DE10333798A1

DE10333798A1 - Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters

Info

Publication number: DE10333798A1
Application number: DE10333798A
Authority: DE
Inventors: Martin Glinka
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: FR2858132B1; FR2858132A1; DE10333798B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kurzschließen eines fehlerhaften Teilumrichters, der wie ein Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut ist, der mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator (C) als Energiespeicher beschaltet ist, in einer Reihenschaltung von Teilumrichtern.
Es ist vorgesehen, dass im Fehlerfall sämtliche Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) des Teilumrichters mindestens kurzzeitig so eingeschaltet werden, dass sie dauerhaft durchlegieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kurzschließen eines fehlerhaften Teilumrichters, der wie ein Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut ist, der mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator als Energiespeicher beschaltet ist, in einer wechsel- oder gleichspannungsseitigen Reihenschaltung von Teilumrichtern. Mit dem Kurzschluss soll eine redundante Reihenschaltung von Teilumrichtern ermöglicht werden, die als Zwei- oder Mehrpunktumrichter ausgebildet sein können.
Bei Umrichtertopologien mit in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern kann der Leerlauf eines einzigen Halbleiterventils einen ganzen Stromrichterzweig außer Betrieb setzen. In gleicher Weise kann bei Umrichtern mit in Reihe geschalteten Teilumrichtern der Leerlauf eines einzigen Halbleiterventils den Weiterbetrieb des Umrichters erheblich einschränken, wenn nicht sogar verhindern.
Derartige Umrichter bestehen zum Beispiel aus einer Brückenschaltung mit Brückenzweigen aus einer Serienschaltung einer beliebigen Anzahl von Zweipolen (Submodule), wobei die Zweipole bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmenspannung aufweisen. Der Brückenausgang ist mit einem Mittelfrequenztransformator verbunden. Die Submodule haben einen internen Spannungszwischenkreis mit einem Energiespeicher (Kondensator) und sind so aufgebaut, dass ihre Klemmenspannung unabhängig von der Stromrichtung einen positiven oder negativen Wert annehmen kann. Mit den Submodulen werden treppenförmige Spannungen sowohl auf der Netzseite als auch auf der Mittelfrequenzseite realisiert. Zusätzlich kann ein Kurzschlusszustand vorgesehen sein.
Damit Umrichter mit vielen in Reihe geschalteten Teilumrichtern redundant arbeiten können, muss sichergestellt werden, dass ein fehlerhafter Teilumrichter an seinen Klemmen dauerhaft kurzgeschlossen wird.

Aus Schibli/Rufer, Single- and three-phase multilevel converters for traction systems 50 Hz/16 2/3 Hz, Proceedings, 7th European Conference on Power Electronics Applications (EPE), 1997, vol. 4, Seite 210–215 ist für ein Traktionssystem eine Lösung bekannt, mit der eine galvanische Trennung der Motoren vom Fahrdraht unter Einsatz einer Anzahl einzelner Mittelfrequenztransformatoren vorgenommen wird. Die Mittelfrequenztransformatoren sind jeweils seriengeschalteten Teilstromrichtern zugeordnet. Netzseitig besteht eine Serienschaltung von Teilstromrichtergruppen, die in Summe eine treppenförmige Spannung erzeugen. Jede dieser Teilstromrichtergruppen weist einen netzseitigen Vierquadrantensteller, einen ersten Gleichspannungskondensator, einen primärseitigen Mittelfrequenzwechselrichter, einen Mittelfrequenztransformator, einen sekundärseitigen Mittelfrequenzgleichrichter und einen zweiten Gleichspannungskondensator auf. Zur Redundanzherstellung wird hier ein mechanischer Kurzschließer auf der Netzseite parallel zum zugehörigen Teilstromrichter vorgeschlagen.

Sobald ein Teilstromrichter defekt ist, wird der Kurzschließer geschlossen und somit der Kurzschluss zwischen den Anschlussstellen gewährleistet.

Dies ist jedoch eine aufwendige Variante, wenn man bedenkt, dass der mechanische Kurzschließer eine auf Hochspannung liegende Stromversorgung benötigt. Zusätzlich müssten diese Kurzschließer aufgrund ihrer Mechanik häufiger gewartet werden.

Bei der Reihenschaltung von mehreren Halbleiterschaltern ist eine heute übliche Methode zur Erzielung eines redundanten Aufbaus die Druckkontaktierung der Halbleiterchips der Ven tile. Durch den Druckkontakt ist garantiert, dass ein defektes Halbleiterventil sich im Kurzschluss befindet. Auf diese Weise sind zum Beispiel in HGÜ-Anlagen mehrere Netz-Thyristoren in Reihe geschaltet.

Die Druckkontaktierung von Leistungshalbleitern stellt jedoch im Vergleich zur Modultechnik mit einer Bonddrahtkontaktierung eine aufwendige und teure Alternative dar. Dies gilt insbesondere für kleinere Strom- und Leistungsdichten als bei heutigen HGÜ-Anlagen, die typische Leistungen von 100 bis 800 MW aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für wechsel- oder gleichspannungsseitig in Reihe geschaltete Teilumrichter mit internem Spannungszwischenkreis ein Verfahren anzugeben, mit dem ohne Druckkontaktierung bei den Halbleiterschaltern und ohne mechanische Schalteinrichtungen ein Kurzschluss eines Teilumrichters erreicht wird.

Die Teilumrichter sollen bei Ausfall der Ansteuerung eines einzelnen Halbleiterschalters in einem Teilumrichter oder beim Versagen eines internen Halbleiterventils mit anschließendem Kurzschluss des Spannungszwischenkreises (Speicherkondensator) sicher einen dauerhaften Klemmenkurzschluss des Teilumrichters bewirken.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach wird ein dauerhafter Kurzschluss zwischen den Klemmen eines Teilumrichters nach einem Fehlereintritt mit folgenden Mitteln erreicht:

a) Erzeugen eines gleichspannungsseitigen Kurzschlusspfades, der parallel zu dem oder den Zwischenkreiskondensatoren liegt, durch Einschalten und Durchlegieren aller Halbleiterschalter des Teilumrichters.
b) Nutzung der Gleichrichtfunktion der Dioden des Leistungsteiles sowie des gleichspannungsseitigen Kurzschlusspfades zur Kurzschlussbildung auf der Wechselspannungsseite des Teilumrichters.

Den Punkt a) erfüllt das Verfahren mit Hilfe von durchlegierten Halbleiterschaltern, die parallel zum Zwischenkreiskondensator einen Kurzschlusspfad erzeugen. Ist a) erfüllt, dann existiert aufgrund von b) ein Kurzschlusspfad auf der Wechselspannungsseite, der mit normalen Betriebsströmen belastet werden kann.

Nach dem Einschalten der Halbleiterschalter eines Teilumrichters steigt der Fehlerstrom innerhalb der ersten Mikrosekunden im defekten Bauelement und auch in allen anderen Halbleiterschaltern an, bei Verwendung von IGBTs zum Beispiel auf den zirka fünffachen Nennstrom. Die Entsättigungseigenschaften der Halbleiterschalter begrenzen den Strom für eine gewisse Zeitspanne, bei IGBT für mehr als 10 Mikrosekunden. Für die gezielte Erzeugung des Kurzschlusspfades ist es wichtig, dass der Kurzschlussstrom mit Hilfe dieser Entsättigung nun durch fast alle Halbleiterschalter des Teilumrichters fließt. Ausgenommen sind eventuell IGBT-Chips, die dem defekten Bauelement parallel geschaltet sind.

Mit Hilfe verschiedener Verfahren kann ein Durchlegieren aller stromführenden Halbleiterschalter erzielt werden:

1. Aufhebung der Entsättigungseigenschaft aller Halbleiterschalter durch Anhebung der Gate-Emitter-Spannung über den normalen Wert hinaus. Daraufhin steigt der Strom in den Halbleiterschaltern so weit an, bis diese aufgrund der thermischen Belastung durchlegieren.
2. Extreme Anhebung der Gate-Emitter-Spannung bei allen Halbleiterschaltern, so dass dies zum Gate-Emitter-Durchbruch mindestens bei der Mehrzahl der Chips führt. Aufgrund eines Gate-Emitter-Durchbruchs (bei MOS-gesteuerten Halbleiterbauelementen wird dabei die Oxidschicht zwischen Gate und Emitter zerstört) resultiert ein Kurzschluss zwischen Emitter und Kollektor, so dass die Halbleiterschalter dauerhaft leiten.
3. Durch ein an das Einschalten aller Halbleiterschalter anschließendes, extrem schnelles Abschalten dieser (bei hohem Strom) kann auch ein Durchlegieren der Chips aufgrund zu hoher interner elektrischer Feldstärke erzielt werden.
4. Extrem schnelles Einschalten der Halbleiterschalter mit anschließendem Durchlegieren. Durch den schnellen Einschaltvorgang werden die Halbleiterschalter gezielt zerstört.
5. Durch eine Kombination der Verfahren 1, 3 und 4, nämlich wiederholtes Ein- und Ausschalten.

Alle beschriebenen Verfahren haben die gemeinsame Eigenschaft, dass je Halbleitermodul die Mehrzahl der Chips durchlegiert. Dadurch wird ein dauerhafter und mit Nennstrom belastbarer Kurzschlusspfad gewährleistet.

Ist der Kurzschluss mit Hilfe eines der vorbeschriebenen Verfahren eingetreten, dann wird durch die Gleichrichterfunktion der Dioden ein Kurzschluss auch auf der Wechselspannungsseite des Teilumrichters garantiert. Dies gilt für Umrichter, die aus mindestens zwei Halbbrücken bestehen. Eingeschränkt gilt das auch für Subsysteme mit einer Halbbrücke.

Bei Ausfall der Ansteuerung von Halbleiterschaltern und damit dem Sperren einzelner aktiver Halbleiterschalter innerhalb seines Teilumrichters kann ein dauerhafter Kurzschluss dieses Teilumrichters mit Hilfe der Erfindung auf folgende Weise erzielt werden. Zu unterscheiden ist in diesem Fall die wechselspannungsseitige und die gleichspannungsseitige Reihenschaltung der Teilumrichter:
Bei der wechselspannungsseitigen Reihenschaltung hat ein Ausfall der Ansteuerung zur Folge, dass der Teilumrichter eine falsche Ausgangsspannung einstellt. Dies kann von der übergeordneten Regelung erkannt werden. Daraufhin sperrt diese alle aktiven Halbleiterschalter des betroffenen Teilumrichters, so dass nur noch die antiparallelen Dioden den Wechselstrom führen. Durch die Gleichrichtfunktion der Dioden prägt der defekte Teilumrichter immer die Gleichspannung auf der Wechselspannungsseite folgendermaßen ein: negative Gleichspannung bei negativem Strom und positive Gleichspannung bei positivem Strom. Diese Fehlspannung kann mit Hilfe der anderen, in Reihe geschalteten Teilumrichter in einem speziellen Betriebsmodus kompensiert werden. In diesem Betriebsmodus wird ein Wechselstrom in dem betreffenden Stromrichterzweig eingeprägt. Dieser führt dazu, dass der defekte Teilumrichter dauerhaft Energie aufnimmt. Auf diese Weise steigt die Spannung des Teilumrichterzwischenkreises über die maximale Nennbetriebsspannung hinaus an. Die Halbleiterschalter sind so ausgelegt, dass deren Sperrspannung nur knapp oberhalb der maximalen Nennbetriebsspannung auf der Gleichspannungsseite liegt. Dadurch wird dieses Halbleiterbauelement im Teilumrichter aufgrund von Überspannung zerstört. Dies hat wiederum einen Kurzschluss des Zwischenkreiskondensators und eine anschließende dauerhafte Durchlegierung des betroffenen Halbleiterbauelementes zur Folge.

Zum Erkennen eines Ausfalls der Ansteuerung kann auch eine zusätzliche passive Erkennungsschaltung vorgesehen sein, mit der ein Kurzschluss des Zwischenkreises über die Halbleiterschalter eines Subsystems eingeleitet werden kann.

Bei der gleichspannungsseitigen Reihenschaltung erkennt analog zur wechselspannungsseitigen Reihenschaltung die Regelung den Fehlerfall und sperrt alle Halbleiterschalter des defekten Teilumrichters. Anschließend wird auch dieser Teilumrichter mit einem von der Gleichspannungsseite oder auch von der Wechselspannungsseite eingeprägten Stromes so lange aufgeladen, bis Halbleiterschalter aufgrund von Überspannung zerstört werden und daraufhin durchlegieren. Auch hier kann alternativ eine passive Erkennungsschaltung vorgesehen sein.

Mit der Erfindung bleibt der Schutz der Dioden des Leistungsteiles, zum Beispiel der Vollbrückenschaltung, vor der Zerstörung erhalten. Ausgenommen sind einzelne Dioden-Chips, wenn sie den Fehlerfall verursacht haben.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 einen Umrichter in Brückenschaltung;
2 die zugehörigen Teilumrichter eines einzelnen Brückenzweiges;
3 eine Schaltung zur Erkennung eines Zwischenkreiskurzschlusses in einem Teilumrichter und
4 eine zweite Variante einer solchen Detektorschaltung.
1 zeigt zunächst den allgemeinen Aufbau des Stromrichters in einer Version als Vollbrückenschaltung. Am Eingang des Stromrichters liegt die Netzspannung U_N an. In Form einer Brückenschaltung sind vier Stromrichterzweige 11, 12, 21 und 22 angeordnet. An der Brückendiagonale befindet sich ein Mittelfrequenztransformator T mit der Primärspannung U_T und der Sekundärspannung U_T'. Wie 2 zeigt, bestehen die Strom richterzweige 11, 12, 21, 22 jeweils aus mehreren Submodulen mit der Klemmenspannung U_ss1...u_ssN.
Eine mögliche Realisierung der Submodule ist in 2 dargestellt. Ein Submodul hat jeweils die Form einer Vollbrückenschaltung eines Spannungsumrichters, nur dass diese hier als einzelner Zweipol genutzt wird. Die Brückenschaltung besteht aus vier Leistungshalbleiterschaltern IGBT1...IGBT4 mit antiparallel geschalteten Dioden D1...D4. An die gleichspannungsseitigen Anschlüsse ist ein Speicherkondensator C geschaltet, der sich jeweils auf die Spannung U_dc1...U_dcN auflädt, solange kein Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 geschaltet wird. Mit dem Schalten der Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 entstehen Schaltzustände, mit denen die Klemmenspannung u_ss1...u_ssN, unabhängig von der Stromrichtung positiv, negativ oder auch Null (Kurzschluss) wird.
Unter der Annahme, dass die Spannungen U_dc1...U_dcN der Kondensatoren C aller Submodule einen gleichen Ausgangszustand U_dc = U₀ haben und eine Anzahl N von Submodulen vorhanden ist, kann die Spannung U_ac eines Stromrichterzweiges 11, 12, 21, 22 den Wertebereich –nU₀...+nU₀ annehmen und lässt sich somit in diskreten "Treppenstufen" der Spannung U₀ stellen.
Die Submodule sind als Hochleistungs-IGBT-Module aufgebaut, die meist eine Vielzahl von IGBT- und antiparallelen Dioden-Chips aufweisen. Dabei wird jeder Chip über Bonddrähte elektrisch mit der modulinternen Verschienung verbunden. Im Fehlerfall eines IGBT-Ventils legiert meist nur ein einzelner Chip durch. Die diesem Chip parallel geschalteten Chips sind meist noch funktionsfähig. Bei den meisten Fehlern wird der Fehlerstrom deshalb nur über den defekten Chip geführt. Aufgrund der hohen Amplitude des Kurzschlussstromes sowie der Konzentration auf nur einen Chip entstehen extrem hohe Stromdichten in den Bonddrähten des fehlerhaften Chips. Nach wenigen Mikrosekunden schmelzen diese oder reißen aufgrund der magnetischen Kräfte ab und es bildet sich ein Lichtbogen aus, der bis zur Explosion des Moduls führen kann. Die Explosion von IGBT- oder Dioden-Modulen kann zur Folge haben, dass die Halbleiterschalter sich wechsel- oder gleichspannungsseitig im Leerlauf befinden, was unter anderem mit der Erfindung vermieden wird. Ein defekter Teilumrichter stellt im Fehlerfall einen mit Nennstrom belastbaren Kurzschluss her.
Die Dioden- und IGBT-Module werden vor einer Lichtbogenbildung geschützt, indem eine Sensorschaltung den gleichspannungsseitigen Kurzschluss innerhalb von wenigen Mikrosekunden (μs) erkennt und dann eine Zündung aller Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 einleitet.
Aufgrund der sehr schnellen Entladung des Speicherkondensators C im Fehlerfall ist es notwendig, dass dieser Zustand in extrem kurzer Zeit erkannt wird (T_tot < 5 μs). Dies ist notwendig, um noch in der Zeit, für die eine Entsättigung der Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 garantiert werden kann, Maßnahmen zur Erzeugung eines Kurzschlusspfades einzuleiten.
Gemäß einer ersten Verfahrensvariante wird ein Fehlerfall in einer Sensorschaltung 1 anhand des stark negativen du/dt der Kondensatorspannung U_dc erkannt. Beispielhaft zeigt 3 eine Ausführung für eine solche Erkennungsschaltung. Die Erkennung des stark negativen du/dt erfolgt mit Hilfe eines ohmsch-kapazitiven Spannungsteilers mit den Widerständen R₁, R₂ und den Kondensatoren C₁, C₂. Ist der Kurzschluss festgestellt, dann wird mit Schalttransistoren V₁ und V₂ mindestens ein Zündtransformator T_Z aus einer Spannungsquelle bestromt, hier einem Kondensator C₃. Diese Spannungsquelle wird ebenfalls direkt aus dem Leistungskreis gespeist. Über einen separaten Transformator für jeden Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 kann somit eine zusätzliche Gate-Emitter-Spannung U_{GE_Zusatz} an alle Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 angelegt werden. Mit Hilfe dieser Zusatzspannung können alle Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 gleichzeitig und unabhängig von den Steuersignalen angesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die IGBT-Sättigungseigenschaften zu verändern, sie abzuschalten oder auch gezielt die Oxidschicht zwischen Gate und Emitter zu schädigen.
Nach einem Durchlegieren der Halbleiterschalter IGBT1...IGBT4 ist die Gleichspannungsseite des Submoduls dauerhaft kurzgeschlossen. Da außerdem eine Lichtbogenbildung in den IGBT-Modulen des Submoduls verhindert wurde, ist garantiert, dass die Mehrzahl aller Dioden-Chips in Flussrichtung leitend ist. Auf diese Weise ist auch ein dauerhafter Kurzschluss des Submoduls zwischen den Klemmen 1' und 2' gewährleistet.
Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante wird ein Fehlerfall durch den Spannungsabfall an parasitären Streuinduktivitäten der Zwischenkreisverschienung erkannt. Eine mögliche Ausführung hierzu ist in 4 beispielhaft dargestellt. Die Schaltung reagiert auf das gegenüber normalen Schaltvorgängen deutlich länger anhaltende, stark positive di/dt in einer parasitären Streuinduktivität Lσ. Auch diese Schaltung benötigt keinerlei zusätzliche Stromversorgungen. Nach wenigen μs werden auch bei dieser Schaltung die Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 gezündet.
Ein di/dt wird von einer Sensorschaltung 2, bestehend aus einer RC-Schaltung mit einem Kondensator C₄ und den Widerständen R₃, R₄, R₅, erkannt. Die nachfolgende schaltbare Spannungsquelle ist die gleiche wie in 3.
Die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Schaltungen benötigen keine zusätzliche Stromversorgung. Dies ist von besonderem Vorteil, da sich eine redundante und unabhängige Leistungsversorgung auf Hochspannungspotential (bis zu einigen 10 kV) sehr aufwendig gestaltet. Die Lösung ist einfach, robust und preisgünstig. Eine Wartung der Schaltung ist nicht notwendig. Bei Anlagen mit kleinen und mittleren Leistungen ist anstatt von IGBT-Scheibenzellen (mit IGBT-Druckkontakt) die Verwendung von IGBT-Modulen möglich.

Claims

Verfahren zum Kurzschließen eines fehlerhaften Teilumrichters, der wie ein Spannungszwischenkreisumrichter aufgebaut ist, der mit mindestens einem internen Zwischenkreiskondensator (C) als Energiespeicher beschaltet ist, in einer Reihenschaltung von Teilumrichtern, dadurch gekennzeichnet, dass im Fehlerfall sämtliche Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) des Teilumrichters mindestens kurzzeitig so eingeschaltet werden, dass sie dauerhaft durchlegieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlegieren durch Anheben der Gate-Emitter-Spannung der Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlegieren durch Einschalten der Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) mit anschließendem schnellen Abschalten bei hohem Strom erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchlegieren durch extrem schnelles Einschalten der Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und Ausschalten mehrfach erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) durch eine du/dt-Erkennungsschaltung, die parallel zum Zwischenkreiskondensator (C) angeordnet ist, angesteuert werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiterschalter (IGBT1...IGBT4) durch eine di/dt-Erkennungsschaltung, die parallel zu einer Streuinduktivität (Lσ) des Teilumrichters angeordnet ist, angesteuert werden.