EP1012941A1 - Kurzschlussstrombegrenzung für eine stromrichterschaltung mit einem kapazitiven speicher - Google Patents

Kurzschlussstrombegrenzung für eine stromrichterschaltung mit einem kapazitiven speicher

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Publication number
EP1012941A1
EP1012941A1 EP98952521A EP98952521A EP1012941A1 EP 1012941 A1 EP1012941 A1 EP 1012941A1 EP 98952521 A EP98952521 A EP 98952521A EP 98952521 A EP98952521 A EP 98952521A EP 1012941 A1 EP1012941 A1 EP 1012941A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
short
current
current limiter
passive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98952521A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eric Baudelot
Manfred Bruckmann
Heinz Mitlehner
Benno Weis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1012941A1 publication Critical patent/EP1012941A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/1216—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for AC-AC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current

Definitions

  • the invention relates to a short-circuit current limitation for a converter circuit with at least one power semiconductor switch with associated freewheeling diode and at least one capacitive memory, which form a short-circuit mesh in the event of a short circuit.
  • converter circuits include, for example, a line-side converter with an output-side voltage intermediate circuit, a load-side converter with an input-side voltage intermediate circuit, a DC chopper
  • an intermediate circuit voltage converter in particular a pulse converter
  • a pulse converter with non-latching power semiconductor switches for example IGBTs, MOSFETs, LTR, hard driven GTO, ARCP
  • a latching power semiconductor switch for example GTOs, MCTs, thyristors.
  • a pulse converter with non-latching power semiconductor switches there are none in the commutation circuit
  • the low inductance value of this pulse converter comes from the parasitic leakage inductances of the low-induction busbar system.
  • a power semiconductor switch When a power semiconductor switch is switched off, it must not only absorb the voltage of the voltage intermediate circuit, but also the inductive voltage drop across the parasitic inductances. The value of this voltage drop depends on the current change and the value of the parasitic inductance. Since switching should occur very quickly for reasons of loss, the parasitic leakage inductance should be kept as small as possible. The value of this parasitic stray inductance is now 100 nH.
  • these power semiconductor switches must have a high short-circuit strength. This means that these power semiconductor switches can run a four to ten times the rated current for a short time. This time period is about 10 ⁇ s, for example. During this time, a very high power loss is implemented in the power semiconductor switches.
  • inductors are arranged in the mutation circuit.
  • these power semiconductor switches each have a protective circuit (snubber circuit), as a result of which the outlay for passive components is quite high. If a short circuit occurs within a pair of bridges of such a pulse converter or a converter with resonant mode of operation (eg quasi-resonant switch, resonant de link converter), the existing inductances limit the increase in the short-circuit current. The amplitude of the short-circuit current also reaches a value of eini ⁇ gen n, m but not so quickly as with direemras- Tenden power semiconductor switches.
  • the inductance In order that a short-circuit current can be switched off by these snap-in power semiconductor switches, the inductance must be chosen to be very large, since a short-circuit strength of the snap-in power semiconductor switch can generally not be achieved. By increasing the existing inductance, the current rise in the short-circuit current is slowed down to such an extent that the latching power semiconductor switch can still switch off the short-circuit current.
  • the disadvantage of this solution is the high cost of both the inductance and the circuit capacitors of the protective circuits, which are required to limit high overvoltages.
  • the power semiconductor switch cannot be operated with its maximum current which can be switched off in nominal operation, since a reserve for the short-circuit switch-off is required.
  • the voltage intermediate circuit and the inductance in the event of a short circuit form a series resonant circuit. So that the free-wheeling diode of the power semiconductor switch cannot be destroyed by the high oscillating current, a jerk oscillation diode arrangement must be connected electrically in parallel with the series connection of the voltage intermediate circuit and the inductance, as a result of which the construction volume and the cost of this converter increase.
  • the invention is based on the object of a short-circuit current limitation for such converter circuits specify, so that the disadvantages listed no longer occur.
  • a passive semiconductor current limiter made of silicon carbide is arranged in a short-circuit mesh, which is formed from the capacitive memory and at least one power semiconductor switch in the event of a short-circuit, the short-circuit can be controlled in a known manner in a known converter circuit described at the outset, without the latter Disadvantages occur.
  • the advantage of this passive semiconductor current limiter made of silicon carbide lies in the ratio of the forward voltage to the limiter current.
  • This passive semiconductor current limiter can be electrically connected in series to the capacitive memory, in a supply line from the capacitive memory to the power semiconductor switch or electrically in series to the power semiconductor switch.
  • this passive semiconductor current limiter made of silicon carbide do not influence the mode of operation and the load of this passive semiconductor current limiter.
  • this passive semiconductor current limiter can be used in all known converter circuits, regardless of whether snap-in or non-snap-in power semiconductor switches are used.
  • the passive power semiconductor current limiter made of silicon carbide runs through its characteristic curve in a very short time, so that the short-circuit current is limited to a limiter current of the passive semiconductor current limiter in the shortest possible time.
  • the short-circuit current limitation is thus carried out solely by the passive semiconductor current limiter made of silicon carbide, so that the choice of the power semiconductor switch or its dimensioning or the construction of a converter circuit are no longer primarily based on a short in the final case must be coordinated.
  • a shutdown device can be activated so that the short-circuit current is interrupted.
  • the positive ⁇ semiconductor current of silicon carbide with an anti-parallel is provided Oberbrückungs diode. This diode is required precisely when energy is fed back from a load into the capacitive memory of the converter circuit. With this feedback, the direction of the current through the passive semiconductor current limiter is reversed. If this feedback current falls below the minimum limit current of the passive semiconductor current limiter, the passive semiconductor current limiter is bridged by means of the diode in the direction of energy recovery. This protects the passive semiconductor current limiter from destruction.
  • a passive semiconductor current limiter with an antiparallel bridging diode can thus be used in converter circuits for short-circuit current limitation in which energy recovery is intended.
  • a free-wheeling diode of the power semiconductor switch with a connection in the power flow direction is installed in front of the passive semiconductor current limiter.
  • the passive semiconductor current limiter is also bridged in the case of energy recovery from a load in the capacitive memory of the converter circuit, without the need to use an additional bridging diode. Due to this special connection of the free-wheeling diode of a power semiconductor switch, this free-wheeling diode takes over the protective task for the passive semiconductor current limiter during energy recovery.
  • a passive semiconductor current Limiter made of silicon carbide with a power semiconductor switch of the converter circuit.
  • FIG. 1 shows a known frequency converter with an advantageous embodiment of the short-circuit current limitation according to the invention, wherein 2 and 3 each show characteristic curves of a passive semiconductor current limiter according to FIG. 1, and wherein in FIGS. 4 and 6 further embodiments of the short-circuit current limitation according to the invention are illustrated in converter circuits.
  • the uncontrolled converter 2 on the network side has two diodes Dn1 and Dn2 or Dn3 and Dn4 per bridge.
  • the voltage intermediate circuit 4 has a capacitive memory C.
  • the three-phase pulse converter 6 has two power semiconductor switches Tl, T2 or T3, T4 or T5, T6, each electrically connected in series, which are each provided with an antiparallel connected Fre lau diode Dl, ..., D6.
  • a passive semiconductor current limiter 12 made of silicon carbide is arranged in the positive lead 8 of the voltage intermediate circuit 4.
  • This passive Halbleiterstrombe ⁇ limiter 12 also st provided with a Uberbruckungs diode D7, which is connected in parallel to the current flow through that semiconductor current 12th
  • This passive semiconductor current limiter 12 made of silicon carbide is known from the older national patent application with the official file number 197 17 614.3 (GR 97 P 1515 DE).
  • the associated characteristic curve of this semiconductor current limiter 12 is shown in more detail in FIG.
  • FIG. 3 showing the characteristic curve of a passive semiconductor current limiter 12 with a memory function.
  • the current I Linuc from which the passive semiconductor current limiter 12 intervenes, is selected such that the passive semiconductor current limiter 12 intervenes above the maximum current occurring in normal operation.
  • the shape of the current flowing through the semiconductor current limiter 12 is irrelevant here, so that the function of the passive semiconductor current limiter 12 is ensured regardless of the application.
  • the passive semiconductor current limiter 12 made of silicon carbide runs through its characteristic curve for a very short time, so that the short circuit current of this time is limited to the value of the limit current I _._ mi.
  • the power semiconductor switches of the short-circuit-retained bridge branch are subjected to little stress, since they hardly absorb any voltage. If the positive semiconductor current limiter 12 limits the short-circuit current to the value of the limit current I 1 , the intermediate circuit voltage U d drops predominantly at the semiconductor current limiter 12. A high power loss is then implemented in this semiconductor current limiter 12.
  • the short-circuit mesh consisting of the capacitive Memory C, the semiconductor current limiter 12 and the power semiconductor switches of a bridge branch of the pulse converter 6 are separated.
  • the voltage drop at the semiconductor current limiter 12 can advantageously be used, from which a dependent on a reference value
  • Control signal for a shutdown device is generated.
  • a device for blocking all control signals of the pulse converter 6 can, for example, be provided as the shutdown device.
  • a defeat also contactors and relays reform can be provided with which the short stitch up ⁇ cut or the drive is disconnected from the mains.
  • the passive semiconductor current limiter 12 made of silicon carbide has the characteristic curve according to FIG. 3, there is no time constraint for the separation of the short-circuit mesh, since this semiconductor current limiter 12 has no high thermal stress.
  • the short-circuit current is not limited to a high level, but to a very low value, which is smaller than the maximum current occurring in normal operation.
  • the short-circuit current limitation does not represent a high thermal load for the power semiconductor switches at this operating point. If this semiconductor current limiter 12 with memory function has absorbed a high voltage, only a very small current flows through it, which does not endanger the semiconductor current limiter 12 thermally . In this case, too, the short-circuit mesh must be separated, with voltage monitoring of the semiconductor current limiter 12 also offering itself. Since this passive semiconductor current limiter 12 only converts a small power loss, there is almost any length of time until the shutdown. If the reason for the short circuit was not a defective power semiconductor switch, the pulse converter 6 is functional again after the current limitation.
  • the pas ⁇ sive semiconductor current 12 need his power to the LEI ⁇ tung ⁇ schreibleiter ⁇ chaltern Tl, ..., T6 Make de ⁇ Pul ⁇ stromrichters 6, which reached by a short pulse inhibit. Subsequently, further operation of the pulse converter 6 is possible without further shutdown.
  • FIG. 4 shows a converter circuit, the voltage intermediate circuit 4 of which has two capacitive memories C1 and C2 which are electrically connected in series, and a passive semiconductor current limiter 12 is arranged in the positive and negative feed lines 8 and 10 of the voltage intermediate circuit 4, respectively.
  • a bridging diode D7 and D8 is electrically connected antiparallel to each semiconductor current limiter 12.
  • the center M of the capacitive memories C1 and C2 is also grounded. If there is a short circuit in phase T against the voltage intermediate circuit center M, the capacitive memory C2 drives a short circuit current via the power semiconductor switch T6. This short-circuit current cannot be limited by the passive semiconductor current limiter 12 in the positive feed line 8 according to FIG.
  • FIG. 5 shows an advantageous embodiment of the short-circuit current limiter according to FIG. 4.
  • This advantageous embodiment differs from the embodiment according to FIG. 4 in that the two passive semiconductor current limiters 12 in the positive and negative feed lines 8 and 10 have no bridging diodes D7 and D8 have more.
  • the Function of these bridging diodes D7 and D8 are taken over by the freewheeling diodes D1, ..., D6 of the pulse converter 6 in this advantageous embodiment.
  • the free-wheeling diodes D1, D3 and D5 are not connected to the cardboard sides of the associated power semiconductor switches T1, T3 and T5, but to an input terminal 14 of the passive semiconductor current limiter 12 of the positive lead 8 of the voltage intermediate circuit 4.
  • the free-wheeling diodes D2, D4 and D6 the anode side are not connected to the cathodes of the associated power semiconductor switch T2, T4 and T6, but with, an input terminal 16 of the passive semiconductor ⁇ current limiter 12 10 m to the negative lead of the chip associated voltage intermediate circuit. 4
  • the free-wheeling diode D1, ..., D6 of a power semiconductor switch Tl, ..., T6 with a connection 14, 16 is laid in the power flow direction in front of a passive semiconductor current limiter 12.
  • 6 shows a further embodiment of the short-circuit current limitation for a converter circuit. 6 provided converter circuit has a multi-point
  • a passive semiconductor current limiter 12 is arranged in a bridge branch of the pulse converter 6 or, in the case of a divided capacitive memory C, is assigned to each power semiconductor switch, it is more economical if a passive semiconductor current limiter 12 in a bridge branch module or in a power semiconductor switch module is integrated.
  • This integration of a passive semiconductor current limiter 12 means that an existing frequency converter does not have to be redesigned, so that the known frequency converter is equipped with the short-circuit current limitation according to the invention by exchanging the corresponding modules.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurzschlußstrombegrenzungsschaltung mit wenigstens einem Leistungshalbeiterschalter (T1, ..., T6) mit zugehöriger Freilaufdiode (D1, ..., D6) und wenigstens einem kapazitiven Speicher (C), die im Kurzschlußfall eine Kurzschlußmasche bilden. Erfindungsgemäß ist in dieser Kurzschlußmasche wenigstens ein passiver Halbleiterstrombegrenzer (12) aus Siliciumcarbid angeordnet. Somit wird im Kurzschlußfall der Kurzschlußstrom in kürzester Zeit auf den Grenzstrom (Ilimit) des passiven Halbleiterstrombegrenzers (12) begrenzt, wobei die Leistungshalbleiterschalter (T1, ..., T6) kaum belastet wird.

Description

Beschreibung
Kurzschlußstrombegrenzung für eine Stromrichterschaltung mit einem kapazitiven Speicher
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurzschlußstrombegrenzung für ein Stromrichterschaltung mit wenigstens einem Leistungshalbleiterschalter mit zugehöriger Freilaufdiode und wenigstens einem kapazitiven Speicher, die im Kurzschlußfall eine Kurzschlußmasche bilden.
Zu diesen Stromrichterschaltungen werden hier beispielsweise ein netzseitiger Stromrichter mit ausgangsseitigem Spannungszwischenkreis, ein lastseitiger Umrichter mit eingangsseiti- gern Spannungszwischenkreis, ein Gleichstromsteller, ein
Schaltnetzteil, ..., gezählt. All diesen Stromrichterschal- tungen ist gemeinsam, daß diese wenigstens einen Leistungshalbleiterschalter mit zugehöriger Freilaufdiode und wenigstens einen kapazitiven Speicher aufweisen, wobei diese Bau- elemente im Kurzschlußfall eine Kurzschlußmasche bilden.
Anhand eines Zwischenkreis-Spannungs-Umrichterε , insbesondere eines Pulsstromrichters, wird die Problematik der Beherrschung eines Kurzschlußfalls erläutert. Dabei wird zwischen einem Pulsstromrichter mit nichteinrastendem Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise IGBTs, MOSFETs, LTR, Hard driven GTO, ARCP und mit einrastendem Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise GTOs , MCTs , Thyristoren, unterschieden. Bei einem Pulsstromrichter mit nichteinrastenden Lei- stungshalbleiterschaltern sind im Kommutierungskreis keine
Induktivitäten angeordnet. Der geringe Induktivitätswert dieses Pulsstromrichters stammt von den parasitären Streuinduktivitäten der niederinduktiven Verschienung . Beim Abschaltvorgang eines Leistungshalbleiterschalters muß dieser nicht nur die Spannung des Spannungszwischenkreises, sondern zusätzlich den induktiven Spannungsabfall an den parasitären Induktivitäten aufnehmen. Der Wert dieses Spannungsabfalls hangt von der Stromanderung und vom Wert der parasitären Induktivität ab. Da aus Verlustgrunden sehr schnell geschaltet werden soll, ist die parasitäre Streumduktivitat möglichst klein zu halten. Der Wert dieser parasitären Streumduktivi- tat liegt heutzutage bei 100 nH.
Tritt nun innerhalb eines Bruckzweigpaares des Pulsstromrich¬ ters ein Kurzschluß auf, so entladt sich der Spannungszwi¬ schenkreis über den kurzgeschlossenen Brückenzweig. Der Kurz- schlußstrom wird nur durch die parasitäre Induktivität begrenzt, die jedoch sehr klein ist. Dadurch fließt in kürzester Zeit ein sehr hoher Kurzschlußstrom (mehrere kA) , der die Leistungshalbleiterschalter dieses Bruckenzweiges zer¬ stört, wenn diese den Kurzschlußstrom nicht mehr abschalten können.
Damit ein Kurzschlußstrom von diesen Leistungshalbleiter- schaltern abgeschaltet werden kann, müssen diese Leistungshalbleiterschalter eine hohe Kurzschlußfestigkeit aufweisen. Das heißt, diese Leistungshalbleiterschalter können einen vier- bis zehn-fachen Nennstrom kurzzeitig fuhren Diese Zeitdauer betragt beispielsweise etwa 10 μs . Wahrend dieser Zeit wird m den Leistungshalbleiterschaltern eine sehr hohe Verlustleistung umgesetzt.
Nachteil dieser Losung ist, daß innerhalb der beispielsweisen 10 μs der Kurzschlußstrom erkannt und abgeschaltet werden muß und daß die verwendeten Leistungshalbleiterschalter für die Kurzschlußanforderungen dimensioniert werden, wobei andere Opti ierungskr teπen außer Betracht bleiben.
Bei einem Pulsstromrichter mit einrastenden Leistungshalbleiterschaltern sind im Ko mutierungskreis Induktivitäten angeordnet. Außerdem weisen diese Leistungshalbleiterschalter j e- weils eine Schutzbeschaltung (snubber circuit) auf, wodurch der Aufwand für passive Bauelemente recht hoch ist. Tritt nun innerhalb eines Brückenzweigpaares eines solchen Pulsstromrichters oder eines Stromrichters mit resonanter Betriebsweise (z.B. quasiresonante Schalter, resonant de Link Converter) ein Kurzschluß auf, begrenzen die vorhandenen In- duktivitäten den Anstieg des Kurzschlußstromes. Die Amplitude des Kurzschlußstromes erreicht ebenfalls einen Wert von eini¬ gen kA, jedoch nicht m so kurzer Zeit wie bei nichtemras- tenden Leistungshalbleiterschaltern .
Damit ein Kurzschlußstrom von diesen einrastenden Leistungshalbleiterschaltern abgeschaltet werden kann, muß die vorhandene Induktivität sehr groß gewählt werden, da eine Kurzschlußfestigkeit des einrastenden Leistungshalbleiterschal- ters im allgemeinen nicht erreichbar ist. Durch die Vergröße- rung der vorhandenen Induktivität wird der Stromanstieg des Kurzschlußstromes soweit verlangsamt, daß der einrastende Leistungshalbleiterschalter den Kurzschlußstrom noch abschalten kann.
Der Nachteil dieser Losung liegt in einem hohen Kostenaufwand sowohl für die Induktivität als auch für die Beschaltungskon- densatoren der Schutzbeschaltungen, die erforderlich sind, um hohe Überspannungen zu begrenzen. Außerdem kann der Leistungshalbleiterschalter im Nennbetrieb nicht mit seinem ma- xi al abschaltbaren Strom betrieben werden, da eine Reserve für die Kurzschlußabschaltung erforderlich ist. Ferner bildet der Spannungszwischenkreis und die Induktivität im Kurzschlußfall einen Serienschwingkreis. Damit die Freilaufdiode der Leistungshalbleiterschalter nicht durch den hohen Schwingstrom zerstört werden kann, muß elektrisch parallel zur Reihenschaltung des Spannungszwischenkreises und der Induktivität eine Ruckschwmg-Diodenanordnung geschaltet werden, wodurch sich das Bauvolumen und die Kosten dieses Umrichters erhohen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kurz- schlußstrombegrenzung für derartige Stromrichterschaltungen anzugeben, so daß die aufgeführten Nachteile nicht mehr auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, daß ein passiver Halbleiterstrombegrenzer aus Sili- ciumcarbid in einer Kurzschlußmasche, die aus dem kapazitiven Speicher und wenigstens einem Leistungshalbleiterschalter im Kurzschlußfall gebildet wird, angeordnet ist, läßt sich in komfortabler Weise der Kurzschluß in einer bekannten, eingangs beschriebenen Stromrichterschaltung beherrschen, ohne daß deren Nachteile auftreten. Der Vorteil dieses passiven Halbleiterstrombegrenzers aus Siliciumcarbid liegt im Ver- hältnis der Durchlaßspannung zum Begrenzerstrom. Dieser passive Halbleiterstrombegrenzer kann direkt elektrisch in Reihe zum kapazitiven Speicher, in einer Zuleitung vom kapazitiven Speicher zum Leistungshalbleiterschalter oder elektrisch in Reihe zum Leistungshalbleiterschalter geschaltet werden. Die- se unterschiedlichen Einbauplätze dieses passiven Halbleiterstrombegrenzers aus Siliciumcarbid beeinflussen nicht die Funktionsweise und die Belastung dieses passiven Halbleiterstrombegrenzers. Außerdem kann dieser passive Halbleiterstrombegrenzer in allen bekannten Stromrichterschaltungen verwendet werden, unabhängig davon, ob einrastende oder nichteinrastende Leistungshalbleiterschalter verwendet werden.
Im Kurzschlußfall durchläuft der passive Leistungshalbleiter- strombegrenzer aus Siliciumcarbid in sehr kurzer Zeit seine Kennlinie, so daß in kürzester Zeit der Kurzschlußstrom auf einen Begrenzerstrom des passiven Halbleiterstrombegrenzers begrenzt wird. Somit wird die Kurzschlußstrombegrenzung alleine von dem passiven Halbleiterstrombegrenzer aus Silicium- carbid vorgenommen, so daß die Wahl der Leistungshalbleiterschalter oder deren Dimensionierung oder der Aufbau einer Stromrichterschaltung nicht mehr vorrangig auf einen Kurz- schlußfall abgestimmt sein muß. In Abhängigkeit des Spannungsabfalls des passiven Halbleiterstrombegrenzers und eines Referenzwertes kann eine Abschalteinrichtung aktiviert werden, so daß der Kurzschlußstrom unterbrochen wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Kurzschlußstrom¬ begrenzung ist der positive Halbleiterstrombegrenzer aus Siliciumcarbid mit einer antiparallelen Oberbrückungs-Diode versehen. Diese Diode wird genau dann benötigt, wenn Energie von einer Last in den kapazitiven Speicher der Stromrichterschaltung zurückgespeiεt wird. Bei dieser Rückspeiεung kehrt sich die Richtung des Stromes durch den passiven Halbleiterstrombegrenzer um. Unterschreitet dieser Rückspeisestrom den minimalen Grenzstrom des passiven Halbleiterstrombegrenzerε, so wird der passive Halbleiterstrombegrenzer mittels der Diode in Richtung Energierückspeisung überbrückt. Dadurch wird der passive Halbleiterstrombegrenzer vor Zerstörung geschützt. Somit kann ein passiver Halbleiterstrombegrenzer mit einer antiparallelen Überbrückungs-Diode bei Stromrichter- Schaltungen zur Kurzschlußstrombegrenzung eingesetzt werden, bei denen eine Energierückspeisung beabsichtigt ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Kurzschlußstrombegrenzung ist eine Freilaufdiode des Leistungs- halbleiterschalters mit einem Anschluß in Leistungsflußrich- tung vor dem passiven Halbleiterstrombegrenzer verlegt. Dadurch wird ebenfalls bei Energierückspeisung von einer Last in den kapazitiven Speicher der Stromrichterschaltung der passive Halbleiterstrombegrenzer überbrückt, ohne daß eine zusätzliche Überbrückungs-Diode verwendet werden muß. Durch diese besondere Verschaltung der Freilauf-Diode eineε Lei- stungεhalbleiterschalters übernimmt diese Freilaufdiode die Schutzaufgabe für den paεsiven Halbleiterstrombegrenzer während einer Energierückspeisung.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Kurzschlußstrombegrenzung bildet ein passiver Halbleiterstrombe- grenzer aus Siliciumcarbid mit einem Leistungshalbleiterschalter der Stromrichterschaltung eine Baueinheit. Dadurch w rd bei der Stromrichterschaltung kein zusatzliches Bauelement verwendet, so daß die bekannten Stromrichterschaltungen nicht umkonstruiert werden müssen. Es müssen lediglich die Leistungshalbleiterschalter durch die Leistungshalbleiterschalter mit integriertem passiven Halbleiterstrombegrenzer ausgetauscht werden.
Zur weiteren Erläuterung der erfmdungsgemaßen Kurzschlußstrombegrenzung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, m der mehrere Ausführungsbeispiele schematisch veranschaulicht s nd.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Frequenzumrichter mit einer vorteilhaften Ausführungsform der erfin- dungsgemaßen Kurzschlußstrombegrenzung, wobei Fig. 2 und 3 jeweils Kennlinien eines passiven Halbleiter- Strombegrenzers nach Fig. 1 dargestellt sind, und wobei n den Fig. 4 Dis 6 weitere Ausführungsformen der erfmdungsgemaßen Kurzschlußεtrombegrenzung bei Stromrichterschaltungen veranschaulicht sind.
Die Fig. 1 zeigt einen bekannten Frequenzumrichter, bestehend aus einem netzseitigen ungesteuerten Stromrichter 2, einem Spannungszwischenkreis 4 und einem lastseitigen Stromrichter 6, insbesondere einem Pulsstromrichter. Der netzεeitige ungesteuerte Stromrichter 2 weist pro Brücken zwei Dioden Dnl und Dn2 bzw. Dn3 und Dn4 auf. Der Spannungszwischenkreis 4 weist einen kapazitiven Speicher C auf. Der dreiphasige Pulsstromrichter 6 weist pro Bruckenzweig zwei elektrisch in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter Tl , T2 bzw. T3 , T4 bzw. T5 , T6 auf, die jeweils mit einer antiparallel geschalteten Fre lau diode Dl, ..., D6 versehen sind. Die parasit re Induktivität der Verschienung des Spannungszwischen- kreises 4 mit dem Pulsstromrichter 6 ist hier ersatzweise als Induktivität L m der positiven Zuleitung 8 zwischen den ka¬ pazitiven Speicher 4 und dem Pulsstromrichter 6 dargestellt. Ein passiver Halbleiterstrombegrenzer 12 aus Siliciumcarbid ist m der positiven Zuleitung 8 des Spannungszwischenkreises 4 angeordnet. Außerdem st dieser passive Halbleiterstrombe¬ grenzer 12 mit einer Uberbruckungs-Diode D7 versehen, die parallel zur Stromflußrichtung durch diesen Halbleiterstrombegrenzer 12 geschaltet ist. Dieser passive Halbleiterstrom- begrenzer 12 aus Siliciumcarbid ist aus der alteren nationalen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 197 17 614.3 (GR 97 P 1515 DE) bekannt. Die zugehörige Kennlinie dieses Halbleiterstrombegrenzers 12 ist m der Fig. 2 näher dargestellt, wobei die Fig. 3 die Kennlinie eines pas- siven Halbleiterstrombegrenzers 12 mit Memory-Funktion zeigt. Der Strom ILιπuc, ab dem der pasεive Halbleiterstrom-begrenzer 12 eingreift, wird so gewählt, daß der passive Halbleiterstrombegrenzer 12 erεt oberhalb des maximal im Normalbetrieb auftretenden Stromes eingreift. Die Form des durch den Halb- leiterstrombegrenzer 12 fließenden Strom ist hierbei unerheblich, so daß die Funktion des passiven Halbleiterstrombe- grenzerε 12 unabhängig von der Anwendung gewährleistet ist.
Tritt nun ein Kurzschluß in einem Bruckenzweig des Pulsstrom- richters auf, durchläuft der passive Halbleiterstrombegrenzer 12 aus Siliciumcarbid sehr kurzer Zeit seine Kennlinie, so daß der Kurzschlußstrom dieser Zeit auf den Wert des Grenzstromes I_._mιt begrenzt wird. In diesem Betriebspunkt werden die Leistungshalbleiterschalter des kurzschlußbeha te- ten Bruckenzweiges wenig belastet, da diese kaum Spannung aufnehmen. Wenn der positive Halbleiterstrombegrenzer 12 den Kurzschlußstrom auf den Wert des Grenzstroir.es I mιt begrenzt, fallt die Zwischenkreiεεpannung Ud überwiegend am Halbleiterstrombegrenzer 12 ab. In diesem Halbleiterstrombegrenzer 12 wird dann eine hohe Verlustleistung umgesetzt. Damit dieser passive Halbleiterstrombegrenzer 12 nicht thermisch zerstört wird, muß die Kurzschlußmasche, bestehend aus dem kapazitiven Speicher C, dem Halbleiterstrombegrenzer 12 und den Leistungshalbleiterschaltern eines Brückenzweiges des Pulsstromrichters 6 aufgetrennt werden. Dazu kann vorteilhafterweise der Spannungsabfall am Halbleiterstrombegrenzer 12 verwendet werden, aus dem in Abhängigkeit eines Referenzwertes ein
Steuersignal für eine Abschalteinrichtung generiert wird. Als Abschalteinrichtung kann beispielsweise eine Vorrichtung zur Sperrung aller Steuersignale des Pulsstromrichters 6 vorgesehen sein. Als Abschalteinrichtung können auch Schütze und Re- lais vorgesehen sein, mit denen die Kurzschlußmasche aufge¬ trennt oder der Frequenzumrichter vom Netz geschaltet wird.
Weist der pasεive Halbleiterstrombegrenzer 12 aus Siliciumcarbid den Kennlinienverlauf gemäß Fig. 3 auf, so besteht für die Auftrennung der Kurzschlußmasche kein Zeitzwang, da dieser Halbleiterstrombegrenzer 12 keine hohe thermiεche Beanspruchung aufweist. Gemäß der Kennlinie nach Fig. 3 wird der Kurzschlußstrom nicht auf hohem Niveau, sondern auf einen sehr niedrigen Wert begrenzt, der kleiner iεt als der maximal auftretende Strom im Normalbetrieb. Der kritische Punkt liegt beim pasεiven Halbleiterstrombegrenzer 12 aus Siliciumcarbid beim Maximum der Kennlinie. In diesem Punkt (dl/dt=0) führen die Leistungshalbleiterschalter des kurzschlußbehafteten Brückenzweiges einen hohen Strom und nehmen annähernd die ge- samte Zwischenkreisεpannung Ud auf. Wegen der sehr kurzen
Verweildauer in diesem Betriebspunkt stellt die Kurzschlußstrombegrenzung keine hohe thermische Beanspruchung für die Leistungshalbleiterschalter dar. Hat dieser Halbleiterstrombegrenzer 12 mit Memory-Funktion eine hohe Spannung aufgenom- men, so fließt durch ihn nur noch ein sehr kleiner Strom, der den Halbleiterstrombegrenzer 12 thermisch nicht gef hrdet. Auch in diesem Fall muß die Kurzschlußmasche aufgetrennt werden, wobei sich ebenfalls eine Spannungsüberwachung des Halbleiterstrombegrenzers 12 anbietet. Da dieser passive Halblei- terstrombegrenzer 12 nur eine geringe Verlustleistung umsetzt, steht nahezu eine beliebig lange Zeitdauer bis zur Abschaltung zur Verfügung. Lag der Grund für den Kurzschluß nicht in einem defekten Lei- stungεhalbleiterschalter, so ist der Pulsstromrichter 6 nach der Strombegrenzung wieder funktionsfähig. Dazu muß der pas¬ sive Halbleiterstrombegrenzer 12 seine Spannung an den Lei- εtungεhalbleiterεchaltern Tl, ..., T6 deε Pulεstromrichters 6 abgeben, was durch eine kurze Impulssperre erreicht wird. Anschließend ist ein weiterer Betrieb des Pulsstromrichters 6 ohne weitere Abschaltung möglich.
In der Fig. 4 ist eine Stromrichterschaltung dargestellt, deren Spannungszwischenkreis 4 zwei elektrisch in Reihe geschaltete kapazitive Speicher Cl und C2 aufweist, und wobei in der positiven und negativen Zuleitung 8 und 10 des Span- nungszwischenkreises 4 jeweils ein passiver Halbleiterstrombegrenzer 12 angeordnet sind. Jeden Halbleiterstrombegrenzer 12 ist eine Überbrückungs-Diode D7 und D8 elektrisch antiparallel geschaltet. Der Mittelpunkt M der kapazitiven Speicher Cl und C2 ist außerdem geerdet. Erfolgt nun ein Kurz- schluß in der Phase T gegen den Spannungszwischenkreis-Mittelpunkt M, so treibt der kapazitive Speicher C2 einen Kurzschlußstrom über den Leistungshalbleiterschalter T6. Dieser Kurzschlußstrom kann nicht vom passiven Halbleiterstrombegrenzer 12 in der positiven Zuleitung 8 gemäß Fig. 1 begrenzt werden, da durch die Erdung des Spannungszwischenkreis-Mit- telpunktes M des Spannungszwischenkreiεes 4 zwei Kurzschluß- maschen entstehen können. Deshalb sind hier auch zwei passive Halbleiterstrombegrenzer 12 vorgesehen, mit denen jeweilε ein Kurzschlußstrom in einer Kurzschlußmasche begrenzt werden kann.
Die Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Kurzschlußstrombegrenzung nach Fig. 4. Diese vorteilhafte Ausfüh- rungεform unterεcheidet εich von der Ausführungsform gemäß Fig. 4 dadurch, daß die beiden passiven Halbleiterstrombegrenzer 12 in der positiven und negativen Zuleitung 8 und 10 keine Überbrückungs-Dioden D7 und D8 mehr aufweisen. Die Funktion dieser Uberbruckungs-Dioden D7 und D8 werden bei dieser vorteilhaften Ausführungsform von den Freilaufdioden Dl, ..., D6 des Pulsstromrichters 6 übernommen. Dazu sind die Freilaufdioden Dl, D3 und D5 kartonseitig nicht mit den An- öden der zugehörigen Leistungshalbleiterschalter Tl, T3 und T5, sondern mit einer Eingangsklemme 14 des passiven Halbleiterstrombegrenzers 12 der positiven Zuleitung 8 des Span- nungszwischenkreises 4 verbunden. Ebenso sind die Freilaufdioden D2 , D4 und D6 anodenseitig nicht mit den Kathoden der zugehörigen Leistungshalbleiterschalter T2 , T4 und T6 , sondern mit einer Eingangsklemme 16 des passiven Halbleiter¬ strombegrenzers 12 m der negativen Zuleitung 10 des Span- nungszwischenkreises 4 verknüpft. Somit ist ede Freilauf-Di- ode Dl, ..., D6 eines Leistungshalbleiterschalters Tl , ..., T6 mit einem Anschluß 14, 16 in Leistungsflußrichtung vor einem passiven Halbleiterstrombegrenzer 12 verlegt.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kurzschlußstrombegrenzung für eine Stromrichterschaltung. Die Fig. 6 vorgesehene Stromrichterschaltung weist einen Mehrpunkt-
Stromrichter 18 und mehrere elektrisch m Reihe geschaltete kapazitive Speicher Cl, ... , Cn auf, deren n-1 Zwischenabgänge 20 und die positive und negative Zuleitungen 8 und 10 mit korrespondierenden Eingängen des Mehrpunkt-Pulsstromrich- ters 18 verknüpft sind. Wie den Auεfuhrungsformen gemäß den Fig. 4 und 5 sind m den Zuleitungen 8 und 10 jeweils em paεsiver Halbleiterstrombegrenzer 12 mit einer zugehörigen antiparallel geschalteten Uberbruckungs-Diode D7 und D8 angeordnet. In den Zwischenabgangen 20 sind jeweils zwei Halblei- terstrombegrenzer 12 mit zugehörigen Uberbruckungs-Dioden D9 angeordnet, die jeweils einen Strom n entgegengesetzten Richtungen begrenzen können. Durch die Aufteilung eines kapazitiven Speichers C eines Spannungszwischenkreiεes 4 n kapazitiven Speichern Cl bis Cn existieren auch n Kurzschlußma- sehen. Da m allen Zwischenabgangen 20 zudem em Kurzschlußstrom m beiden Stromrichtungen fließen kann, sind die m dieser Fig. 6 dargestellten passiven Halbleiterstrombegrenzer 12 bei einer Stromrichterschaltung notwendig, die nach einem Mehrpunktprinzip arbeitet.
Während bei einer Ausführungsform der Kurzschlußbegrenzung gemäß der Erfindung jeweils ein passiver Halbleiterstrombegrenzer 12 in einem Brückenzweig des Pulsstromrichters 6 angeordnet bzw. bei einem geteilten kapazitiven Speicher C jedem Leistungshalbleiterschalter zugeordnet ist, so ist es wirtschaftlicher, wenn ein passiver Halbleiterstrombegrenzer 12 in einem Brückenzweigmodul bzw. in einem Leistungshalblei- terschalter-Modul integriert ist. Durch diese Integration eines passiven Halbleiterstrombegrenzer 12 braucht ein bestehender Frequenzumrichter nicht umkonstruiert werden, so daß durch Austausch der entsprechenden Module der bekannte Fre- quenzumrichter mit der erfindungsgemäßen Kurzschlußstrombe- grenzung ausgerüstet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Kurzschlußstro begrenzung für eine Stromrichterschaltung mit wenigstens einem Leistungshalbleiterschalter (Tl, ..., T6) mit zugehöriger Freilaufdiode (Dl, ..., Dβ) und wenigstens einem kapazitiven Speicher (C) , die im Kurzschlu߬ fall eine Kurzschlußmasche bilden, dadurch gekennzeichnet, daß in dieser Kurzschlußmasche wenigstens ein passiver Halbleiterstrombegrenzer (12) aus Siliciumcarbid angeordnet ist.
2. Kurzschlußstrombegrenzung nach Anspruch 1, wobei der passive Halbleiterstrombegrenzer (12) aus Siliciumcarbid mit einer antiparallelen Überbrückungs-Diode (D7, ..., D10) ver- sehen ist.
3. Kurzschlußstrombegrenzung nach Anspruch 1, wobei die Frei- laufdiode (Dl, ..., Dβ) des Leistungshalbleiters (Tl, ..., T6) mit einem Anschluß in Leistungsflußrichtung vor dem pas- siven Halbleiterstrombegrenzer (12) verlegt ist.
4. Kurzschlußstrombegrenzung nach Anspruch 1 für eine Mehrpunkt-Stromrichterschaltung (18) mit wenigstens zwei kapazitiven Speichern (Cl, ..., Cn) und wenigstens einem mittleren Zwischenabgang (20), dadurch gekennzeichnet, daß in allen Abgängen (20) und den Zuleitungen (8,10) der kapazitiven Speicher (Cl, ..., Cn) jeweils ein passiver Halbleiterstrombegrenzer (12) aus Siliciumcarbid angeordnet ist, wobei in jedem Abgang (20) ein weiterer passiver Halbleiterstrombegrenzer (12) für eine zweite Stromrichtung angeordnet ist.
5. Kurzschlußstrombegrenzung nach Anspruch 1, wobei der passive Halbleiterstrombegrenzer (12) aus Siliciumcarbid mit dem Leistungshalbleiterschalter (Tl, ..., T6) eine Baueinheit bildet.
6. Kurzschlußstrombegrenzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Abhängigkeit einer ermittelten Halbleiterstrombegrenzerspannung und einer Referenzspannung mittels einer Abschalteinrichtung die Kurzschlußmasche aufgetrennt wird.
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