DE4218749A1

DE4218749A1 - Verfahren zur Steuerung eines Dreipunktwechselrichters

Info

Publication number: DE4218749A1
Application number: DE19924218749
Authority: DE
Inventors: Hantjun Hauw Dipl Ing Doeblitz; Michael Dipl Ing Mues
Original assignee: AEG Westinghouse Transport Systeme GmbH; AEG Westinghouse Transportation Systems Inc
Current assignee: Bombardier Transportation GmbH
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: DE4218749C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Dreipunkt wechselrichters, dessen Zweige reihengeschaltete Schalthalbleiter aufweisen, die für den Wechsel der Schaltzustände nach einem be stimmten Folgemuster gesteuert werden müssen, das auch im Status Überstromabschaltung eingehalten werden muß.

Beim Dreipunktwechselrichter kann die Sperrspannung der Schaltelemente auf die Hälfte der Sperrspannung der Ventilzweige herabgesetzt wer den. Allerdings darf die spannungsmäßige Belastung von Leistungs halbleitern mit nur 1/2 U + Spannungsüberhöhung nur dann erfolgen, wenn gewisse Randbedingungen bzgl. der Steuermuster eingehalten werden. Nur durch genaue Kombination und Reihenfolge der Schaltzu stände kann dabei die Sperrspannung auf die genannten Werte begrenzt werden. Hierzu z. B. "ETZ-Archiv" Bd. 10 (1988) H. 7, S. 215 bis 220. Um die dynamische Spannungsaufteilung zu gewährleisten, muß diese Reihenfolge dann auch bei einer Überstromabschaltung eingehalten werden, d. h. kann nicht verändert werden.

Zur Überwachung des Stromes in den Zweigen von Dreipunktwechsel richtern wird bei Schalttransistoren allgemein die Spannung an der Collektor-Emitterstrecke jedes Schalttransistors überwacht und bei Überschreiten einer vorher bestimmten Spannung der Abschaltvorgang eingeleitet. Im Störfall (z. B. bei Kurzschluß) spricht eine Überwa chungsstufe an, die ein Meldesignal an eine sogenannte Ein-/Aus- Schaltimpulsfolge-Verriegelungsstufe der Steuerung sendet. Der be troffene Schalttransistor wird dabei aber nicht gleich ausge schaltet, sondern, es muß erst abgewartet werden, bis er in der ge ordneten Ausschaltfolge an der "Reihe" ist, wonach dann von der Steuerung das "Aus"-Signal gegeben wird.

Ein solches Steuerverfahren bietet keinen optimalen Überstrom schutz, weil einerseits während der erwähnten Wartezeit der Über strom leicht bis zum Zehnfachen des Transistor-Nennstromes anstei gen und den Transistor zerstören kann. In dieser Zeit ist der Transistor somit ungeschützt. Das bedeutet andererseits beim Aus schalten mit erhöhtem Überstrom aber auch eine erhöhte Ausschalt überspannung, die besonders für die neuerdings oft verwendeten IGBT- Transistoren (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) gefährlich sind, was wiederum beträchtlichen Aufwand in Form einer geeigneten Span nungsklemmbeschaltung erfordert, um eben die Ausschaltüberspannung begrenzen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Steuerverfahren zu schaffen, das ohne großen Aufwand einen verbesserten Überstromschutz bietet und bei dem eine deutlich geringere Ausschaltüberspannung den Aufwand erforderlicher Spannungsklemmbeschaltung vermindert.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen ent nehmbar.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im nachstehenden näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipschaltbild eines Dreipunktwechselrichters mit IGBT-Modulen,

Fig. 2 Herausstellung der Arbeitsweise des Verfahrens an einem IGBT-Modul (vgl. auch Fig. 1),

Fig. 3 Spannungs- und Stromverläufe beim Auftreten eines Überstroms.

In Fig. 1 ist ein Drehstromwechselrichter mit den Phasensträngen L1, L2, L3 dargestellt, an denen eine nicht näher bezeichnete Last anschließbar ist. Als Leistungs-Schalthalbleiter dienen IGBT-Transistoren T1 bis T12, denen Freilaufdioden D1 bis D12 antiparallelgeschaltet sind. Je ein Transistor z. B. T1 bildet mit seiner Freilaufdiode z. B. D1 ein Modul, je zwei Module je einen Brückenzweig. Der Drehstromwech selrichter liegt einerseits an den beiden Potentialen +UE/2 und -UE/2 der Eingangsgleichspannung, sowie einem dritten Potential 0, das über die Mittelanzapfung N der an der Eingangsgleichspannung liegenden Stützkondensatoren 5 und 6 gewonnen wird. Das Potential 0 ist über Ventile D13 bis D18 jeweils zwischen die beiden Module jedes zuge hörigen Brückenzweiges angeschlossen.

Im Schaltzustand +UE/2 fließt positiver Laststrom durch die Transi storen T1 und T2 über M zum Phasenstrang L1. Im Schaltzustand 0 ver mag positiver Laststrom durch Ventil D13 und Transistor T2 oder auch negativer Laststrom durch Transistor T3 und Ventil D14 zu fließen. Im Schaltzustand -UE/2 sind die Transistoren T3 und T4 für negativen Laststrom durchlässig. Jedem Transistor ist eine Ansteuerungsschal tung zugeordnet. Nur die vier Ansteuerungsschaltungen der Transisto ren T1 bis T4 des ersten Brückenzweigpaares sind dargestellt. Sie sind mit 7 bis 10 bezeichnet. Die Ansteuerungsschaltungen wirken auf die Gates der Schalttransistoren, überwachen deren Strom, geben einerseits Meldung (über die Leitungen 1a bis 4a) an eine allen ge meinsame Ein/Aus-Schaltimpulsfolge-Verriegelungsstufe 11 bzw. emp fangen von dieser Ein/Aus-Befehle (über die Leitungen 1b bis 4b). Die Ein/Aus-Schaltimpulsfolge-Verriegelungsstufe 11 ist notwendig, damit beim Dreipunktwechselrichter die Schalttransistoren - wie eingangs erwähnt - nur in bestimmter Reihenfolge ein- und ausgeschaltet wer den können, um die Einzeltransistoren, die sperrspannungsmäßig nur sehr knapp ausgelegt sind, überhaupt betreiben zu können. Die Ein/Aus- Schaltimpulsfolge-Verriegelungsstufe 11 wird, wie ersichtlich, von Signalen einer Steuerung bzw. eines Pulsweitenmodulators beeinflußt.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 und zwar den Schalttransi stor T1 mit seiner Ansteuerungsschaltung 7. Der Schalttransistor T1 speist auf eine einen zeitweiligen Kurzschluß führende Last 12. Die Ansteuerungsschaltung 7 enthält - wie auch alle anderen Ansteuerungs schaltungen - jeweils eine Überstromüberwachungseinrichtung 13, eine Gate-Ansteuerungsstufe 14, eine U_GE-Reduzierstufe 15 sowie einen Übertrager 16. In Verbindung mit Fig. 3 soll die prinzipielle Wir kungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden.

Bei einem Kurzschluß zum Zeitpunkt t_KS steigt der Transistorstrom I_C - wie aus Fig. 3 ersichtlich - steil an. Ebenso steigt auch die Collektor-Emitter-Spannung U_CE stark an. Die Überstromüberwachungs einrichtung 13 reagiert sofort und aktiviert die U_GE-Reduzierstufe 15, die ihrerseits über die Gate-Ansteuerstufe 14 die Gate-Emitter-Span nung U_GE im Zeitpunkt t₁ auf ca. halben Wert, z. B. 4 Volt reduziert. Dadurch sinkt der Überstrom I_C umgehend auf nur noch etwa den zwei fachen Wert des Transistor-Nennstroms, was kurzfristig verträglich ist. Gleichzeitig ist von der U_GE-Reduzierstufe 15 über Übertrager 16 eine Meldung U_M an die Ein/Aus-Schaltimpulsfolge-Verriegelungsstufe 11 abgegeben worden, die - nach Ablauf der üblichen Wartezeit - den Be fehl zur endgültigen Ausschaltung (siehe U_EA) zum Zeitpunkt t_Aus ab gibt. Über Übertrager 16 wird dieser Befehl auf die Gate-Ansteuer stufe 14 übertragen und Transistor T1 durch Negativspannungsansteuerung seines Gates ausgeschaltet. Der Fig. 3 ist die mit zeitlicher Verzögerung t₁ ansprechende U_GE-Absenkung sowie die Negativspannungsansteuerung des Transi stors T1 zum Teil Zeitpunkt t_Aus entnehmbar. Damit werden I_C und U_EA gleich Null.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist der IGBT-Schalttransistor in der Wartezeit zwischen Kurzschluß (t_KS) und herkömmlicher Kurz schlußausschaltung (t_Aus) hervorragend geschützt. Die reduzierte Überstromausschaltung erspart auch herkömmliche aufwendige Spannungs klemmbeschaltungen.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Dreipunktwechselrichters, dessen Zweige reihengeschaltete Schalthalbleiter aufweisen, die für den Wechsel der Schaltzustände nach einem bestimmten Folgemu ster gesteuert werden müssen, das auch im Status Überstromab schaltung eingehalten werden muß, dadurch gekennzeichnet, daß für den überstromführenden Leistungshalbleiter im Bereich der Wartezeit zwischen Erfassen eines Überstroms (t_KS) und der end gültigen Abschaltung (t_Aus) durch Absenkung der Steuerspannung eine Stromreduzierung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten eines einen Grenzwert überschreitenden Stromes (I_C) im Schalttransistor (z. B. T1) eine Überstrom-Über wachungseinrichtung (13) anspricht (t_KS), die eine U_GE-Reduzier stufe (15) ansteuert, daß die U_GE-Reduzierstufe (15) über eine Gate-Ansteuerstufe (14) die Gate-/Emitterspannung (U_GE) des Schalttransistors (z. B. T1) so lange absenkt, bis die an eine Ein/Aus-Schaltimpulsfolge-Verriegelungsstufe (11) weitergege bene Meldung (U_M) des Überstromes das reguläre Abschaltsignal (U_EA) auslöst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschaltsignal (U_EA) die Gate-Ansteuerstufe (14) veran laßt, die abgesenkte Gate-/Emitterspannung (U_GE) auf Negativ werte zu bringen und damit den Transistor (T1) zu sperren.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Absenkung der Gate-Emitter-Spannung (U_GE) so weit erfolgt, daß während der Wartezeit ein Überstrom von 2×I_Nenn nicht überschritten wird.