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WO2002017492A1 - Verfahren und vorrichtung zum überstrom- und kurzschlussstromschutz eines halbleiter-leistungsschalters - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum überstrom- und kurzschlussstromschutz eines halbleiter-leistungsschalters Download PDF

Info

Publication number
WO2002017492A1
WO2002017492A1 PCT/EP2001/006378 EP0106378W WO0217492A1 WO 2002017492 A1 WO2002017492 A1 WO 2002017492A1 EP 0106378 W EP0106378 W EP 0106378W WO 0217492 A1 WO0217492 A1 WO 0217492A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
circuit breaker
short
overcurrent
circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/006378
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Jakob
Günter Junge
Original Assignee
Alstom Power Conversion Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Power Conversion Gmbh filed Critical Alstom Power Conversion Gmbh
Priority to EP01951562A priority Critical patent/EP1310045A1/de
Publication of WO2002017492A1 publication Critical patent/WO2002017492A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches

Definitions

  • the present invention relates to a method for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker.
  • the desaturation property of the circuit breaker is exploited.
  • the time profile of a voltage applied to the circuit breaker is observed. If the voltage exceeds a predefinable voltage level, an overcurrent or short-circuit current is detected.
  • the invention also relates to a device for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker using the desaturation property of the circuit breaker.
  • the device has a comparator for comparing the Time course of a voltage applied to the circuit breaker with a predeterminable voltage level and means for detecting an overcurrent or short-circuit current if the voltage exceeds the voltage level.
  • control element for such a device.
  • a program is stored on the control element and can be run on a computing device, in particular on a microprocessor.
  • the control element is designed in particular as a read-only memory, a random access memory or a flash memory.
  • B. bipolar transistors (BT) or insulated gate bipolar transistors (IGBT) must be protected against impermissibly high current and voltage stresses.
  • the circuit breaker manufacturer defines the permissible current and voltage limits as a so-called safe working area or safe operating area (Forward Biased Safe Operating Area, FBSOA or Reverse Biased Safe Operating Area, RBSOA).
  • FBSOA Forward Biased Safe Operating Area
  • RBSOA Reverse Biased Safe Operating Area
  • the safe working range applies to the periodic operation of the circuit breaker, in which the circuit breaker is periodically switched from the high-impedance blocking state to the saturated forward state and back to the blocking state by applying a suitable control signal. In the saturated on state, the circuit breaker has reached its lowest forward voltage of only a few volts.
  • a control circuit (so-called gate drive) of the semiconductor circuit breaker must be able to reliably detect the overcurrent or short-circuit current case and carry out a suitable disconnection of the circuit breaker.
  • the maximum permissible overcurrent duration is in the range of approximately 10 microseconds.
  • a complex current measuring device would be required for direct detection of the current in the semiconductor power switch.
  • the property of desaturation of the semiconductor circuit breaker is therefore used for overcurrent or short circuit detection.
  • a disadvantage of the known method is that overcurrents or short-circuit currents which already occur during the switch-on process cannot always be detected in time, ie within the maximum permissible overcurrent duration. Since the voltage at the circuit breaker can only drop at a finite speed during a switch-on process, it is not possible with this method to detect an overcurrent or short-circuit current in a period in which the voltage at the semiconductor circuit breaker is still greater than the voltage level. This disadvantage can be accepted if the switch-on processes take place in one significantly shorter period of time (e.g. t_ON ⁇ 5 microseconds) than the maximum permissible overcurrent duration of the circuit breaker. The remaining time for switching off the overcurrent or short-circuit current must be sufficient to be able to safely switch off the circuit breaker.
  • the present invention based on the method for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker of the type mentioned at the outset, proposes that a further predeterminable voltage level be defined above the first voltage level and an overcurrent or short-circuit current is detected if the voltage after switching on the circuit breaker does not fall below or exceed the further voltage level within a predefinable time limit.
  • the profile of the voltage applied to the semiconductor power switch is therefore compared with a further voltage level.
  • the first voltage level is used to monitor the voltage curve after the circuit breaker has reached a steady state (saturation state).
  • the additional voltage level is used to monitor the voltage curve during the circuit breaker opening process.
  • the proposed method enables reliable detection of overcurrents and short-circuit currents both during the switch-on process and after reaching the saturation state.
  • the two Voltage levels can be optimized for the monitoring area assigned to them.
  • the method according to the invention reliably and reliably prevents damage or destruction of a semiconductor circuit breaker due to an excessive temperature load as a result of overcurrents or short-circuit currents.
  • the semiconductor circuit breakers which are monitored using the proposed method, can be used in any technical field.
  • the method is particularly suitable for use in semiconductor circuit breakers for power converters, preferably inverters for converting direct current into alternating current.
  • the circuit breaker is switched off if an overcurrent or short-circuit current is detected.
  • the circuit breaker be switched off after a predeterminable period of time after the overcurrent or short-circuit current has been detected.
  • the delayed protective switch-off prevents a very high short-circuit current with the associated high switch-off overvoltage from having to be switched off in the event of a short circuit.
  • the semiconductor circuit breaker can thus be switched off in a particularly stress-free manner.
  • the time period by which the protective shutdown is delayed is advantageously selected such that in the event of a short circuit, the short-circuit current in the circuit breaker has exceeded its maximum value and has reached a substantially lower, approximately constant value.
  • the plateau is usually reached after a few microseconds, before the maximum permissible overcurrent duration of the circuit breaker has been reached. Therefore, the time period is preferably chosen to be shorter than the maximum permissible overcurrent duration of the circuit breaker.
  • the first voltage level be chosen to be greater than a stationary value of the monitored voltage.
  • the second voltage level is advantageously chosen to be lower than the switch-on voltage of an intact circuit breaker.
  • the predefinable time limit within which the observed voltage after the circuit breaker has been switched on, have fallen below the further voltage level so that no overcurrent or short-circuit current is detected, is chosen to be less than the maximum permissible overcurrent duration of the circuit breaker becomes.
  • the comparison of the voltage with the first voltage level be initiated only after a predeterminable time period has elapsed.
  • the period of time is chosen so that the observed voltage of an intact circuit breaker undoubtedly falls below the first voltage level and the circuit breaker has possibly reached a steady state.
  • the time period is chosen to be greater than the predefinable time limit.
  • the device have a further comparator for comparing the time profile of the voltage with a further predeterminable voltage level, wherein the detection means detect an overcurrent or short-circuit current if the voltage does not fall below the further voltage level within a predefinable time limit after the circuit breaker is switched on.
  • the device have means for switching off the circuit breaker if the means for detection detect an overcurrent or short-circuit current.
  • the device have a delay element for delaying the opening of the circuit breaker by a predeterminable period of time.
  • the device have a voltage divider, via which the voltage applied to the circuit breaker is passed to the further comparator for comparison with the further voltage level.
  • the voltage divider is usually designed as an ohmic voltage divider with two resistors. The full voltage across the circuit breaker is present across the two resistors. A partial voltage of the applied voltage is tapped between the two resistors and fed to the further comparator. The level of the partial voltage is determined by the resistance values of the two resistors of the voltage divider. The other Predefinable voltage level is adapted to the level of the partial voltage.
  • At least one diode is used to monitor the forward state or the saturation voltage of the semiconductor circuit breaker.
  • the diode is directly connected on the cathode side to the high electrical potential of the collector connection of the semiconductor circuit breaker and is connected on the anode side to the low potential of the DC supply voltage V_cc of the monitoring electronics.
  • a resistor of the voltage divider consists of a series connection of a plurality of resistors, with a tap being provided between two of the resistors, via which the voltage applied to the circuit breaker for comparison with the voltage level via at least one diode is led to the comparator.
  • the resistance values of the two resistors above and below the tap are preferably chosen so that the blocking capacity of a single diode is sufficient.
  • At least one diode is advantageously arranged in series with another resistor of the voltage divider. The part of the voltage divider beyond the diode can be deactivated by the at least one diode during the forward phase of the semiconductor circuit breaker. As a result, no parasitic measuring current flows across the deactivated part of the voltage divider, so that a higher measuring voltage results.
  • the voltage applied to the semiconductor power switch is fed to the further comparator via a tap above the other resistor of the voltage divider.
  • the diode can be arranged above or below the other resistor. If the diode is arranged above the other resistor, the tap can be arranged above or below the diode.
  • the at least one diode is preferably designed as a Zener (Z) diode.
  • the at least one diode can also be designed as a series connection of several conventional diodes. The sum of the forward voltages of the diodes corresponds to the threshold voltage value of the Zener diode.
  • At least one semiconductor power switch be arranged in series with another resistor of the voltage divider.
  • a switching transistor or any other semiconductor power switch can also be provided.
  • the semiconductor circuit breaker arranged in series with the other resistor of the voltage divider can be blocked.
  • control element which is provided for a device for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker using the desaturation property of the circuit breaker.
  • a program is stored on the control element, which is executable on a computing device, in particular on a microprocessor, and is suitable for executing the method according to the invention.
  • the invention is thus implemented by a program stored on the control element, so that this control element provided with the program represents the invention in the same way as the method, for the execution of which the program is suitable.
  • an electrical storage medium can be used as the control element, for example a read-only memory, a random access memory or a flash memory.
  • Fig. 1 shows an inventive device for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker using the desaturation property of the circuit breaker in a preferred embodiment, ⁇
  • Fig. 2 is a device known from the prior art for overcurrent and short-circuit current protection Semiconductor circuit breaker using the desaturation property of the circuit breaker;
  • Fig. 5 is a flow diagram of an inventive
  • FIG. 6 shows a device according to the invention for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker in a cutout according to a further preferred embodiment
  • FIG. 7 shows a device according to the invention for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker in a cutout according to yet another preferred embodiment
  • FIG. 8 shows a device according to the invention for overcurrent and short-circuit current protection of a semiconductor circuit breaker in a section according to yet another preferred embodiment.
  • FIG. 2 Semiconductor circuit breaker 2, such as. B. bipolar transistors (BT) or insulated gate bipolar transistors (IGBT), must be protected against impermissibly high current and voltage stresses.
  • the permissible current and voltage limits are defined by the manufacturer of the circuit breaker 2 as a so-called safe working area or safe operating area (forward biased safe Operating Area, FBSOA or Reverse Biased Safe Operating Area, RBSOA).
  • FBSOA forward biased safe Operating Area
  • RBSOA Reverse Biased Safe Operating Area
  • the safe working range applies to the periodic operation of the circuit breaker 2, in which the circuit breaker 2 periodically switches from the high-impedance blocking state ("0"; see FIG. 3) to the saturated transmission state ("1"; see. Fig. 3) and is switched back to the locked state.
  • circuit breakers 2 can also carry a high overcurrent or short-circuit current and can also trip under certain conditions.
  • the semiconductor circuit breaker 2 is desaturated, as a result of which its forward voltage can rise to the very high level of the supply voltage U_d present at the circuit breaker 2.
  • the short-circuit current amplitude for example of IGBTs, can be limited by itself due to the desaturation property.
  • Short-circuit current amplitude can be limited, however, can be five to ten times the nominal current.
  • the excessive current must be switched off within a very short time, which the manufacturer specifies as the maximum permissible overcurrent duration t_5 of the circuit breaker 2.
  • a control circuit 13 for the semiconductor power switch 2 must be able to reliably detect the overcurrent or short-circuit current case and to perform a suitable disconnection of the power switch 2.
  • the maximum permissible overcurrent duration t_5 is in the range of approximately 10 microseconds.
  • the device 12 has a comparator 14 in which a voltage U_CE applied to the circuit breaker 2 is compared with a predefinable voltage level U_l. After switching on the power holder 2, the voltage U_CE slowly drops to a stationary value U_CE_stat, which is below the voltage level U_l. The comparison of the voltage level U_l with the voltage U_CE is initiated after the lapse of a predefinable time period t_l. The time period t_l is selected such that an intact circuit breaker 2 has safely fallen below the voltage level U_l.
  • a shutdown signal OFF is sent from the comparator 14 to a control circuit 13, which triggers a shutdown of the semiconductor power switch 2.
  • the circuit breaker 2 is switched on and off via the control signal St.
  • a disadvantage of the known method is that overcurrents or short-circuit currents which already occur during the switch-on process (t ⁇ t_l) cannot always be detected in time, ie within the maximum permissible overcurrent duration t_5.
  • a device 1 shown in FIG. 1 for overcurrent and short-circuit current protection of the semiconductor circuit breaker 2 using the desaturation property of the circuit breaker 2 is proposed.
  • This device 1 is characterized by two different voltage levels U_l and U_2, with which the voltage U_CE is compared.
  • the device 1 has a first comparator 3 for comparing the time profile of the voltage U_CE with a first specifiable voltage level U_l and a second comparator 4 for comparing the temporal profile of the voltage U_CE with a second specifiable voltage level U_2.
  • the voltage U_2 is fed to the second comparator 4 via a voltage divider with the resistors R_l and R__2, so that dangerous contact voltages in the power section can be avoided when the control voltage is switched on.
  • the output signals 5, 6 of the comparators 3, 4 are fed to a logic circuit 7 and evaluated there.
  • the logic circuit 7 is used for • Detection of an overcurrent or short-circuit current and, depending on the time of the occurrence of the short-circuit or overcurrent, generates a delayed or undelayed switch-off signal OFF which is passed on to a drive circuit 8 which triggers a switch-off of the semiconductor power switch 2.
  • the method begins in a function block 20 and is initiated by switching on the semiconductor circuit breaker 2.
  • a subsequent query block 21 it is checked whether a time t that has elapsed since switching on has exceeded a predefinable time limit t_2.
  • the time limit t_2 is selected to be less than the maximum permissible overcurrent duration t_5 of the circuit breaker 2.
  • a query block 22 checks whether the observed voltage U_CE has fallen below the further voltage level U_2. If this is not the case, the system branches back to the query block 21. As soon as the voltage U_CE has fallen below the further voltage level U_2, the method is continued at a query block 23.
  • query block 23 it is checked whether a time t greater than a predefinable time period t_l has elapsed since the circuit breaker 2 was switched on.
  • the time period t_l is greater than the maximum permissible overcurrent time t_5 des Circuit breaker 2 selected.
  • the time period t_l is chosen in particular such that the voltage U_CE of an intact circuit breaker 2 has safely fallen below the voltage level U_l within the time period t_l.
  • the query block 23 is run through until the time period t_l has elapsed. After the time t__l has elapsed, the switch-on process is completed with an intact circuit breaker 2 and the voltage U_CE has the
  • a control element 9 is provided in the logic circuit 7, on which a program is stored which can be run on a computing device, in particular on a microprocessor 10.
  • the control element 9 is designed as an electronic memory element, in particular as a read-only memory, a random access memory or a flash memory.
  • the program stored on the control element 9 is suitable for executing the method according to the invention.
  • the circuit breaker 2 carries a load current i_LAST (undisturbed, saturated state) before the short circuit occurs.
  • a short circuit occurs in the load circuit (R short-circuited in Fig. 1).
  • the semiconductor power switch 2 is therefore not switched off at the time t_7 when the short-circuit current is high, but only after a period of time t_v has elapsed after the short-circuit current has reached a substantially lower, approximately constant value i_stat.
  • the time span t_v is chosen to be shorter than the maximum permissible overcurrent duration t_5 of the circuit breaker 2.
  • the delay allows the circuit breaker 2 to be switched off in a particularly stress-free manner.
  • the circuit breaker 2 shown is designed as an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • BT bipolar transistor
  • the semiconductor power switch 2 is used, for example, in power converters, preferably in inverters for converting direct current into alternating current. With the present invention, however, semiconductor circuit breakers 2 can be monitored from almost any application.
  • the proposed method enables reliable detection of overcurrents and short-circuit currents both during the switch-on process (t ⁇ t_l) and after the saturation state (t> t_l) has been reached.
  • the two voltage levels U_l, U_2 can be optimized to the monitoring area assigned to them.
  • the device 1 from FIG. 1 has a voltage divider which consists of the two resistors R_l and R_2.
  • the voltage U_CE present at the circuit breaker 2 is fed to the further comparator 4 for comparison with the further voltage level U_2 via the voltage accumulator.
  • the voltage divider does not necessarily have to be designed as an ohmic voltage divider with the two resistors R_1 / R_2, as shown here, but can also be designed in any other way.
  • the full voltage U_CE present at the circuit breaker 2 is present at the voltage divider.
  • a partial voltage of the applied voltage U_CE is tapped off at a first tap A_l and passed to the further comparator 4.
  • the level of the partial voltage is determined by the resistance values of the two resistors R_l, R_2 of the voltage divider are determined.
  • the further predeterminable voltage level U_2 is adapted to the level of the partial voltage.
  • a diode D is used to monitor the forward state or the saturation voltage of the semiconductor circuit breaker 2.
  • the diode D is connected on the cathode side K directly to the high electrical potential of the collector terminal C of the semiconductor circuit breaker 2 and is connected on the anode side A to the low potential of the DC supply voltage V_cc of the monitoring electronics.
  • the resistor R_l of the voltage divider consists of a series connection of two resistors R_l.l and R_1.2, a further tap A 2 being provided between the two resistors R_l.l, R_1.2, via which the at Circuit breaker 2 applied voltage U_CE for comparison with the voltage level U_l via at least the diode D to the comparator 3.
  • the resistance values of the two resistors R_1.1 above and R_1.2 below the tap A_2 are preferably chosen so that the blocking capacity of a single diode D is sufficient and a series connection of several diodes does not have to be used.
  • a diode designed as a Zener (Z) diode Z is arranged in series with the resistor R_2 of the voltage divider.
  • the Z-diode Z can inactivate the part of the voltage divider below the Z-diode Z during the forward phase of the semiconductor power switch 2.
  • the tap A_l is arranged between the Zener diode Z and the resistor R_2 of the voltage divider.
  • the tap A_l could also be arranged above the Zener diode Z.
  • the Zener diode Z could also be arranged below the resistor R_2.
  • Zener diode Z a series connection of several conventional diodes could also be arranged in series with the resistor R_2 of the voltage divider. The sum of the forward voltages of the diodes corresponds to the threshold voltage value of the Zener diode Z.
  • a semiconductor power switch designed as a switching transistor T is arranged in series with the resistor R_2 of the voltage divider.
  • the switching transistor T or any other semiconductor power switch can also be provided.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters (2) unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters (2). Dabei wird der zeitliche Verlauf einer an dem Leistungsschalter (2) anliegenden Spannung (U_CE) beobachtet und ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert, falls die Spannung (U_CE) einen vorgebbaren Spannungspegel (U_1) überschreitet. Um die Überwachung des Leistungsschalters (2) auf Überstrom oder Kurzschlussstrom dahingehend zu verbessern, dass Überströme bzw. Kurzschlussströme sicherer, zuverlässiger und schneller detektiert werden können, wird vorgeschlagen, dass ein weiterer vorgebbarer Spannungspegel (U_2) oberhalb des ersten Spannungspegels (U_1) definiert wird und ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird, falls die Spannung (U_CE) nach einem Einschalten des Leistungsschalters (2) den weiteren Spannungspegel (U_2) nicht innerhalb einer vorgebbaren Zeitgrenze (t_2) unterschreitet. Je nach Zeitpunkt des Auftretens des Überstroms oder Kurzschlussstroms wird der zu schützende Leistungsschalter (2) sofort oder um eine definierte Zeitspanne (t_v) verzögert abgeschaltet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Uberstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters. Dabei wird die Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters ausgenutzt. Bei dem Verfahren wird der zeitliche Verlauf einer an dem Leistungsschalter anliegenden Spannung beobachtet. Falls die Spannung einen vorgebbaren Spannungspegel überschreitet, wird ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert .
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters. Die Vorrichtung weist einen Komparator zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs einer an dem Leistungsschalter anliegenden Spannung mit einem vorgebbaren Spannungspegel und Mittel zur Detektion eines Überstroms oder Kurzschlussstroms, falls die Spannung den Spannungspegel überschreitet, auf.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuerelement, für eine solche Vorrichtung. Auf dem Steuerelement ist ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig ist. Das Steuerelement ist insbesondere als ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory ausgebildet.
Halbleiter-Leistungsschalter, wie z. B. Bipolar-Transistoren (BT) oder Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) , müssen vor unzulässig hohen Strom- und Spannungsbeanspruchungen geschützt werden. Die zulässigen Strom- und Spannungsgrenzen werden von dem Hersteller des Leistungsschalters definiert als sog. sicherer Arbeitsbereich oder Safe Operating Area (Forward Biased Safe Operating Area, FBSOA bzw. Reverse Biased Safe Operating Area, RBSOA) . Der sichere Arbeitsbereich gilt für den periodischen Betriebsfall des Leistungsschalters, bei dem der Leistungsschalter durch Anlegen eines geeigneten Steuersignals periodisch von dem hochohmigen Sperrzustand in den gesättigten Durchlasszustand und wieder in den Sperrzustand umgeschaltet wird. Im gesättigten Durchlasszustand hat der Leistungsschalter seine niedrigste DurchlassSpannung von nur wenigen Volt erreicht.
Kurzzeitig können moderne Leistungsschalter auch einen hohen Überstrom bzw. Kurzschlussstrom führen und unter bestimmten Bedingungen auch abschalten. Bei einem hohen Überstrom bzw. Kurzschlussstrom kommt es zu einer EntSättigung des Halbleiter-Leistungsschalters, wodurch dessen Durchlassspannung auf den sehr hohen Pegel der an dem Leistungsschalter anliegenden VersorgungsSpannung steigen kann. Die Kurzschlussstromamplitude bspw. von IGBTs kann aufgrund der Entsättigungseigenschaft von selbst auf Werte begrenzt werden, die jedoch das Fünf- bis Zehnfache des Nennstroms betragen können. Um eine thermische Überlastung und infolgedessen eine Zerstörung des Leistungsschalters zu vermeiden, uss der überhöhte Strom innerhalb einer sehr kurzen Zeit, die von dem Hersteller als die höchstzulässige Uberstromdauer des Leistungsschalters angegeben wird, abgeschaltet werden. Dazu muss eine Ansteuerschaltung (sog. Gate Drive) des Halbleiter-Leistungsschalters in der Lage sein, den Überstrom- oder Kurschlussstromfall sicher zu erkennen und eine geeignete Abschaltung des Leistungsschalters vorzunehmen. Die höchstzulässige Uberstromdauer liegt im Bereich von etwa 10 Mikrosekunden.
Für eine unmittelbare Erfassung des Stroms in dem Halbleiter- Leistungsschalter wäre eine aufwendige Strommesseinrichtung erforderlich. Beim Stand der Technik wird deshalb zur Überstrom- oder Kurzschlusserkennung die Eigenschaft der Entsättigung des Halbleiter-Leistungsschalters ausgenutzt . Dieses Überwachungsverfahren hat den Vorteil, dass eine entsprechende Überwachungsvorrichtung sehr einfach zu realisieren ist und üblicherweise mit einer niedrigen Speisegleichspannung V_cc (typischerweise V_cc = 15 Volt) der Ansteuerschaltung betrieben werden kann.
Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass Überströme oder Kurzschlussströme, die bereits während des Einschaltvorgangs auftreten, nicht immer rechtzeitig, d. h. innerhalb der hochstzulässigen Uberstromdauer, erkannt werden können. Da bei einem Einschaltvorgang die Spannung an dem Leistungsschalter nur mit einer endlichen Geschwindigkeit abfallen kann, ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, einen Überstrom oder Kurzschlussstrom in einer Zeitspanne zu erkennen, in der die Spannung am Halbleiter-Leistungsschalter noch größer ist als der Spannungspegel . Dieser Nachteil kann in Kauf genommen werden, wenn die Einschaltvorgänge in einer deutlich kürzeren Zeitspanne abgeschlossen sind (z. B. t_ON < 5 Mikrosekunden) als es der hochstzulässigen Uberstromdauer des Leistungsschalters entspricht. Die verbleibende Zeitspanne für die Abschaltung des Überstroms bzw. Kurzschlussstroms muss ausreichen, um den Leistungsschalter sicher abschalten zu können.
Mit zunehmendem Sperrvermögen der Leistungsschalter (z. B. bei Hochvolt-IGBTs) werden die Schalt orgänge immer träger. So können die Einschaltvorgänge von Hochvolt-IGBTs sehr viel länger als die höchstzulässige Uberstromdauer dauern. Das bedeutet, dass ein Überstrom oder ein Kurzschlussstrom mit dem konventionellen Verfahren zur Überwachung der Entsättigung nicht rechtzeitig erkannt werden kann. Ein sicherer Schutz von hochsperrenden Halbleiter- Leistungsschaltern ist damit nicht mehr möglich.
Es wäre denkbar, die Spannung an dem Halbleiter- Leistungsschalter bei einem wesentlich höheren Spannungspegel zu überwachen, so dass ein Überstrom oder Kurzschlussstrom frühzeitig, d. h. noch während des Einschaltvorgangs erkannt werden kann, bevor die Durchlasssättigungsspannung erreicht ist. Dies erfordert jedoch eine Referenz-Spannungsquelle mit entsprechend hoher Spannung verbunden mit dem Nachteil, dass schon beim Zuschalten der SteuerSpannung gefährliche Berührungsspannungen im Leistungsteil auftreten. Zudem wird bei dem bekannten Überwachungsverfahren mit höherem Spannungspegel ein Überstrom, der während der Leitendzeit im stationären Durchlasszustand des Leistungsschalters auftreten kann, nicht erkannt, wenn die aufgrund des
Entsättigungseffekts eintretende erhöhte Durchlassspannung nicht oder nicht rechtzeitig den hohen Überwachungspegel erreicht. Schließlich ist es bei den bekannten Überwachungsverfahren nachteilig, dass der Leistungsschalter bei einem erkannten Kurzschlussstrom zu schnell abgeschaltet wird. Da z . B. bei IGBTs die Kurzschlusstromamplitude unmittelbar nach Eintritt des Kurzschlussereignisses weitaus am größten ist, d. h. einen Maximalwert erreicht, erfolgt das Abschalten dann bei einer äußerst hohen Strom- und Spannungsbeanspruchung des Leistungsschalters.
Aus den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überwachung eines Halbleiter-Leistungsschalters auf Überstrom oder Kurzschlussstrom dahingehend zu verbessern, dass Überströme bzw. Kurzschlussströme sicherer, zuverlässiger und schneller detektiert werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ausgehend von dem Verfahren zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters der eingangs genannten Art vor, dass ein weiterer vorgebbarer Spannungspegel oberhalb des ersten Spannungspegels definiert wird und ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird, falls die Spannung nach einem Einschalten des Leistungsschalters den weiteren Spannungspegel nicht innerhalb einer vorgebbaren Zeitgrenze unterschreitet oder wieder überschreitet .
Erfindungsgemäß wird also der Verlauf der an dem Halbleiter- Leistungsschalter anliegenden Spannung mit einem weiteren Spannungspegel verglichen. Der erste Spannungspegel dient zur Überwachung des Spannungsverlaufs nach Erreichen eines stationären Durchlasszustands (Sättigungszustands) des Leistungsschalters. Der weitere Spannungspegel wird zur Überwachung des Spannungsverlaufs während des Einschaltvorgangs des Leistungsschalters eingesetzt.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht bei einem Halbleiter- Leistungsschalter eine zuverlässige Detektion von Überströmen und Kurzschlussströmen sowohl während des Einschaltvorgangs als auch nach Erreichen des Sättigungszustands . Die beiden Spannungspegel können auf den ihnen jeweils zugeordneten Überwachungsbereich optimiert werden. Dadurch kann die Detektion von Überströmen und Kurzschlussströmen erheblich beschleunigt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Beschädigung oder Zerstörung eines Halbleiter- Leistungsschalters aufgrund einer zu hohen Temperaturbelastung in Folge von Überströmen oder Kurzschlussströmen sicher und zuverlässig verhindert.
Die Halbleiter-Leistungsschalter, die mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens überwacht werden, können in beliebigen technischen Bereichen eingesetzt werden. Das Verfahren ist insbesondere für den Einsatz bei Halbleiter- Leistungsschaltern von Stromrichtern, vorzugweise von Wechselrichtern zur Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, geeignet .
Um den Halbleiter-Leistungsschalter vor Beschädigung oder Zerstörung zu bewahren, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass der Leistungsschalter abgeschaltet wird, falls ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Leistungsschalter um eine vorgebbare Zeitspanne verzögert nach der Detektierung des Überstroms oder Kurzschlussstroms abgeschaltet wird. Durch die verzögerte Schutzabschaltung wird verhindert, dass im Kurzschlussfall ein sehr hoher Kurzschlussstrom mit einer damit verbundenen hohen Abschaltüberspannung abgeschaltet werden muss . Der Halbleiter- Leistungsschalter kann dadurch besonders stressarm abgeschaltet werden.
Vorteilhafterweise wird die Zeitspanne, um die die Schutzabschaltung verzögert wird, so gewählt, dass in einem Kurzschlussfall der Kurzschlussstrom in dem Leistungsschalter seinen Maximalwert überschritten und einen wesentlich niedrigeren, etwa konstanten Wert erreicht hat. Das Plateau ist in der Regel nach einigen Mikrosekunden, noch vor Erreichen der höchstzulässigen Uberstromdauer des Leistungsschalters, erreicht. Deshalb wird die Zeitspanne vorzugsweise kleiner als die höchstzulässige Uberstromdauer des Leistungsschalters gewählt .
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der erste Spannungspegel größer als ein stationärer Wert der überwachten Spannung gewählt wird. Der zweite Spannungspegel wird vorteilhafterweise kleiner als die Einschaltspannung eines intakten Leistungsschalters gewählt .
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die vorgebbare Zeitgrenze, innerhalb der die beobachtete Spannung nach einem Einschalten des Leistungsschalters den weiteren Spannungspegel unterschritten haben muss, damit kein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird, kleiner als die höchstzulässige Uberstromdauer des Leistungsschalters gewählt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Vergleich der Spannung mit dem ersten Spannungspegel erst nach Verstreichen einer vorgebbaren Zeitdauer eingeleitet wird. Die Zeitdauer wird so gewählt, dass die beobachtete Spannung eines intakten Leistungsschalters mit Sicherheit den ersten Spannungspegel unterschritten und der Leistungsschalter nac Möglichkeit einen stationären Durchlasszustand erreicht hat. Die Zeitdauer wird größer als die vorgebbare Zeitgrenze gewählt . Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von der Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen weiteren Komparator zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Spannung mit einem weiteren vorgebbarer Spannungspegel aufweist, wobei die Mittel zur Detektion einen Überstrom oder Kurzschlussstrom detektieren, falls die Spannung nach einem Einschalten des Leistungsschalters den weiteren Spannungspegel nicht innerhalb einer vorgebbaren Zeitgrenze unterschreitet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung Mittel zum Abschalten des Leistungsschalters, falls die Mittel zur Detektion einen Überstrom oder Kurzschlussstrom detektieren, aufweist .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Verzögerungsglied zur Verzögerung der Abschaltung des Leistungsschalters um eine vorgebbare Zeitspanne aufweist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen Spannungsteiler aufweist, über den die an dem Leistungsschalter anliegende Spannung zum Vergleich mit dem weiteren Spannungspegel an den weiteren Komparator geführt ist. Der Spannungsteiler ist üblicherweise als ein ohmscher Spannungsteiler mit zwei Widerständen ausgebildet . An den beiden Widerständen liegt die volle an dem Leistungsschalter anliegende Spannung an. Zwischen den beiden Widerständen wird eine Teilspannung der anliegenden Spannung abgegriffen und an den weiteren Komparator geführt. Die Höhe der Teilspannung wird durch die Widerstandswerte der beiden Widerstände des Spannungsteilers bestimmt. Der weitere vorgebbare Spannungspegel ist an die Höhe der Teilspannung angepasst .
Bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters wird zur Überwachung des Durchlasszustands bzw. der Sättigungsspannung des Halbleiter-Leistungsschalters mindestens eine Diode eingesetzt. Die Diode ist kathodenseitig unmittelbar mit dem hohen elektrischen Potential des Kollektoranschlusses des Halbleiter- Leistungsschalters verbunden und ist anodenseitig mit dem niedrigen Potential der Speisegleichspannung V_cc der Überwachungselektronik verbunden. Mit zunehmendem Sperrvermögen der Halbleiter-Leistungsschalter, das heute bis zu 6,5 kV betragen kann, müssen hierzu mehrere Hochvolt- Dioden in Reihe geschaltet werden, da das Sperrvermδgen der dafür in Frage kommenden handelsüblichen Dioden weit geringer ist. Durch den Einsatz einer Dioden-Reihenschaltung ist jedoch keineswegs eine gleichmäßige Sperrspannungsaufteilung an die in Reihe geschalteten Dioden sichergestellt. Deshalb kann eine Zerstörung der Dioden nicht ausgeschlossen werden, selbst wenn die Summe der Nennsperrspannungswerte der einzelnen in Reihe geschalteten Dioden weit höher ist als die höchste am Kollektor des Halbleiter-Leistungsschalters auftretende Spitzenspannung. Deshalb wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass ein Widerstand des Spannungsteilers aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände besteht, wobei zwischen zwei der Widerstände ein Abgriff vorgesehen ist, über den die an dem Leistungsschalter anliegende Spannung zum Vergleich mit dem Spannungspegel über mindestens eine Diode an den Komparator geführt ist. Die Widerstandswerte der beiden Widerstände oberhalb und unterhalb des Abgriffs werden vorzugsweise so gewählt, dss das Sperrvermögen einer einzigen Diode ausreicht . Vorteilhafterweise ist in Reihe mit einem anderen Widerstand des Spannungsteilers mindestens eine Diode angeordnet . Durch • die mindestens eine Diode kann während der Durchlassphase des Halbleiter-Leistungsschalters der Teil des Spannungsteilers jenseits der Diode inaktiviert werden. In der Folge fließt über den inaktivierten Teil des Spannungsteilers kein parasitärer Messstrom, so dass sich eine höhere Messspannung ergibt. Die an dem Halbleiter-Leistungsschalger anliegende Spannung wird über einen Abgriff oberhalb des anderen Widerstands des Spannungsteilers an den weiteren Komparator geführt . Die Diode kann oberhalb oder unterhalb des anderen Widerstands angeordnet sein. Wenn die Diode oberhalb des anderen Widerstands angeordnet ist, kann der Abgriff oberhalb oder unterhalb der Diode angeordnet sein.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Diode als eine Zener (Z) -Diode ausgebildet. Alternativ kann die mindestens eine Diode auch als eine Reihenschaltung mehrerer herkömmlicher Dioden ausgebildet sein. Dabei entspricht die Summe der FlussSpannungen der Dioden dem Schwellenspannungswert der Z- Diode .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass in Reihe mit einem anderen Widerstand des Spannungsteilers mindestens ein Halbleiter-Leistungsschalter angeordnet ist. Statt der in Reihe zu einem anderen Widerstand des Spannungsteilers angeordneten Diode kann also auch ein Schalttransistor oder ein beliebig anderer Halbleiter-Leistungsschalter vorgesehen werden. Während der Durchlassphase des zu überwachenden Halbleiter-Leistungsschalters kann der in Reihe zu dem anderen Widerstand des Spannungsteilers angeordnete Halbleiter-Leistungsschalters gesperrt werden.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Steuerelements, das für eine Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters vorgesehen ist . Dabei ist auf dem Steuerelement ein Programm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Steuerelement abgespeichertes Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Steuerelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Als Steuerelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters in einer bevorzugten Ausführungsform,■
Fig. 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters;
Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf von Spannung und Strom für einen intakten Halbleiter-Leistungsschalter während eines Einschalt- und Abschaltvorgangs;
Fig. 4 einen Verlauf eines durch einen Halbleiter- Leistungsschalter fließenden Stroms;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters im Ausschnitt gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters im Ausschnitt gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform; und
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters im Ausschnitt gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
Zur Erläuterung des Standes der Technik wird zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen. Halbleiter-Leistungsschalter 2, wie z. B. Bipolar-Transistoren (BT) oder Insulated-Gate-Bipolar- Transistoren (IGBT) , müssen vor unzulässig hohen Strom- und Spannungsbeanspruchungen geschützt werden. Die zulässigen Strom- und Spannungsgrenzen werden von dem Hersteller des Leistungsschalters 2 definiert als sog. sicherer Arbeitsbereich oder Safe Operating Area (Forward Biased Safe Operating Area, FBSOA bzw. Reverse Biased Safe Operating Area, RBSOA) . Der sichere Arbeitsbereich gilt für den periodischen Betriebsfall des Leistungsschalters 2, bei dem der Leistungsschalter 2 durch Anlegen eines geeigneten Steuersignals St periodisch von dem hochohmigen Sperrzustand ("0"; vgl. Fig. 3) in den gesättigten Durchlasszustand ("1"; vgl. Fig. 3) und wieder in den Sperrzustand umgeschaltet wird.
Kurzzeitig können moderne Leistungsschalter 2 auch einen hohen Überstrom bzw. Kurzschlussstrom führen und unter bestimmten Bedingungen auch abschalten. Bei einem hohen Überstrom bzw. Kurzschlussstrom kommt es zu einer Entsättigung des Halbleiter-Leistungsschalters 2, wodurch dessen DurchlassSpannung auf den sehr hohen Pegel der an dem Leistungsschalter 2 anliegenden Versorgungsspannung U_d steigen kann. Die Kurzschlussstromamplitude bspw. von IGBTs kann aufgrund der Entsättigungseigenschaft von selbst begrenzt werden. Die Werte, auf die die
Kurzschlussstromamplitude begrenzt werden kann, können jedoch das Fünf- bis Zehnfache des Nennstroms betragen. Um eine thermische Überlastung und infolgedessen eine Zerstörung des Leistungsschalters 2 zu vermeiden, muss der überhöhte Strom innerhalb einer sehr kurzen Zeit, die von dem Hersteller als die höchstzulässige Uberstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2 angegeben wird, abgeschaltet werden. Dazu muss eine Ansteuerschaltung 13 (sog. Gate Drive) für den Halbleiter- Leistungsschalters 2 in der Lage sein, den Überstrom- oder Kurschlussstromfall sicher zu erkennen und eine geeignete Abschaltung des Leistungsschalters 2 vorzunehmen. Die höchstzulässige Uberstromdauer t_5 liegt im Bereich von etwa 10 Mikrosekunden.
Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 12 wird zur Überstrom- oder Kurzschlusserkennung die Eigenschaft der Entsättigung des Halbleiter-Leistungsschalters 2 ausgenutzt. Die Vorrichtung 12 weist einen Komparator 14 auf, in dem eine an dem Leistungsschalter 2 anliegende Spannung U_CE mit einem vorgebbaren Spannungspegel U_l verglichen wird. Nach dem Einschalten des Leistungssσhalters 2 erfolgt ein langsames Absinken der Spannung U_CE bis auf einen stationären Wert U_CE_stat, der unterhalb des Spannungspegels U_l liegt. Der Vergleich des Spannungspegels U_l mit der Spannung U_CE wird nach dem Verstreichen einer vorgebbaren Zeitdauer t_l eingeleitet. Die Zeitdauer t_l wird so gewählt, dass ein intakter Leistungsschalter 2 den Spannungspegel U_l sicher unterschritten hat . Falls die Spannung U_CE den Spannungspegel U_l nach Einleitung der Überwachung (t > t_l) überschreitet, wird ein Abschaltsignal OFF von dem Komparator 14 an eine Ansteuerschaltung 13 geleitet, die ein Abschalten des Halbleiter-Leistungsschalters 2 auslöst. Im Normalbetrieb wird der Leistungsschalter 2 über das Steuersignal St ein- und abgeschaltet .
Dieses bekannte Überwachungsverfahren unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters 2 hat den Vorteil, dass die entsprechende Überwachungsvorrichtung 12 sehr einfach zu realisieren ist und üblicherweise mit einer niedrigen Speisegleichspannung V_cc (typischerweise V__cc = 15 Volt) der Ansteuerschaltung 13 betrieben werden kann. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass Überströme oder Kurzschlussströme, die bereits während des Einschaltvorgangs (t < t_l) auftreten, nicht immer rechtzeitig, d. h. innerhalb der höchstzulässigen Uberstromdauer t_5, erkannt werden können. Da bei einem Einschaltvorgang die Spannung U_CE an dem Leistungsschalter 2 nur mit einer endlichen Geschwindigkeit abfallen kann, ist es mit dem bekannten Verfahren nicht möglich, einen Überstrom oder Kurzschlussstrom in einer Zeitspanne (t < t_l) zu erkennen, in der die Spannung U_CE am Halbleiter- Leistungsschalter 2 noch größer ist als der Spannungspegel U 1. Dieser Nachteil kann in Kauf genommen werden, wenn die Einschaltvorgänge in einer deutlich kürzeren Zeitspanne abgeschlossen sind (z. B. t_ON < 5 Mikrosekunden) als es der höchstzulässigen Uberstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2 entspricht . Die verbleibende Zeitspanne DELTA t_SC für die Abschaltung des Überstroms bzw. Kurzschlussstroms (DELTA t_SC = t_5 - t_0N) muss ausreichen, um den Leistungsschalter 2 sicher abschalten zu können.
Mit zunehmendem Sperrvermögen der Leistungsschalter (z. B. bei Hochvolt-IGBTs) werden die Schaltvorgänge immer träger. So können die Einschalt orgänge von Hochvolt-IGBTs sehr viel länger als t_ON = 10 Mikrosekunden dauern. Das bedeutet, dass ein Überstrom oder ein Kurzschlussstrom mit dem konventionellen Verfahren zur Überwachung der Entsättigung nicht rechtzeitig erkannt werden könnte. Ein sicherer Schutz von hochsperrenden Halbleiter-Leistungsschaltern 2 ist damit nicht mehr möglich.
Deshalb wird erfindungsgemäß eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz des Halbleiter-Leistungsschalters 2 unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters 2 vorgeschlagen. Diese Vorrichtung 1 zeichnet sich durch zwei unterschiedliche Spannungspegel U_l und U_2 aus, mit denen die Spannung U_CE verglichen wird. Die Vorrichtung 1 weist einen ersten Komparator 3 zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_CE mit einem ersten vorgebbaren Spannungspegel U_l und einen zweiten Komparator 4 zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_CE mit einem zweiten vorgebbaren Spannungspegel U_2 auf . Die Spannung U_2 wird dem zweiten Komparator 4 über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R_l und R__2 zugeführt, damit gefährliche Berührungsspannungen im Leistungsteil beim Zuschalten der Steuerspannung vermieden werden können. Die AusgangsSignale 5, 6 der Komparatσren 3, 4 werden an eine Logikschaltung 7 geführt und dort ausgewertet . Die Logikschaltung 7 dient zur • Detektion eines Überstroms oder Kurzschlussstroms und erzeugt abhängig vom Zeitpunkt des Auftretens des Kurzschluss- oder Überstroms nach dem Einschalten ein verzögertes oder unverzögertes Abschaltsignal OFF, das an eine Ansteuerschaltung 8 geleitet wird, die ein Abschalten des Halbleiter-Leistungsschalters 2 auslöst. Das Abschaltsignal OFF wird unverzögert ausgelöst, wenn das Fehlerereignis innerhalb des Einschaltvorgangs (t_2 <= t <= t_l in Fig. 3) auftritt bzw. erkannt wird. Es wird dagegen um einige Mikrosekunden (t_v = 3...5 Mikrosekunden, vgl. Fig. 4) verzögert ausgelöst, wenn das Fehlerereignis nach dem Zeitpunkt t_l auftritt bzw. nachdem der zweite Komparator 4 angesprochen hat .
In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Vefahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt . Zur weiteren Verdeutlichung des Verfahrens sei auf den in Fig. 3 dargestellten Strom- und Spannungsverlauf verwiesen. Das Verfahren beginnt in einem Funktionsblock 20 und wird durch Einschalten des Halbleiter-Leistungsschalters 2 eingeleitet. In einem anschließenden Abfrageblock 21 wird überprüft, ob eine seit dem Einschalten verstrichene Zeit t eine vorgebbare Zeitgrenze t_2 überschritten hat . Die Zeitgrenze t_2 ist kleiner als die höchstzulässige Uberstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2 gewählt. In einem Abfrageblock 22 wird überprüft, ob die beobachtete Spannung U_CE den weiteren Spannungspegel U_2 unterschritten hat. Falls dies nicht der Fall ist, wird wieder zu dem Abfrageblock 21 verzweigt. Sobald die Spannung U_CE den weiteren Spannungspegel U_2 unterschritten hat, wird das Verfahren bei einem Abfrageblock 23 fortgesetzt.
In Abfrageblock 23 wird überprüft, ob seit dem Einschalten des Leistungsschalters 2 eine Zeit t größer als eine vorgebbare Zeitdauer t_l verstrichen ist. Die Zeitdauer t_l wird größer als die höchstzulässige Uberstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2 gewählt. Die Zeitdauer t_l wird insbesondere so gewählt, dass die Spannung U_CE eines intakten Leistungsschalters 2 innerhalb der Zeitdauer t_l den Spannungspegel U_l sicher unterschritten hat . Der Abfrageblock 23 wird so lange durchlaufen, bis die Zeitdauer t_l verstrichen ist. Nach Ablauf der Zeitdauer t__l ist bei einem intakten Leistungsschalter 2 der Einschaltvorgang abgeschlossen und die Spannung U_CE hat die
Durchlasssättigungsspannung U_CE_stat erreicht. Der Vergleich der Spannung U_CE mit einem ersten Spannungspegel U_l
(Abfrageblock 24) wird also durch den Abfrageblock 23 bis zum Verstreichen der Zeitdauer t_l verzögert . Wird vor Erreichen der Zeitgrenze t_l der Spannungspegel U_2 überschritten oder wurde dieser bis dahin noch nicht unterschritten
(Abfrageblock 22) , wird direkt und unverzögert auf einen Funktionsblock 28 verzweigt und damit der Leistungsschalter 2 unverzüglich abgeschaltet.
Anschließend wird in dem Abfrageblock 24 überprüft, ob die Spannung U_CE den Spannungspegel U_l überschreitet. Falls der Spannungspegel U_l nicht überschritten wird, liegt kein Überstrom oder Kurzschlussstrom vor. Dann wird in einem Abfrageblock 25 überprüft, ob ein Steuersignal St = AUS an der Ansteuerschaltung 8 anliegt, durch das ein Abschalten des Leistungsschalters 2 veranlasst wird. Falls das nicht der Fall ist wird das Verfahren bei dem Abfrageblock 24 fortgesetzt. Diese Schleife aus Abfrageblock 23 und Abfrageblock 24 wird so lange druchlaufen, bis die Spannung U_CE den Spannungspegel U_l übersteigt oder durch das Steuersignal St = AUS ein Abschalten des Leistungsschalters 2 veranlasst wird.
Falls der Spannungspegel U_l nach der vorgebbaren Zeitdauer t_l überschritten wird (Abfrageblock 24) , wird zu einem Funktionsblock 27 verzweigt, wo das Abschaltsignal OFF der Logikschaltung 7 um eine vorgebbare Zeitspanne t_v (vgl. Fig. 4) verzögert wird. Erst danach wird der Leistungsschalter 2 in einem Funktionsblock 28 abgeschaltet. Dann wird zu einem Funktionsblock 26 verzweigt und das erfindungsgemäße Verfahren ist beendet.
In der Logikschaltung 7 ist ein Steuerelement 9 vorgesehen, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor 10, ablauffähig ist. Das Steuerelement 9 ist als ein elektronisches Speicherelement, insbesondere als ein Read- Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory ausgebildet. Das auf dem Steuerelement 9 abgespeicherte Programm ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet . Die Logikschaltung 7 umfasst des weiteren ein Verzögerungsglied 11, das das Abschaltsignal OFF um die vorgebbare Zeitspanne t_v, t_v = t_6 - t_KS (vgl. Fig. 4) verzögert. Der Leistungsschalter 2 führt vor dem Eintreten des Kurzschlusses einen Laststrom i_LAST (ungestörter, gesättigter Zustand) . Bei t = t_KS tritt ein Kurzschluss in dem Lastkreis auf (R in Fig. 1 kurzgeschlossen) . Durch die verzögerte Schutzabschaltung wird verhindert, dass im Falle eines Kurzschlusses (bei t >= t_KS) bei gesättigtem Leistungsschalter 2 (nach t >= t_l) ein sehr hoher Kurzschlussstrom i_max mit einer damit verbundenen hohen Abschaltüberspannung abgeschaltet werden muss. Der Halbleiter-Leistungsschalter 2 wird also nicht zum Zeitpunkt t_7 bei hohem Kurzschlussstrom, sondern erst nach Verstreichen einer Zeitspanne t_v, nachdem der Kurzschlussstrom einen wesentlich niedrigeren, etwa konstanten Wert i_stat erreicht hat, abgeschaltet. Die Zeitspanne t_v ist kürzer gewählt als die höchstzulässige Uberstromdauer t_5 des Leistungsschalters 2. Durch die Verzögerung kann der Leistungsschalter 2 besonders stressarm abgeschaltet werden. Der dargestellte Leistungsschalter 2 ist als ein Insulated- Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) ausgebildet. Es ist jedoch denkbar, mit der Vorrichtung 1 auch einen Bipolar- Transistoren (BT) oder andere Halbleiter-Leistungsschalter zu überwachen, die ähnliche Eigenschaften, insbesondere ein ähnlich hohes Sperrvermögen mit daraus resultierenden ähnlich trägen Schaltvorgängen, aufweisen. Der Halbleiter- Leistungsschalter 2 wird bspw. bei Stromrichtern, vorzugweise bei Wechselrichtern zur Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, eingesetzt. Mit der vorliegenden Erfindung können jedoch Halbleiter-Leistungsschalter 2 aus nahezu beliebigen Einsatzbereichen überwacht werden.
Das vorgeschlagene Verfahren ermδgicht bei einem Halbleiter- Leistungsschalter 2 eine zuverlässige Detektion von Überströmen und Kurzschlussströmen sowohl während des Einschaltvorgangs (t < t_l) als auch nach Erreichen des Sättigungszustands (t > t_l) . Die beiden Spannungspegel U_l, U_2 können auf den ihnen jeweils zugeordneten Überwachungsbereich optimiert werden.
Wie oben bereits erwähnt, weist die Vorrichtung 1 aus Fig. 1 einen Spannungsteiler auf, der aus den zwei Widerständen R_l und R_2 besteht . Über den Spannungs eiler wird die an dem Leistungsschalter 2 anliegende Spannung U_CE zum Vergleich mit dem weiteren Spannungspegel U_2 an den weiteren Komparator 4 geführt. Der Spannungsteiler muss nicht unbedingt - wie hier dargestellt - als ein ohmscher Spannungsteiler mit den zwei Widerständen R_l/ R_2 ausgebildet sein, sondern kann auch beliebig anders ausgebildet sein. An dem Spannungsteiler liegt die volle an dem Leistungsschalter 2 anliegende Spannung U_CE an. Zwischen den beiden Widerständen R_l, R_2 wird an einem ersten Abgriff A_l eine Teilspannung der anliegenden Spannung U_CE abgegriffen und an den weiteren Komparator 4 geführt . Die Höhe der Teilspannung wird durch die Widerstandswerte der beiden Widerstände R_l, R_2 des Spannungsteilers bestimmt. Der weitere vorgebbare Spannungspegel U_2 ist an die Höhe der Teilspannung angepasst .
Bei der Vorrichtung 1 zum Überstrom- und
Kurzschlussstromschutz des Halbleiter-Leistungsschalters 2 unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters 2 wird zur Überwachung des Durchlasszustands bzw. der SättigungsSpannung des Halbleiter- Leistungsschalters 2 eine Diode D eingesetzt. Die Diode D ist kathodenseitig K unmittelbar mit dem hohen elektrischen Potential des Kollektoranschlusses C des Halbleiter- Leistungsschalters 2 verbunden und ist anodenseitig A mit dem niedrigen Potential der Speisegleichspannung V_cc der Überwachungselektronik verbunden. Mit zunehmendem Sperrvermögen der Halbleiter-Leistungsschalter 2, das heute bis zu 6,5 kV betragen kann, müssen hierzu mehrere Hochvolt- Dioden D in- Reihe geschaltet werden, da das Sperrvermögen der dafür in Frage kommenden handelsüblichen Dioden weit geringer ist . Trotz des Einsatzes einer Dioden-Reihenschaltung kann eine gleichmäßige Sperrspannungsaufteilung an die in Reihe geschalteten Dioden nicht unter allen Umständen sichergestellt werden. Deshalb kann eine Zerstörung der Dioden auch nicht ausgeschlossen werden, selbst wenn die Summe der Nennsperrspannungswerte der einzelnen in Reihe geschalteten Dioden weit höher ist als die höchste am Kollektor C des Halbleiter-Leistungsschalters 2 auftretende Spitzenspannung.
In Fig. 6 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform dargestellt, durch die dieses Problem vermieden wird. Dabei besteht der Widerstand R_l des Spannungsteilers aus einer Reihenschaltung von zwei Widerständen R_l.l und R_1.2, wobei zwischen den beiden Widerständen R_l.l, R_1.2 ein weiterer Abgriff A 2 vorgesehen ist, über den die an dem Leistungsschalter 2 anliegende Spannung U_CE zum Vergleich mit dem Spannungspegel U_l über mindestens die Diode D an den Komparator 3 geführt ist. Die Widerstandswerte der beiden Widerstände R_l.l oberhalb und R_1.2 unterhalb des Abgriffs A_2 werden vorzugsweise so gewählt, dss das Sperrvermögen einer einzigen Diode D ausreicht und nicht eine Reihenschaltung mehrerer Dioden eingesetzt werden muss.
Gemäß noch einer anderen in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in Reihe mit dem Widerstand R_2 des Spannungsteilers eine als Zener (Z) -Diode Z ausgebildete Diode angeordnet ist. Durch die Z-Diode Z kann während der Durchlassphase des Halbleiter- Leistungsschalters 2 der Teil des Spannungsteilers unterhalb der Z-Diode Z inaktiviert werden. In der Folge fließt über den inaktivierten Teil des Spannungsteilers kein parasitärer Messstrom, so dass sich eine höhere Messspannung ergibt. Der Abgriff A_l ist zwischen der Z-Diode Z und dem Widerstand R_2 des Spannungsteilers angeordnet. Ebenso könnte der Abgriff A_l auch oberhalb der Z-Diode Z angeordnet sein. Die Z-Diode Z könnte auch unterhalb des Widerstands R_2 angeordnet sein. Statt einer Z-Diode Z könnte auch eine Reihenschaltung mehrerer herkömmlicher Dioden in Reihe zu dem Widerstand R_2 des Spannungsteilers angeordnet sein. Dabei entspricht die Summe der Flussspannungen der Dioden dem Schwellenspannungswert der Z-Diode Z.
Schließlich wird gemäß noch einer anderen in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass in Reihe mit dem Widerstand R_2 des Spannungsteilers ein als Schalttransistor T ausgebildeter Halbleiter- Leistungsschalter angeordnet ist . Statt der in Reihe zu einem anderen Widerstand des Spannungsteilers angeordneten Z-Diode Z kann also auch der Schalttransistor T oder ein beliebig anderer Halbleiter-Leistungsschalter vorgesehen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter-Leistungsschalters (2) unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters (2) , wobei der zeitliche Verlauf einer an dem Leistungsschalter (2) anliegenden Spannung (U_CE) beobachtet und ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird, falls die Spannung (U_CE) einen vorgebbaren Spannungspegel (U__l) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer vorgebbarer Spannungspegel (U_2) oberhalb des ersten Spannungspegels
(U_l) definiert wird und ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird, falls die Spannung
(U_CE) nach einem Einschalten des Leistungsschalters (2) den weiteren Spannungspegel (U_2) nicht innerhalb einer vorgebbaren Zeitgrenze (t_2 <= t <= t_l) unterschreitet oder wieder überschreitet .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (2) abgeschaltet wird, falls ein Überstrom oder Kurzschlussstrom detektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (2) um eine vorgebbare Zeitspanne
(t_v) verzögert nach der Detektierung des Überstroms oder Kurzschlussstroms abgeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (t_v) so gewählt wird, dass in einem Kurzschlussfall der Kurzschlussstrom in dem Leistungsschalter (2) seinen Maximalwert (i_max) überschritten und einen wesentlich niedrigeren, etwa konstanten Wert (i stat) erreicht hat.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (t_v) kleiner als die hochstzulässige Uberstromdauer (t_5) des Leistungsschalters (2) gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spannungspegel (U_l) größer als ein stationärer Wert (U__CE_stat) der überwachten Spannung (U_CE) gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannungspegel (U_2) kleiner als die Einschaltspannung (U_CE_ein) eines intakten Leistungsschalter (2) gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Zeitgrenze (t_2) kleiner als die höchstzulässige Uberstromdauer (t_5) des Leistungsschalters (2) gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Spannung (U_CE) mit dem ersten Spannungspegel (U_l) erst nach Verstreichen einer vorgebbaren Zeitdauer (t_l) eingeleitet wird, wobei die Zeitdauer (t_l) größer als die vorgebbare Zeitgrenze (t_2) gewählt wird.
10. Vorrichtung (1) zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters (2) unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters (2) , wobei die Vorrichtung (1) einen Komparator (3) zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs einer an dem Leistungsschalter (2) anliegenden Spannung (U_CE) mit einem vorgebbaren Spannungspegels (U_l) und Mittel (7) zur Detektion eines Überstroms oder Kurzschlussstroms, falls die Spannung (U_CE) den Spannungspegel (U_l) überschreitet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen weiteren Komparator (4) zum Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Spannung (U_CE) mit einem weiteren vorgebbarer Spannungspegel (U_2) aufweist, wobei die Mittel (7) zur Detektion einen Überstrom oder Kurzschlussstrom detektieren, falls die Spannung (U_CE) nach einem Einschalten des Leistungsschalters (2) den weiteren Spannungspegel (U_2) nicht innerhalb einer vorgebbaren Zeitgrenze (t_2 <= t <= t_l) unterschreitet oder diesen wieder überschreitet .
11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Mittel (8) zum Abschalten des Leistungsschalters (2) , falls die Mittel
(7) zur Detektion einen Überstrom oder Kurzschlussstrom detektieren, aufweist.
12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Verzögerungsglied (11) zur Verzögerung der Abschaltung
(OFF) des Leistungsschalters (2) um eine vorgebbare Zeitspanne (t_v) aufweist.
13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Spannungsteiler (R_l, R_2) aufweist, über den die an dem Leistungsschalter (2) anliegende Spannung (U_CE) zum Vergleich mit dem weiteren Spannungspegel (U_2) an den weiteren Komparator (4) geführt ist.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (R_l) des Spannungsteilers (R_l, R_2) aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände (R__l.i, R_1.2) besteht, wobei zwischen zwei der Widerstände (R_l.l, R_1.2) ein Abgriff (A) vorgesehen ist, über den die an dem Leistungsschalter (2) anliegende Spannung (U_CE) zum Vergleich mit dem Spannungspegel (U_l) über mindestens eine Diode (D) an den Komparator (3) geführt ist.
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit einem anderen Widerstand (R_2) des Spannungsteilers (R_l.l, R_1.2, R_2) mindestens eine Diode (Z) angeordnet ist.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Diode (Z) als eine Zener (Z) -Diode ausgebildet ist.
17. Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Diode (Z) als eine Reihenschaltung mehrerer herkömmlicher Dioden ausgebildet ist.
18. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit einem anderen Widerstand (R_2) des Spannungsteilers (R_l.l, R_1.2, R_2) mindestens ein Halbleiter-Leistungsschalter (T) angeordnet ist .
19. Steuerelement (9), insbesondere Read-Only-Memory, Random-Access-Memory oder Flash-Memory, für eine Vorrichtung (1) zum Überstrom- und Kurzschlussstromschutz eines Halbleiter- Leistungsschalters (2) unter Ausnutzung der Entsättigungseigenschaft des Leistungsschalters (2) , auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor (10) , ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet ist.
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