter 207b mit IGBTs gebildet werden, wird ein Zustand, in dem keine Gate-Spannung an den Bypass-Leistungshalbleiter 207a und den Bypass-Leistungshalbleiter 207b angelegt ist, oder ein Zustand, in dem negative Vorspannung angelegt ist (AUS-Befehlszustand), in den offenen Modus gesetzt.
Wenn ein in der Individualsteuerung 210 oder der Gate-Treibereinrichtung 211 enthaltenes Mittel zur Erkennung einer Anomalität (nicht dargestellt) in der ersten Halbbrückenschaltung 204a oder der zweiten Halbbrückenschaltung 204b eine Anomalität erkennt, wird die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 auf der Grundlage eines Signals von der Individualsteuerung 210 oder der Zentralsteuerung 103 gesteuert. Die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 schließt einen oder beide der in der Bypass-Einheit 206 enthaltenen Bypass-Leistungshalbleiter 207a und Bypass-Leistungshalbleiter 207b kurz.
Ein Kurzschluss kann unabhängig voneinander zwischen dem externen Anschluss 205P und dem Zwischen-Anschluss 209 und zwischen dem Zwischen-Anschluss 209 und dem externen Anschluss 205N hergestellt werden. Diese Konfiguration kann die erste Halbbrückenschaltung 204a oder die zweite Halbbrückenschaltung 204b, wenn diese eine Anomalität aufweisen, von der Leistungswandlereinrichtung 104 trennen, damit die Leistungswandlereinrichtung 104 den Betrieb fortsetzen kann.
Der Bypass-Leistungshalbleiter 207a und der Bypass-Leistungshalbleiter 207b werden ggf. durch die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 in den EIN-Zustand versetzt.
Die Stromversorgung der Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 zum Einschalten des Bypass-Leistungshalbleiters 207a und des Bypass-Leistungshalbleiters 207b erfolgt durch Licht, das durch die optische Faser FB1 von der mit dem Erdpotential verbundenen Zentralsteuerung 103 übertragen wird.
Dagegen arbeiten die Individualsteuerung 210 und die Gate-Treibereinrichtungen 211a, 211b mit Strom, der in den Energiespeicherelementen 203a, 203b gespeichert ist und aus den Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtungen 213a, 213b gespeist wird.
Hier werden üblicherweise Kondensatoren als Energiespeicherelemente 203a, 203b verwendet. Bekannte Techniken (z.B. Patentdokument 1) können auf die Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 213 angewendet werden.
Die Gate-Treibereinrichtung 211a steuert EIN/AUS der Hauptleistungshalbleiter 201a, 201b, basierend auf einem Steuersignal, das von der Individualsteuerung 210 durch die optische Faser FB4a geliefert wird. Die Gate-Treibereinrichtung 211b steuert das EIN/AUS des Hauptleistungshalbleiters 201c, 201d basierend auf einem Steuersignal, das von der Individualsteuerung 210 über die optische Faser FB4b zugeführt wird.
So wird der Ein-/Ausgang von Leistung zum/vom Energiespeicherelement 203a, 203b so gesteuert, dass eine Leistungsumwandlung erfolgt.
Im Allgemeinen ist die Isolation zwischen dem Potential des Untermoduls 101 und dem Erdpotential schwierig, wenn relativ große Leistung an das mit einem hohen Potential verbundene Untermodul 101 übertragen wird, was zu einer Größenzunahme des Einspeisesystems führt. Es ist bekannt, dass ein Einspeisesystem, bei dem Leistung mit dem gleichen Potential wie im Untermodul 101 oder mit einem Potential mit einer kleinen Potentialdifferenz von der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung geliefert wird. Auf der anderen Seite ist bei Verwendung von optischen Einspeisemitteln die Isolation leicht gewährleistet, aber die übertragbare Leistung ist so klein wie ein Steuersignal. Im Vergleich zu den Hauptleistungshalbleitern 201a bis 201d führen die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b keinen kontinuierlichen EIN/AUS-Betrieb durch und werden nur bei einem Bypass-Befehl in den kontinuierlichen EIN-Zustand versetzt und die Leistungsaufnahme für die Ansteuerung ist gering. Daher können optische Leistungszuführungsmittel als eine Methode zur Leistungszuführung an die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 verwendet werden. Wenn die Einspeisemittel Licht sind, kann relativ einfach ein Einspeisesystem aus der Zentralsteuerung 103 aufgebaut werden, so dass der Bypass-Leistungshalbleiter 207 unabhängig vom Zustand der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 213 eingeschaltet werden kann.
Die Bypass-Operation im Untermodul 101a verursacht einen Spannungsabfall der Energiespeicherelemente 203a, 203b. Wenn die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 mit der Leistung der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtungen 213a, 213b gespeist wird, kann der Einschaltzustand der Hauptleistungshalbleiter 201a bis 201d, der typischerweise eine normale AUS-Charakteristik aufweist, nicht gehalten werden, wenn die Einspeisung durch die Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtungen 213a, 213b unmöglich wird. Folglich kann der Dauerbetrieb der Leistungswandlereinrichtung 104 ausfallen.
Zur Ansteuerung des Bypass-Leistungshalbleiters 207a, 207b überträgt andererseits die Individualsteuerung 210 ein erstes Steuersignal CL1 über die optische Faser FB3 (erster Übertragungsweg) an die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 und die Zentralsteuerung 103 ein zweites Steuersignal CL2 über die optische Faser FB2 (zweiter Übertragungsweg) an die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212.
Die Zeit TX vom Erkennen einer Anomalität im Untermodul 101a bis zur Übertragung des ersten Steuersignals CL1 von der Individualsteuerung 210 zur Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 über den ersten Übertragungsweg (optische Faser FB3) ist gleich oder kürzer als 10 Mikrosekunden. Die Zeit TY vom Erkennen einer Anomalität im Untermodul 101a bis zur Übertragung des zweiten Steuersignals CL2 von der Zentralsteuerung 103 zur Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 über den zweiten Übertragungsweg (optische Faser FB2) ist gleich oder länger als 10 Mikrosekunden. Somit ist TX < TY.
So wird ein schneller Bypass-Operationsbefehl durch das erste Steuersignal CL1 der Individualsteuerung 210 ausgeführt. Ein Befehl, den Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b eingeschaltet zu lassen, wenn der Betrieb der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 213 gesperrt ist, wird durch das zweite Steuersignal CL2 von der Zentralsteuerung 103 ausgeführt. Dadurch kann die Auswirkung der Anomalität im Untermodul 101a reduziert werden.
Darüber hinaus können die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b über den ersten Übertragungsweg (optische Faser FB3) als erste Reaktion auf das Auftreten einer Anomalität schnell eingeschaltet werden und danach können die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b über den zweiten Übertragungsweg (optische Faser FB2) eingeschaltet bleiben. Da in diesem Fall die Individualsteuerung 210 und die Zentralsteuerung 103, die jeweils eine Rolle für die Anfangsreaktion und für die Aufrechterhaltung spielen, getrennt verwendet werden können, kann der Effekt der Anomalität im Untermodul 101a reduziert werden.
3 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen Nennspannung und Ausfallrate für gängige Leistungshalbleiter veranschaulicht. 3 zeigt die Ausfallrate von zwei Leistungshalbleitern mit unterschiedlichen Nennspannungen bei gleichem Nennstrom. Wie in 3 dargestellt, steigt mit zunehmender angelegter Spannung die Ausfallrate. Die Ausfallrate eines Leistungshalbleiters mit niedriger Nennspannung ist höher als die eines Leistungshalbleiters mit hoher Nennspannung.
Im Untermodul 101a ist, wenn VCDC die Spannung zwischen den beiden Enden zweier Energiespeicherelemente 203a, 203b ist, die an den Hauptleistungshalbleitern 201a bis 201d angelegte Spannung maximal VCDC. Auf der anderen Seite ist die Spannung, die zwischen dem externen Anschluss 205P und dem externen Anschluss 205N auftritt, d.h. die an beiden Enden der Bypass-Einheit 206 angelegte Spannung maximal 2 × VCDC.
Da in der Bypass-Einheit 206 der Bypass-Leistungshalbleiter 207a und der Bypass-Leistungshalbleiter 207b durch den Zwischen-Anschluss 209 in Reihe geschaltet sind, wird angenommen, dass die an den Bypass-Leistungshalbleiter 207a und an den Bypass-Leistungshalbleiter 207b angelegte Spannung gleichmäßig verteilt ist. Somit ist die an den Bypass-Leistungshalbleiter 207a und den Bypass-Leistungshalbleiter 207b jeweils angelegte Spannung maximal VCDC.
Daher verursacht die Nennspannung des Bypass-Leistungshalbleiters 207a, 207b, die der Nennspannung des Hauptleistungshalbleiters 201a bis 201b entspricht, keine Zerstörung. Allerdings muss die Bypass-Leistungshalbleiter-Einheit 206 bei Auftreten einer Anomalität einschließlich eines Ausfalls der Hauptleistungshalbleiter 201a bis 201d zuverlässig arbeiten. Wenn der Hauptleistungshalbleiter 201 und der Bypass-Leistungshalbleiter 207 mit dem gleichen Leistungshalbleiter aufgebaut sind, sind ihre Ausfallraten nahezu gleich. Daraus folgt, dass die Zuverlässigkeit der Bypass-Leistungshalbleiter 206 bei weitem nicht ausreichend gewährleistet ist.
In der Leistungswandlereinrichtung 104 nach der vorliegenden Ausführungsform werden für die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b Leistungshalbleiter mit einer höheren Nennspannung als die Hauptleistungshalbleiter 201a bis 201d, d.h. mit einer höheren Nennspannung, verwendet. Dies verleiht den Bypass-Leistungshalbleitern 207a, 207b eine höhere Robustheit. Generell gilt bei Leistungshalbleitern: Je kleiner das Verhältnis der angelegten Spannung zur Nennspannung des Leistungshalbleiters ist, desto geringer ist die Ausfallrate. Daher kann selbst bei gleicher Spannung an den Hauptleistungshalbleitern 201a bis 201d und den Bypass-Leistungshalbleitern 207a, 207b die Ausfallrate durch die Verwendung von Leistungshalbleitern mit einer höheren Nennspannung als die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b im Vergleich zu den Hauptleistungshalbleitern 201a bis 201d deutlich reduziert werden. Folglich kann die Zuverlässigkeit der Bypass-Einheit 206 erhöht werden.
Ein Beispiel für optische Leistungszuführungsmittel zur Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 zum Treiben der Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b wird nun beschrieben.
Beispiele für optische Stromzuführungsmittel sind Fotodioden, die Licht in Elektrizität umwandeln, als Lichtempfangsmittel und optische Fasern als Lichtsendemittel. Die elektrische Leistung, die von Fotodioden verarbeitet werden kann, beträgt typischerweise einige hundert mW und es ist schwierig, die Treiberleistung für ein- und ausschaltende Leistungshalbleiter, wie z.B. die Hauptleistungshalbleiter 201a bis 201d, zu liefern.
Die Treiberleistung Pdrive zum EIN-/AUS-Schalten eines Leistungshalbleiters wird durch die folgende Gleichung dargestellt, mit der Schaltfrequenz fsw, der Eingangskapazität des Gates des Leistungshalbleiters Ciss und der Gatespannung VG. $Pdrive = 2 \times (0,5 \times Ciss \times VG \times VG) \times fsw$
Daher ist die Momentanleistung, die für den Wechsel des Bypass-Leistungshalbleiters 207a, 207b vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand erforderlich ist, der Wert, den man durch Division durch zwei erhält, wobei die Schaltfrequenz fsw 1 beträgt. Der Grund für die Division durch zwei liegt darin, dass die rechte Seite in der Gleichung (1) mit zwei multipliziert wird, um EIN/AUS widerzuspiegeln, während die Bypass-Operation nur eingeschaltet wird. Diese Leistung beträgt 1/2000 verglichen mit der Leistung in einem Fall, in dem die Schaltfrequenz fsw 1000Hz beträgt.
Um die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b im eingeschalteten Zustand zu halten, wird die Leistung nur in Höhe der Leckage der in der Eingangskapazität gespeicherten elektrischen Ladung geliefert und diese ist im Vergleich zu der von Photodioden bewältigten Leistung gering. Aus den oben genannten Gründen werden die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b über die optische Faser FB1 vom Erdpotential, das das Bezugspotential ist, über die Zentralsteuerung 103 angesteuert, ohne die Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 213 zu verwenden. Dies ermöglicht eine Leistungszuführung ohne Vergrößerung des Gerätes.
Die Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtungen 213a, 213b wandeln die in den Energiespeicherelementen 203a, 203b durch den Stromfluss durch das Untermodul 101a akkumulierte Spannung in eine für den Betrieb der Individualsteuerung 210 und der Gate-Treibereinrichtung 211 geeignete Spannung um und versorgen diese mit Strom. Wenn jedoch die Energiespeicherelemente 203a, 203b eine bestimmte Spannung nicht erreichen, sind die Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtungen 213a, 213b nicht in der Lage, die Individualsteuerung 210 und die Gate-Treibereinrichtung 211 mit Strom zu versorgen. Wenn z.B. die Bypass-Einheit 206 so arbeitet, dass das gesamte Untermodul 101a überbrückt wird, werden die Energiespeicherelemente 203a, 203b anschließend nicht geladen und somit sinkt die Spannung des Energiespeicherelementes 203 und die Stromeinspeisung der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 213 fällt schließlich aus.
4 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Klemmenanordnung und ein Konfigurationsbeispiel für ein Leistungsmodul 401 zeigt.
Ein Leistungsmodul ist ein Paket aus einer Vielzahl von Leistungshalbleitern und spart bei einfacher Anordnung Platz im Vergleich zur Verwendung einzelner Leistungshalbleiter. Das Leistungsmodul 401 enthält einen ersten und einen zweiten in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter, eine erste Freilaufdiode, die antiparallel zum ersten Leistungshalbleiter geschaltet ist, und eine zweite Freilaufdiode, die antiparallel zum zweiten Leistungshalbleiter geschaltet ist. Das Leistungsmodul 401 hat einen Anschluss TP, der mit einem Ende des ersten Leistungshalbleiters verbunden ist, einen Anschluss TN, der mit einem Ende des zweiten Leistungshalbleiters verbunden ist, und einen Anschluss TC, der mit dem anderen Ende des ersten Leistungshalbleiters und dem anderen Ende des zweiten Leistungshalbleiters verbunden ist.
Die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b und Freilaufdioden 208a, 208b der Bypass-Einheit 206 können mit dem Leistungsmodul 401 aufgebaut werden.
Konkret werden der TP-Anschluss des Leistungsmoduls 401 mit dem externen Anschluss 205P des Untermoduls 101a, der TN-Anschluss des Leistungsmoduls 401 mit dem externen Anschluss 205N des Untermoduls 101a und der TC-Anschluss des Leistungsmoduls 401 mit dem Zwischen-Anschluss 209 des Untermoduls 101a verbunden.
Wie oben beschrieben, kann die Bypass-Einheit 206 in einem einzigen Leistungsmodul 401 aufgebaut werden, was zu einer Verkleinerung des Untermoduls 101a führt.
Es wird nun der Betriebsablauf zur Umgehung der Halbbrückenschaltung 204 im Untermodul 101a bei Feststellung einer Anomalität im Untermodul 101a in der Leistungswandlereinrichtung 104 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
5 ist ein Schaltbild, das den Fall illustriert, in dem eine Anomalität bei der zweiten Halbbrückenschaltung 204b im Untermodul 101a festgestellt wird.
Wenn in der zweiten Halbbrückenschaltung 204b eine Anomalität erkannt wird, wird ein Bypass-Leistungshalbleiter, der der zweiten Halbbrückenschaltung 204b entspricht, basierend auf einem Befehl der Individualsteuerung 210 eingeschaltet und die zweite Halbbrückenschaltung 204b wird umgangen.
Hier ist der Bypass-Leistungshalbleiter entsprechend der zweiten Halbbrückenschaltung 204b der Bypass-Leistungshalbleiter 207b parallel zum Hauptleistungshalbleiter 201c der zweiten Halbbrückenschaltung 204b geschaltet. Um nun den Betrieb für die als fehlerfrei ermittelte erste Halbbrückenschaltung 204a fortzusetzen, wird der AUS-Zustand des Bypass-Leistungshalbleiters 207a beibehalten.
Wenn in der ersten Halbbrückenschaltung 204a eine Anomalität festgestellt wird, wird eine ähnliche Operation für die erste Halbbrückenschaltung 204a durchgeführt. Hier ist der Bypass-Leistungshalbleiter, der der ersten Halbbrückenschaltung 204a entspricht, der Bypass-Leistungshalbleiter 207a, der parallel zum Hauptleistungshalbleiter 201b der ersten Halbbrückenschaltung 204a geschaltet ist.
Um den Betrieb ohne Einschränkung des Betriebsbereichs nach der Überbrückung fortzusetzen, ist es im Allgemeinen erforderlich, in der Anzahl der in Reihe geschalteten Untermodule 101 eine entsprechende Redundanz vorzusehen. Wie oben beschrieben, kann durch eine Umgehung in Einheiten der Halbbrückenschaltungen 204 anstelle der Umgehung in Einheiten des Untermoduls 101a die Anzahl der erforderlichen redundanten Untermodule reduziert und eine Größenreduzierung erreicht werden.
6 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf von der Erkennung der Anomalität im Untermodul 101a bis zur Umgehung der Halbbrückenschaltung bei erkannter Anomalität in der ersten Ausführungsform darstellt.
Die Bezugszeichen in dieser Beschreibung entsprechen denen in 2. Die in 6 zwischen den parallelen Doppellinien eingeschlossenen Prozesse bedeuten, dass die Prozesse parallel abgearbeitet werden und unabhängig voneinander agieren.
Im Schritt S1 erkennt das in der Individualsteuerung 210 oder der Gate-Treibereinrichtung 211 enthaltene Anomalitätserkennungsmittel (nicht abgebildet), ob eine Anomalität in der ersten Halbbrückenschaltung 204a vorliegt.
Wenn eine Anomalität der ersten Halbbrückenschaltung 204a festgestellt wird (S1: JA), geht der Prozess zu Schritt S2 über.
Im Schritt S2 gibt die Individualsteuerung 210 ein Einschaltkommando an den Bypass-Leistungshalbleiter 207a und gleichzeitig ein Ausschaltkommando an den Hauptleistungshalbleiter 201b (zweiter Hauptleistungshalbleiter), der parallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 207a geschaltet ist, und ein Ausschaltkommando an den Hauptleistungshalbleiter 201a (erster Hauptleistungshalbleiter).
Wenn im Schritt S3 der Hauptleistungshalbleiter 201a (erster Hauptleistungshalbleiter) einen Kurzschlussfehler hat (S3: JA), geht der Prozess zum Schritt S4 über.
Im Schritt S4 hat der Hauptleistungshalbleiter 201a (erster Hauptleistungshalbleiter) einen Kurzschlussfehler und beide Enden des Energiespeicherelements 203a werden kurzgeschlossen, so dass ein Kurzschlussstrom fließt, das Energiespeicherelement 203a wird entladen und die Umgehung der ersten Halbbrückenschaltung 204a ist abgeschlossen. Da der Hauptleistungshalbleiter 201b (zweiter Hauptleistungshalbleiter) eingeschaltet ist, wird der Kurzschlussstrom geteilt. Nach Abschluss der Umgehung fließt kein Strom durch den Hauptleistungshalbleiter 201a (erster Hauptleistungshalbleiter). Wenn der Hauptleistungshalbleiter 201b (zweiter Hauptleistungshalbleiter) jedoch normal und eingeschaltet ist, wird der Strom zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 201b (zweiter Hauptleistungshalbleiter) und dem Bypass-Leistungshalbleiter 207a geteilt.
Wenn im Schritt S3 der Hauptleistungshalbleiter 201a (erster Hauptleistungshalbleiter) keinen Kurzschlussfehler (S3: NEIN) aufweist, geht der Prozess zum Schritt S5 über. Hier beinhaltet der Fall, dass der Hauptleistungshalbleiter 201a (erster Hauptleistungshalbleiter) keinen Kurzschlussfehler hat, einen Fall, in dem der Hauptleistungshalbleiter 201b (zweiter Hauptleistungshalbleiter) einen Kurzschlussfehler hat, einen Fall, in dem das Stromversorgungssystem anomal ist, und einen Fall, in dem ein Steuersignal anomal ist.
Da im Schritt S5 die Spannung an beiden Enden des Energiespeicherelements 203a vom Hauptleistungshalbleiter 201a geführt wird, fließt kein Kurzschlussstrom und die Umgehung der ersten Halbbrückenschaltung 204a wird bei geladenem Energiespeicherelement 203a abgeschlossen.
Im Schritt S6 erkennt das in der Individualsteuerung 210 oder der Gate-Treibereinrichtung 211 enthaltene Anomalitätserkennungsmittel (nicht abgebildet), ob in der zweiten Halbbrückenschaltung 204b eine Anomalität vorliegt.
Wenn eine Anomalität der zweiten Halbbrückenschaltung 204b festgestellt wird (S6: JA), geht der Prozess zu Schritt S7 über.
Im Schritt S7 gibt die Individualsteuerung 210 ein Einschaltkommando an den Bypass-Leistungshalbleiter 207b und gleichzeitig ein Ausschaltkommando an den parallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 207b geschalteten Hauptleistungshalbleiter 201c (dritter Hauptleistungshalbleiter) und ein Ausschaltkommando an den Hauptleistungshalbleiter 201d (vierter Hauptleistungshalbleiter).
Wenn im Schritt S8 der Hauptleistungshalbleiter 201d (vierter Hauptleistungshalbleiter) einen Kurzschlussfehler hat (S8: JA), geht der Prozess zum Schritt S9 über.
Im Schritt S9 hat der Hauptleistungshalbleiter 201d (vierter Hauptleistungshalbleiter) einen Kurzschlussfehler und beide Enden des Energiespeicherelements 203b werden kurzgeschlossen, so dass ein Kurzschlussstrom fließt, das Energiespeicherelement 203b wird entladen und die Umgehung der zweiten Halbbrückenschaltung 204b ist abgeschlossen.
Da der Hauptleistungshalbleiter 201c (dritter Hauptleistungshalbleiter) eingeschaltet ist, wird der Kurzschlussstrom geteilt. Nach Beendigung der Überbrückung fließt kein Strom durch den Hauptleistungshalbleiter 201d (vierter Hauptleistungshalbleiter). Wenn der Hauptleistungshalbleiter 201c (dritter Hauptleistungshalbleiter) jedoch normal und eingeschaltet ist, wird der Strom zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 201c (dritter Hauptleistungshalbleiter) und dem Bypass-Leistungshalbleiter 207b geteilt.
Wenn im Schritt S8 der Hauptleistungshalbleiter 201d (vierter Hauptleistungshalbleiter) keinen Kurzschlussfehler (S8: NEIN) aufweist, geht der Prozess zum Schritt S10 über. Hier beinhaltet der Fall, dass der Hauptleistungshalbleiter 201d (vierter Hauptleistungshalbleiter) keinen Kurzschlussfehler hat, einen Fall, in dem der Hauptleistungshalbleiter 201c (dritter Hauptleistungshalbleiter) einen Kurzschlussfehler hat, einen Fall, in dem das Stromversorgungssystem anomal ist, und einen Fall, in dem ein Steuersignal anomal ist.
Da im Schritt S10 die Spannung an beiden Enden des Energiespeicherelements 203b durch den vierten Hauptleistungshalbleiter 201d geführt wird, fließt kein Kurzschlussstrom und die Umgehung der zweiten Halbbrückenschaltung 204b wird bei geladen gehaltenem Energiespeicherelement 203b abgeschlossen.
Wie oben beschrieben, fließt der Kurzschlussstrom durch den Bypass-Leistungshalbleiter 207a oder 207b nur im Falle eines Kurzschlussfehlers des Hauptleistungshalbleiters 201a oder 201d, wenn eine Anomalität festgestellt wird. Da der Kurzschlussstrom extrem groß ist, kann ein Kurzschlussstrom, der durch den Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b fließt, zu einem Ausfall des Bypass-Leistungshalbleiters 207a, 207b führen. Ein Ausfall des Bypass-Leistungshalbleiters 207a, 207b kann verhindert werden, indem der Kurzschlussstrom durch den Bypass-Leistungshalbleiter 207a oder 207b nur dann fließen darf, wenn der Hauptleistungshalbleiter 201a oder 201d einen Kurzschlussfehler hat.
Nach Abschluss der Umgehung der ersten Halbbrückenschaltung 204a behält der Bypass-Leistungshalbleiter 207a der Bypass-Einheit 206 den eingeschalteten Zustand bei. Somit ist die erste Halbbrückenschaltung 204a im Wesentlichen von der Leistungswandlereinrichtung 104 isoliert, unabhängig vom Zustand des Hauptleistungshalbleiters 201a (erster Hauptleistungshalbleiter) und des Hauptleistungshalbleiters 201b (zweiter Hauptleistungshalbleiter).
Nach Abschluss der Umgehung der zweiten Halbbrückenschaltung 204b behält der Bypass-Leistungshalbleiter 207b der Bypass-Einheit 206 den eingeschalteten Zustand bei. Damit ist die zweite Halbbrückenschaltung 204b im Wesentlichen von der Leistungswandlereinrichtung 104 isoliert, unabhängig vom Zustand des Hauptleistungshalbleiters 201c (dritter Hauptleistungshalbleiter) und des Hauptleistungshalbleiters 201d (vierter Hauptleistungshalbleiter).
Wie oben beschrieben, wird gemäß der ersten Ausführungsform bei einer Konfiguration mit mehreren in Reihe geschalteten Untermodulen 101a in der Leistungswandlereinrichtung 104 bei Feststellung einer Anomalität im Inneren des Untermoduls 101a die Halbbrückenschaltung 204 umgangen, wodurch die gesamte Leistungswandlereinrichtung 104 weiter betrieben werden kann. Untermodul 101a setzt sich aus zwei Halbbrückenschaltungen 204a, 204b zusammen und verwendet Leistungshalbleiter für die Bypass-Einheit 206. Die Verwendung des Leistungshalbleiters als Bypass-Einheit anstelle von mechanischen Schaltern kann die Kosten für die Bypass-Einheit reduzieren.
In der ersten Ausführungsform kann durch die Verwendung des Bypass-Leistungshalbleiters 207 mit einer höheren Nennspannung als der des Hauptleistungshalbleiters 201 die Zuverlässigkeit der Bypass-Einheit 206 verbessert werden.
Bei der ersten Ausführungsform kann der Bypassbetrieb durch Stromzuführung aus dem Erdpotential über eine optische Faser auch dann fortgesetzt werden, wenn die Stromversorgung aus der Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung unterbrochen wird.
In der ersten Ausführungsform kann der Umgehungsbetrieb unabhängig vom Zustand des Hauptstromkreises des Leistungswandlers gesteuert werden. In der ersten Ausführungsform kann das Leistungseinspeisesystem mit einer kompakten Größe und kostengünstig im Vergleich zu allen anderen Techniken (z.B. Trafotrennung oder kontaktlose Leistungseinspeisung), die keine Leistungseinspeisesysteme aus dem Hauptstromkreis sind, realisiert werden.
Ausführungsform 2
Eine Leistungswandlereinrichtung nach einer zweiten Ausführungsform enthält am Zwischen-Anschluss 209 zusätzlich zur Konfiguration des Untermoduls 101a in der ersten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, ein Impedanzelement.
Mit dieser Konfiguration kann der Bypass-Leistungshalbleiter zuverlässiger vor Zerstörung durch Kurzschlussstrom des Energiespeicherelementes geschützt werden. Die anderen Komponenten mit Ausnahme des zusätzlich eingefügten Impedanzelements ähneln denen in der ersten Ausführungsform.
7 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration eines Untermoduls 101b in der zweiten Ausführungsform zeigt.
Das Untermodul 101b enthält ein Impedanzelement 701, das zwischen einem Verbindungspunkt NX1 von zwei Bypass-Leistungshalbleitern 207a, 207b und einem Verbindungspunkt NX2 von zwei Halbbrückenschaltungen 204a, 204b angeordnet ist.
Eines der anomalen Phänomene des Untermoduls 101b ist ein Kurzschlussfehler eines der Hauptleistungshalbleiter 201a bis 201d. Wenn der Hauptleistungshalbleiter 201a oder der Hauptleistungshalbleiter 201d einen Kurzschlussfehler hat und das Untermodul 101b den Bypass-Leistungshalbleiter 207a oder 207b einschaltet, der der Halbbrückenschaltung 204a oder 204b mit dem Hauptleistungshalbleiter 201a oder 201d mit einem Kurzschlussfehler entspricht, werden beide Enden des Energiespeicherelements 203a oder 203b kurzgeschlossen. Folglich fließt ein Kurzschlussstrom, der möglicherweise den Bypass-Leistungshalbleiter 207a oder 207b zerstört.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Kurzschlussstrom durch die parallel geschalteten Bypass-Leistungshalbleiter 207a bzw. 207b und Hauptleistungshalbleiter 201b bzw. 201c geteilt und der durch die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b fließende Kurzschlussstrom wird durch das Impedanzelement 701 reduziert, wodurch die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b vor Kurzschlussstrom geschützt sind.
8 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel für den Verlauf des Kurzschlussstroms zeigt. 8 zeigt einen Kurzschlussstrompfad in einem Fall, in dem der Hauptleistungshalbleiter 201a einen Kurzschlussfehler in der Halbbrückenschaltung 204a hat und der Bypass-Leistungshalbleiter 207a eingeschaltet ist.
Beim Einschalten des Bypass-Leistungshalbleiters 207a schaltet die Gate-Treibereinrichtung 211a auch den parallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 207a geschalteten Hauptleistungshalbleiter 201b gemäß dem in 6 dargestellten Flussdiagramm ein. Dagegen schaltet die Gate-Treibereinrichtung 211a den Hauptleistungshalbleiter 201a, der nicht parallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 207a geschaltet ist, ab. Bei eingeschaltetem Hauptleistungshalbleiter 201b wird der Kurzschlussstrom zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 201b und dem Bypass-Leistungshalbleiter 207a aufgeteilt, wenn der Hauptleistungshalbleiter 201a einen Kurzschlussfehler hat und der Bypass-Leistungshalbleiter 207a eingeschaltet ist. Das Impedanzelement 701 reduziert den Kurzschlussstrom, der durch den Bypass-Leistungshalbleiter 207a fließt. Bei ausgeschaltetem Hauptleistungshalbleiter 201a wird der Kurzschlussstrom, der durch den Bypass-Leistungshalbleiter 207a fließt, verhindert, wenn am Hauptleistungshalbleiter 201a kein Kurzschlussfehler auftritt, aber bei der Halbbrückenschaltung 204a eine Anomalität auftritt und der Bypass-Leistungshalbleiter 207a eingeschaltet ist.
9 ist ein Schaltbild, das ein weiteres Beispiel für den Verlauf des Kurzschlussstroms zeigt.
9 zeigt einen Kurzschlussstrompfad für den Fall, in dem der Hauptleistungshalbleiter 201d einen Kurzschlussfehler in der Halbbrückenschaltung 204b hat und der Bypass-Leistungshalbleiter 207b eingeschaltet ist.
Beim Einschalten des Bypass-Leistungshalbleiters 207b schaltet die Gate-Treibereinrichtung 211b auch den parallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 207b geschalteten Hauptleistungshalbleiter 201c gemäß dem in 6 dargestellten Flussdiagramm ein. Dagegen schaltet die Gate-Treibereinrichtung 211b den Hauptleistungshalbleiter 201d, der nicht parallel zu Bypass-Leistungshalbleiter 207b geschaltet ist, ab.
Bei eingeschaltetem Hauptleistungshalbleiter 201c wird der Kurzschlussstrom zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 201c und dem Bypass-Leistungshalbleiter 207b aufgeteilt, wenn der Hauptleistungshalbleiter 201d einen Kurzschlussfehler hat und der Bypass-Leistungshalbleiter 207b eingeschaltet ist. Das Impedanzelement 701 reduziert den Kurzschlussstrom, der durch den Bypass-Leistungshalbleiter 207b fließt. Bei ausgeschaltetem Hauptleistungshalbleiter 201d wird der Kurzschlussstrom, der durch den Bypass-Leistungshalbleiter 207b fließt, verhindert, wenn am Hauptleistungshalbleiter 201d kein Kurzschlussfehler auftritt, aber bei der Halbbrückenschaltung 204b eine Anomalität auftritt und der Bypass-Leistungshalbleiter 207b eingeschaltet ist.
Das Impedanzelement 701 kann z.B. durch eine Induktivität implementiert werden. Das Impedanzelement 701 kann durch drei in 4 dargestellte Leistungsmodule 401 implementiert werden. Genauer gesagt sind die Hauptleistungshalbleiter 201a, 201b und die Freilaufdioden 202a, 202b mit einem ersten Leistungsmodul aufgebaut, die Hauptleistungshalbleiter 201c, 201d und die Freilaufdioden 202c, 202d mit einem zweiten Leistungsmodul und die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b und die Freilaufdioden 208a, 208b mit einem dritten Leistungsmodul. Wenn diese drei Leistungsmodule über Leiter verbunden sind, ist die Impedanz durch die Verdrahtung von Leitern außerhalb des Leistungsmoduls größer als die Impedanz durch die Verdrahtung innerhalb des Leistungsmoduls. Mit dieser Eigenschaft kann das Impedanzelement 701 implementiert werden. Die Wirkung der Unterdrückung des Kurzschlussstromflusses der Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b mit dieser Methode ist jedoch geringer als z.B. in dem Fall, dass die Impedanz mit einer Induktivität aufgebaut ist.
Wenn im Untermodul 101b eine Anomalität festgestellt wird, wird das EIN/AUS-Schalten der Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b und Hauptleistungshalbleiter 201a bis 201d gesteuert, wobei die Möglichkeit, dass Kurzschlussstrom durch die Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b fließt, auf den Fall beschränkt ist, dass der Hauptleistungshalbleiter 201a oder 201d einen Kurzschlussfehler aufweist.
Die Bereitstellung des Impedanzelements 701 kann den Kurzschlussstrom in dem durch die gestrichelte Linie in 8 und 9 angedeuteten Pfad reduzieren und den Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b zuverlässig vor Zerstörung schützen. Es ist zu bevorzugen, dass das Impedanzelement 701 eine solche Charakteristik aufweist, dass die Impedanz für eine Frequenzkomponente von einigen zehn kHz, wie z.B. Kurzschlussstrom, groß ist und die Auswirkung auf eine Grundkomponente von einigen zehn Hz minimiert wird.
Wie oben beschrieben, kann die zweite Ausführungsform den Bypass-Leistungshalbleiter vor Kurzschlussstrom schützen. Durch Einsetzen des Impedanzelements 701 zwischen dem Verbindungspunkt zweier Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b und dem Verbindungspunkt zweier Halbbrückenschaltungen 204a, 204b kann verhindert werden, dass der Bypass-Leistungshalbleiter 207 durch Kurzschlussstrom der Energiespeicherelemente 203a, 203b zerstört wird.
Ausführungsform 3
In einer Leistungswandlereinrichtung nach einer dritten Ausführungsform hat ein Untermodul eine Halbbrückenschaltung und das Untermodul wird mit einem anderen Untermodul durch einen externen Anschluss in Reihe geschaltet.
10 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration eines Untermoduls 101c in der dritten Ausführungsform zeigt.
Das Untermodul 101c enthält eine Halbbrückenschaltung 1004, eine Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 1012, eine Gate-Treibereinrichtung 1010, eine Individualsteuerung 1009, eine Bypass-Einheit 1006 und eine Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1011.
Die Halbbrückenschaltung 1004 beinhaltet einen Hauptleistungshalbleiter 1001a (erster Hauptleistungshalbleiter) und einen Hauptleistungshalbleiter 1001b (zweiter Hauptleistungshalbleiter), die in Reihe geschaltet sind, und ein Energiespeicherelement 1003, das parallel zu einem Pfad von Hauptleistungshalbleiter 1001a und Hauptleistungshalbleiter 1001b geschaltet ist.
Die Freilaufdioden 1002a, 1002b sind antiparallel zu den Hauptleistungshalbleitern 1001a, 1001b geschaltet.
Die Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 1012 ist parallel zum Energiespeicherelement 1003 geschaltet.
Ein Knoten NDC zwischen den Hauptleistungshalbleitern 1001a und 1001b ist mit einem externen Anschluss 1005P verbunden. Ein Knoten NDC zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 1001b und dem Energiespeicherelement 1003 ist mit einem externen Anschluss 1005N verbunden.
Die Bypass-Einheit 1006 ist mit dem externen Anschluss 1005P und dem externen Anschluss 1005N verbunden und zwischen dem externen Anschluss 1005P und dem externen Anschluss 1005N angeordnet.
Die Bypass-Einheit 1006 besteht aus einem Bypass-Leistungshalbleiter 1007 und einer Freilaufdiode 1008, die antiparallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 1007 geschaltet ist.
Die Bypass-Einheit 1006 befindet sich im offenen Modus, wenn das Untermodul 101c normal ist. Wenn beispielsweise der Bypass-Leistungshalbleiter 1007 mit einem IGBT aufgebaut ist, wird ein Zustand, in dem keine Gate-Spannung an den Bypass-Leistungshalbleiter 1007 angelegt ist oder ein Zustand, in dem eine negative Vorspannung angelegt ist (AUS-Befehlszustand), in den offenen Modus gesetzt.
Wenn in der Individualsteuerung 1009 oder der Gate-Treibereinrichtung 1010 enthaltene Anomalitäts-Erkennungsmittel (nicht abgebildet) eine Anomalität der Halbbrückenschaltung 1004, wie z.B. einen Kurzschlussfehler des Hauptleistungshalbleiters 1001 erkennen, wird die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1011 basierend auf einem Signal von der Individualsteuerung 1009 oder der Zentralsteuerung 103 gesteuert. Die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1011 schließt den Bypass-Leistungshalbleiter 1007 kurz, der in der Bypass-Einheit 1006 enthalten ist.
Diese Konfiguration isoliert das Untermodul 101c mit Anomalität von der Leistungswandlereinrichtung 104 und ermöglicht den kontinuierlichen Betrieb der Leistungswandlereinrichtung 104.
Die Kommunikationsmittel für ein Steuersignal und die Art der Leistungseinspeisung zwischen der Gate-Treibereinrichtung 1010 und der Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1011, sowie der Individualsteuerung 1009 und der Zentralsteuerung 103 sind ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform.
Die maximale Spannung, die zwischen den beiden Enden der externen Anschlüsse 1005P, 1005N auftritt, ist gleich der Spannung VCDC zwischen den beiden Enden des Energiespeicherelements 1003. Daher ist die maximale Spannung, die an den Bypass-Leistungshalbleiter 1007 angelegt wird, im Wesentlichen gleich der maximalen Spannung, die an den Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b angelegt wird, der unter Bezug auf 2 in der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
Daher wird auch in der dritten Ausführungsform für den Bypass-Leistungshalbleiter 1007 ein Leistungshalbleiter mit einer höheren Nennspannung als der der Hauptleistungshalbleiter 1001a, 1001b verwendet, in gleicher Weise wie der Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b in der ersten Ausführungsform. Mit dieser Konfiguration kann die Zuverlässigkeit der Bypass-Einheit 1006 verbessert werden.
11 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf von der Anomalitätserkennung im Untermodul 101c bis zur Umgehung der Halbbrückenschaltung bei erkannter Anomalität in der dritten Ausführungsform darstellt.
Im Schritt S11 erkennt das in der Individualsteuerung 1009 oder Gate-Treibereinrichtung 1010 enthaltene Anomalitätserkennungsmittel (nicht abgebildet), ob eine Anomalität in der Halbbrückenschaltung 1004 vorliegt.
Wenn eine Anomalität in der Halbbrückenschaltung 1004 festgestellt wird (S11: JA), fährt der Prozess mit Schritt S12 fort.
Im Schritt S12 gibt die Individualsteuerung 1009 gleichzeitig einen Einschaltbefehl an den Bypass-Leistungshalbleiter 1007 und den Hauptleistungshalbleiter 1001b (zweiter Hauptleistungshalbleiter), die parallel zu Bypass-Leistungshalbleiter 1007 geschaltet sind, und einen Ausschaltbefehl an den Hauptleistungshalbleiter 1001a (erster Hauptleistungshalbleiter).
Wenn im Schritt S13 der erste Hauptleistungshalbleiter einen Kurzschlussfehler (S13: JA) hat, geht der Prozess zum Schritt S14 über.
Im Schritt S14 werden beide Enden des Energiespeicherelements 1003 kurzgeschlossen, so dass ein Kurzschlussstrom fließt, das Energiespeicherelement 1003 entladen wird und die Umgehung abgeschlossen wird.
Wenn im Schritt S13 der erste Hauptleistungshalbleiter keinen Kurzschlussfehler (S13: NEIN) aufweist, geht der Prozess zum Schritt S15 über.
Da im Schritt S15 die Spannung zwischen den beiden Enden des Energiespeicherelements 1003 vom ersten Hauptleistungshalbleiter geführt wird, fließt kein Kurzschlussstrom und die Umgehung wird bei geladen gehaltenem Energiespeicherelement 1003 abgeschlossen.
Obwohl der oben beschriebene Kurzschlussstrom zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 1001b (zweiter Hauptleistungshalbleiter) und dem Bypass-Leistungshalbleiter 1007 aufgeteilt ist, kann der Kurzschlussstrom des Bypass-Leistungshalbleiters 1007 wie folgt unterdrückt werden. Die Hauptleistungshalbleiter 1001a, 1001b und die Freilaufdioden 1002a, 1002b sind mit einem ersten Leistungsmodul aufgebaut, der Bypass-Leistungshalbleiter 1007a und die Freilaufdiode 1008 sind mit einem zweiten Leistungsmodul aufgebaut. Diese beiden Leistungsmodule sind über einen Leiter verbunden. Die Impedanz der Verdrahtung eines Kurzschlussstrompfades durch den Hauptleistungshalbleiter 1001b (zweiter Hauptleistungshalbleiter) ist kleiner als die Impedanz der Verdrahtung eines Kurzschlussstrompfades durch den Bypass-Leistungshalbleiter 1007. Folglich kann der Kurzschlussstrom des Bypass-Leistungshalbleiters 1007 unterdrückt und die Zerstörung des Bypass-Leistungshalbleiters 1007 durch Kurzschlussstrom wirksam verhindert werden.
Wie oben beschrieben, ist das Untermodul 101c in der dritten Ausführungsform mit einer Halbbrückenschaltung aufgebaut. Die dritte Ausführungsform ähnelt der ersten Ausführungsform in der Verbesserung der Zuverlässigkeit des Bypass-Leistungshalbleiters und der Energieeinspeisung in den Bypass-Leistungshalbleiter, kann aber eine geringere Größe pro Untermodul erreichen, da das Untermodul 101c mit einer Halbbrückenschaltung aufgebaut ist.
Ausführungsform 4
Eine vierte Ausführungsform ist auf eine Methode zum Starten der Leistungswandlereinrichtung mit einem anomalen Untermodul ausgerichtet. Wenn zum Beispiel ein anomales Untermodul immer offen ist, kann die anfängliche Aufladung der Leistungswandlereinrichtung mit einem solchen anomalen Untermodul nicht abgeschlossen werden. Um die Leistungswandlereinrichtung mit einem anomalen Untermodul zu starten, wird daher verlangt, dass das anomale Untermodul vorher zuverlässig überbrückt und vom Leistungswandler isoliert wird.
Unter Bezugnahme auf 1 wird der Ablauf für den Bypass-Leistungshalbleiter vor Inbetriebnahme der Leistungswandlereinrichtung in der vierten Ausführungsform beschrieben. Die vierte Ausführungsform ist auf ein Verfahren zur Inbetriebnahme der Leistungswandlereinrichtung gerichtet und ist auf die Leistungswandlereinrichtung nach einer der ersten bis dritten Ausführungsformen anwendbar. Die Grundkonfiguration des Untermoduls in der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich der in 2 oder 10 beschriebenen.
12 ist ein Flussdiagramm, das einen mit Bypass-Leistungshalbleitern durchgeführten Prozess vor der Inbetriebnahme des Leistungswandlers zeigt.
Wenn es sich bei der Halbbrückenschaltung in Schritt S16 um eine Halbbrückenschaltung handelt, deren Anomalitätserkennung in der Zentralsteuerung 103 gespeichert ist (S16: JA), fährt der Prozess mit Schritt S17 fort, und wenn es sich um eine Halbbrückenschaltung handelt, deren Anomalitätserkennung nicht in der Zentralsteuerung 103 gespeichert ist (S16: NEIN), fährt der Prozess mit Schritt S18 fort.
Da die Halbbrückenschaltung bei festgestellter Anomalität von der Leistungswandlereinrichtung 104 isoliert werden muss, schaltet im Schritt S17 die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 212 den entsprechenden Bypass-Leistungshalbleiter durch optische Einspeisung auf dem Erdpotential ein.
Im Schritt S18 wird der entsprechende Bypass-Leistungshalbleiter in den AUS-Zustand versetzt.
Die Hauptleistungshalbleiter 201a, 201b in der Halbbrückenschaltung 204a und die Hauptleistungshalbleiter 201c, 201d in der Halbbrückenschaltung 204b werden ausgeschaltet, da die Leistungswandlereinrichtung noch nicht gestartet ist.
Der jeder Halbbrückenschaltung entsprechende Bypass-Leistungshalbleiter ist der parallel zu jeder Halbbrückenschaltung geschaltete Bypass-Leistungshalbleiter. D.h. der Halbbrückenschaltung 204a entspricht der Bypass-Leistungshalbleiter 207a und der Halbbrückenschaltung 204b entspricht der Bypass-Leistungshalbleiter 207b.
Wie oben beschrieben, speichert die Zentralsteuerung wie eine Halbbrückenschaltung, deren Anomalität erkannt wurde und die Halbbrückenschaltung, deren Anomalität erkannt wurde, wird vor der Inbetriebnahme von der Leistungswandlereinrichtung 104 vorab isoliert, so dass die Leistungswandlereinrichtung 104 zuverlässiger gestartet werden kann. Mit anderen Worten, es kann eine zuverlässigere Leistungswandlereinrichtung bereitgestellt werden.
Ausführungsform 5
Ein Untermodul in einer Leistungswandlereinrichtung in einer fünften Ausführungsform beinhaltet eine Vollbrückenschaltung. Die Vollbrückenschaltung ist aus einer Kombination aus zwei Halbbrückenschaltungen aufgebaut. Dieses Untermodul wird über einen externen Anschluss mit einem weiteren Untermodul in Reihe geschaltet.
13 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration eines Untermoduls 101d in der fünften Ausführungsform zeigt.
Das Untermodul 101d enthält eine Vollbrückenschaltung 1304.
Die Vollbrückenschaltung 1304 beinhaltet einen Hauptleistungshalbleiter 1301a (erster Hauptleistungshalbleiter) und einen Hauptleistungshalbleiter 1301b (zweiter Hauptleistungshalbleiter), die in Reihe geschaltet sind, einen Hauptleistungshalbleiter 1301c (dritter Hauptleistungshalbleiter) und einen Hauptleistungshalbleiter 1301d (vierter Hauptleistungshalbleiter), die in Reihe geschaltet sind, und ein Energiespeicherelement 1303. Die Pfade der Hauptleistungshalbleiter 1301a und Hauptleistungshalbleiter 1301b (in Reihe geschaltet), Hauptleistungshalbleiter 1301c und Hauptleistungshalbleiter 1301d (in Reihe geschaltet) und das Energiespeicherelement 1303 sind parallel geschaltet.
Die Vollbrückenschaltung 1304 enthält ferner eine Freilaufdiode 1302a, die antiparallel zum Hauptleistungshalbleiter 1301a geschaltet ist, eine Freilaufdiode 1302b, die antiparallel zum Hauptleistungshalbleiter 1301b geschaltet ist, eine Freilaufdiode 1302c, die antiparallel zum Hauptleistungshalbleiter 1301c geschaltet ist, und eine Freilaufdiode 1302d, die antiparallel zum Hauptleistungshalbleiter 1301d geschaltet ist.
Das Untermodul 101d beinhaltet eine Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 1312, eine Gate-Treibereinrichtung 1310, eine Individualsteuerung 1309, eine Bypass-Einheit 1306 und eine Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1311, wie die erste Ausführungsform.
Die Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung 1312 ist parallel zum Energiespeicherelement 1303 geschaltet. Ein Knoten NDP zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 1301a und dem Hauptleistungshalbleiter 1301b ist mit einem externen Anschluss 1305P verbunden. Ein Knoten NDA zwischen dem Hauptleistungshalbleiter 1301c und dem Hauptleistungshalbleiter 1301d ist mit einem externen Anschluss 1305N verbunden.
Die Bypass-Einheit 1306 ist mit dem externen Anschluss 1305P und dem externen Anschluss 1305N verbunden und zwischen dem externen Anschluss 1305P und dem externen Anschluss 1305N angeordnet.
Die Bypass-Einheit 1306 beinhaltet einen Bypass-Leistungshalbleiter 1307a und einen Bypass-Leistungshalbleiter 1307b, die in Reihe geschaltet sind, eine Freilaufdiode 1308a, die antiparallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 1307a geschaltet ist, und eine Freilaufdiode 1308b, die antiparallel zum Bypass-Leistungshalbleiter 1307b geschaltet ist.
Der Bypass-Leistungshalbleiter 1307a und der Bypass-Leistungshalbleiter 1307b sind in entgegengesetzter Richtung miteinander verbunden. Das heißt, wenn z.B. der Bypass-Leistungshalbleiter 1307a und der Bypass-Leistungshalbleiter 1307b mit IGBTs aufgebaut sind, wie in 13 dargestellt, sind der Emitter des Bypass-Leistungshalbleiters 1307a und der Emitter des Bypass-Leistungshalbleiters 1307b miteinander verbunden. Alternativ können der Kollektor des Bypass-Leistungshalbleiters 1307a und der Kollektor des Bypass-Leistungshalbleiters 1307b verbunden werden. Dies liegt daran, dass die Vollbrückenschaltung 1304 im Gegensatz zu einer einzelnen Halbbrückenschaltung zusätzlich zur positiven auch eine Spannung mit negativer Polarität ausgeben kann. Normalerweise (während des Nicht-Bypass Betriebes) kann der Betrieb der Vollbrückenschaltung 1304 fortgesetzt werden, wenn eine Spannung mit beliebiger Polarität von der Vollbrückenschaltung 1304 ausgegeben wird.
Die Bypass-Einheit 1306 befindet sich im offenen Modus, wenn das Untermodul 101d normal ist. Wenn beispielsweise der Bypass-Leistungshalbleiter 1307a und der Bypass-Leistungshalbleiter 1307b mit IGBTs gebildet werden, wird ein Zustand, in dem keine Gate-Spannung am Bypass-Leistungshalbleiter 1307a und am Bypass-Leistungshalbleiter 1307b angelegt ist, oder ein Zustand, in dem eine negative Vorspannung angelegt ist (AUS-Befehlszustand), in den offenen Modus gesetzt.
Wenn ein in der Individualsteuerung 1309 oder der Gate-Treibereinrichtung 1310 enthaltenes Anomalitätserkennungsmittel (nicht dargestellt) eine Anomalität der Vollbrückenschaltung 1304 erkennt, wie z.B. einen Kurzschlussfehler der Hauptleistungshalbleiter 1301a bis 1301d, gibt die Individualsteuerung 1309 einen AUS-Befehl an die Hauptleistungshalbleiter 1301a, 1301b, 1301c, 1301d. Die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1311 wird auf der Basis eines Signals der Individualsteuerung 1309 oder der Zentralsteuerung 103 gesteuert. Die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1311 schließt den Bypass-Leistungshalbleiter 1307a und den Bypass-Leistungshalbleiter 1307b, die in der Bypass-Einheit 1306 enthalten sind, kurz.
Diese Konfiguration isoliert das Untermodul 101d mit Anomalität von der Leistungswandlereinrichtung 104 und ermöglicht den kontinuierlichen Betrieb der Leistungswandlereinrichtung 104.
Die Kommunikationsmittel für ein Steuersignal und das Energieeinspeiseverfahren zwischen Gate-Treibereinrichtung 1310 und Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1311, sowie Individualsteuerung 1309 und Zentralsteuerung 103 in der vorliegenden Ausführungsform sind ähnlich wie in der ersten Ausführungsform.
Die maximale Spannung, die zwischen den beiden Enden der externen Anschlüsse 1305P, 1305N auftritt, ist gleich der Spannung VCDC zwischen den beiden Enden des Energiespeicherelements 1303. Daher ist die maximale Spannung, die an den Bypass-Leistungshalbleiter 1307a, 1307b angelegt wird, grundsätzlich gleich der maximalen Spannung, die an den Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b angelegt wird, der mit Bezug auf 2 in der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
Daher wird auch in der fünften Ausführungsform für den Bypass-Leistungshalbleiter 1307 ein Leistungshalbleiter mit einer höheren Nennspannung als der Hauptleistungshalbleiter 1301a, 1301b, 1301c, 1301d in gleicher Weise verwendet wie der Bypass-Leistungshalbleiter 207a, 207b in der ersten Ausführungsform. Mit dieser Konfiguration kann die Zuverlässigkeit der Bypass-Leistungshalbleiter 1306 verbessert werden.
Anomalitätserkennungsmittel (nicht abgebildet), die in der Individualsteuerung 1309 oder der Gate-Treibereinrichtung 1310 enthalten sind, erkennen, ob eine Anomalität in Vollbrückenschaltung 1304 vorliegt.
Wenn eine Anomalität der Vollbrückenschaltung 1304 festgestellt wird, gibt die Individualsteuerung 1309 einen EIN-Befehl an die Bypass-Leistungshalbleiter 1307a, 1307b und einen AUS-Befehl an die Hauptleistungshalbleiter 1301a, 1301b, 1301c, 1301d.
Wie oben beschrieben, wird ein AUS-Befehl auf alle Hauptleistungshalbleiter 1301a, 1301b, 1301c, 1301d angewendet, wodurch die Umgehung bei geladen gehaltenem Energiespeicherelement 1303 abgeschlossen wird, außer wenn beide Hauptleistungshalbleiter 1301a, 1301d einen Kurzschlussfehler haben und wenn beide Hauptleistungshalbleiter 1301b, 1301c einen Kurzschlussfehler haben.
Wenn andererseits beide Hauptleistungshalbleiter 1301a, 1301d einen Kurzschlussfehler haben oder wenn beide Hauptleistungshalbleiter 1301b, 1301c einen Kurzschlussfehler haben, kann die Ausführung des Bypassbetriebs einen Kurzschluss im Energiespeicherelement 1303 verursachen und der Kurzschlussstrom kann durch die Bypass-Leistungshalbleiter 1307a, 1307b fließen und zu einem Ausfall führen.
Daher können zur Verbesserung der Zuverlässigkeit z.B. Schutzmittel gegen Kurzschluss des Bypass-Leistungshalbleiters 1308a, 1308b in der Bypass-Einheit-Treibereinrichtung 1311 vorgesehen werden.
Wie oben beschrieben, ist das Untermodul 101d in der fünften Ausführungsform mit einer Vollbrückenschaltung einschließlich einer Kombination aus zwei Halbbrückenschaltungen aufgebaut. Das Untermodul in der fünften Ausführungsform kann die Zuverlässigkeit des Bypass-Leistungshalbleiters in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform verbessern und verfügt über eine Stromzuführung zum Bypass-Leistungshalbleiter ähnlich der ersten Ausführungsform.
Da das Untermodul 101d in der fünften Ausführungsform mit einer Vollbrückenschaltung aufgebaut ist und eine Spannung mit negativer Polarität ausgeben kann, kann der Arbeitsbereich der Leistungswandlereinrichtung 104 vergrößert werden.
Im Untermodul 101d in der fünften Ausführungsform wird das Energiespeicherelement nicht kurzgeschlossen und die Umgehung kann auch dann zuverlässig abgeschlossen werden, wenn einer der Hauptleistungshalbleiter kurzgeschlossen ist, es sei denn, die zwei Hauptleistungshalbleiter 1301a und 1301d oder die zwei Hauptleistungshalbleiter 1301b und 1301c haben gleichzeitig einen Kurzschlussfehler.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht als einschränkend zu verstehen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung erfasst auch alle Änderungen, die in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich fallen.
Bezugszeichenliste

101a, 101b. 101c, 101d: Untermodul
102: Induktivität
103: Zentralsteuerung
104: Leistungswandler
105: Last
106: Gleichspannungsquelle
201a, 201b, 201c, 201d,1001a, 1001b, 1301a, 1301b, 1301c, 1301d: Hauptleistungshalbleiter
202a, 202b, 202c, 202d, 208a,208b, 1002a, 1002b, 1008, 1302a, 1302b, 1302c, 1302d, 1308a, 1308b: Freilaufdiode
201a, 203b, 1003, 1303: Energiespeicherelement
204a, 204b, 1004: Halbbrückenschaltung
205P, 205N, 1005P, 1005N, 1305P, 1305N: externer Anschluss
206, 1006, 1306: Bypass-Einheit
207a, 207b, 1007, 1307a, 1307b: Bypass-Leistungshalbleiter
209: Zwischen-Anschluss
210, 1009, 1309: Individualsteuerung
211a, 211b, 1010, 1310: Gate-Treibereinrichtung
212, 1011, 1311: Bypass-Einheit-Treibereinrichtung
213a, 213b, 1012, 1312: Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung
401: Leistungsmodul
701: Impedanzelement
1304: Vollbrückenschaltung
FB1, FB2, FB3, FB4, FB4a, FB4b, FB5: optische Faser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016163391 A [0006]

Claims

Leistungswandlereinrichtung mit einer Vielzahl von Untermodulen, die zur Durchführung der Leistungsumwandlung in Reihe geschaltet sind, wobei das Untermodul jeweils Folgendes aufweist: eine Brückenschaltung mit zwei in Reihe geschalteten Hauptleistungshalbleitern zur Durchführung der Leistungsumwandlung durch EIN/AUS-Steuerung und einem Energiespeicherelement, das parallel zu einem Pfad der beiden in Reihe geschalteten Hauptleistungshalbleiter geschaltet ist; eine Bypass-Einheit mit einem Bypass-Leistungshalbleiter; eine Bypass-Einheit-Treibereinrichtung zum Treiben der Bypass-Einheit; und einen ersten externen Anschluss und einen zweiten externen Anschluss, wobei die Bypass-Einheit zwischen dem ersten externen Anschluss und dem zweiten externen Anschluss angeordnet ist und der erste externe Anschluss mit einem Knoten zwischen den beiden Hauptleistungshalbleitern verbunden ist, wobei die Leistungswandlereinrichtung ferner ein optisches Energiezuführungssystem aufweist, um der Bypass-Einheit-Treibereinrichtung Energie zuzuführen.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Bypass-Leistungshalbleiter ein Leistungshalbleiter mit einer höheren Nennspannung im Vergleich zum Hauptleistungshalbleiter ist.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leistungswandlereinrichtung einen ersten Übertragungsweg und einen zweiten Übertragungsweg aufweist, um ein Signal zum Einschalten des Bypass-Leistungshalbleiters zu übertragen.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Übertragungszeit für das Signal über den ersten Übertragungsweg kürzer ist als die Übertragungszeit für das Signal über den zweiten Übertragungsweg.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Leistungswandlereinrichtung Folgendes aufweist: eine Individualsteuerung, die mit elektrischer Energie betrieben wird, die vom Energiespeicherelement erzeugt wird, und eine Zentralsteuerung, die mit Erdpotential verbunden ist, die Individualsteuerung ein erstes Steuersignal zum Einschalten des Bypass-Leistungshalbleiters über den ersten Übertragungsweg an die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung überträgt, die Zentralsteuerung über den zweiten Übertragungsweg ein zweites Steuersignal zum Einschalten des Bypass-Leistungshalbleiters an die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung überträgt, und die Zeit von der Erkennung der Anomalität im Untermodul bis zur Übertragung des ersten Steuersignals an die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung kürzer ist als die Zeit von der Erkennung der Anomalität im Untermodul bis zur Übertragung des zweiten Steuersignals an die Bypass-Einheit-Treibereinrichtung.
Leistungswandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das optische Leistungszuführungssystem ein Leistungszuführungssystem unter Verwendung einer optischen Faser ist.
Leistungswandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Leistungswandlereinrichtung Folgendes aufweist: eine Gate-Treibereinrichtung zum Treiben der beiden Hauptleistungshalbleiter, eine Individualsteuerung zur Steuerung der Bypass-Einheit-Treibereinrichtung und der Gate-Treibereinrichtung, und eine Hauptstromkreis-Stromzuführeinrichtung, die parallel zum Energiespeicherelement geschaltet ist, um die Individualsteuerung und die Gate-Treibereinrichtung mit Strom zu versorgen.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 7, wobei bei Feststellung einer Anomalität in der Brückenschaltung, die Individualsteuerung einen Befehl zum Einschalten, des einen Hauptleistungshalbleiters der beiden Hauptleistungshalbleiter ausgibt, der parallel zum Bypass-Leistungshalbleiter angeordnet ist, um in den EIN-Zustand versetzt zu werden, und einen Befehl überträgt, um den anderen Hauptleistungshalbleiter der beiden Hauptleistungshalbleiter in den AUS-Zustand zu versetzen.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 7, wobei das Untermodul als Brückenschaltung eine erste Halbbrückenschaltung und eine zweite Halbbrückenschaltung enthält, wobei die erste Halbbrückenschaltung einen ersten Hauptleistungshalbleiter und einen zweiten Hauptleistungshalbleiter beinhaltet, die in Reihe geschaltet sind, die zweite Halbbrückenschaltung einen dritten Hauptleistungshalbleiter und einen vierten Hauptleistungshalbleiter beinhaltet, die in Reihe geschaltet sind, die Bypass-Einheit einen ersten Bypass-Leistungshalbleiter, der parallel zu dem zweiten Hauptleistungshalbleiter geschaltet ist, und einen zweiten Bypass-Leistungshalbleiter beinhaltet, der parallel zu dem dritten Hauptleistungshalbleiter geschaltet ist, wobei der erste Hauptleistungshalbleiter und der zweite Bypass-Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet sind, und ein Anschlusspunkt des zweiten Hauptleistungshalbleiters und des dritten Hauptleistungshalbleiters und ein Anschlusspunkt des ersten Bypass-Leistungshalbleiters und des zweiten Bypass-Leistungshalbleiters elektrisch verbunden sind.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 9, wobei bei Feststellung einer Anomalität in der ersten Halbbrückenschaltung die Individualsteuerung einen Befehl zum Einschalten des zweiten Hauptleistungshalbleiters ausgibt und einen Befehl zum Versetzen des ersten Hauptleistungshalbleiters in den AUS-Zustand überträgt, und wenn in der zweiten Halbbrückenschaltung eine Anomalität festgestellt wird, die Individualsteuerung einen Befehl zum Einschalten des dritten Hauptleistungshalbleiters ausgibt und einen Befehl sendet, um den vierten Hauptleistungshalbleiter in den AUS-Zustand zu versetzen.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 9, wobei der Verbindungspunkt des zweiten Hauptleistungshalbleiters und des dritten Hauptleistungshalbleiters und der Verbindungspunkt des ersten Bypass-Leistungshalbleiters und des zweiten Bypass-Leistungshalbleiters durch ein Impedanzelement elektrisch verbunden sind.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste Bypass-Leistungshalbleiter und der zweite Bypass-Leistungshalbleiter mit einem Leistungshalbleitermodul aufgebaut sind.
Leistungswandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Untermodul eine Halbbrückenschaltung als Brückenschaltung enthält, die Halbbrückenschaltung die beiden Hauptleistungshalbleiter beinhaltet und die Bypass-Einheit den Bypass-Leistungshalbleiter beinhaltet.
Leistungswandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Leistungswandlereinrichtung eine Zentralsteuerung aufweist, um das Untermodul mit erkannter Anomalität zu speichern und das gespeicherte Untermodul beim Start im Voraus zu umgehen.
Leistungswandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Untermodul als Brückenschaltung eine Vollbrückenschaltung enthält, wobei die Vollbrückenschaltung beinhaltet: einen ersten Hauptleistungshalbleiter und einen zweiten Hauptleistungshalbleiter -in Reihe geschaltet-, einen dritten Hauptleistungshalbleiter und einen vierten Hauptleistungshalbleiter - in Reihe geschaltet-, und das Energiespeicherelement, wobei ein Pfad des ersten Hauptleistungshalbleiters und des zweiten Hauptleistungshalbleiters, die in Reihe geschaltet sind, ein Pfad des dritten Hauptleistungshalbleiters und des vierten Hauptleistungshalbleiters, die in Reihe geschaltet sind, und ein Pfad des Energiespeicherelements parallel geschaltet sind, wobei der erste externe Anschluss mit einem Knoten zwischen dem ersten Hauptleistungshalbleiter und dem zweiten Hauptleistungshalbleiter verbunden ist, der zweite externe Anschluss mit einem Knoten zwischen dem dritten Hauptleistungshalbleiter und dem vierten Hauptleistungshalbleiter verbunden ist, die Bypass-Einheit einen ersten Bypass-Leistungshalbleiter und einen zweiten Bypass-Leistungshalbleiter, die in Reihe geschaltet sind, beinhaltet und wobei der erste Bypass-Leistungshalbleiter und der zweite Bypass-Leistungshalbleiter in entgegengesetzter Richtung miteinander verbunden sind.
Leistungswandlereinrichtung nach Anspruch 15, wobei die Leistungswandlereinrichtung eine Individualsteuerung beinhaltet, um dann, wenn eine Anomalität in der Vollbrückenschaltung detektiert wird, einen Befehl zum Setzen des ersten Hauptleistungshalbleiters, des zweiten Hauptleistungshalbleiters, des dritten Hauptleistungshalbleiters und des vierten Hauptleistungshalbleiters in den AUS-Zustand und zum Kurzschließen des ersten Bypass-Leistungshalbleiter und des zweiten Bypass-Leistungshalbleiter auszugeben.