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