EP3143684A1 - Converter comprising redundant switch-fuse combinations and method for selective triggering of the fuse in the event of switch failure - Google Patents

Converter comprising redundant switch-fuse combinations and method for selective triggering of the fuse in the event of switch failure

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EP3143684A1
EP3143684A1 EP15725288.3A EP15725288A EP3143684A1 EP 3143684 A1 EP3143684 A1 EP 3143684A1 EP 15725288 A EP15725288 A EP 15725288A EP 3143684 A1 EP3143684 A1 EP 3143684A1
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EP
European Patent Office
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switch
voltage
inverter
line
fuse
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Withdrawn
Application number
EP15725288.3A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer LEHNERT
Markus Pfeifer
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an inverter, to a vehicle having the converter according to the invention, and to a method for operating the converter.
  • the converter has a DC intermediate circuit whose positive line and negative line are connected via a half-bridge circuit with an AC voltage phase conductor.
  • the half-bridge circuit is formed on the basis of semiconductor switches.
  • Such semiconductor switches may require the interruption of the operation of the inverter in case of a defect, so that the half-bridge circuit can be repaired.
  • this is not always possible, for example during a flight ei ⁇ nes aircraft whose propeller is driven by an electric motor, which in turn is powered by the inverter.
  • semiconductor switch for such an electrically powered aircraft are exposed to a much more intense cosmic radiation. This increases the likelihood of failure or destruction of one or more of the semiconductor switches. In such a defect, it is unpredictable, which state a defective semiconductor switch occupies.
  • the invention has for its object to react quickly and robustly to a defect in one of the semiconductor switch of the inverter during operation of an inverter.
  • the problem is solved by the subject matters of the independent Pa ⁇ tentanna.
  • Advantageous developments of the inven ⁇ tion are given by the features of the dependent claims.
  • the invention comprises a converter with a DC link for providing a DC voltage between a positive line and a negative line.
  • the converter further comprises at least one phase conductor for receiving and / or outputting an alternating voltage.
  • the invention is described below with reference to a single phase conductor which
  • phase conductor is connected via a half-bridge circuit to the plus line and the minus line.
  • the Halbbrü ⁇ bridge circuit has a first switch means for connects the positive conductor to the phase conductor and a second
  • Switch arrangement for connecting the negative lead to the phase conductor.
  • These switch arrangements are also referred to as high-side and low-side.
  • a received alternating voltage are rectified or generated an alternating ⁇ voltage from the DC voltage of the intermediate circuit in the phase and output by alternate switching of the first switch arrangement and the second switch arrangement.
  • the invention provides that the first shawl ⁇ teran onion and the second switching device has in each case a parallel circuit of a plurality of switching branches, wherein each branch circuit is a semiconductor switch with its own, in Row to the switching path of the semiconductor switch ge ⁇ switched fuse is provided.
  • each phase conductor is connected via a half-bridge circuit of the type described to the plus line and the minus line.
  • the invention has the advantage that, when a defective semiconductor switch when it is shorted, that is permanently and / or uncontrollably is electrically conductive, it is switched without effect through the fuse of the defective semiconductor switch by the melt Siche ⁇ tion blowing when a short-circuit current flows over the defective semiconductor switch.
  • the converter can then continue to be operated with the other semiconductor switches from the at least one parallel switching branch. To trigger the fuse, not even detecting the defective semiconductor switch is necessary.
  • each semiconductor switch can be formed, for example, on the basis of an IGBT or egg ⁇ nes MOSFET or a diode.
  • the switching path is the drain-source path or the collector-emitter path.
  • the converter according to the invention is in particular a 2-level converter.
  • the invention also includes developments, the characteristics of which provide additional advantages.
  • a control device of the converter is designed to control the control inputs of the semiconductor switches, that is, the respective gate or the base, at the same time in each of the switch arrangements.
  • each fuse is designed to trigger only at a tripping current with a current equivalent to the short-circuit current between the positive and negative line, if this short-circuit current exclusively on the Fuse flows. This ensures that the fuse of the defective semiconductor switch triggers ⁇ . Since the short-circuit current in the other switch arrangement is divided among a plurality of semiconductor switches, their fuses do not trigger in this design of the fuses.
  • the inventive, self-locking inverter is particularly advantageous to use in vehicles, as they may not break their journey under certain circumstances in case of a defect of a semiconductor switch.
  • the invention also includes a vehicle with an electric drive motor for driving the vehicle for a drive, wherein the drive motor is coupled via an inverter with an electric generator.
  • the converter represents an embodiment of the converter according to the invention.
  • the vehicle according to the invention there is the advantage that it does not have to interrupt its travel immediately in the event of a defect of a semiconductor switch.
  • the vehicle is formed as a plane from ⁇ , particularly as a fixed wing aircraft.
  • the drive ⁇ motor drives in this case the propeller of the aircraft or (in the case of a rotary wing aircraft) a rotor of the aircraft.
  • the vehicle is designed as a power ⁇ venture, for example, as a passenger car or truck.
  • the drive motor can continue to operate for the wheels of the vehicle here as well, even if there is a defect in a semiconductor switch.
  • a further development provides that the drive motor, the converter and the generator are interconnected free of contactors.
  • the vehicle is particularly compact and lightweight.
  • a reduction of the installation space and the weight results according to a development also by the drive motor and the generator each having only a single multi-phase winding system. In other words, no redundant three-phase windings are provided, as are necessary, for example, when two inverters are operated in parallel to provide redundancy.
  • the invention also includes a method for operating an embodiment of the converter according to the invention.
  • a defective semiconductor switch ⁇ which persists permanently in an electrically conductive state, made ineffective.
  • the inverter is receiving a first AC voltage of a predetermined frequency, for example from a generator, and generating a second AC voltage having an adjustable frequency, for example, to output to a drive motor, the following is done.
  • a STEU ⁇ ersignal for opening all semiconductor switches is generated.
  • the defective semiconductor switch will not respond to the signal. All other functional semiconductor switches respond to the control signal by changing to a non-conductive state.
  • the positive line and the negative line of the intermediate circuit on the defective semiconductor terschalter be the one hand and at least two other semiconducting ⁇ terschalter the other switch arrangement on the other hand short-circuited.
  • a short-circuit current flows between the positive line and the negative line, the short-circuit current flows completely through the defective semiconductor switch.
  • the short-circuit current is split between the at least two further semiconductor switches.
  • the procedure is automatically romantic performed during operation of the converter without here ⁇ ⁇ necessary laundri re at a detection of the defective semiconductor switch.
  • the invention also includes developments of the method according to the invention having features as they have already been described in connection with the developments of the inverter according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described here again.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the converter according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the vehicle according to the invention.
  • a converter 1 which has a rectifier 2, an intermediate circuit 3, an inverter 4 and a control device 5.
  • a voltage source 6 for example an electric generator
  • an electrical consumer 7 for example an electric motor
  • the voltage source 6 can be connected to the rectifier 2 via phase lines 8.
  • the consumer 7 may be connected via phase lines 9 to the inverter 4. AC voltages of different phases can be transmitted in each case via the phase lines 8, 9.
  • a DC voltage 10 can be generated by the rectifier 2, which is fed into the DC link 3.
  • the intermediate ⁇ circle 3 may have a positive line 11 and a minus line 12, between which the DC voltage 10 is applied.
  • the positive line 11 and the negative line 13 may be coupled via a battery 13 and an intermediate circuit capacitor 14, through which a DC link capacitor C personallyge ⁇ is.
  • the plus line 11 and the minus line 12 respectively couple the rectifier 2 and the inverter 4.
  • the plus line 11, the minus line 12 and the phase lines 8, 9 may each be provided, for example, by a wire or a bus bar.
  • the converter 1 converts the alternating voltages in the phase conductors 8 into alternating voltages which are supplied to the load 7 via the phase conductors 9.
  • the inverter 1 is hereby secured as a redundant inverter against a defect.
  • the voltage source 6 requires as a generator only a single generator winding system 15 in the stator.
  • the consumer 7 needs as an electrical machine ne only a single motor winding system 16 in the stator. In the event of a defect, it is not necessary to switch the power flow using contactors.
  • the redundancy may also be provided with a single link capacitor 14 and a single battery 13.
  • the rectifier 2 and the inverter 4 each have half bridges 17, each of which interconnects or connects the plus line 12 and the minus line 13 to another one of the phase lines 9. For clarity, only three of the half-bridges are provided with a reference numeral.
  • Each half bridge 17 can have two switch arrangements 18, 19.
  • the switch assembly 18 is also known as a high-side
  • the switch assembly 19 as a low-side circuit, referred to.
  • the switch arrangement 18 connects the positive line 12 to the respective phase line 9.
  • the switch arrangement 19 connects the negative line 13 to the same phase line 9.
  • Alternating switching of the switch arrangements 18, 19 in the rectifier 2 becomes known per se Way from an AC voltage of the phase conductor 8, the DC voltage 10 is generated.
  • DC voltage 10 in each case a phase conductor 9 impressed or generated an AC voltage.
  • control terminals G of the switch arrangements 18, 29 can be coupled to the control device 5.
  • the control device 5 can be completely or partially integrated in the switch assemblies 18, 19. It may be partially or wholly provided as a separate control unit.
  • the rectifier 2 and the inverter 4 may have the same circuit topology, ie they may be of identical construction. To provide the said redundancy have in the
  • each switch assembly 18, 19 each have a plurality of semiconductor switches 20, 21 on.
  • Each semiconductor switch 20, 21 is a separate Schmelzsiche ⁇ tion 22 connected in series.
  • each switch assembly 18, 19 so a parallel circuit of several series scarf ⁇ lines or switching branches Z is provided, each switching branch Z is formed on the basis of a semiconductor switch 20, 21 and a fuse 22.
  • Each semiconductor switch 20, 21 may be configured, for example, as an IGBT or MOSFET.
  • the defective semiconductor switch 20 will hereinafter be referred to as a defective semiconductor switch 23. Due to the defect, the defective semiconductor switch 23 is continuously electrically conductive, that is, in the illustrated example, the positive lead 12 is permanently electrically connected or short-circuited to a phase conductor 9.
  • the inverter 1 a method by which the associated with the defective semiconductor scarf ⁇ ter 23 fuse is triggered or melted 24 so that is caused by the fuse 24, an electrical disconnection or electrical insulation is given by its topology. As a result, the positive line 12 is then electrically separated from the phase conductor 9 in the example, although the defective semiconductor switch 23 is permanently electrically conductive. A detection of the defective semiconductor 23 is eliminated.
  • the semiconductor switch in that the switch assembly 19 in which not the defective semiconductor switch 23 is, the defective semiconductor scarf ⁇ ter 23 via its fuse 24 from the intermediate circuit 3 is disconnected by switching.
  • the semiconductor switch 21 that is by switching the semiconductor switch 21 in the electrically conductive state (ON), the positive line 12 with the Minuslei ⁇ tion 13 via the defective semiconductor switch 23 in the permanently conductive state (DEF) on the one hand and the semiconductor switch 21 on the other electrically shorted. It flows through a short-circuit current I.
  • the remaining semiconductor switches 20 of the switch assembly 18, in which the defective semiconductor switch 23 is located, are switched to an electrically blocking state (OFF), that is to say in an opened state.
  • OFF electrically blocking state
  • the short-circuit current I is completely routed via the fuse 24 and the defective semiconductor switch 23.
  • the short-circuit current I divides as partial current 1/2 onto the semiconductor switches 21. This prevents their fuses 22 melt or trigger.
  • the fuses 22 of each semiconductor switch 20, 21 is thus not designed for the rated current, but for the short-circuit current I. So that the short-circuit current I divides the two semiconductor switches 21 as a partial current 1/2, the semiconductor switches 21 are driven simultaneously.
  • the semiconductor switches 21 and also the semicon ⁇ terschalter 20 via their control terminals, that is their gate or their base, connected via a common control line 25.
  • FIG. 1 it is indicated by means of omission points at the control connections G and by corresponding outlet points on the control device 5, how each of the control lines 25 can be controlled by the control device 5.
  • FIG 3 illustrates this as the inverter 1 for ⁇ adhesive may be provided in an aircraft 26th Instead of the aircraft 26, the inverter may also be provided in another vehicle, eg a motor vehicle.
  • FIG. 3 shows a fixed wing aircraft 26, in which a Pro ⁇ peller 27 can be driven by the consumer 7.
  • the propeller 27 is rotated by a shaft 28 through the consumer 7.
  • the consumer 7 is an electric drive motor, that is to say an electric machine which is operated during engine operation.
  • the energy for the on ⁇ drove the propeller 27 can be obtained by an internal combustion engine 29, which is, for example, may be a gasoline engine or a diesel engine.
  • the internal combustion engine 29 may be 6 to ⁇ drive the voltage source via a shaft 30, which for this purpose designed as an electric generator is.
  • an electric generator an electric machine may be provided in the generator mode.
  • a rotational speed of the shaft 30 is independent of a rotational speed of the shaft 28.
  • the AC voltage generated by the voltage source 6 is converted in the described manner via the converter 1 into AC voltage, which via the AC voltage phase conductor 9 in the consumer 7 can be fed.
  • a switching frequency of the switch arrangements 18, 19 is set by the control device 5 as a function of a desired rotational speed of the propeller 27.
  • the target rotation ⁇ number can be set or predetermined in this case, for example, by a pilot by means of a (not shown) operating element.
  • the example shows how the invention can provide a 2-level inverter with fuses.

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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

The invention relates to a converter (1) comprising an intermediate circuit (3) for providing a DC voltage (10) between a positive conductor (11) and a negative conductor (12), a phase conductor (8, 9) for receiving and/or output of an AC voltage, and a half-bridge circuit (17) comprising a first switch arrangement (18) for connecting the positive conductor (11) to the phase conductor (8, 9) and a second switch arrangement (19) for connecting the negative conductor (12) to the phase conductor (8, 9). In case of a defect of a semiconductor switch (20, 21) of the converter (1), the converter (1) is to be able to protect itself and continue to operate. For this purpose, the first switch arrangement (18) and the second switch arrangement (19) respectively have a parallel connection made of multiple switching branches (Z) and, in each switching branch (Z), one of the semiconductor switches (20, 21) is provided with an intrinsic safety fuse (22) switched in series to the contact gap of the semiconductor switch (20, 21).

Description

Beschreibung description
UMRICHTER MIT REDUNDANTEN SCHALTER-SCHMELZSICHERUNGSKOMBINATIONEN UND VERFAHREN ZUM SELEKTIVEN AUSLÖSEN DER SICHERUNG IM SCHALTERVERSAGENSFALL Die Erfindung betrifft einen Umrichter, ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Umrichter sowie ein Verfahren zum Betreiben des Umrichters. Der Umrichter weist einen Gleichspannungs- Zwischenkreis auf, dessen Plusleitung und Minusleitung über eine Halbbrückenschaltung mit einem Wechselspannungsphasen- leiter verschaltet sind. Die Halbbrückenschaltung ist auf Grundlage von Halbleiterschaltern gebildet.  The invention relates to an inverter, to a vehicle having the converter according to the invention, and to a method for operating the converter. The converter has a DC intermediate circuit whose positive line and negative line are connected via a half-bridge circuit with an AC voltage phase conductor. The half-bridge circuit is formed on the basis of semiconductor switches.
Solche Halbleiterschalter können bei einem Defekt die Unterbrechung des Betriebs des Umrichters erfordern, damit die Halbbrückenschaltung repariert werden kann. Dies ist aber nicht immer möglich, beispielsweise während eines Fluges ei¬ nes Flugzeugs, dessen Propeller mit einem Elektromotor angetrieben wird, der wiederum durch den Umrichter versorgt wird. Gerade Halbleiterschalter für ein solches elektrobetriebenes Flugzeug sind aber einer deutlich intensiveren Höhenstrahlung ausgesetzt. Dies vergrößert die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall oder eine Zerstörung eines oder mehrerer der Halbleiterschalter . Bei einem solchen Defekt ist es nicht vorhersehbar, welchen Zustand ein defekter Halbleiterschalter einnimmt. Bei einem IGBT (insulated gate bipolar transistor) , einem MOSFET (me- tal-oxide semiconductor field effect transistor) oder einer Diode als jeweiliger Halbleiterschalter kann es im Fehlerfall vorkommen, dass der Halbleiterschalter in einem Fehlerfall leitend oder durchlegiert wird und in einem anderen Fehler¬ fall nicht-leitend oder dauerhaft offen bleibt. Der defekte Halbleiterschalter kann dann nicht mehr durch ein Steuersignal in einen anderen Zustand überführt werden. Um auf den de- fekten Zustand angemessen zu reagieren, wird eine sehr schnelle Detektion und Ansteuerung benötigt, um gegebenenfalls den durchlegierten Halbleiterschalter, der dauerhaft elektrisch leitend ist, mit Hilfe weiterer Schalter vom Sys- tem abzutrennen. Diese Art der Schutzeinrichtung erhöht die Anzahl an Bauteilen und vergrößert den benötigten Bauraum. Insbesondere im Fall von Schützen oder Relais zum Trennen von Halbleiterschaltern ist der zusätzliche Aufwand unerwünscht groß. Sind aber keinerlei Schutzmaßnahmen vorhanden, treten im Fehlerfall unkontrollierbare Ausgleichsströme auf. So kön¬ nen infolge eines defekten Halbleiterschalters, der von einem Kurzschlussstrom durchflössen wird, weitere Halbleiter und damit der Umrichter insgesamt zerstört werden. Such semiconductor switches may require the interruption of the operation of the inverter in case of a defect, so that the half-bridge circuit can be repaired. However, this is not always possible, for example during a flight ei ¬ nes aircraft whose propeller is driven by an electric motor, which in turn is powered by the inverter. But semiconductor switch for such an electrically powered aircraft are exposed to a much more intense cosmic radiation. This increases the likelihood of failure or destruction of one or more of the semiconductor switches. In such a defect, it is unpredictable, which state a defective semiconductor switch occupies. In the case of an IGBT (insulated gate bipolar transistor), a MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor) or a diode as a respective semiconductor switch, it can happen that the semiconductor switch becomes conductive or alloyed in the event of a fault and another fault ¬ case remains non-conductive or permanently open. The defective semiconductor switch can then no longer be converted by a control signal in another state. In order to adequately respond to the defective state, very rapid detection and activation is required in order, if appropriate, to use the semiconductor solid-state switch, which is permanently electrically conductive, with the help of further switches from the system. separate. This type of protective device increases the number of components and increases the required installation space. Particularly in the case of contactors or relays for disconnecting semiconductor switches, the additional expense is undesirably high. However, if no protective measures are available, uncontrollable equalizing currents occur in the event of a fault. Said Koen ¬ nen due to a defective semiconductor switch which is traversed by a short-circuit current, more semiconductors and for the drive to be total destroyed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Betrieb eines Umrichters schnell und robust auf einen Defekt in einem der Halbleiterschalter des Umrichters zu reagieren. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin¬ dung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben . Die Erfindung umfasst einen Umrichter mit einem Zwischenkreis zum Bereitstellen einer Gleichspannung zwischen einer Plusleitung und einer Minusleitung. Der Umrichter umfasst des Weiteren mindestens einen Phasenleiter zum Empfangen und/oder Ausgeben einer Wechselspannung. Im Folgenden ist die Erfin- dung anhand eines einzelnen Phasenleiters beschrieben, dieThe invention has for its object to react quickly and robustly to a defect in one of the semiconductor switch of the inverter during operation of an inverter. The problem is solved by the subject matters of the independent Pa ¬ tentansprüche. Advantageous developments of the inven ¬ tion are given by the features of the dependent claims. The invention comprises a converter with a DC link for providing a DC voltage between a positive line and a negative line. The converter further comprises at least one phase conductor for receiving and / or outputting an alternating voltage. The invention is described below with reference to a single phase conductor which
Erläuterungen treffen aber auch für weitere Phasenleiter zu. Der Phasenleiter ist über eine Halbbrückenschaltung mit der Plusleitung und der Minusleitung verschaltet. Die Halbbrü¬ ckenschaltung weist eine erste Schalteranordnung zum Verbin- den der Plusleitung mit dem Phasenleiter und eine zweiteExplanations also apply to other phase conductors. The phase conductor is connected via a half-bridge circuit to the plus line and the minus line. The Halbbrü ¬ bridge circuit has a first switch means for connects the positive conductor to the phase conductor and a second
Schalteranordnung zum Verbinden der Minusleitung mit dem Phasenleiter auf. Diese Schalteranordnungen werden auch als High-Side und Low-Side bezeichnet. In an sich bekannter Weise kann durch abwechselndes Schalten der ersten Schalteranord- nung und der zweiten Schalteranordnung eine empfangene Wechselspannung gleichgerichtet werden oder aus der Gleichspannung des Zwischenkreises in dem Phasenleiter eine Wechsel¬ spannung erzeugt und ausgegeben werden. Um nun den Umrichter bei einem defekten Halbleiterschalter in der Halbbrückenschaltung dennoch sicher weiterbetreiben zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Schal¬ teranordnung und die zweite Schalteranordnung jeweils eine Parallelschaltung aus mehreren Schaltzweigen aufweist, wobei in jedem Schaltzweig ein Halbleiterschalter mit einer eigenen, in Reihe zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters ge¬ schalteten Schmelzsicherung bereitgestellt ist. Für den Fall, dass der Umrichter mehrere Phasenleiter aufweist, ist ent- sprechend jeder Phasenleiter über eine Halbbrückenschaltung der beschriebenen Art mit der Plusleitung und der Minusleitung verschaltet. Switch arrangement for connecting the negative lead to the phase conductor. These switch arrangements are also referred to as high-side and low-side. In a known manner, a received alternating voltage are rectified or generated an alternating ¬ voltage from the DC voltage of the intermediate circuit in the phase and output by alternate switching of the first switch arrangement and the second switch arrangement. To be able to nevertheless ensure continue to operate the inverter at a defective semiconductor switch in the half-bridge circuit, the invention provides that the first shawl ¬ teranordnung and the second switching device has in each case a parallel circuit of a plurality of switching branches, wherein each branch circuit is a semiconductor switch with its own, in Row to the switching path of the semiconductor switch ge ¬ switched fuse is provided. In the event that the inverter has a plurality of phase conductors, correspondingly each phase conductor is connected via a half-bridge circuit of the type described to the plus line and the minus line.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass bei einem defekten Halbleiterschalter, wenn dieser durchlegiert ist, das heißt dauerhaft und/oder unkontrollierbar elektrisch leitend ist, durch die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters dieser wirkungslos geschaltet wird, indem die Schmelzsiche¬ rung durchbrennt, sobald ein Kurzschlussstrom über den defek- ten Halbleiterschalter fließt. Der Umrichter kann dann mit den übrigen Halbleiterschaltern aus dem mindestens einen parallelen Schaltzweig weiterbetrieben werden. Zum Auslösen der Schmelzsicherung ist nicht einmal ein Detektieren des defekten Halbleiterschalters nötig. The invention has the advantage that, when a defective semiconductor switch when it is shorted, that is permanently and / or uncontrollably is electrically conductive, it is switched without effect through the fuse of the defective semiconductor switch by the melt Siche ¬ tion blowing when a short-circuit current flows over the defective semiconductor switch. The converter can then continue to be operated with the other semiconductor switches from the at least one parallel switching branch. To trigger the fuse, not even detecting the defective semiconductor switch is necessary.
Bei dem erfindungsgemäßen Umrichter kann jeder Halbleiterschalter beispielsweise auf der Grundlage eines IGBT oder ei¬ nes MOSFET oder einer Diode gebildet sein. Die Schaltstrecke ist bei den oben genannten Halbleiterschaltern die Drain- Source-Strecke oder die Kollektor-Emitter-Strecke. In the converter according to the invention, each semiconductor switch can be formed, for example, on the basis of an IGBT or egg ¬ nes MOSFET or a diode. In the case of the abovementioned semiconductor switches, the switching path is the drain-source path or the collector-emitter path.
Der erfindungsgemäße Umrichter ist insbesondere ein 2-Level- Umrichter . Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben. Gemäß einer Weiterbildung ist eine Steuereinrichtung des Umrichters dazu ausgelegt, bei jeder der Schalteranordnungen jeweils die Steuereingänge der Halbleiterschalter, also das jeweilige Gate oder die Basis, gleichzeitig anzusteuern. The converter according to the invention is in particular a 2-level converter. The invention also includes developments, the characteristics of which provide additional advantages. According to a development, a control device of the converter is designed to control the control inputs of the semiconductor switches, that is, the respective gate or the base, at the same time in each of the switch arrangements.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Defekt ei¬ nes der Halbleiterschalter der Betrieb des Umrichters ununterbrochen auf der Grundlage der übrigen Halbleiterschalter fortgesetzt wird. Wie bereits ausgeführt, kann durch die Halbbrückenschaltung eine Wechselspannung gleichgerichtet oder die Gleichspannung des Zwischenkreises in eine Wechselspannung umgewandelt wer¬ den. Hierzu müssen jeweils abwechselnd die erste und die zweite Schalteranordnung geschaltet werden. Gemäß einer Wei- terbildung ist hierbei sichergestellt, die erste Schalteran¬ ordnung und die zweite Schalteranordnung zu unterschiedlichen Zeitintervallen in einem elektrisch leitenden Zustand zu betreiben. Wird hierbei in einem Zeitintervall einer der Halb¬ leiterschalter beschädigt, sodass er durchlegiert ist, so wird im nächsten Zeitintervall, in welchem die andere Schal¬ teranordnung betrieben wird, ein Kurzschluss zwischen der Plusleitung und der Minusleitung verursacht, durch welchen die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters ausge¬ löst wird. Beim nächsten Zeitintervall, in welchem wieder die erste Schalteranordnung leitend schaltet wird, kann diese dann ohne den defekten Halbleiterschalter weiter funktionieren . This has the advantage that the operation of the converter is continuously continued on the basis of the remaining semiconductor switches with a defect ei ¬ nes the semiconductor switch. As already stated, can be rectified by the half-bridge circuit, an AC voltage or the DC voltage of the DC link in an AC voltage who ¬ the. For this purpose, the first and the second switch arrangement must be alternately switched in each case. According to a development, this ensures that the first switch arrangement and the second switch arrangement are operated at different time intervals in an electrically conductive state. Is here in a time interval of a half-¬ conductor switch is damaged, so that it has shorted, then the next time interval in which the other scarf ¬ teranordnung is operated, causing a short circuit between the positive line and the negative line through which the fuse of the defective semiconductor switch is released ¬ . At the next time interval, in which again the first switch arrangement is turned on, it can then continue to function without the defective semiconductor switch.
Gemäß einer Weiterbildung wird sichergestellt, dass die According to a further development, it is ensured that the
Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters durch den Kurzschluss zerstört wird und nicht die Schmelzsicherungen derjenigen Halbleiterschalter der anderen Schalteranordnung, über welche der Kurzschlussstrom (aufgeteilt in Teilströme) ebenfalls fließt. Bei dieser Weiterbildung ist jede Schmelz- Sicherung dazu ausgelegt, jeweils erst bei einem Auslösestrom mit einer Stromstärke auszulösen, die dem Kurzschlussstrom zwischen der Plusleitung und der Minusleitung entspricht, falls dieser Kurzschlussstrom ausschließlich über die Schmelzsicherung fließt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters aus¬ löst. Da der Kurzschlussstrom in der anderen Schalteranordnung auf mehrere Halbleiterschalter aufgeteilt ist, lösen de- ren Schmelzsicherungen bei dieser Auslegung der Schmelzsicherungen nicht aus. Fuse of the defective semiconductor switch is destroyed by the short circuit and not the fuses of those semiconductor switch of the other switch assembly over which the short-circuit current (divided into partial streams) also flows. In this development, each fuse is designed to trigger only at a tripping current with a current equivalent to the short-circuit current between the positive and negative line, if this short-circuit current exclusively on the Fuse flows. This ensures that the fuse of the defective semiconductor switch triggers ¬ . Since the short-circuit current in the other switch arrangement is divided among a plurality of semiconductor switches, their fuses do not trigger in this design of the fuses.
Der erfindungsgemäße, selbstsichernde Umrichter ist besonders bei Fahrzeugen vorteilhaft zu verwenden, da diese bei einem Defekt eines Halbleiterschalters ihre Fahrt unter Umständen nicht sofort unterbrechen müssen. The inventive, self-locking inverter is particularly advantageous to use in vehicles, as they may not break their journey under certain circumstances in case of a defect of a semiconductor switch.
Entsprechend gehört zu der Erfindung auch ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Fahrzeugs für eine Fahrt, wobei der Antriebsmotor über einen Umrichter mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist. Der Umrichter stellt hierbei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters dar. Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug ergibt sich der Vorteil, dass dieses seine Fahrt bei einem Defekt eines Halbleiterschalters nicht unmittelbar unterbrechen muss. Accordingly, the invention also includes a vehicle with an electric drive motor for driving the vehicle for a drive, wherein the drive motor is coupled via an inverter with an electric generator. In this case, the converter represents an embodiment of the converter according to the invention. In the case of the vehicle according to the invention, there is the advantage that it does not have to interrupt its travel immediately in the event of a defect of a semiconductor switch.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Fahrzeug als Flugzeug aus¬ gebildet, insbesondere als Starrflügelflugzeug. Der Antriebs¬ motor treibt in diesem Fall den Propeller des Flugzeugs oder (im Falle eines Drehflüglers) einen Rotor des Flugzeugs. Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass das Fahrzeug als Kraft¬ wagen ausgestaltet ist, beispielsweise als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen. Während einer Fahrt des erfindungsgemä¬ ßen Kraftfahrzeugs kann hier ebenfalls der Antriebsmotor für die Räder des Fahrzeugs weiterbetrieben werden, auch wenn es zu einem Defekt in einem der Halbleiterschalter kommt. According to a further development of the vehicle is formed as a plane from ¬, particularly as a fixed wing aircraft. The drive ¬ motor drives in this case the propeller of the aircraft or (in the case of a rotary wing aircraft) a rotor of the aircraft. Another development provides that the vehicle is designed as a power ¬ venture, for example, as a passenger car or truck. During the running of the invention shown SEN motor vehicle, the drive motor can continue to operate for the wheels of the vehicle here as well, even if there is a defect in a semiconductor switch.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Antriebsmotor, der Umrichter und der Generator frei von Schützen miteinander ver- schaltet sind. Hierdurch baut das Fahrzeug besonders kompakt und leicht. Eine Reduzierung des Bauraums und des Gewichts ergibt sich gemäß einer Weiterbildung auch, indem der Antriebsmotor und der Generator jeweils nur ein einziges Mehrphasen- Wicklungssystem aufweisen. Mit anderen Worten sind keine re- dundanten Drehstromwicklungen bereitgestellt, wie sie beispielsweise nötig sind, wenn zum Bereitstellen von Redundanz zwei Umrichter parallel betrieben werden. A further development provides that the drive motor, the converter and the generator are interconnected free of contactors. As a result, the vehicle is particularly compact and lightweight. A reduction of the installation space and the weight results according to a development also by the drive motor and the generator each having only a single multi-phase winding system. In other words, no redundant three-phase windings are provided, as are necessary, for example, when two inverters are operated in parallel to provide redundancy.
Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters. Mittels des Verfahrens wird ein defekter Halbleiter¬ schalter, der dauerhaft in einem elektrisch leitenden Zustand verharrt, wirkungslos gemacht. Im Betrieb des Umrichters, während der Umrichter eine erste Wechselspannung mit vorgege- bener Frequenz empfängt, beispielsweise von einem Generator, und eine zweite Wechselspannung mit einer einstellbaren Frequenz erzeugt, um diese beispielsweise an einen Antriebsmotor abzugeben, wird folgendes durchgeführt. An der Schalteranordnung der Halbbrückenschaltung, in welcher der defekte Halbleiterschalter angeordnet ist, wird ein Steu¬ ersignal zum Öffnen aller Halbleiterschalter erzeugt. Der defekte Halbleiterschalter wird nicht auf das Signal reagieren. Alle übrigen, funktionstüchtigen Halbleiterschalter reagieren auf das Steuersignal durch Wechseln in einen nicht-leitenden Zustand. An der anderen Schalteranordnung der Halbbrückenschaltung wird ein Signal zum Schließen aller Halbleiterschalter erzeugt. Hierdurch werden die Plusleitung und die Minusleitung des Zwischenkreises über den defekten Halblei- terschalter einerseits und mindestens zwei weitere Halblei¬ terschalter der anderen Schalteranordnung andererseits kurzgeschlossen. Hierdurch fließt ein Kurzschlussstrom zwischen der Plusleitung und der Minusleitung, wobei der Kurzschlussstrom vollständig durch den defekten Halbleiterschalter fließt. In der anderen Schalteranordnung teilt sich der Kurzschlussstrom auf die mindestens zwei weiteren Halbleiterschalter auf. Hierdurch wird die Schmelzsicherung des defekten Halbleiterschalters ausgelöst. Das Verfahren wird automa- tisch im Betrieb des Umrichters durchgeführt, ohne dass hier¬ bei eine Detektion des defekten Halbleiterschalters nötig wä¬ re . Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Umrichters beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah- rens hier nicht noch einmal beschrieben. Finally, the invention also includes a method for operating an embodiment of the converter according to the invention. By means of the method, a defective semiconductor switch ¬ which persists permanently in an electrically conductive state, made ineffective. In operation of the converter, while the inverter is receiving a first AC voltage of a predetermined frequency, for example from a generator, and generating a second AC voltage having an adjustable frequency, for example, to output to a drive motor, the following is done. At the switch arrangement of the half-bridge circuit, in which the defective semiconductor switch is arranged, a STEU ¬ ersignal for opening all semiconductor switches is generated. The defective semiconductor switch will not respond to the signal. All other functional semiconductor switches respond to the control signal by changing to a non-conductive state. At the other switch arrangement of the half-bridge circuit, a signal for closing all semiconductor switches is generated. Thereby, the positive line and the negative line of the intermediate circuit on the defective semiconductor terschalter be the one hand and at least two other semiconducting ¬ terschalter the other switch arrangement on the other hand short-circuited. As a result, a short-circuit current flows between the positive line and the negative line, the short-circuit current flows completely through the defective semiconductor switch. In the other switch arrangement, the short-circuit current is split between the at least two further semiconductor switches. As a result, the fuse of the defective semiconductor switch is triggered. The procedure is automatically romantic performed during operation of the converter without here ¬ ¬ necessary laundri re at a detection of the defective semiconductor switch. The invention also includes developments of the method according to the invention having features as they have already been described in connection with the developments of the inverter according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described here again.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt: FIG 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters, In the following an embodiment of the invention is described. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the converter according to the invention,
FIG 2 eine schematische Darstellung eines Teils des Um¬ richters von FIG 1, während eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird, und 2 shows a schematic representation of part of the Um ¬ judge of FIG 1, while an embodiment of the method according to the invention is carried out, and
FIG 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the vehicle according to the invention.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfin¬ dung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch wei- tere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the embodiment described components of the embodiment respectively represent individual, regardless to be viewed from each other characteristics of the invention, further forming the OF INVENTION ¬ dung each independently of each other and thus individually or are to be considered part of the invention other than the combination shown. Furthermore, the described embodiment is also by further of the already described features of the invention
ergänzbar . In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. supplemented. In the figures, functionally identical elements are each provided with the same reference numerals.
FIG 1 zeigt einen Umrichter 1, der einen Gleichrichter 2, ei- nen Zwischenkreis 3, einen Wechselrichter 4 und eine Steuereinrichtung 5 aufweist. Über den Umrichter 1 können eine Spannungsquelle 6 (beispielsweise ein elektrischer Generator) und ein elektrischer Verbraucher 7 (beispielsweise ein Elektromotor) miteinander gekoppelt sein. Die Spannungsquelle 6 kann über Phasenleitungen 8 an den Gleichrichter 2 angeschlossen sein. Der Verbraucher 7 kann über Phasenleitungen 9 an den Wechselrichter 4 angeschlossen sein. Über die Phasenleitungen 8, 9 können jeweils Wechselspannungen unterschiedlicher Phasen übertragen werden. 1 shows a converter 1 which has a rectifier 2, an intermediate circuit 3, an inverter 4 and a control device 5. Via the converter 1, a voltage source 6 (for example an electric generator) and an electrical consumer 7 (for example an electric motor) can be coupled together. The voltage source 6 can be connected to the rectifier 2 via phase lines 8. The consumer 7 may be connected via phase lines 9 to the inverter 4. AC voltages of different phases can be transmitted in each case via the phase lines 8, 9.
Aus den Wechselspannungen der Phasenleitungen 8 kann durch den Gleichrichter 2 eine Gleichspannung 10 erzeugt werden, die in den Zwischenkreis 3 eingespeist wird. Der Zwischen¬ kreis 3 kann eine Plusleitung 11 und eine Minusleitung 12 aufweisen, zwischen denen die Gleichspannung 10 anliegt. Die Plusleitung 11 und die Minusleitung 13 können über eine Batterie 13 und einen Zwischenkreiskondensator 14 gekoppelt sein, durch welchen eine Zwischenkreiskapazität C bereitge¬ stellt ist. Die Plusleitung 11 und die Minusleitung 12 kop- peln jeweils den Gleichrichter 2 und den Wechselrichters 4.From the AC voltages of the phase lines 8, a DC voltage 10 can be generated by the rectifier 2, which is fed into the DC link 3. The intermediate ¬ circle 3 may have a positive line 11 and a minus line 12, between which the DC voltage 10 is applied. The positive line 11 and the negative line 13 may be coupled via a battery 13 and an intermediate circuit capacitor 14, through which a DC link capacitor C bereitge ¬ is. The plus line 11 and the minus line 12 respectively couple the rectifier 2 and the inverter 4.
Die Plusleitung 11, die Minusleitung 12 und der Phasenleitungen 8,9 können jeweils beispielsweise durch einen Draht oder eine Stromschiene bereitgestellt sein. Während des Betriebs des Umrichters 1 wandelt der Umrichter 1 die Wechselspannungen in den Phasenleitern 8 in Wechselspannungen um, die über die Phasenleiter 9 dem Verbraucher 7 zugeführt werden. Der Umrichter 1 ist hierbei als redundanter Umrichter gegen einen Defekt gesichert. Dennoch benötigt die Spannungsquelle 6 als Generator nur ein einzelnes Generatorwicklungssystem 15 im Stator. Der Verbraucher 7 benötigt als elektrische Maschi- ne nur ein einziges Motorwicklungssystem 16 im Stator. Bei einem Defekt ist auch kein Umschalten des Leistungsflusses mittels Schützen nötig. Die Redundanz kann außerdem mit einem einzelnen Zwischenkreiskondensator 14 und einer einzelnen Batterie 13 bereitgestellt werden. The plus line 11, the minus line 12 and the phase lines 8, 9 may each be provided, for example, by a wire or a bus bar. During operation of the converter 1, the converter 1 converts the alternating voltages in the phase conductors 8 into alternating voltages which are supplied to the load 7 via the phase conductors 9. The inverter 1 is hereby secured as a redundant inverter against a defect. Nevertheless, the voltage source 6 requires as a generator only a single generator winding system 15 in the stator. The consumer 7 needs as an electrical machine ne only a single motor winding system 16 in the stator. In the event of a defect, it is not necessary to switch the power flow using contactors. The redundancy may also be provided with a single link capacitor 14 and a single battery 13.
Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 4 weisen jeweils Halbbrücken 17 auf, von denen jede die Plusleitung 12 und die Minusleitung 13 jeweils mit einer anderen der Phasenleitungen 9 verschaltet oder verbindet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur drei der Halbbrücken mit einem Bezugszeichen versehen . The rectifier 2 and the inverter 4 each have half bridges 17, each of which interconnects or connects the plus line 12 and the minus line 13 to another one of the phase lines 9. For clarity, only three of the half-bridges are provided with a reference numeral.
Jede Halbbrücke 17 kann zwei Schalteranordnungen 18, 19 auf- weisen. Die Schalteranordnung 18 wird auch als High-Side-Each half bridge 17 can have two switch arrangements 18, 19. The switch assembly 18 is also known as a high-side
Schaltung, die Schalteranordnung 19 als Low-Side-Schaltung, bezeichnet. Bei jeder Halbbrücke 17 verbindet die Schalteran¬ ordnung 18 die Plusleitung 12 mit der jeweiligen Phasenleitung 9. Die Schalteranordnung 19 verbindet die Minusleitung 13 mit derselben Phasenleitung 9. Durch abwechselndes Schal¬ ten der Schalteranordnungen 18, 19 in dem Gleichrichter 2 wird in an sich bekannter Weise aus einer Wechselspannung eines der Phasenleiter 8 die Gleichspannung 10 erzeugt. Durch abwechselndes Schalten der Schalteranordnungen 18, 19 in dem Wechselrichter 4 wird in an sich bekannter Weise aus derCircuit, the switch assembly 19 as a low-side circuit, referred to. At each half-bridge 17, the switch arrangement 18 connects the positive line 12 to the respective phase line 9. The switch arrangement 19 connects the negative line 13 to the same phase line 9. Alternating switching of the switch arrangements 18, 19 in the rectifier 2 becomes known per se Way from an AC voltage of the phase conductor 8, the DC voltage 10 is generated. By alternately switching the switch assemblies 18, 19 in the inverter 4 is in a conventional manner from the
Gleichspannung 10 in jeweils einem Phasenleiter 9 eine Wechselspannung eingeprägt oder erzeugt. DC voltage 10 in each case a phase conductor 9 impressed or generated an AC voltage.
Zum Steuern der Schalteranordnungen 18, 19 der Halbbrücken 17 können Steueranschlüsse G der Schalteranordnungen 18, 29 mit der Steuereinrichtung 5 gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 5 kann ganz oder teilweise in die Schalteranordnungen 18, 19 integriert sein. Sie kann teilweise oder ganz als separate Steuereinheit bereitgestellt sein. For controlling the switch arrangements 18, 19 of the half bridges 17, control terminals G of the switch arrangements 18, 29 can be coupled to the control device 5. The control device 5 can be completely or partially integrated in the switch assemblies 18, 19. It may be partially or wholly provided as a separate control unit.
Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 4 können dieselbe Schaltungstopologie aufweisen, d.h. sie können identisch aufgebaut sein. Zum Bereitstellen der besagten Redundanz weisen bei dem The rectifier 2 and the inverter 4 may have the same circuit topology, ie they may be of identical construction. To provide the said redundancy have in the
Gleichrichter 2 und dem Wechselrichter 4 die Schalteranordnungen 18, 19 jeweils mehrere Halbleiterschalter 20, 21 auf. Jedem Halbleiterschalter 20, 21 ist eine eigene Schmelzsiche¬ rung 22 in Reihe geschaltet. Bei jeder Schalteranordnung 18, 19 ist also eine Parallelschaltung aus mehreren Reihenschal¬ tungen oder Schaltzweigen Z vorgesehen, wobei jeder Schaltzweig Z auf Grundlage eines Halbleiterschalters 20, 21 und einer Schmelzsicherung 22 gebildet ist. Jeder Halbleiterschalter 20, 21 kann beispielsweise als IGBT oder MOSFET ausgestaltet sein. Rectifier 2 and the inverter 4, the switch assemblies 18, 19 each have a plurality of semiconductor switches 20, 21 on. Each semiconductor switch 20, 21 is a separate Schmelzsiche ¬ tion 22 connected in series. In each switch assembly 18, 19 so a parallel circuit of several series scarf ¬ lines or switching branches Z is provided, each switching branch Z is formed on the basis of a semiconductor switch 20, 21 and a fuse 22. Each semiconductor switch 20, 21 may be configured, for example, as an IGBT or MOSFET.
Für die weitere Erläuterung des Ausführungsbeispiels sei auf FIG 2 verwiesen und angenommen, dass einer der Halbleiterschalter 20 des Wechselrichters 4 defekt sei. Der defekte Halbleiterschalter 20 wird im Folgenden als defekter Halbleiterschalter 23 bezeichnet. Durch den Defekt ist der defekte Halbleiterschalter 23 durchgehend elektrisch leitend, das heißt in dem veranschaulichten Beispiel ist die Plusleitung 12 dauerhaft mit einem Phasenleiter 9 elektrisch verbunden oder kurzgeschlossen. For the further explanation of the exemplary embodiment, reference is made to FIG. 2 and it is assumed that one of the semiconductor switches 20 of the inverter 4 is defective. The defective semiconductor switch 20 will hereinafter be referred to as a defective semiconductor switch 23. Due to the defect, the defective semiconductor switch 23 is continuously electrically conductive, that is, in the illustrated example, the positive lead 12 is permanently electrically connected or short-circuited to a phase conductor 9.
Bei dem Umrichter 1 ergibt sich durch seine Topologie ein Verfahren, durch welches die zu dem defekten Halbleiterschal¬ ter 23 gehörende Schmelzsicherung 24 ausgelöst oder aufgeschmolzen wird, sodass durch die Schmelzsicherung 24 eine elektrische Trennung oder elektrische Isolierung bewirkt wird. Hierdurch wird dann in dem Beispiel die Plusleitung 12 von dem Phasenleiter 9 elektrisch getrennt, obwohl der defekte Halbleiterschalter 23 dauernd elektrisch leitend ist. Eine Detektion des defekten Halbleiters 23 entfällt. In the inverter 1, a method by which the associated with the defective semiconductor scarf ¬ ter 23 fuse is triggered or melted 24 so that is caused by the fuse 24, an electrical disconnection or electrical insulation is given by its topology. As a result, the positive line 12 is then electrically separated from the phase conductor 9 in the example, although the defective semiconductor switch 23 is permanently electrically conductive. A detection of the defective semiconductor 23 is eliminated.
Bei dem Verfahren wird durch Einschalten der nicht defekten Halbleiterschalter 21, also der Halbleiterschalter in derjenigen Schalteranordnung 19, in der sich nicht der defekte Halbleiterschalter 23 befindet, der defekte Halbleiterschal¬ ter 23 über seine Sicherung 24 vom Zwischenkreis 3 getrennt. Durch Schließen der Halbleiterschalter 21, das heißt durch Schalten der Halbleiterschalter 21 in den elektrisch leitenden Zustand (ON) , wird die Plusleitung 12 mit der Minuslei¬ tung 13 über den defekten Halbleiterschalter 23 im dauerhaft leitenden Zustand (DEF) einerseits und die Halbleiterschalter 21 andererseits elektrisch kurzgeschlossen. Es fließt hierdurch ein Kurzschlussstrom I. In the method of the non-defective semiconductor switches 21, so the semiconductor switch in that the switch assembly 19 in which not the defective semiconductor switch 23 is, the defective semiconductor scarf ¬ ter 23 via its fuse 24 from the intermediate circuit 3 is disconnected by switching. By closing the semiconductor switch 21, that is by switching the semiconductor switch 21 in the electrically conductive state (ON), the positive line 12 with the Minuslei ¬ tion 13 via the defective semiconductor switch 23 in the permanently conductive state (DEF) on the one hand and the semiconductor switch 21 on the other electrically shorted. It flows through a short-circuit current I.
Die übrigen Halbleiterschalter 20 der Schalteranordnung 18, in welcher sich der defekte Halbleiterschalter 23 befindet, sind in einen elektrisch sperrenden Zustand (OFF) , das heißt in einem geöffneten Zustand, geschaltet. Hierdurch wird der Kurzschlussstrom I vollständig über die Schmelzsicherung 24 und den defekten Halbleiterschalter 23 geführt. In der Schal- teranordnung 19 teilt sich der Kurzschlussstrom I als Teilstrom 1/2 auf die Halbleiterschalter 21 auf. Hierdurch wird verhindert, dass deren Schmelzsicherungen 22 aufschmelzen oder auslösen. Die Schmelzsicherungen 22 jedes Halbleiterschalters 20, 21 ist somit nicht für den Nennstrom, sondern für den Kurzschlussstrom I ausgelegt. Damit der Kurzschlussstrom I auf die beiden Halbleiterschalter 21 als Teilstrom 1/2 aufteilt, werden die Halbleiterschalter 21 gleichzeitig angesteuert. Hierzu sind die Halbleiterschalter 21 und auch die Halblei¬ terschalter 20 jeweils über ihre Steueranschlüsse, das heißt ihr Gate oder ihre Basis, über eine gemeinsame Steuerleitung 25 verschaltet. In FIG 1 ist durch Auslassungspunkte an den Steueranschlüssen G und durch entsprechende Auslassungspunkte an der Steuereinrichtung 5 angedeutet, wie jede der Steuerleitungen 25 durch die Steuereinrichtung 5 gesteuert werden kann . The remaining semiconductor switches 20 of the switch assembly 18, in which the defective semiconductor switch 23 is located, are switched to an electrically blocking state (OFF), that is to say in an opened state. As a result, the short-circuit current I is completely routed via the fuse 24 and the defective semiconductor switch 23. In the switch arrangement 19, the short-circuit current I divides as partial current 1/2 onto the semiconductor switches 21. This prevents their fuses 22 melt or trigger. The fuses 22 of each semiconductor switch 20, 21 is thus not designed for the rated current, but for the short-circuit current I. So that the short-circuit current I divides the two semiconductor switches 21 as a partial current 1/2, the semiconductor switches 21 are driven simultaneously. For this purpose, the semiconductor switches 21 and also the semicon ¬ terschalter 20 via their control terminals, that is their gate or their base, connected via a common control line 25. In FIG. 1 it is indicated by means of omission points at the control connections G and by corresponding outlet points on the control device 5, how each of the control lines 25 can be controlled by the control device 5.
Im Falle eines defekten Halbleiterschalters 23 geht der Be- trieb des Umrichters 1 normal weiter. Der defekte In the case of a defective semiconductor switch 23, the operation of the converter 1 continues normally. The broken one
(durchlegierte) Halbleiterschalter 23 verbindet den positiven Punkt der Zwischenkreisspannung 10 auf eine Phasenleitung 9. Werden nun die Halbleiterschalter 21, die den negativen Punkt der Minusleitung 12 mit derselben Phasenleitung 9 verschalten, angesteuert, so entsteht ein satter Kurzschluss der Zwi- schenkreisspannung 10. Der Kurzschlussstrom I teilt sich über die zwei geschalteten Halbleiterschalter 21 und deren (all-alloyed) semiconductor switch 23 connects the positive point of the intermediate circuit voltage 10 to a phase line 9. Will now be the semiconductor switches 21, the negative point connect the negative line 12 with the same phase line 9, driven, so there is a saturated short circuit of the intermediate circuit voltage 10. The short-circuit current I is divided across the two switched semiconductor switches 21 and their
Schmelzsicherungen 22 auf. Jedoch fließt der komplette Kurzschlussstrom I über den defekten (durchlegierten) Halbleiterschalter 23 und dessen Schmelzsicherung 24, welche somit auslöst. Der defekte Halbleiterschalter 23 ist somit außer Betrieb genommen, das heißt sein Schaltzweig Z befindet sich in einem elektrisch nicht leitenden, offenen Zustand. Die parallel zu dem defekten Halbleiterschalter 23 geschalteten Halbleiterschalter 20 (in dem Beispiel ist nur ein weiterer Halbleiterschalter 20 parallelgeschaltet) schalten weiterhin den Anteil der Zwischenkreisspannung . Fuses 22 on. However, the complete short-circuit current I flows through the defective (all-alloyed) semiconductor switch 23 and its fuse 24, which thus triggers. The defective semiconductor switch 23 is thus taken out of service, that is, its switching branch Z is in an electrically non-conductive, open state. The parallel to the defective semiconductor switch 23 switched semiconductor switch 20 (in the example, only another semiconductor switch 20 is connected in parallel) continue to switch the proportion of the intermediate circuit voltage.
Anwendungen liegen neben einem elektrisch angetriebenen Flugzeug (ePlane) auch bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeu¬ gen (eCar) und einem Antriebsumrichter mit erhöhter Redundanz-Anforderung und/oder einem SIL-Level (SIL - safety integrity level gemäß der internationalen Normung IEC 61508 / IEC 61511) . Applications are in addition to an electrically powered aircraft (ePlane) and electrically driven Kraftfahrzeu ¬ gene (eCar) and a drive converter with increased redundancy requirement and / or a SIL level (SIL - safety integrity level according to international standard IEC 61508 / IEC 61511 ).
FIG 3 veranschaulicht hierzu, wie der Umrichter 1 beispiel¬ haft in einem Flugzeug 26 bereitgestellt sein kann. Anstelle des Flugzeugs 26 kann der Umrichter auch in einem anderen Fahrzeug, z.B. einem Kraftwagen, bereitgestellt sein. FIG 3 illustrates this as the inverter 1 for ¬ adhesive may be provided in an aircraft 26th Instead of the aircraft 26, the inverter may also be provided in another vehicle, eg a motor vehicle.
FIG 3 zeigt ein Starrflügelflugzeug 26, bei welchem ein Pro¬ peller 27 durch den Verbraucher 7 angetrieben werden kann. Der Propeller 27 wird über eine Welle 28 durch den Verbraucher 7 rotiert. Der Verbraucher 7 ist in dem Beispiel ein elektrischer Antriebsmotor, also eine elektrische Maschine, die im Motorbetrieb betrieben wird. Die Energie für den An¬ trieb des Propellers 27 kann durch eine Brennkraftmaschine 29 gewonnen werden, bei der es sich beispielsweise um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handeln kann. Die Brennkraftmaschine 29 kann über eine Welle 30 die Spannungsquelle 6 an¬ treiben, die hierzu als elektrischer Generator ausgestaltet ist. Als elektrischer Generator kann eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb bereitgestellt sein. Eine Drehzahl der Welle 30 ist dabei unabhängig von einer Drehzahl der Welle 28. Hierzu wird die von der Spannungsquelle 6 erzeugte Wech- selspannung in der beschriebenen Weise über den Umrichter 1 in Wechselspannung umgewandelt, die über die Wechselspan- nungs-Phasenleiter 9 in den Verbraucher 7 eingespeist werden kann. Eine Schaltfrequenz der Schalteranordnungen 18, 19 wird hierbei durch die Steuereinrichtung 5 in Abhängigkeit von ei- ner Solldrehzahl des Propellers 27 eingestellt. Die Solldreh¬ zahl kann hierbei beispielsweise durch einen Piloten mittels eines (nicht dargestellten) Bedienelements eingestellt oder vorgegeben werden. Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein 2- Level-Umrichter mit Sicherungen bereitgestellt werden kann. 3 shows a fixed wing aircraft 26, in which a Pro ¬ peller 27 can be driven by the consumer 7. The propeller 27 is rotated by a shaft 28 through the consumer 7. In the example, the consumer 7 is an electric drive motor, that is to say an electric machine which is operated during engine operation. The energy for the on ¬ drove the propeller 27 can be obtained by an internal combustion engine 29, which is, for example, may be a gasoline engine or a diesel engine. The internal combustion engine 29 may be 6 to ¬ drive the voltage source via a shaft 30, which for this purpose designed as an electric generator is. As an electric generator, an electric machine may be provided in the generator mode. In this case, a rotational speed of the shaft 30 is independent of a rotational speed of the shaft 28. For this purpose, the AC voltage generated by the voltage source 6 is converted in the described manner via the converter 1 into AC voltage, which via the AC voltage phase conductor 9 in the consumer 7 can be fed. In this case, a switching frequency of the switch arrangements 18, 19 is set by the control device 5 as a function of a desired rotational speed of the propeller 27. The target rotation ¬ number can be set or predetermined in this case, for example, by a pilot by means of a (not shown) operating element. Overall, the example shows how the invention can provide a 2-level inverter with fuses.
Bezugs zeichenliste Reference sign list
1 Umrichter 1 inverter
2 Gleichrichter  2 rectifiers
3 Zwischenkreis  3 DC link
4 Wechselrichter  4 inverters
5 Steuereinrichtung  5 control device
6 Spannungsquelle  6 voltage source
7 Verbraucher  7 consumers
8, 9 Phasenleitung  8, 9 phase line
10 Gleichspannung  10 DC voltage
11 Plusleitung  11 plus line
12 Minusleitung  12 negative lead
13 Batterie  13 battery
14 Zwischenkreiskondensator 14 DC link capacitor
15 Generatorwicklungssystem15 generator winding system
16 Motorwicklungssystem 16 motor winding system
17 Halbbrücken  17 half-bridges
18, 19 Schalteranordnung  18, 19 switch arrangement
20, 21 Halbleiterschalter  20, 21 semiconductor switches
22 Schmelzsicherung  22 fuse
23 Defekter Halbleiterschalter 23 Defective semiconductor switch
24 Schmelzsicherung 24 fuse
25 Steuerleitung  25 control line
26 Flugzeug  26 aircraft
27 Propeller  27 propellers
28 Welle  28 wave
29 Brennkraftmaschine  29 internal combustion engine
30 Welle  30 wave
G Steueranschluss  G control connection
I Kurzschlussstrom  I short-circuit current
12 Teilstrom  12 partial flow
Z Schaltzweig  Z switching branch

Claims

Patentansprüche claims
1. Umrichter (1) mit 1. Inverter (1) with
- einem Zwischenkreis (3) zum Bereitstellen einer Gleichspan- nung (10) zwischen einer Plusleitung (11) und einer Minusleitung ( 12 ) ,  an intermediate circuit for providing a direct voltage between a positive line and a negative line
- einer Phasenleitung (8,9) zum Empfangen und/oder Ausgeben einer Wechselspannung,  a phase line (8, 9) for receiving and / or outputting an alternating voltage,
- einer Halbbrückenschaltung (17) mit einer ersten Schalter- anordnung (18) zum Verbinden der Plusleitung (11) mit der - A half-bridge circuit (17) having a first switch arrangement (18) for connecting the positive line (11) with the
Phasenleitung (8, 9) und einer zweiten Schalteranordnung (19) zum Verbinden der Minusleitung (12) mit der Phasenleitung (8, 9) , Phase line (8, 9) and a second switch arrangement (19) for connecting the negative line (12) to the phase line (8, 9),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die erste Schalteranordnung (18) und die zweite Schalteranordnung (19) jeweils eine Parallelschaltung aus mehreren Schaltzweigen (Z) aufweist und in jedem Schaltzweig (Z) ein Halbleiterschalter (20, 21) mit einer eigenen, in Reihe zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters (20, 21) geschalteten Schmelzsicherung (22) bereitgestellt ist. the first switch arrangement (18) and the second switch arrangement (19) each have a parallel connection of a plurality of switching branches (Z) and in each switching branch (Z) a semiconductor switch (20, 21) with its own, in series with the switching path of the semiconductor switch (20, 21) switched fuse (22) is provided.
2. Umrichter (1) nach Anspruch 1, wobei eine Steuereinrichtung (5) dazu ausgelegt ist, bei jeder Schalteranordnung (18, 19) jeweils Steuereingänge der Halbleiterschalter (20, 21) zeitgleich anzusteuern. 2. Inverter (1) according to claim 1, wherein a control device (5) is adapted to control at each switch arrangement (18, 19) each control inputs of the semiconductor switches (20, 21) at the same time.
3. Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (5) dazu ausgelegt ist, zum Erzeu¬ gen der Wechselspannung aus der Gleichspannung (10) oder zum Erzeugen der Gleichspannung (10) aus der Wechselspannung die erste Schalteranordnung (18) und die zweiter Schalteranord¬ nung (19) zu unterschiedlichen Zeitintervallen in einem elektrisch leitenden Zustand zu betreiben. 3. converter (1) according to one of the preceding claims, wherein the control device (5) is adapted to Erzeu ¬ conditions of the AC voltage from the DC voltage (10) or for generating the DC voltage (10) from the AC voltage, the first switch assembly (18 ) and the second Schalteranord ¬ tion (19) to operate at different time intervals in an electrically conductive state.
4. Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Halbleiterschalter (20, 21) jeweils durch einen IGBT oder einen MOSFET oder eine Diode gebildet ist. 4. Inverter (1) according to one of the preceding claims, wherein each semiconductor switch (20, 21) is formed by an IGBT or a MOSFET or a diode.
5. Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Schmelzsicherung (22) dazu ausgelegt ist, jeweils erst bei einem Auslösestrom mit einer Stromstärke auszulösen, die einem Kurzschlussstrom (I) zwischen der Plusleitung (11) und der Minusleitung (12) entspricht, falls dieser Kurzschlussstrom (I) ausschließlich über die Schmelzsicherung5. converter (1) according to any one of the preceding claims, wherein each fuse (22) is adapted to each trigger only at a tripping current with a current that a short-circuit current (I) between the positive line (11) and the negative line (12) corresponds, if this short-circuit current (I) only via the fuse
(22) fließt. (22) flows.
6. Fahrzeug (26) mit einem elektrischen Antriebsmotor (7) zum Antreiben des Fahrzeugs (26) für eine Fahrt, wobei der An¬ triebsmotor (7) über einen Umrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem elektrischen Generator (6) gekoppelt ist. 6. Vehicle (26) with an electric drive motor (7) for driving the vehicle (26) for a drive, wherein the on ¬ drive motor (7) via an inverter (1) according to one of the preceding claims with an electric generator (6). is coupled.
7. Fahrzeug (26) nach Anspruch 6, wobei der Antriebsmotor7. vehicle (26) according to claim 6, wherein the drive motor
(7), der Umrichter (1) und der Generator (6) frei von Schützen miteinander verschaltet sind. (7), the inverter (1) and the generator (6) are interconnected free of contactors.
8. Fahrzeug (26) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Antriebs- motor (7) und der Generator (6) jeweils nur ein einziges8. Vehicle (26) according to claim 6 or 7, wherein the drive motor (7) and the generator (6) each only a single
Mehrphasen-Wicklungssystem (15, 16) aufweisen. Multi-phase winding system (15, 16).
9. Fahrzeug (26) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Fahrzeug (26) als Flugzeug (26), insbesondere Starrflügel- flugzeug, oder als Kraftwagen ausgestaltet ist. 9. Vehicle (26) according to any one of claims 6 to 8, wherein the vehicle (26) as an aircraft (26), in particular fixed wing aircraft, or designed as a motor vehicle.
10. Verfahren zum Betreiben eines Umrichters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, um einen defekten Halbleiterschalter10. A method for operating an inverter (1) according to one of claims 1 to 5, to a defective semiconductor switch
(23) , der dauerhaft in einem elektrisch leitenden Zustand (DEF) verharrt, wirkungslos zu machen, wobei im Betrieb des(23), which remains permanently in an electrically conductive state (DEF), to render ineffective, wherein in the operation of the
Umrichters (1), während dieser eine erste Wechselspannung mit vorgegebener Frequenz empfängt und eine zweite Wechselspannung mit einstellbarer Frequenz erzeugt, an der Schalteranordnung (18), in welcher der defekte Halbleiterschalter (23) angeordnet ist, ein Steuersignal zum Öffnen aller Halbleiter¬ schalter (20) erzeugt, und an der anderen Schalteranordnung (19) derselben Halbbrückenschaltung (17) ein Steuersignal zum Schließen aller Halbleiterschaler (21) erzeugt und hierdurch die Plusleitung (11) und die Minusleitung (12) über den defekten Halbleiterschalter (23) und mindestens zwei weitere der Halbleiterschalter (21) der anderen Schalteranordnung (19) kurzgeschlossen werden und hierdurch die Schmelzsiche- rung (24) des defekten Halbleiterschalters (23) ausgelöst wird . Inverter (1), while receiving a first AC voltage with a predetermined frequency and generates a second AC voltage with adjustable frequency, at the switch assembly (18), in which the defective semiconductor switch (23) is arranged, a control signal for opening all semiconductor switches ¬ ( 20) is generated, and at the other switch arrangement (19) of the same half-bridge circuit (17) generates a control signal for closing all the semiconductor scarf (21) and thereby the plus line (11) and the minus line (12) are short-circuited via the defective semiconductor switch (23) and at least two further of the semiconductor switches (21) of the other switch arrangement (19) and thereby the fuse (24) of the defective semiconductor switch (23) is triggered.
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