ITMI970134A1

ITMI970134A1 - Metodo e circuito per proteggere i circuiti di potenza dai guasti di cortocircuito e di sovracorrente

Info

Publication number: ITMI970134A1
Application number: IT97MI000134A
Authority: IT
Inventors: Vijay Mangtani
Original assignee: Int Rectifier Corp
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 1998-07-24
Also published as: GB2309597B; JP3764234B2; KR970060623A; GB2309597A; IT1289196B1; US5687049A; KR100417837B1; JPH09233838A; SG66347A1; GB9701344D0; FR2744295B1; DE19702134A1; FR2744295A1; TW398105B

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto d'invenzione dal titolo:

"METODO E CIRCUITO PER PROTEGGERE I CIRCUITI DI POTENZA DAI GUASTI DI CORTOCIRCUITO E DI SOVRACORRENTE"

FONDAMENTI DELL'INVENZIONE

1. Campo dell'invenzione

La presente invenzione è rivolta ai dispositivi a semiconduttori e, più particolarmente, ad un metodo e ad un circuito progettati per proteggere i circuiti di potenza, per esempio i circuiti di conversione /inversione di potenza contro i guasti di cortocircuito da fase a fase, dalla fase alla terra e di scarica interna ed anche contro i guasti di sovracorrente.

Molto generalmente la presente invenzione si riferisce al problema dei dispositivi di protezione come i circuiti IGBT e altri dispositivi a semiconduttori di potenza senza compensazione del guasto che vengono usati nelle applicazioni per alta potenza, nelle quali questi dispositivi possono essere danneggiati in certe condizioni di sovracorrente. Per scopo di brevità la descrizione che segue si riferirà ai transistori IGBT, essendo inteso che il metodo ed il circuito della presente invenzione sono applicabili in generale ai dispositivi a semiconduttori di potenza.

2. Descrizione della tecnica correlata

Gli invertitori IGBT sono diffusi per una varietà di applicazioni di conversione di elettricità. In un'applicazione, questi invertitori servono per convertire una tensione di cavo bus a CC in uscite di tensione a CA monofasi o trifasi. I circuiti IGBT hanno limitata capacità di sovraccarico o tolleranza al guasto. Pertanto dei circuiti di rilevamento e protezione ad azione rapida sono richiesti per rilevare un qualsiasi guasto, per esempio un cortocircuito, e per chiudere il controllore della gate rispetto al dispositivo di potenza nel caso di un guasto abbastanza rapido per evitare la distruzione del dispositivo.

I guasti correlati a correnti eccessive possono essere grossolanamente classificati come guasti di cortocircuito o guasti di sovracorrenti .

I guasti di cortocircuito si verificano quando il dispositivo di potenza che trasferisce la corrente viene forzato a trasferire quantità di corrente eccessive, solitamente lungo un percorso che non coinvolge il carico collegato al circuito di conversione dell'elettricità. A causa della corrente elevata, la tensione ai capi del dispositivo aumenta ad un valore elevato, il quale valore dipende dalla tensione del cavo bus a CC, dall'impedenza e da altri dispositivi nel percorso del guasto, ed anche dalle caratteristiche interne del dispositivo.

L'elevata tensione che attraversa il dispositivo, a sua volta, provoca eccessive perdite di potenza entro il dispositivo, cosa che provoca il suo surriscaldamento e la sua distruzione. Pertanto è necessario escludere rapidamente il circuito di potenza in caso di un guasto di cortocircuito per evitare la sua distruzione.

La suddetta classe di guasti di cortocircuito può essa stessa essere suddivisa in tre sottocategorie:

a) Cortocircuito da fase a fase: Questo tipo di guasto si verifica quando due (o più) uscite dell' invertitore sono cortocircuitate. La corrente di cortocircuito scorre dal cavo bus positivo al cavo bus negativo del circuito attraverso i dispositivi di potenza che trasferiscono la corrente di guasto.

b) Cortocircuito da fase a terra: Questo tipo di guasto si verifica quando una (o più) delle uscite dell'invertitore è (sono) cortocircuitata/e rispetto alla terra. La corrente può scorrere o dal cavo bus a CC positivo alla terra o dal cavo bus CC negativo alla terra, in relazione con il dispositivo che sta conducendo la corrente di cortocircuito.

c) Guasto per scarica interna: Se due dispositivi nella stessa diramazione di un circuito invertitore (per esempio dispositivi collegati in serie) vengono inseriti contemporaneamente, o un dispositivo è inserito per condurre la corrente in un dispositivo conduttore o cortocircuitato della stessa diramazione, una corrente eccessiva scorre dal cavo bus positivo al cavo bus negativo attraverso i dispositivi della stessa diramazione. Infatti questo tipo di guasto è simile ad un guasto da fase a fase e, come verrà illustrato, può essere rilevato e trattato come un guasto da fase a fase.

I guasti di sovracorrente si verificano quando uno o più di uno dei dispositivi dell'invertitore trasferisce/scono una corrente inferiore alla corrente di cortocircuito, ma superiore alla capacità di trasferimento di corrente continua del dispositivo. Questo tipo di corrente di guasto solitamente scorre fra due (o più) uscite dell' invertitore, attraverso il carico collegato fra esse. Dato che il valore della corrente è inferiore alla corrente di cortocircuito, la tensione ai capi del dispositivo dipende più o meno dalle caratteristiche interne del dispositivo. Le perdite associate sono pertanto inferiori a quelle che si verificano durante le condizioni di cortocircuito. Questi tipi di guasti possono essere tollerati per tempi comparativamente più lunghi, se raffrontati con le correnti di cortocircuito. Per questa classe di guasti, è desiderabile avere una protezione da sovracorrente con caratteristiche di tempo inverse di modo che i dispositivi non siano esclusi durante i sovraccarichi temporanei che possono essere tollerati con sicurezza dai dispositivi di potenza.

E' noto il fatto di rilevare i guasti di cortocircuito e di sovracorrente utilizzando le seguenti due soluzione generali. Una prima soluzione coinvolge il rilevamento della desaturazione. Durante un cortocircuito la tensione ai capi del dispositivo aumenta ad un valore elevato determinato dalla tensione del cavo bus a CC nell'invertitore, dall' impedenza e dalla presenza di altri dispositivi nel percorso del guasto, ed anche dalle caratteristiche interne del dispositivo. Pertanto la tensione elevata ai capi del dispositivo quando il dispositivo è stato inserito può essere interpretata come un guasto di cortocircuito, che può essere quindi trasmessa in retroazione ad un circuito di controllo per iniziare l'esclusione del/dei dispositivo/i di potenza tramite i segnali di controllo che passano fra i dispositivi di potenza e il circuito di controllo. L'interfacciamento di questi segnali è importante in quanto la differenza di potenziale fra le loro tensioni operative può essere dell'ordine di centinaia di volt.

Pertanto i segnali vengono inviati verso il ed emessi dal circuito di controllo attraverso una certa forma di isolamento galvanico, solitamente con accoppiatori ottici. Come è noto, nell'invertitore tipico alcuni dei dispositivi sono collegati al lato di alta tensione del cavo bus a CC e ad altri dispositivi al suo lato di bassa tensione. Ciascun dispositivo del lato di alta tensione pertanto deve utilizzare almeno un accoppiatore ottico per inviare i segnali al e riceverli dal circuito di controllo.

Inoltre lo schema di rilevamento della desaturazione della tecnica precedente non può di per sé rilevare e fornire la protezione da sovracorrente. Pertanto la protezione da sovracorrente è tipicamente aggiunta con una certa forma di rilevamento della corrente come utilizzando una derivazione, un trasformatore di corrente ad effetto di Hall, un elemento rilevatore della corrente CC ad alta frequenza, o simili.

La seconda delle due soluzioni note per rilevare i cortocircuiti coinvolge il rilevamento della corrente. In accordo con questa soluzione, la corrente continua viene rilevata nei cavi bus a CC positivo, negativo o in entrambi utilizzando un certo tipo di rilevatore della corrente come un circuito di derivazione di corrente, sensori ad effetto di Hall, ecc. . Talvolta un trasformatore di corrente (CT) viene previsto nell'uscita per il rilevamento differenziale di guasti P-E (da una fase alla terra) .

Sono noti molti schemi di rilevatore della corrente. Uno di questi schemi fornisce un sensore di corrente sia nel cavo bus a CC positivo che in quello negativo. Questo richiede la realizzazione di un sensore di corrente separato nei cavi bus positivo e negativo, ed un circuito di rilevamento separato per ciascun sensore. I circuiti di compensazione e rilevamento che operano con il cavo bus a CC del lato di alta tensione devono utilizzare un certo tipo di isolamento galvanico per inviare tutti i segnali delle condizioni ai circuiti di controllo. Questi circuiti possono essere configurati come: (a) una derivazione nel cavo bus positivo con un accoppiatore ottico; (b) un sensore di corrente ad effetto di Hall nel cavo bus positivo; (c) un CT (terminale di comunicazione) a CC ad alta frequenza (HFDCCT) nel cavo bus positivo. Il segnale di uscita isolata di un guasto lungo il cavo bus positivo nella uscita isolata o non isolata di un guasto verso un cavo bus negativo viene inviato al circuito di controllo, il quale rileva e elimina i segnali di controllo sulle gate dei dispositivi di trattamento dell'elettricità nel caso di un qualsiasi guasto. Un altro schema di rilevamento della corrente noto utilizza un singolo sensore di corrente, collegato per il rilevamento additivo. Vale a dire un singolo sensore di corrente viene usato con i cavi bus a CC positivo e negativo che agiscono come due avvolgimenti primari in modo additivo. Le correnti provenienti dal cavi bus a CC positivo ed anche negativo sono entrambe fatte passare attraverso lo stesso sensore. Durante le condizioni normale, di sovraccarico e di cortocircuito da fase a fase, l'uscita del sensore è proporzione alla somma delle correnti dei cavi bus positivo e negativo, ciascuna rilevata dal numero delle rispettive spire dell'avvolgimento primario. Durante i guasti da una fase alla terra, l'uscita del sensore è proporzionale alla corrente di guasto rilevata dal numero rispettivo delle spire primarie dei cavi bus a CC positivo e negativo. Il segnale di uscita isolato del sensore è inviato al circuito di controllo, che rileva e esclude i segnali di controllo delle gate nel caso che sia rilevato un qualsiasi guasto.

Ancora un altro schema della tecnica precedente coinvolge l'uso di un sensore di corrente proporzionale e uno differenziale.

Il sensore di corrente proporzionale (isolato o non isolato) viene usato per monitorare sia la corrente del cavo bus positiva che quella negativa. Il sensore di uscita viene usato per rilevare i guasti di cortocircuito da fase a fase e/o di sovracorrente . -Il sensore di corrente differenziale isolato viene usato per misurare la corrente differenziale nei cavi bus positivo e negativo o nei segnali di uscita dell'invertitore. L'uscita di questo sensore di corrente differenziale viene usata per rilevare i guasti da una fase alla terra.

Tutti gli schemi sopra citati della tecnica precedente utilizzano una certa forma di isolamento, per esempio, accoppiatori ottici, per accoppiare i segnali che indicano le condizioni di guasto ai circuiti di controllo.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Un oggetto della presente invenzione è quello di fornire un metodo ed un circuito per proteggere i dispositivi di potenza contro vari guasti di cortocircuito e sovracorrente che ha una costruzione più semplice e utilizza un numero minore di parti.

Un altro oggetto dell'invenzione è quello di fornire un metodo e un circuito per la protezione del circuito di potenza che riduce il numero degli isolatori galvanici richiesti per rilevare e controllare i dispositivi di potenza.

Un altro oggetto dell'invenzione è quello di realizzare un circuito e un metodo che forniscano una protezione locale per i dispositivi di potenza del lato di alta tensione, e nel quale i guasti del lato di alta tensione sono eliminati quando essi vengono rilevati sui dispositivi di potenza del lato lato di bassa tensione, per evitare l'uso di segnali di rilevamento e retroazione isolati dal lato di alta tensione al lato di bassa tensione come è richiesto da altri metodi di protezione contro i guasti sui dispositivi di potenza del lato di alta tensione.

Un ulteriore oggetto dell'invenzione è quello di fornire un metodo ed un circuito per la protezione dei dispositivi di potenza a semiconduttori che abbia un costo limitato e che aumenti l'efficienza tramite l'uso di un singolo sensore di corrente quando viene usato un elemento di rilevamento resistivo.

La presente invenzione deriva dall'osservazione che gli schemi della tecnica precedente rilevano la presenza di guasti, e successivamente inviano un segnale di retroazione che indica il guasto ad un circuito di controllo per provocare la disinserzione. Un circuito più efficiente può essere ottenuto se vengono osservate le seguenti due condizioni.

1. Tutti i guasti sopra citati (eccetto il guasto fra la fase e la terra dal cavo bus positivo alla terra) possono essere rilevati sul cavo bus negativo.

2. Se i dispositivi del lato di alta tensione vengono disinseriti dai circuiti di protezione locali, la presenza di un guasto fra la fase e la terra dal cavo bus positivo alla terra si trasferisce al cavo bus negativo nel quale esso può essere rilevato (a causa dell'induttanza nella corrente di guasto) attraverso il diodo collegato in parallelo fra i capi dei dispositivi di potenza del lato di bassa tensione. Opportunamente dopo che il dispositivo di potenza del lato di bassa tensione è stato inserito, la corrente del guasto si trasferisce e si manifesta come una condizione di guasto dal cavo bus negativo alla terra, nel quale essa può essere rilevata.

Gli obiettivi e la considerazione sopra citati hanno portato alla presente invenzione che utilizza un sensore di corrente nel cavo bus negativo, e solo il rilevamento della desaturazione e uno schema di esclusione locale per i transistori del lato di alta tensione. Non è richiesta l'alimentazione o l'accoppiamento di segnali fra il lato di alta tensione e un circuito di controllo. Pertanto nel caso di un guasto di sovracorrente, un guasto di cortocircuito da fase a fase, o un guasto da una fase alla terra attraverso il cavo bus negativo, il sensore di corrente nel lato di bassa tensione rileva la corrente di guasto e comunica la stessa ad un circuito di controllo che produce i segnali di controllo che disinseriscono i segnali di gate ai dispositivi di potenza. Durante un guasto di cortocircuito da fase a fase, la procedura di esclusione del rilevamento della desaturazione sul lato di alta tensione viene usata per reagire ad una velocità che è leggermente inferiore alla velocità di reazione dell'esclusione del rilevamento della corrente nel lato di più bassa tensione. Pertanto l'esclusione del rilevamento della corrente del lato di bassa tensione viene realizzata come prima cosa provocando l'attivazione del piedino di GUASTO e bloccando il guasto, in tal modo arrestando tutti i segnali di ingresso della gate. Questo permette che il circuito blocchi la condizione di guasto ed escluda i segnali di ingresso verso tutti i dispositivi.

Nel caso di un guasto di cortocircuito da una fase alla terra attraverso il cavo bus positivo, l'esclusione del rilevamento della desaturazione dei dispositivi di alta tensione esclude il segnale di controllo del particolare dispositivo IGBT che presenta una tensione elevata, evitando il guasto del dispositivo del lato di alta tensione nel tempo da un ciclo al successivo. La corrente quindi si commuta sul diodo del lato di bassa tensione a causa della induttanza nel percorso di guasto. La direzione della corrente è dal cavo bus negativo alla terra. Se l'induttanza nel percorso di guasto è abbastanza bassa, la corrente può ridursi a zero prima che i transistori del lato di bassa tensione siano inseriti. La corrente si commuta dal diodo del lato di bassa tensione al transistore del lato di bassa tensione, scorrendo dalla terra al cavo bus negativo. Il suddetto circuito di rilevamento della corrente quindi diviene attivo come precedentemente spiegato dal rilevamento della corrente che passa dal cavo bus negativo alla terra verso il diodo del lato di bassa tensione o della corrente che scorre dalla terra al cavo bus negativo, in relazione con il metodo di rilevamento utilizzato.

In ogni caso il metodo della presente invenzione non richiede l'accoppiamento di alcun segnale di guasto isolato e della retroazione dai dispositivi del lato di alta tensione ad un circuito di controllo per un azionamento efficace di un circuito di protezione. Tuttavia si deve riconoscere che se si desidera includere tali circuiti di isolamento per una qualsiasi ragione, possono essere aggiunti facilmente gli accoppiatori ottici o altro schema isolato.

Altri caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno più facilmente evidenti dalla descrizione dettagliata seguente dell'invenzione che si riferisce ai disegni allegati.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni illustrano:

- Le Figure 1A, 1B e 1C illustrano lo stesso circuito invertitore della tecnica precedente, illustrando rispettivamente un guasto di cortocircuito da fase a fase, un guasto di cortocircuito dalla fase alla terra ed un guasto di scarica interna;

- La Figura 2 illustra un primo circuito di protezione della tecnica precedente;

- La Figura 3 illustra un altro circuito di protezione da cortocircuito della tecnica precedente;

- La Figura 4 illustra un altro circuito di protezione della tecnica precedente;

- La Figura 5 illustra ancora un altro circuito di protezione della tecnica precedente che utilizza sensori di corrente proporzionali e differenziali;

- La Figura 6 è uno schema di un circuito di protezione per un dispositivo di alta potenza in accordo con la presente invenzione;

- La Figura 7 è uno schema funzionale di una forma di realizzazione dell'invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA FORMA DI REALIZZAZIONE PREFERITA

La Figura 1 illustra un circuito invertitore noto 10, che opera con un cavo bus a CC positivo 12 ed un cavo bus a CC negativo 14. La differenza di potenziale fra i cavi bus 12 e 14 è elevata, tallvolta di 600 volt CC o superiore. L'invertitore 10 è alimentato con un'alimentazione di linea a CA trifase, in un modo che una prima delle sue fasi è alimentata in un ingresso 16 fra l'anodo di un diodo 22 e il catodo del diodo 28; la seconda fase è alimentata ad un terminale di ingresso 18 fra i rispettivi anodo e catodo dei diodi 24 e 30; e la terza fase è alimentata ad un ingresso 20 fra i rispettivi anodo e catodo dei diodi 26 e 32. Gli anodi dei diodi 22, 24 e 26 sono comunemente collegati al cavo bus a CC positivo 12, mentre gli anodi dei diodi del lato di bassa tensione 28, 30 e 32 sono collegati al cavo bus a CC negativo 14. Un capacitore di integrazione di tensione (livellamento) 34 è previsto fra i cavi bus 12 e 14.

In un modo ben noto le fasi positive dell'alimentazione collegata agli ingressi 16, 18 e 20 sono raddrizzate dai diodi 22, 24 e 26, producendo una tensione positiva a CC nel cavo bus 12, mentre le fasi negative sono raddrizzate dai diodi 28, 30 e 32, cosa che provoca una tensione a CC negativa sul cavo bus 14. Il potenziale di tensione a CC fra i cavi bus 12 e 14 viene usato come una sorgente di tensione di ingresso a CC per i dispositivi di potenza, per esempio i transistori IGBT 36-46 che producono le uscite di tensione di energia trifase alternativa ad alta frequenza (AC) nei terminali di uscita U, V e W. Queste uscite sono ottenute inserendo e disinserendo i dispositivi di potenza 36-46 ad una frequenza elevata e in un modo per cui i due dispositivi associati con ciascuna uscita U, V e W, per esempio i dispositivi 36 e 42 vengono inseriti reciprocamente in modo esclusivo, ancora in un modo ben noto. Sebbene non illustrato, è ampiamente noto che i dispositivi 36-46 sono controllati dall'invio di segnali di controllo nei loro elettrodi di gate 36a, 38a, 40a, 42a, 44a e 46a, rispettivamente. Il circuito 10 della Figura 1 illustra anche i diodi con funzione di volano noti 36b-46b, che sono associati con i dispositivi di potenza 36-46, rispettivamente.

Il circuito invertitore 10 della Figura 1 può essere distrutto in modo catastrofico nel caso che si sviluppi un cortocircuito fra una qualsiasi delle uscite U, V, W, come indicato graficamente dalla linea 50 che si estende fra le uscite U e V nella Figura 1. Dato che nel funzionamento ordinario del circuito invertitore 10 i due dispositivi di potenza 36b e 44b vengono inseriti per periodi che si sovrappongono parzialmente, il cortocircuito 50 produce una corrente di cortocircuito da fase a fase che scorre dal cavo bus a CC positivo 12 al cavo bus a CC negativo 14 attraverso i transistori IGBT 36 e 44 come indicato dalla linea di percorso di corrente 52.

Un percorso di corrente di guasto di cortocircuito dalla fase alla terra è illustrato nella Figura 2. Questo tipo di guasto può derivare dall'uscita U che viene cortocircuitata verso terra come indicato dalla linea 54, o tramite l'uscita W che viene cortocircuitata verso la terra come indicato dalla linea 56. La linea di percorso di corrente di cortocircuito 58 rappresenta una corrente di cortocircuito che passa dalla fase alla terra quando il dispositivo 42 viene inserito, mentre una corrente di cortocircuito dalla fase alla terra passa dal cavo bus a CC positivo 12 alla terra quando il dispositivo 40 è inserito come indicato dalla linea 60.

Un guasto di scarica interna si verifica quando i due dispositivi in una qualsiasi diramazione del circuito invertitore 10, per esempio i dispositivi 36 e 42, vengono inseriti contemporaneamente. Il percorso di corrente di cortocircuito è indicato dalla linea 62.

Un primo circuito di protezione della tecnica precedente per le suddette condizioni di cortocircuito e di scarica interna dovuta a sovracorrente è illustrato nella Figura 2, che illustra i dispositivi di potenza 36-46 assieme con un circuito di protezione che include un rispettivo rilevatore di desaturazione 64 del controllore delle gate che ha un'uscita 66 per controllare la gate del suo rispettivo dispositivo di potenza e gli ingressi 68 e 70 per rilevare le tensioni ai capi del collettore e le giunzioni di emettitore del dispositivo di potenza. Nel caso di cortocircuito, la tensione del collettore-emettitore aumenta; questo aumento di tensione viene rilevato da un circuito di protezione localizzato 64, che disinserisce tale particolare transistore IGBT e invia un segnale di retroazione attraverso la sezione di ricezione 76 della retroazione di desaturazione del circuito di controllo attraverso l'isolatore di retroazione 72. La logica di esclusione 78 del circuito di controllo riceve il segnale di esclusione del sistema tramite la linea 74 dal rilevatore della retroazione di desaturazione 76 e esclude i controllori di gate da T1 a T6 che vengono inviati a tutti i transistori. Queste tensioni rilevate vengono inviate attraverso un isolatore di retroazione 72 ad un circuito di controllo 74 nel quale una sezione di retroazione 76 di saturazione dell'emettitore di base determina la grandezza della tensione rilevata e una sezione della logica di esclusione 78 produce i controlli T1-T6 per controllare le gate dei dispositivi di potenza. Come esempio, il segnale di controllo TI è illustrato come alimentato tramite la linea 80 e tramite l'isolatore di segnale 82 al circuito di controllo 64 della gate. Questi segnali possono essere usati per disinserire i dispositivi di potenza; il dispositivo di potenza 36, per esempio, è disinserito da un segnale che provoca la disattivazione del controllore di gate 66. Come è facilmente evidente, il blocchi del circuito 64, 72 e 82 vengono ripetuti per ciascuno dei dispositivi di potenza 36-46. Il circuito di protezione della Figura 2 inoltre include un sensore di corrente 84 che è disposto nel cavo bus a CC negativo 14 per rilevare le condizioni di sovr acorrente , vale a dire le correnti che superano la corrente massima che si prevede sia assorbita dal carico. Questa condizione viene trasmessa tramite la linea 85 al circuito di controllo 74, cosa che provoca la reazione dei circuiti 64 e 82 come descritto precedentemente.

Il circuito convenzionale della Figura 3 include i sensori di corrente 86 e 88, che rispettivamente rilevano la corrente nei cavi bus a CC 12 e 14 positivo e negativo, un isolatore di segnale 90 per il sensore di corrente 86 e un circuito di isolamento opzionale 91 per il sensore di corrente 88. Come detto sopra il circuito di controllo 92 ha una sezione di controllo delle gate che fornisce i segnali di controllo (tramite opportuni elementi di isolamento) ai dispositivi di potenza 36-46.

Una terza soluzione della tecnica precedente per fornire la protezione è illustrata nella Figura 4 nella forma di un singolo sensore di corrente 100 che fornisce un'uscita 102 che rappresenta la somma delle correnti che passano nel cavo bus positivo 12 e nel cavo bus negativo 14. L'uscita del sensore viene inviata al circuito di controllo 106 attraverso un circuito di isolamento 104. Una pluralità di segnali di controllo 108 è inviata attraverso l'opportuno isolamento ai dispositivi 36-46, come detto sopra.

In contrasto con la Figura 4, il circuito di protezione della tecnica precedente della Figura 5 utilizza un sensore di corrente 110 che rileva in modo differenziale la corrente netta che passa nei cavi bus 12 e 14. Il segnale di uscita del sensore viene inviato attraverso un circuito di isolamento 112 ad un circuito di controllo 114.

Un altro sensore di corrente 116 è collegato in serie con il cavo bus negativo per fornire al circuito di controllo 114 un segnale di uscita 118 che è proporzionale alla corrente del cavo bus a CC negativo 14. Per altri aspetti, il circuito di controllo 114 opera come i circuiti di controllo descritti precedentemente.

Tutti gli schemi di circuiti di protezione della tecnica precedente utilizzano un certo tipo di isolamento fra l'elemento di rilevamento e il circuito di controllo almeno per il lato di alta tensione per comunicare fra essi le informazioni sulle condizioni di guasto e i segnali di controllo ottenuti in risposta. In contrasto la presente invenzione che è illustrata nella Figura 6 fornisce un rispettivo circuito di protezione 120, 122 e 124 di desaturazione del controllore delle gate per ciascuno dei dispositivi di potenza del lato di alta tensione 36, 38 e 40. La necessità di usare circuiti di isolamento è stata ovviata. I dispositivi di alimentazione del lato di bassa tensione 42, 44 e 46 hanno solo rispettivi circuiti di controllo delle gate 126, 128 e 130.

Il circuito di controllo 132 della presente invenzione fornisce, in un modo convenzionale, le uscite di controllo T2, T4 e T6 delle gate per i controllori delle gate 126, 128 e 130 rispettivamente. Il circuito di protezione non richiede un percorso di retroazione di guasto fra i circuiti di controllo delle gate e di protezione da desaturazione del lato di alta tensione 120, 122, 124 e il circuito di controllo 132. Tuttavia, se desiderato, una tale comunicazione può essere aggiunta come indicato dalle linee tratteggiate, tramite i circuiti di isolamento, dai controllori di gate del lato di alta tensione e dai circuiti di protezione di desaturazione per escludere la sezione logica del circuito di controllo 132. Il sensore di corrente 134 rileva la corrente che passa nel cavo bus a CC negativo 14, che fornisce un'uscita 136 al circuito di controllo 132. Il circuito di protezione della presente invenzione è efficiente e richiede meno conponenti se raffrontato con i circuiti di protezione convenzionali. Esso non richiede (ma può includere) i circuiti di isolamento per i circuiti di controllo delle gate del lato di alta tensione.

Come descritto precedentemente, il funzionamento del circuito della Figura 6 durante le varie condizioni di guasto è il seguente: nel caso di un guasto di sovracorrente , di un guasto di cortocircuito da fase a fase, o di guasto da fase alla terra attraverso il cavo bus negativo, il sensore di corrente 134 rileverà la corrente di guasto e il circuito di controllo associato 132 escluderà i segnali di gate diretti verso tutti i dispositivi. Durante un guasto di cortocircuito da fase a fase, i circuiti di rilevamento della desaturazione 120, 122 e 124 sono previsti per l'esclusione dei dispositivi di potenza 36, 38 e 40 del lato di alta tensione dopo un ritardo che è abbastanza lungo per assicurare che un sensore di corrente 134 diverrà operativo per primo provocando l'attivazione del piedino di GUASTO e il blocco per bloccare tutti i segnali di ingresso. Questo permette che il circuito blocchi la condizione di guasto e escluda i segnali di ingresso diretti verso tutti i dispositivi. (Se il lato di alta tensione ha reagito per primo, il guasto continuerebbe a manifestarsi ad ogni ciclo successivo, dato che il guasto non verrebbe mai bloccato ) .

Se si dovesse presentare un cortocircuito dalla fase alla terra lungo il cavo bus positivo, i dispositivi di rilevamento della desaturazione 120, 122 e 124 escluderanno il particolare dispositivo di potenza del lato di alta tensione ( IGBT ) in un tempo di ciclo, evitando il guasto di tale dispositivo. La corrente quindi si commuta verso il diodo del lato di bassa tensione a causa dell'induttanza nel percorso di guasto, la direzione della corrente essendo fra il cavo bus negativo 14 e la terra. Per esempio se il dispositivo 36 dovesse rilevare una tensione di desaturazione elevata, la sua sovracorrente si commuterebbe verso il diodo del lato di bassa tensione 42b, che è nella stessa diramazione del circuito di protezione. Se l'induttanza nel percorso di guasto è abbastanza bassa, la corrente può divenire nulla prima che il transistore del lato di bassa tensione, per esempio il transistore 42, si attivi. La corrente viene commutata dal diodo del lato di bassa tensione, per esempio il diodo 42b, al dispositivo di potenza del lato di bassa tensione, per esempio 42, scorrendo dalla terra al cavo bus negativo 14. Il circuito di rilevamento della corrente 134 diviene attivo come spiegato sopra tramite il rilevamento della corrente che passa dal cavo bus negativo alla terra attraverso il diodo del lato di bassa tensione o della corrente che passa dalla terra al cavo bus negativo 14, in relazione con il metodo di rilevamento utilizzato.

La Figura 7 illustra uno schema dettagliato di una forma di realizzazione dell'invenzione che è stata applicata in pratica, per un'applicazione che utilizza un circuito che riceve come ingresso un'alimentazione monofase. Un cortocircuito fra fase e terra viene ottenuto cortocircuitando l'uscita U con un cortocircuito 150 verso il punto medio di una coppia di capacitori collegati in serie 152 e 154, che sono stati alimentati a 600 volt di CC. Il dispositivo 156 comprende il controllo delle gate e il circuito di protezione da desaturazione corrispondente all'elemento 120 della Figura 6, che è accoppiato con il dispositivo di potenza del lato di alta tensione 36. Il dispositivo 156 può essere un circuito commerciale venduto dalla International Rectifier Corporation come il pezzo IR-2125. Il dispositivo 156 in connessione con un capacitore esterno, fornisce il ritardo del lato di alta tensione discusso precedentemente.

Un controllore di gate corrispondente 158, per esempio un pezzo IR 2117 della International Rectifier, fornisce il controllore di gate per il dispositivo di potenza del lato di bassa tensione 42. Il numero di riferimento 160 comprende il sensore di corrente 134 della Figura 6. Esso è previsto per rilevare la corrente nel cavo bus a CC negativo 14.

Sebbene la presente invenzione sia stata descritta con riferimento alla sua forma di realizzazione particolare, sarà chiaro alle persone esperte della tecnica che molte altre varianti e modifiche ed altri usi possono essere realizzati. Pertanto è preferito che la presente invenzione sia limitata non dalla specifica rivelazione illustrata qui, ma solo dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un circuito di protezione per dispositivi di commutazione di alta potenza, comprendente: - un circuito raddrizzatore per ricevere un ingresso a CA di linea di alimentazione e per raddrizzare la stessa alimentazione per fornire una tensione a CC di ingresso in un cavo bus a CC; - almeno una coppia di dispositivi di potenza collegati in serie comprendente un primo ed un secondo dispositivo di potenza, collegati fra un lato di alta tensione e un lato di bassa tensione del detto cavo bus a CC; - un controllo per attivare i detti dispositivi di potenza in una disposizione di esclusione reciproca per produrre una tensione di uscita alternata partendo dalla detta tensione di ingresso a CC; - un circuito di rilevamento della desaturazione del controllore di gate come descritto precedentemente e, se viene usato un sensore magnetico, esso non verrà collegato in serie,che è definibile come elemento di rilevamento della corrente collegato al detto lato di bassa tensione; - un elemento di circuito di rilevamento della corrente collegato al detto lato di bassa tensione del detto cavo bus a CC per rilevare una corrente che scorre attraverso il detto cavo bus a CC del lato di bassa tensione; - un circuito di controllo accoppiato al detto elemento di circuito di rilevamento della corrente per rilevare una sovracorrente e/o una corrente di cortocircuito che scorre nel detto cavo bus a CC del lato di bassa tensione e che serve per disinserire il detto dispositivo di potenza del lato di bassa tensione tramite un dispositivo di controllo delle gate; e nel quale il detto circuito di rilevamento della desaturazione del controllore delle gate serve per proteggere il detto primo dispositivo di potenza del lato di alta tensione in un tempo di ciclo rispetto ad una condizione di sovracorrente fino a quando un ingresso nel detto primo dispositivo di potenza è disabilitato in risposta ad un segnale di controllo ricevuto dal detto circuito di controllo.
2. Il circuito di protezione della rivendicazione 1, comprendente mezzi per collegare al detto circuito un segnale di ingresso di linea di alimentazione trifase e comprendente elementi di raddrizzamento addizionali per raddrizzare tutte le fasi dell'ingresso della linea di alimentazione per produrre la detta tensione a CC di ingresso, ed inoltre comprendente una seconda e ima terza coppia di dispositivi di potenza.
3. Il circuito di protezione della rivendicazione 2, nel quale la seconda coppia di dispositivi di potenza include un dispositivo di potenza del lato di alta tensione ed un dispositivo di potenza del lato di bassa tensione e nel quale ciascuno dei detti dispositivi di potenza del lato di alta tensione ha un rispettivo controllore delle gate e un rispettivo rilevatore di desaturazione associati con esso e ciascuno dei detti dispositivi del lato di bassa tensione ha associato con esso un circuito di controllo delle gate.