DE19702134A1 - Schutzschaltung für Hochleistungs-Schalterbauteile - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Eine derartige Schutzschaltung ist insbesondere zum Schutz von Leistungsschaltungen, wie zum Beispiel Leistungswandler-/ Wechselrichter-Schaltungen gegen Phasen-/Phasen-, Phasen-/Erde- und Durchschlag-Kurzschlußfehler sowie gegen Überstromfehler geeignet.

Verallgemeinert befaßt sich die vorliegende Erfindung mit dem Problem des Schutzes von Halbleiterbauteilen, wie zum Beispiel bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) und anderen nicht-verriegelnden Leistungs-Halbleiterbauteilen, die in Hochleistungsanwendungen verwendet werden, bei denen diese Bauteile unter bestimmten Überstrombedingungen beschädigt werden können. Aus Gründen der Kürze bezieht sich die vorliegende Beschreibung auf IGBT-Bauteile, wobei es jedoch verständlich ist, daß die Schutzschaltung und deren Betriebsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein auf Leistungs- Halbleiterbauteile anwendbar ist.

Wechselrichter mit IGBT-Bauteilen sind für eine Vielzahl von Leistungswandler-Anwendungen populär. Bei einer Anwendung dienen diese Wechselrichter zur Umwandlung einer Gleichspannungs- Versorgungsspannung in Einphasen- oder Dreiphasen-Wechselspan­ nungsausgänge. IGBTs haben eine beschränkte Überlast-Kapazität oder Fehlertoleranz. Entsprechend sind schnellwirkende Detektor- und Schutzschaltungen erforderlich, um irgendeinen Fehler, bei­ spielsweise einen Kurzschluß, festzustellen, und die Gate- Ansteuerung an das Leistungshalbleiterbauteil im Fall eines Fehlers schnell genug abzuschalten, um eine Zerstörung des Bauteils zu verhindern.

Fehler, die auf übermäßigen Strömen beruhen, können in weitem Sinne als Kurzschlußfehler und Überstromfehler klassifiziert werden.

Kurzschlußfehler treten auf, wenn das den Strom führende Lei­ stungshalbleiterbauteil gezwungen wird, einen übermäßigen Strom zu führen, üblicherweise über einen Pfad, der nicht die mit der Leistungswandlerschaltung verbundene Last beinhaltet. Aufgrund des großen Stromes steigt die Spannung längs des Halbleiterbau­ teils auf einen hohen Wert an, der von der Versorgungs-Gleich­ spannung, der Impedanz und anderen Bauteilen in dem Fehlerpfad sowie von den Eigenschaften des Halbleiterbauteils abhängt. Die hohe Spannung längs des Bauteils ruft andererseits eine über­ mäßige Verlustleistung in dem Bauteil hervor, was zu einer Überhitzung des Bauteils und dessen Zerstörung führt. Es ist daher erforderlich, die Leistungsschaltung bei Auftreten eines Kurzschlußfehlers schnell abzuschalten, um die Zerstörung des Leistungshalbleiterbauteils zu verhindern.

Die oben erwähnte Klasse von Kurzschlußfehlern kann ihrerseits in drei Teilkategorien unterteilt werden:

• a) Phase-/Phase-Kurzschluß: Diese Art von Fehler tritt auf, wenn zwei (oder mehr) Ausgänge des Wechselrichters kurz­ geschlossen werden. Ein Kurzschlußstrom fließt von der posi­ tiven Versorgungsleitung zur negativen Versorgungsleitung der Schaltung über die Leistungshalbleiterbauteile, die den Fehler­ strom führen.
• b) Phase-/Erde-Kurzschluß: Diese Art von Fehler tritt auf, wenn einer (oder mehrere) Ausgänge des Inverters gegen Erde kurzgeschlossen wird (werden). Der Strom kann entweder von der positiven Gleichspannungsversorgungsleitung nach Erde oder von der negativen Gleichspannungsversorgungsleitung nach Erde fließen, in Abhängigkeit von dem Bauteil, das den Kurzschluß­ strom leitet.
• c) Durchschlagfehler: Wenn zwei Leistungshalbleiterbau­ teile in dem gleichen Zweig einer Wechselrichterschaltung (d. h. in Serie geschaltete Bauteile) gleichzeitig eingeschaltet werden, oder wenn ein Leistungshalbleiterbauteil eingeschaltet wird, um einen Strom in ein leitendes oder kurzgeschlossenes Leistungshalbleiterbauteil des gleichen Zweiges zu leiten, so fließt ein übermäßiger Strom von der positiven Versorgungslei­ tung zu negativen Versorgungsleitung durch die Leistungshalb­ leiterbauteile in dem gleichen Zweig. Im Ergebnis ist diese Art von Fehler ähnlich einem Phasen-/Phasen-Fehler, und er kann, wie dies noch gezeigt wird, in der gleichen Weise wie ein Phasen- /Phasen-Fehler gemessen und behandelt werden.

Überstromfehler treten auf, wenn ein oder mehrere der Leistungs­ halbleiterbauteile in dem Wechselrichter einen Strom führen, der niedriger als der Kurzschlußstrom, jedoch höher als die Dauer­ strom-Kapazität des Leistungshalbleiterbauteils ist. Diese Art von Fehlerstrom fließt üblicherweise zwischen zwei (oder mehr) Ausgängen des Wechselrichters über die zwischen diesen Ausgängen eingeschaltete Last. Weil die Größe des Stromes niedriger als der Kurzschlußstrom ist, hängt die Spannung längs des Bauteils mehr oder weniger von den Eigenschaften des Leistungshalbleiter­ bauteils ab. Die zugehörigen Verlustleistungen sind daher niedriger als die, die unter Kurzschlußbedingungen auftreten. Diese Arten von Fehlern können für vergleichsweise längere Zeiten, verglichen mit Kurzschlußströmen, toleriert werden. Für diese Klasse von Fehlern ist es wünschenswert, einen Überstrom­ schutz mit einer invertierten Zeitcharakteristik derart zu haben, daß Bauteile nicht während vorübergehender Überlast­ bedingungen abschalten, die in sicherer Weise von den Leistungs­ bauteilen toleriert werden können.

Es ist bekannt, Kurzschluß- und Überstromfehler unter Verwen­ dung der folgenden zwei allgemeinen Lösungen festzustellen. Eine erste Lösung umfaßt die Messung der Entsättigung. Während eines Kurzschlusses steigt die Spannung längs des Halbleiter­ bauteils auf einen hohen Wert an, der durch die Versorgungs­ leitungs-Gleichspannung des Inverters, die Impedanz und das Vorhandensein anderer Bauteile in dem Fehlerpfad sowie durch die Eigenschaften des Halbleiterbauteils bestimmt ist. Entsprechend kann eine hohe Spannung längs des Halbleiterbauteils bei einge­ schaltetem Halbleiterbauteil als ein Kurzschlußfehler interpre­ tiert werden, der dann an eine Steuerschaltung zurückgeführt werden kann, um das Abschalten des Leistungshalbleiterbauteils oder der Leistungshalbleiterbauteile über Steuersignale einzu­ leiten, die zwischen den Leistungshalbleiterbauteilen und der Steuerschaltung fließen. Eine Schnittstellenverbindung dieser Signale ist keine einfache Aufgabe, weil die Potentialdifferenz zwischen den Betriebsspannungen der einzelnen Schaltungen in der Größenordnung von hunderten von Volt liegen kann. Daher werden die Signale zu und von der Steuerschaltung über irgendeine Art von galvanischer Isolation weitergeleitet, üblicherweise über Optokoppler. Wie dies bekannt ist, sind bei dem typischen Wechselrichter einige der Leistungshalbleiterbauteile mit der Oberspannungsseite der Gleichspannungsversorgung, beispielsweise mit der positiven Versorgungsleitung, und andere Leistungshalb­ leiterbauteile mit der Unterspannunungsseite der Gleichspan­ nungsversorgung, beispielsweise mit der negativen Versorgungs­ leitung, verbunden. Jedes oberspannungsseitige Halbleiterbauteil muß daher zumindestens einen Optokoppler zur Weiterleitung von Signalen zu und von der Steuerschaltung verwenden.

Weiterhin kann das bekannte Entsättigungs-Detektor-Schema nicht als solches eine Messung und eine Überstromschutz liefern. Entsprechend wird der Überstromschutz typischerweise in irgend­ einer Form der Strommessung hinzugefügt, beispielsweise unter Verwendung eines Nebenschlusses, eines Hall-Effekt-Strom­ transformators, eines Hochfrequenz-Gleichstrommeßelementes oder dergleichen.

Die zweite der bekannten Lösungen- zur Messung von Kurzschlüssen umfaßt eine Strommessung. Gemäß dieser Lösung wird der Gleich­ strom in der positiven, negativen oder beiden Gleichspannungs­ versorgungsleitungen unter Verwendung irgendeiner Form von Strommessung gemessen, wie zum Beispiel Stromnebenschluß, Hall- Effekt-Sensoren usw. In manchen Fällen wird ein Stromtransforma­ tor (CT) am Ausgang vorgesehen, um differentiell P-E-(Phase-/ Erd-)Fehler zu messen. Es sind viele Strommeßverfahren bekannt. Eines dieser Verfahren sieht einen Stromsensor sowohl in der positiven als auch in der negativen Gleichspannungsversorgungs­ leitung vor. Dies setzt die Anordnung getrennter Stromsensoren in den positiven und negativen Versorgungsleitungen und eine getrennte Detektorschaltung für jeden Sensor voraus. Die auf der oberspannungsseitigen Gleichspannungsversorgungsleitung arbei­ tenden Meß- und Detektorschaltungen müssen irgendeine Form von galvanischer Isolation verwenden, um alle Bedingungen an die Steuerschaltungen zu übertragen. Diese Schaltungen können als (a) ein Nebenschluß in der positiven Versorgungsleitung mit einem Optokoppler, (b) ein Hall-Effekt-Stromsensor in der posi­ tiven Versorgungsleitung, (c) ein Hochfrequenz-Gleichspannungs- Stromtransformator (HFDCCT) in der positiven Versorgungsleitung konfiguriert sein. Das isolierte Ausgangssignal für einen Fehler an der positiven Versorgungsleitung und isolierte oder nicht isolierte Ausgangssignale für einen Fehlers an der negative Versorgungsleitung werden der Steuerschaltung zugeführt, die im Fall irgendeines Fehlers die Ansteuersignale an die Gate-Elek­ troden der Leistungshalbleiterbauteile abschaltet.

Ein weiteres bekanntes Strommeßverfahren verwendet einen einzi­ gen Stromsensor, der für eine additive Messung angeschaltet ist. Das heißt, daß ein einziger Stromsensor mit den positiven und negativen Gleichspannungs-Versorgungsleitungen verwendet wird, die als zwei Primäreingänge in additiver Weise arbeiten. Die Ströme von der positiven sowie der negativen Gleichspannungs­ versorgungsleitung werden beide durch den gleichen Sensor ge­ leitet. Während normaler Bedingungen und während Überlast- und Phasen-/Phasen-Kurzschlußbedingungen, ist der Ausgang des Sensors proportional zur Summe der positiven und negativen Versorgungsleitungsströme, die jeweils maßstäblich durch die Anzahl der jeweiligen Windungen auf der Primärwicklung verändert werden. Bei Auftreten von Phasen-Erd-Fehlern ist der Sensor- Ausgang proportional zum Fehlerstrom unter maßstäblicher Verän­ derung durch die jeweilige Anzahl der Primärwindungen in den positiven oder negativen Gleichspannungs-Versorgungsleitungen.

Der isolierte oder galvanisch getrennte Ausgang des Sensors wird der Steuerschaltung zugeführt, die die Gate-Ansteuersignale feststellt und abschaltet, wenn irgendein Fehler festgestellt wird.

Ein weiteres bekanntes Verfahren umfaßt die Verwendung eines proportionalen und eines differentiellen Stromsensors. Der proportionale Stromsensor (isoliert oder nicht-isoliert) wird zur Überwachung entweder des positiven oder des negativen Versorgungsleitungsstroms verwendet. Der Ausgang des Sensors wird zur Feststellung von Phasen-/Phasen-Kurzschlüssen und/ oder von Überstromfehlern verwendet. Der isolierte Differential- Stromsensor wird zur Messung des differentiellen Stromes in den positiven oder negativen Versorgungsleitungen oder an den Aus­ gängen des Inverters verwendet. Der Ausgang dieses Differenz­ stromsensors wird zur Feststellung von Phasen-/Erd-Fehlern verwendet.

Alle die vorstehend genannten bekannten Verfahren verwenden eine Form von Isolationseinrichtungen, beispielsweise Optokopplern, um Fehlerzustände wiedergebende Signale an Steuerschaltungen zu koppeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung und ein Schutzverfahren zum Schutz von Leistungshalbleiterbau­ teilen gegen verschiedene Kurzschluß- und Überstromfehler zu schaffen, die bzw. das einen einfacheren Aufbau aufweist und eine geringere Anzahl von Teilen verwendet. Hierbei soll insbe­ sondere die Anzahl von galvanischen Isolations- oder Trennein­ richtungen verringert werden , die zur Detektion und zur Steuerung der Leistungshalbleiterbauteile erforderlich sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Schutzschaltung und eines Schutzverfahrens, das einen örtlichen Schutz für die oberspannungsseitigen Leistungshalbleiterbauteile ergibt, und bei dem oberspannungsseitige Fehler gespeichert und verriegelt werden, wenn sie an den unterspannungsseitigen Leistungshalbleiterbauteilen gemessen werden, um die Verwendung isolierter Meß- oder Rückführungssignale von der Oberspannungs­ seite zu der Unterspannungsseite zu vermeiden, wie dies bei anderen Schutzverfahren gegen Fehler auf den oberspannungs­ seitigen Leistungshalbleiterbauteilen erforderlich ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Schutzverfahrens und einer Schutzschaltung zum Schutz von Leistungshalbleiterbauteilen, das bzw. die kostengünstig ist und den Wirkungsgrad aufgrund der Verwendung eines einzigen Stromsensors erhöht, wenn ein einen Widerstand aufweisendes Meßelement verwendet wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß bei allen Verfahren nach dem Stand der Technik das Auftreten von Fehlern gemessen und danach ein den Fehler wiedergebendes Signal an eine Steuerschaltung zurückgeleitet wird, um ein Abschalten hervorzurufen. Eine wirkungsvollere Schaltung kann erzielt werden, wenn die nachfolgenden zwei Bedingungen erkannt werden:

• 1. Alle die oben erwähnten Fehler (mit Ausnahme des Phasen-/Erd-Fehlers von der positiven Versorgungsspannungslei­ tung gegen Erde) können auf der negativen Versorgungsspannungs­ leitung gemessen werden.
• 2. Wenn die oberspannungsseitigen Bauteile durch örtliche Schutzschaltungen abgeschaltet werden, überträgt sich das Auf­ treten eines Phasen-/Erd-Fehlers von der positiven Versorgungs­ spannungsleitung gegen Erde auf die negative Versorgungsspan­ nungsleitung, an der dieser Fehler (aufgrund der Induktivität in dem Fehlerstrom) durch die Diode festgestellt werden kann, die parallel längs der unterspannungsseitigen Leistungshalb­ leiterbauteile angeschaltet ist. Zu gegebener Zeit überträgt sich nach dem Einschalten des unterspannungsseitigen Leistungs­ halbleiterbauteils der Fehlerstrom, und er wird als negativer Versorgungsleitungs-/Erd-Fehlerzustand sichtbar, wodurch er erfaßt werden kann.

Die oben erwähnten Ziele und die oben erwähnte Feststellung haben zu der vorliegenden Erfindung geführt, die einen Strom­ sensor in der negativen Versorgungsleitung und lediglich ein Entsättigungs-Detektor- und örtliches Abschalt-Verfahren für die oberspannungsseitigen Transistoren verwendet. Ein Weiter­ leiten oder Koppeln von Signalen zwischen der Oberspannungsseite und einer Steuerschaltung ist nicht erforderlich.

Daher mißt der Stromsensor an der Unterspannungsseite im Fall sowohl eines Überstromfehlers, eines Phasen-/Phasen-Kurzschluß­ fehlers oder eines Phasen-/Erd-Fehlers durch die negative Ver­ sorgungsspannungsleitung den Fehlerstrom und überträgt diesen an eine Steuerschaltung, die Steuersignale liefert, die die Gate-Ansteuersignale an die Leistungshalbleiterbauteile abschal­ ten. Während eines Phasen-/Phasen-Kurzschlußfehlers ist das Entsättigungs-Detektor-Abschaltverfahren auf der Oberspannungs­ seite mit einer Geschwindigkeit wirksam, die etwas niedriger als die Reaktionsgeschwindigkeit des Strommeß-Abschaltens auf der Unterspannungsseite ist. Daher wird die erdseitige Strommeß- Abschaltung als erste wirksam, wodurch ein FEHLER-Anschlußstift aktiv wird und den Fehler speichert und verriegelt, wodurch alle Gate-Eingangssignale unterbrochen werden. Dies ermöglicht es der Schaltung, einen Fehlerzustand zu speichern und Eingangssignale an alle Bauteile abzuschalten.

Im Fall eines Phasen-/Erd-Kurzschlußfehlers durch die positive Versorgungsleitung schaltet eine Entsättigungs-Detektions-Ab­ schaltung der oberspannungsseitigen Bauteile das Ansteuersignal für das spezielle, die hohe Spannung aufweisende IGBT-Bauteil ab, wodurch der Ausfall des oberspannungsseitigen Bauteils auf einer Perioden-zu-Perioden-Grundlage verhindert wird. Der Strom wird dann auf die unterspannungsseitige Diode aufgrund der Induktivität in dem Fehlerpfad umgeschaltet. Die Richtung des Stromes verläuft von der negativen Versorgungsleitung nach Erde. Wenn die Induktivität in dem Fehlerpfad niedrig genug ist, kann der Strom zu Null werden, bevor die unterspannungsseitigen Transistoren einschalten. Der Strom wird von der unterspannungs­ seitigen Diode auf den unterspannungsseitigen Transistor umge­ schaltet und fließt von Erde zur negativen Versorgungsleitung. Die oben erwähnte Strommeßschaltung wird dann in der vorstehend erläuterten Weise aktiv, indem sie entweder den von der negati­ ven Versorgungsleitung nach Erde zur unterspannungsseitigen Diode fließenden Strom oder den Strom mißt, der von Erde zur negativen Versorgungsleitung fließt, und zwar in Abhängigkeit von dem verwendeten Meßverfahren.

In jedem Fall erfordert das Verfahren und die Schutzschaltung der vorliegenden Erfindung keine galvanisch isolierten Fehler­ signale und Rückführungssignale, die von den oberspannungsseiti­ gen Bauteilen an eine Steuerschaltung gekoppelt werden müssen, damit sich eine wirkungsvolle Betriebsweise einer Schutzschal­ tung ergibt. Es ist jedoch zu erkennen, daß, wenn es erwünscht ist, derartige Isolationsschaltungen aus irgendwelchen Gründen einzuführen, Optokoppler oder andere Isolationseinrichtungen in einfacher Weise hinzugefügt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A, 1B und 1C die gleiche bekannte Wechselrichter- Schaltung, wobei jeweils ein Phasen-/Phasen-Kurzschlußfehler, ein Phasen-/Erde-Kurzschlußfehler bzw. ein Durchschlagfehler dargestellt sind

Fig. 2 eine erste bekannte Schutzschaltung

Fig. 3 eine weitere bekannte Kurzschluß- Schutzschaltung

Fig. 4 eine weitere bekannte Schutzschaltung

Fig. 5 eine weitere bekannte Schutzschaltung unter Verwendung von proportionalen und differentiellen Strom­ sensoren,

Fig. 6 ein Schaltbild einer Schutzschaltung für das oberspannungsseitige Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Inverter- oder Wechselrichter- Schaltung 10, die mit einer positiven Gleichspannungs-Versor­ gungsleitung 12 und einer negativen Gleichspannungs-Versorgungs­ leitung 14 arbeitet. Die Potentialdifferenz zwischen den Versorgungsleitungen 12 und 14 ist hoch, in manchen Fällen 600 V Gleichspannung oder mehr. Die Wechselrichterschaltung 10 wird mit einer Drei-Phasen-Wechselspannungs-Netzleistung in einer derartigen Weise gespeist, daß eine erste Phase der Netzleistung an einem Eingang 16 zwischen der Anode einer Diode 22 und der Kathode einer Diode 28 zugeführt wird, während die zweite Phase an einem Eingangs-Anschluß 18 zwischen der jeweiligen Anode und Kathode von Dioden 24 und 30 zugeführt wird, und eine dritte Phase wird an einem Eingang 20 zwischen der jeweiligen Anode und Kathode der Dioden 26 und 32 zugeführt. Die Anoden der Dioden 22, 24 und 26 sind gemeinsam mit der positiven Gleichspannungs- Versorgungsleitung 12 verbunden, während die Anoden der unter­ spannungsseitigen Dioden 28, 30 und 32 mit der negativen Gleich­ spannungs-Versorgungsleitung 14 verbunden sind. Ein Spannungs- Integrations-(Glättungs-)Kondensator 34 ist zwischen den Versorgungsleitungen 12 und 14 angeschaltet.

In einer gut bekannten Weise werden die positiven Phasen der an den Eingängen 16, 18 und 20 zugeführten Leistung durch die Dioden 22, 24 und 26 gleichgerichtet, wodurch eine positive Gleichspannung an der Versorgungsleitung 12 erzeugt wird, während die negativen Phasen durch die Dioden 28, 30 und 32 gleichgerichtet werden, was zu einer negativen Gleichspannung an der Versorgungsleitung 14 führt. Das Gleichspannungs-Poten­ tial zwischen den Versorgungsleitungen 12 und 14 wird als eine Gleichspannungs-Eingangsquelle für die Leistungsbauteile ver­ wendet, beispielsweise IGBT-Bauteile 36-46, die hieraus Drei-Phasen-Hochfrequenz-Impulsenergie-(AC-)Spannungsausgänge an den Ausgangsanschlüssen U, V und W erzeugen. Diese Ausgänge werden durch Ein- und Ausschalten der Leistungshalbleiterbau­ teile 36-46 mit hoher Frequenz derart erzeugt, daß die beiden jedem Ausgang U, V und W zugeordneten Bauteile, beispielsweise die Bauteile 36 und 42, in einander ausschließender Weise in gut bekannter Weise eingeschaltet werden. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist es allgemein bekannt, daß die Bauteile 36-46 dadurch gesteuert werden, daß Steuersignale an ihre Gate-Elektroden 36a, 38a, 40a, 42a, 44a bzw. 46a angelegt werden. Die Schaltung 10 nach Fig. 1 zeigt weiterhin die bekannten Freilauf-Dioden 36b-46b, die den jeweiligen Leistungshableiterbauteilen 36-46 zugeordnet sind.

Die Wechselrichter- oder Inverter-Schaltung 10 nach Fig. 1 kann in katastrophaler Weise in dem Fall zerstört werden, daß ein Kurzschluß zwischen irgendwelchen der Ausgänge U, V und W entsteht, wie dies graphisch durch die Linie 50 darge­ stellt ist, die sich zwischen den Ausgängen U und V in Fig. 1 erstreckt. Weil im üblichen Betrieb der Wechselrichter-Schal­ tung 10 beide Leistungsbauteile 36a und 44b für Perioden ein­ geschaltet werden, die sich teilweise überlappen, führt der Kurzschluß 50 zu einem Phasen-/Phasen-Kurzschlußstrom, der von der positiven Gleichspannungs-Versorgungsleitung 12 zur negativen Gleichspannungs-Versorgungsleitung 14 über die IGBT-Bauteile 36 und 44 fließt, wie dies durch die Strompfadlinie 52 angezeigt ist.

Ein Phasen-/Erde-Kurzschluß-Fehler-Strompfad ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Art von Fehler kann sich daraus ergeben, daß der Ausgang U gegen Erde kurzgeschlossen wird, wie dies durch die Linie 54 gezeigt ist, oder daß der Ausgang W gegen Erde kurzgeschlossen wird, wie dies durch die Linie 56 angedeutet ist. Die den Kurzschluß-Strompfad darstellende Linie 58 stellt einen Phasen-/Erd-Kurzschlußstrom- dar, der fließt, wenn das Bauteil 42 eingeschaltet wird, während ein Phasen-/Erde-Kurz­ schlußstrom von der positiven Gleichspannungs-Versorgungs­ leitung 12 nach Erde fließt, wenn das Bauteil 40 eingeschaltet ist, wie dies durch die Linie 60 dargestellt ist.

Ein Durchschlagfehler tritt auf, wenn beide Bauteile in irgend­ einem Zweig der Wechselrichterschaltung 10, beispielsweise die Bauteile 36 und 42, gleichzeitig eingeschaltet werden. Der Kurzschlußstrompfad ist durch die Linie 62 angedeutet.

Eine erste bekannte Schutzschaltung für die oben erwähnten Kurzschluß- und Durchschlag-Überstrombedingungen ist in Fig. 2 gezeigt, die die Bauteile 36-46 zusammen mit einer Schutz­ schaltung zeigt, die einen jeweiligen Gate-Ansteuerungs-Ent­ sättigungs-Detektor 64 einschließt, der einen Ausgang 66 zur Ansteuerung der Gate-Elektrode seines jeweiligen Leistungs- Bauteils und Eingänge 68 und 70 zur Messung der Spannungen längs der Kollektor- und Emitter-Grenzschichten des Leistungs­ halbleiterbauteils aufweist. Im Fall eines Kurzschlusses steigt die Kollektor-Emitter-Spannung an und dieser Spannungsanstieg wird durch eine örtliche Schutzschaltung 64 festgestellt, die dieses spezielle IGBT-Bauteil abschaltet und Rückführungs­ signale an einen Entsättigungs-Rückführungs-Empfangsabschnitt 76 der Steuerschaltung über einen Rückführungs-Isolator 72 sendet. Die Steuerschaltung-Abschaltlogik 78 empfängt ein System-Abschalt-Signal über eine Leitung 74 von der Entsätti­ gungs-Rückführungs-Detektor-Schaltung 76 und schaltet die Gate-Ansteuerungen T1 bis T6 ab, die allen Transistoren zu­ geführt werden. Diese gemessenen Spannungen werden über einen Rückführungs-Isolator 72 zu einer Steuerschaltung 74 geleitet, in der ein Basis-Emitter-Sättigungs-Rückführungs-Abschnitt 76 die Größe der gemessenen Spannung bestimmt und ein Abschalt- Logik-Abschnitt 78 Steuersignale T1-T6 zur Steuerung der Gate-Elektroden der Leistungshalbleiterbauteile erzeugt. Als Beispiel ist gezeigt, daß das Steuersignal T1 über die Leitung 80 und über den Signal-Isolator 82 der Gate-Steuerschaltung 64 zugeführt wird. Diese Signale können zum Abschalten der Leistungshalbleiterbauteile verwendet werden; das Leistungs­ halbleiterbauteil 36 wird beispielsweise durch ein Signal abgeschaltet, das bewirkt, daß die Gate-Ansteuerung 66 inaktiv wird.

Wie dies ohne weiteres zu erkennen ist, werden die Schaltungs­ blöcke 64, 72 und 82 für jedes der Leistungshalbleiterbauteile 36-46 wiederholt. Die Schutzschaltung nach Fig. 2 schließt weiterhin einen Stromsensor 84 ein, der sich in der negativen Gleichspannungs-Versorgungsleitung 14 befindet und Überstrombe­ dingungen mißt, d. h. Ströme, die den maximalen Strom überstei­ gen, von dem erwartet wird, daß er von der Last gezogen wird. Dieser Zustand wird über eine Leitung 85 an die Steuerschaltung 74 übertragen, die eine Reaktion der Schaltungen 64 und 82 in der vorstehend beschriebenen Weise hervorruft.

Die übliche Schaltung nach Fig. 3 schließt Stromsensoren 86 und 88, die den Strom in der positiven bzw. negativen Gleichspannungs-Versorgungsleitung 12 bzw. 14 messen, einen Signal-Isolator 90 für den Stromsensor 86 und eine optionale Isolations-Schaltung 91 für den Stromsensor 88 ein. Wie zuvor hat die Steuerschaltung 92 einen Gate-Ansteuer-Abschnitt, der Steuersignale (über geeignete Isolationselemente) an die Leistungs-Bauteile 36-46 liefert.

Eine dritte bekannte Lösung zur Erzielung eines Schutzes ist in Fig. 4 in Form eines einzigen Stromsensors 100 gezeigt, der ein Ausgangssignal 102 liefert, das die Summe der in der positiven Versorgungsleitung 12 und in der negativen Versorgungsleitung 14 fließenden Ströme darstellt. Das Ausgangssignal des Sensors wird der Steuerschaltung 106 über eine Isolations-Schaltung 104 zugeführt. Eine Vielzahl von Steuersignalen 108 wird über eine geeignete Isolation an die Bauteile 36-46 in der vorstehend beschriebenen Weise geliefert.

Im Gegensatz zu Fig. 4 verwendet die bekannte Schutzschaltung nach Fig. 5 einen Stromsensor 110, der in differentieller Weise den resultierenden Strom mißt, der in den Versorgungsleitungen 12 und 14 fließt. Das Ausgangssignal des Sensors wird über eine Isolationsschaltung 112 einer Steuerschaltung 114 zugeführt. Ein weiterer Stromsensor 116 ist in Serie mit der negativen Versorgungsleitung eingeschaltet, um der Steuerschaltung 114 ein Ausgangssignal 118 zu liefern, das proportional zum Strom in der negativen Gleichspannungs-Versorgungsleitung 14 ist. In jeder anderen Hinsicht arbeitet die Steuerschaltung 114 in der gleichen Weise wie die vorher beschriebenen Steuerschal­ tungen.

Alle bekannten Schutzschaltungsanordnungen verwenden irgendeine Form von galvanischer Isolation zwischen dem Meßelement und der Steuerschaltung, zumindestens für die Oberspannungsseite, um zwischen dem Meßelement und der Steuerschaltung Informationen über Fehlerzustände und hierauf ansprechende Steuersignale zu übertragen. Im Gegensatz hierzu ist bei der vorliegenden Erfin­ dung, die in Fig. 6 dargestellt ist, eine jeweilige Gate- Ansteuerungs-Entsättigungs-Schutzschaltung 120, 122 und 124 für jedes der oberspannungsseitigen Leistungsbauteile 36, 38 und 40 vorgesehen. Die Notwendigkeit der Verwendung von Isolations­ schaltungen wurde vermieden. Die unterspannungsseitigen Leistungshalbleiterbauteile 42, 44 und 46 haben lediglich jeweilige Gate-Ansteuer-Schaltungen 126, 128 und 130.

Die Steuerschaltung 132 der vorliegenden Erfindung liefert in üblicher Weise Gate-Ansteuer-Ausgänge T2, T4 und T6 für die Gate-Treiber 126, 128 bzw. 130. Die Schutzschaltung erfordert keinen Fehler-Rückführungspfad zwischen den oberspannungsseiti­ gen Gate-Ansteuerungs- und Entsättigungs-Schutzschaltungen 120, 122, 124 und der Steuerschaltung 132. Dennoch kann, falls dies erwünscht ist, eine derartige Verbindung in der mit ge­ strichelten Linien angedeuteten Weise über Isolationsschaltungen von den oberspannungsseitigen Gate-Treibern und den Entsätti­ gungs-Schutzschaltungen zum Abschalt-Logik-Abschnitt der Steuerschaltung 132 hinzugefügt werden. Der Stromsensor 134 mißt den in der negativen Gleichspannungs-Versorgungsleitung 14 fließenden Strom und liefert ein Ausgangssignal 136 an die Steuerschaltung 132. Die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist wirkungsvoll und erfordert weniger Bauteile als die üblichen Schutzschaltungen. Sie erfordert keine Isolations­ schaltungen für die oberspannungsseitigen Gate-Ansteuerschal­ tungen (kann diese jedoch einschließen).

Wie dies weiter oben erläutert wurde, ist die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 6 während der verschiedenen Fehler­ zustände wie folgt: Im Fall entweder eines Überstrom-Fehlers, eines Phasen-/Phasen-Kurzschlußfehlers, oder eines Phasen-/ Erd-Fehlers über die negative Versorgungsleitung, mißt der Stromsensor 134 den Fehlerstrom und die zugehörige Steuerschal­ tung 132 schaltet die Gate-Ansteuersignale an alle Bauteile ab. Während eines Phasen-/Phasen-Kurzschlußfehlers sind die Ent­ sättigungs-Detektor-Schaltungen 120, 122 und 124 so ausgelegt, daß sie die oberspannungsseitigen Leistungs-Bauteile 36, 38 und 40 nach einer Verzögerung abschalten, die lang genug ist, um sicherzustellen, daß ein Stromsensor 134 als erstes wirksam wird, wodurch der FEHLER-Anschlußstift aktiv wird und die Verriegelungsschaltung alle Eingangssignale stopt. Dies er­ möglicht es der Schaltung, den Fehlerzustand zu speichern und die Eingangssignale an alle Bauteile abzuschalten. (Wenn die Oberspannungsseite als erste reagieren würde, so würde der Fehler sich bei jeder aufeinanderfolgenden Periode wiederholen, weil der Fehler niemals verriegelt oder gespeichert würde).

Wenn ein Phasen-/Erd-Kurzschluß über die positive Versorgungs­ leitung vorliegt, so schalten die Entsättigungs-Detektor-Bau­ teile 120, 122 und 124 das spezielle oberspannungsseitige Leistungs-Bauteil (IGBT) auf einer Perioden-für-Perioden-Basis ab, wodurch der Ausfall dieses Bauteils verhindert wird. Der Strom wird dann auf die unterspannungsseitige Diode umgeschal­ tet, und zwar aufgrund der Induktivität in dem Fehlerpfad, wobei die Richtung des Stroms von der negativen Versorgungs­ leitung 14 zur Erde verläuft. Wenn beispielsweise das Bauteil 36 eine hohe Entsättigungsspannung aufweist, so schaltet ihr Überstrom auf die unterspannungsseitige Diode 42b um, die sich im gleichen Zweig der Schutzschaltung befindet. Wenn die Induktivität in dem Fehlerpfad niedrig genug ist, so kann der Strom zu Null werden, bevor der unterspannungsseitige Transis­ tor, beispielsweise der Transistor 42, einschaltet. Der Strom schaltet von der unterspannungsseitigen Diode, beispielsweise der Diode 42b, auf das unterspannungsseitige Leistungs-Bau­ teil, beispielsweise 42, um, und fließt von Erde zur negativen Versorgungsleitung 14. Die Stromsensorschaltung 134 wird in der vorstehend beschriebenen Weise aktiv, wobei sie entweder den von der negativen Versorgungsleitung zur Erde über die unterspannungsseitige Diode fließenden Strom, oder den von Erde zur negativen Versorgungsleitung 14 fließenden Strom mißt, und zwar in Abhängigkeit von dem verwendeten Meßverfahren.

Fig. 7 zeigt ein ausführliches Schaltbild einer Ausführungs­ form der Erfindung, das praktisch ausgeführt wurde und für eine Anwendung dient, die eine Schaltung verwendet, die als ein Eingang eine Einphasen-Leistung erfängt. Ein Phasen-/Erd- Kurzschluß wird durch Kurzschließen des Ausganges U über einen Kurzschluß 150 mit der Mittelanzapfung von zwei in Serie geschalteten Kondensatoren 152 und 154 erzielt, die auf eine Spannung von 600 V Gleichspannung aufgeladen wurden. Das Bauteil 156 umfaßt die Gate-Ansteuer- und Entsättigungs- Schutzschaltung entsprechend dem Element 120 nach Fig. 6, das mit dem oberspannungsseitigen Leistungshalbleiterbauteil 36 gekoppelt ist. Das Bauteil 156 kann eine im Handel erhältliche Schaltung sein, die beispielsweise von der Firma International Rectifier Corporation unter der Bezeichnung IR 2125 vertrieben wird. Das Bauteil 156 liefert in Verbindung mit einem externen Kondensator die oberspannungsseitige Verzögerung, wie weiter oben erläutert wurde.

Ein entsprechender Gate-Treiber 158, beispielsweise eine integrierte Schaltung vom Typ IR 2117 der Firma International Rectifier Corporation, liefert die Gate-Ansteuerung für das unterspannungsseitige Leistungs-Bauteil 42. Die Bezugsziffer 160 bildet den Stromsensor 134 nach Fig. 6. Er ist dazu be­ stimmt, den Strom in der negativen Gleichstrom-Versorgungs­ leitung 14 zu messen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungs­ formen beschrieben wurde, sind vielfältige Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich.

Claims (3)

1. Schutzschaltung für Hochleistungs-Schalter-Bauteile, mit:
einer Gleichrichter-Schaltung zum Empfang einer Netz- Leistungs-Eingangs-Wechselspannung und zur Gleichrichtung dieser Wechselspannung zur Lieferung einer Eingangs-Gleichspannung an eine Gleichspannungs-Versorgungsleitung,
zumindestens zwei in Reihe geschaltete Leistungshalb­ leiterbauteile, die ein erstes und ein zweites Leistungsbauteil einschließen, die zwischen der Oberspannungsseite und der Unter­ spannungsseite der Gleichspannungs-Versorgungsleitung ange­ schaltet sind,
eine Steuerschaltung zur Aktivierung der Leistungs­ halbleiterbauteile auf einer gegenseitig ausschließenden Grund­ lage zur Erzeugung einer Ausgangs-Wechselspannung aus der Eingangs-Gleichspannung,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Gate-Ansteuerungs- Entsättigungs-Detektor-Schaltung (120, 122, 124; 156) vorge­ sehen ist,
daß eine Strommeßschaltung (134; 160) mit der Unter­ spannungsseite der Gleichspannungs-Versorgungsleitung (12, 14) verbunden ist, um einen Strom zu messen, der durch die unterspannungsseitige Versorgungsleitung (14) fließt,
daß eine Steuerschaltung (132) mit der Strommeß­ schaltung verbunden ist, um einen Überstrom und/oder einen Kurzschlußstrom zu messen, der in der unterspannungsseitigen Gleichspannungs-Versorgungsleitung (14) fließt, und ein Ab­ schalten des unterspannungsseitigen Leistungshalbleiterbauteils über ein Gate-Ansteuerbauteil (126, 128, 130; 158) bewirkt,
und wobei die Gate-Ansteuerungs-Entsättigungs- Detektorschaltung (120, 122, 124; 156) einen Schutz des oberspannungsseitigen Leistungshalbleiterbauteils auf einer Perioden- Perioden-Basis gegen einen Überstromzustand bewirkt, bis ein Eingangssignal an das oberspannungsseitige Leistungs­ halbleiterbauteil in Abhängigkeit von einem Steuersignal von der Steuerschaltung abgeschaltet wird.

2. Schutzschaltung nach nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Anschalten der Schaltung an eine Drei-Phasen-Eingangsleistungs-Leitung und zusätzliche Gleichrichterelemente zur Gleichrichtung aller Phasen der Eingangsleistung-Leitung zur Erzeugung der Gleichspannung, wobei ein zweites und ein drittes Paar von Leistungshalbleiter­ bauteilen vorgesehen ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Paar von Leistungshalb­ leiterbauteilen jeweils ein oberspannungsseitiges Leistungshalb­ leiterbauteil und ein unterspannungsseitiges Leistungshalb­ leiterbauteil einschließt, und daß jedes der oberspannungssei­ tigen Leistungshalbleiterbauteile einen jeweils zugeordneten Gate-Ansteuerungs- und Entsättigungs-Detektor aufweist, und daß jedem unterspannungsseitigen Bauteil eine Gate-Ansteuerschaltung zugeordnet ist.