WO2015024885A2

WO2015024885A2 - Elektronischer schalter mit einem igbt

Info

Publication number: WO2015024885A2
Application number: PCT/EP2014/067530
Authority: WO
Inventors: Karsten Handt
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2015-02-26
Also published as: DE102013216672A1; WO2015024885A3

Abstract

Elektronischer Schalter mit einem IGBT, der einen Gatekontakt, einen Emitterkontakt und einen Kollektorkontakt aufweist, und einer Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung einen ausgangsseitig mit dem Gatekontakt verbundenen D/A-Wandler zur Steuerung der Gatespannung aufweist und ausgestaltet ist, eine Steuerung des D/A-Wandlers derart vorzunehmen, dass - die Gatespannung im eingeschalteten Zustand des IGBT wenigstens 15 V beträgt, - bei Vorliegen eines Kurzschlussstroms durch den IGBT die Gatespannung innerhalb von einer Zeitspanne von höchstens der für den IGBT höchstzulässigen Kurzschlussdauer auf einen Wert von zwischen 15 V und der Thresholdspannung abgesenkt wird.

Description

Beschreibung

Elektronischer Schalter mit einem IGBT Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter, der einen IGBT und eine Steuerschaltung umfasst.

In leistungselektronischen Schaltungen, vor allem mit hohen Spannungen, werden derzeit häufig IGBTs (= insulated gate bipolar transistor) zum Einsatz gebracht. Diese leiten wie bei Halbleiterschaltelementen üblich den Strom nicht ganz ohne Verlustleistung. Da bei einem Kurzschluss der dabei auftretende hohe Stromfluss zu entsprechend hoher

Verlustleistung und damit zu hohem Wärmeeintrag in den IGBT führt, kommt der Behandlung von Kurzschlussströmen eine besondere Bedeutung zu.

Leistungs-IGBT werden typischerweise kurzschlussfest

ausgeführt, d.h. bei einem Überstrom durch das Modul von 5 bis 6 mal dem Nennstrom entsättigt der IGBT und begrenzt dadurch den Kurzschlussstrom auf einem hohen Niveau. Um nachfolgend den Kurzschluss möglichst ohne Zerstörung des IGBT abschalten zu können, muss diese Entsättigung

abgeschlossen sein. Dies wird im Standardfall über eine Verzögerung beim Abschalten verwirklicht. Jedoch ist die Höhe des Kurzschlussstroms von der Gatespannung abhängig. Durch die schnell ansteigende Kollektorspannung beim Entsättigen wird die Gate -Kollektor-Kapazität aufgeladen, was eine zusätzliche Erhöhung der Gatespannung zur Folge hat, wenn keine wirksamen Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Dadurch erhöht sich der Kurzschlussstrom durch den IGBT weiter, wodurch die in den IGBT eingebrachten Verluste weiter steigen . Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen

elektronischen Schalter, umfassend einen IGBT, anzugeben, bei dem ein verbesserter Abschaltvorgang im Kurzschlussfall erreichbar ist. Diese Aufgabe wird durch einen elektronischen Schalter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des elektronischen Schalters .

Der erfindungsgemäße elektronische Schalter umfasst einen IGBT, der wiederum einen Gatekontakt, einen Emitterkontakt und einen Kollektorkontakt aufweist, und eine

Steuerschaltung. Die Steuerschaltung weist einen

ausgangsseitig mit dem Gatekontakt verbundenen D/A-Wandler zur Steuerung der Gatespannung auf.

Die Steuerschaltung ist weiterhin ausgestaltet, eine

Steuerung des D/A-Wandlers derart vorzunehmen, dass die Gatespannung im eingeschalteten Zustand des IGBT wenigstens 15 V beträgt. Schließlich ist die Steuerschaltung

ausgestaltet, bei Vorliegen eines Kurzschlussstroms durch den IGBT die Gatespannung innerhalb von einer Zeitspanne, die höchstens der höchstzulässigen Kurzschlussdauer des IGBT entspricht, insbesondere höchstens 10 xs , auf einen Wert von zwischen 15 V und der Thresholdspannung abzusenken.

Der erfindungsgemäße elektronische Schalter hat folgende Vorteile :

Zum Einen wird durch eine Ansteuerung mit einer Gatespannung von 15 V oder mehr - bis zur sinnvollen Höchstspannung von 20 V - erreicht, dass die über den IGBT abfallende Spannung bei vorgegebenem Strom geringer ausfällt als bei einem Betrieb mit geringerer Gatespannung, beispielsweise 15 V. Dadurch sinkt die im IGBT anfallende Verlustleistung. Der D/AWandler, der die Gatespannung erzeugt, ermöglicht dabei eine Anpassung an den Betriebszustand. Beispielsweise kann der elektronische Schalter auch so betrieben werden, dass die Gatespannung im normalen Betrieb bei eingeschaltetem IBGT wenigstens 16 V, wenigstens 18 V oder wenigstens 19 V beträgt . Gleichzeitig ermöglicht der erfindungsgemäße elektronische Schalter aber bei Erkennen eines Kurzschlusses durch die Mittel zur Detektion eines Kurzschlussstroms eine sehr schnelle Reaktion. Bei dieser Reaktion wird vorteilhaft die Gatespannung auf einen Wert zwischen 15 V und der

Thresholdspannung, insbesondere zwischen 15 V und 12 V abgesenkt. Beispielsweise wird der Kurzschlussstrom durch eine Absenkung der Gatespannung von vorher 19 V auf einen Wert von 13 V aktiv begrenzt.

Die Steuerschaltung kann gemäß einer Ausgestaltung der

Erfindung so ausgestaltet sein, dass sie nach Ablauf einer festlegbaren Zeitspanne nach der Absenkung der Gatespannung eine Abschaltung des IGBT vornimmt. Dabei kann die

Abschaltung beispielsweise mit einer festlegbaren Steilheit in V/s erfolgen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektronischen Schalters werden im Folgenden genannt:

- Zwischen dem D/A-Wandler und dem Gatekontakt können ein Levelshifter, ein Impedanzwandler und eine

spannungsgesteuerte Stromquelle angeordnet sein. - Der D/A-Wandler kann ein 10 -bit -D/A-Wandler sein. Damit wird eine sehr genaue Steuerung der Gatespannung (in 1024 Schritten) ermöglicht.

- Die Strom- oder Spannungssteilheit bei der endgültigen Abschaltung kann eingestellt werden. Beispielsweise kann eine Steilheit von zwischen 200 und 500 /με gewählt werden.

Besonders vorteilhaft kann über eine Strommessung eine

Stromänderung detektiert und begrenzt werden auf einen

Schwellwert. Dadurch werden induzierte Spannungen bei der Abschaltung auf einen kontrollierbaren Wert begrenzt.

- Es sind Mittel zur Detektion eines durch den IGBT

fließenden Kurzschlussstroms vorgesehen. Die Mittel zur Detektion eines Kurzschlussstroms umfassen beispielsweise einen mit dem Kollektorkontakt verbundenen Spannungsteiler und einen A/D-Wandler.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Dabei zeigt Figur 1 einen elektronischen Schalter 10, der einen IGBT 20 und eine Steuerschaltung 30 umfasst . Der IGBT 10 umfasst einen Kollektorkontakt 21, einen Emitterkontakt 22 und einen Gatekontakt 23. Die Steuerschaltung 30 ist mit den Kontakten 21, 22, 23 verbunden zur Ansteuerung und Schaltung des IGBTs 10.

Die Steuerschaltung 30 umfasst dafür einen Regler 31 mit einem Mikroprozessor oder anderweitigen programmierbaren Baustein. Der Baustein oder Mikroprozessor ist programmiert, digitale Filter, Regelalgorithmen und Schnittstellen zur Kommunikation mit externen Steuerungen auszuführen. Die Steuerschaltung 30 umfasst weiterhin einen mit dem Regler 31 verbundenen 10-bit-D/A-Wandler 32, der seinerseits über einen Impedanzwandler 33 und eine spannungsgesteuerte Stromquelle 34 mit dem Gatekontakt 23 verbunden ist. Der D/A-Wandler 32 steuert die Spannung am Gatekontakt 23 und ist dafür

zweckmäßig mit einer in Figur 1 nicht dargestellten

entsprechenden Spannungsversorgung verbunden. Die

Spannungsversorgung bietet den nötigen Spannungsspielraum von beispielsweise -10 V bis 20 V.

Der Kollektorkontakt 21 ist über einen Spannungsteiler 35 und einen A/D-Wandler 36 mit dem Regler 31 verbunden. Diese Verbindung erlaubt die Messung des über den IGBT 10

fließenden Stroms und damit auch eine Detektion eines vorliegenden Kurzschlussstroms. Dabei wird beispielsweise im Regler 31 ermittelt, ob der Strom einen festgelegten

Schwellwert überschreitet. Eine weitere Verbindung besteht zwischen dem Emitterkontakt 22 und dem Regler 31.

Zur Kommunikation mit beispielsweise einem externen,

übergeordneten Steuergerät ist der Regler 31 mit Elementen zur bidirektionalen optischen Kommunikation in Form einer Fotodiode 37 und einer LED 38 verbunden. Eine Mehrzahl der beschriebenen elektronischen Schalter 10 kann so

beispielsweise zu einem Umrichter zusammengeschlossen sein. Der Umrichter umfasst dabei eine übergeordnete Steuerung, die Steuerbefehle von hohem Niveau an die einzelnen

elektronischen Schalter 10 verschickt, beispielsweise den Befehl zum Ein- oder Abschalten. Die Abschaltung im

Kurzschlussfall wird jedoch von der jedem elektronischen Schalter 10 eigenen Steuerschaltung 30 vorgenommen und braucht daher keine Steuerbefehle von der übergeordneten Steuerung .

Bei Aufbauten, in denen der elektronische Schalter 10 nicht in einer Reihenschaltung mit anderen elektronischen Schaltern 10 angeordnet ist, wird dadurch eine wesentlich schnellere und spezifischere Reaktion auf einen Kurzschluss ermöglicht, als wenn die Steuerbefehle zur Abschaltung von der

übergeordneten Steuerung kämen.

Im Beispiel der Figur 1 wird der Gatekontakt 23 des IGBT 10 auf einen Steuerbefehl zum Einschalten hin mit einer

konstanten Spannung von beispielsweise 18 V beaufschlagt. Der IGBT 10 wird dadurch eingeschaltet. Tritt ein Kurzschluss auf, steigt der Strom in kurzer Zeit stark an. Dies wird im Regler 31 detektiert und unabhängig von der übergeordneten Steuerung mit einer Senkung der Spannung am Gatekontakt auf beispielsweise 12 V reagiert. Dadurch wird einerseits dem IGBT 10 die nötige Zeit zur Entsättigung gegeben,

andererseits der Kurzschlussstrom auf ein möglichst wenig zerstörerisches Niveau abgesenkt. So kann beispielsweise mit einer Absenkung der Spannung am Gatekontakt 23 auf 12 V der Kurzschlussstrom auf beispielsweise 5 kA begrenzt werden, während beim Weiterbetrieb mit 15 V der Strom kurzfristig auf bis zu 12 kA ansteigt.

Nach einer Zeitspanne von beispielsweise 5 xs wird dann die Spannung am Gatekontakt 23 mit einer festgelegten Steilheit von beispielsweise 1 abgesenkt bis zu einer Spannung unterhalb der Threshold-Spannung, beispielsweise -10 V, bei der der IGBT 10 endgültig abgeschaltet ist.

Claims

Patentansprüche

1. Elektronischer Schalter (10) mit einem IGBT (20) , der einen Gatekontakt (23) , einen Emitterkontakt (22) und einen Kollektorkontakt (21) aufweist, und einer Steuerschaltung (30) ,

wobei die Steuerschaltung (30) einen ausgangsseitig mit dem Gatekontakt (23) verbundenen D/A-Wandler (32) zur Steuerung der Gatespannung aufweist und ausgestaltet ist, eine

Steuerung des D/A-Wandlers derart vorzunehmen, dass

- die Gatespannung im eingeschalteten Zustand des IGBT (20) wenigstens 15 V beträgt,

- bei Vorliegen eines Kurzschlussstroms durch den IGBT (20) die Gatespannung innerhalb von einer Zeitspanne von höchstens der für den IGBT (20) höchstzulässigen Kurzschlussdauer auf einen Wert von zwischen 15 V und der Thresholdspannung abgesenkt wird.

2. Elektronischer Schalter (10) gemäß Anspruch 1, bei dem zwischen dem D/A-Wandler (32) und dem Gatekontakt (23) ein

Levelshifter (33) , ein Impedanzwandler und eine

spannungsgesteuerte Stromquelle (34) angeordnet sind.

3. Elektronischer Schalter (10) gemäß Anspruch 1 oder 2 mit Mitteln zur Detektion eines Kurzschlusses am IGBT (20) , wobei die Mittel einen mit dem Kollektorkontakt (21) verbundenen Spannungsteiler (35) und einen A/D-Wandler (36) umfassen.

4. Elektronischer Schalter (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgestaltet, dass zur Detektion eines

Kurzschlussstroms der Spannungsabfall zwischen Hauptemitter und Hilfsemitter gemessen wird.

5. Elektronischer Schalter (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zeitspanne 10 xs beträgt.

6. Elektronischer Schalter (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gatespannung im eingeschalteten

Zustand des IGBT (20) wenigstens 16 V beträgt.

7 . Elektronischer Schalter (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei Vorliegen eines Kurzschlussstroms durch den IGBT (20) die Gatespannung innerhalb der Zeitspanne auf einen Wert von zwischen 15 V und 12 V abgesenkt wird.