DE10333798A1

DE10333798A1 - Method for short-circuiting a defective partial converter

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.The invention relates to a method for short-circuiting a faulty partial converter, which is constructed like a voltage source converter, which is connected with at least one internal intermediate circuit capacitor (C) as energy storage, in a series connection of partial converters.
It is envisaged that in the event of a fault all power semiconductor switches (IGBT1 ... IGBT4) of the partial converter will be switched on for at least a short time so that they permanently alloy.

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.The Invention relates to a method for short-circuiting a defective partial converter, which is constructed like a voltage source inverter, with at least one internal DC link capacitor as energy storage is connected, in a AC or DC side series connection of partial converters. With the short circuit to a redundant series circuit of Partial converters be that can be configured as a two- or Mehrpunktumrichter.

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.at Inverter topologies with series-connected power semiconductor switches For example, the idling of a single semiconductor valve may take a whole Power converter branch except Set operation. In the same way, with inverters in series switched subcircuits the idle of a single semiconductor valve considerably restrict the continued operation of the converter if not even prevent.

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.such Inverters consist, for example, of a bridge circuit with bridge branches from a series connection of an arbitrary number of two-poles (Submodule), wherein the two poles at different controllable switching states a have different terminal voltage. The bridge exit is connected to a medium frequency transformer. The submodules have an internal voltage link with an energy storage (capacitor) and are designed so that their terminal voltage is independent of the current direction can assume a positive or negative value. With the submodules, staircase voltages are both on the network side as well as on the middle frequency side realized. In addition, can be provided a short-circuit state.

Damit Umrichter mit vielen in Reihe geschalteten Teilumrichtern redundant arbeiten können, muss sichergestellt werden, dass ein fehlerhafter Teilumrichter an seinen Klemmen dauerhaft kurzgeschlossen wird.In order to Inverters with many series converters redundant have to work be sure that a faulty part converter to his Terminals permanently short-circuited.

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.Out 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, pages 210-215 for a Traction system a solution known, with the galvanic isolation of the motors from the contact wire using a number of individual medium frequency transformers is made. The medium frequency transformers are each assigned to series-connected partial converters. Mains side exists a series connection of sub-converter groups, which in total one stepped Create tension. Each of these subconductor groups has one network-side four-quadrant controller, a first DC capacitor, a primary-side Medium frequency inverter, a medium frequency transformer, a secondary side Medium frequency rectifier and a second DC capacitor on. For redundancy, here is a mechanical short-circuiter the mains side parallel to the associated partial converter proposed.

Sobald ein Teilstromrichter defekt ist, wird der Kurzschließer geschlossen und somit der Kurzschluss zwischen den Anschlussstellen gewährleistet.As soon as a partial converter is defective, the short-circuiter is closed and thus ensures the short circuit between the connection points.

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.This However, it is a complicated variant, considering that the mechanical short circuiters requires a high voltage power supply. In addition, these would have Earthing due to their mechanics more often being repaired.

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.at The series connection of a plurality of semiconductor switches is a common method today for Achieving a redundant structure, the pressure contact of the semiconductor chips the tile. Due to the pressure contact is guaranteed that a defective semiconductor valve is in short circuit. That way, for example in HVDC systems several network thyristors connected in series.

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.The However, pressure contact of power semiconductors is in comparison for module technology with a bonding wire contacting a complex and expensive alternative. This is especially true for smaller ones Power and power densities as in today's HVDC systems, the typical benefits from 100 to 800 MW.

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.Of the Invention is based on the object for AC or DC side series-connected partial converter with internal voltage intermediate circuit to provide a method with which without pressure contact at the Semiconductor switches and without mechanical switching devices Short circuit of a partial converter is achieved.

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.The Partial converters are to be used in the event of failure of the control of a single Semiconductor switch in a partial converter or the failure of a internal semiconductor valve with subsequent short circuit of the voltage intermediate circuit (Storage capacitor) sure a permanent terminal short circuit of the subcommissioner.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1. Appropriate Embodiments are the subject of the dependent claims.

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.

Thereafter, a permanent short circuit between the terminals of a partial converter after a fault entry is achieved by the following means:

a) generating a DC side short-circuit path, which is parallel to the or the DC link capacitors, by turning on and alloying all semiconductor switches of the partial converter.
b) Use of the rectifying function of the diodes of the power unit and of the DC-side short-circuit path for short circuit formation on the AC voltage side of the partial converter.

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.The Point a) fulfilled the method with the aid of alloyed semiconductor switches, the parallel to the DC link capacitor a short circuit path produce. Is a) fulfilled, then due to b) there is a short circuit path on the AC side, the one with normal operating currents can be charged.

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.To switching on the semiconductor switch of a subcircuit increases the fault current within the first microseconds in the defective device and in all other semiconductor switches, when using IGBTs, for example, to about five times the rated current. The desaturation properties the semiconductor switches limit the current for a certain period of time, at IGBT for more than 10 microseconds. For the targeted generation of the short circuit path, it is important that the short-circuit current with the help of this desaturation now by almost all Semiconductor switch of the subcircuit flows. Exceptions may be IGBT chips, which are connected in parallel to the defective component.

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.

With the aid of various methods, it is possible to achieve a breakdown of all the current-carrying semiconductor switches:

1. Abandonment of the desaturation property of all semiconductor switches by raising the gate-emitter voltage beyond the normal value. As a result, the current in the semiconductor switches increases until they become conductive due to the thermal load.
2. Extreme increase of the gate-emitter voltage in all semiconductor switches, so that this leads to the gate-emitter breakdown at least in the majority of chips. Due to a gate-emitter breakdown (in the case of MOS-controlled semiconductor components, the oxide layer between gate and emitter is destroyed in this case) results in a short circuit between the emitter and collector, so that the semiconductor switches permanently conduct.
3. By switching on all the semiconductor switches subsequent, extremely fast switching off this (at high current) can also be a Durchlegieren the chips due to high internal electric field strength can be achieved.
4. Extremely fast switching on of the semiconductor switches followed by alloying. Due to the fast switch-on process, the semiconductor switches are purposefully destroyed.
5. By a combination of methods 1, 3 and 4, namely repeated switching on and off.

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.All described methods have the common property that ever Semiconductor module alloyed through the majority of the chips. This will ensures a permanent and with rated current loadable short circuit path.

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.is the short circuit has occurred by means of one of the methods described above, then the rectifier function of the diodes will cause a short circuit as well guaranteed on the AC side of the subcircuit. This applies to Inverters consisting of at least two half-bridges. Limited applies that too for Subsystems with a half-bridge.

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.In case of failure of the control of semiconductor switches and thus the blocking of individual active semiconductor switch within its subconductor, a permanent short circuit of this subcircuit can be achieved with the aid of the invention in the following manner. In this case, a distinction must be made between the AC-side and the DC-side series connection of the partial converter:
In the case of the AC-side series connection, a failure of the control means that the partial converter sets an incorrect output voltage. This can be detected by the higher-level control. Subsequently, this blocks all active semiconductor switches of the affected subcircuit, so that only the anti-parallel diodes lead the alternating current. Due to the rectifying function of the diodes, the defective partial converter always impresses the DC voltage on the AC side as follows: negative DC voltage with negative current and positive DC voltage with positive current. This fault voltage can be compensated with the aid of the other series-connected partial converter in a special operating mode. In this operating mode, an alternating current is impressed in the relevant power converter branch. This leads to the defective partial converter permanently absorbing energy. In this way, the voltage of the partial converter DC link increases beyond the maximum nominal operating voltage. The semiconductor switches are designed so that their reverse voltage is just above the maximum rated operating voltage on the DC side. As a result, this semiconductor device is destroyed in the partial converter due to overvoltage. This in turn has a short circuit the intermediate circuit capacitor and a subsequent permanent alloy through the affected semiconductor device result.

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.To the Detecting a failure of the control can also be an additional be provided passive detection circuit, with a short circuit of the DC link the semiconductor switch of a subsystem can be initiated.

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.at the DC-side series circuit detects analogous to the AC side In series, the control circuit the error case and blocks all semiconductor switches of the defective partial converter. Subsequently, this partial converter is also with one from the DC side or from the AC side impressed current charged so long until semiconductor switch due to overvoltage destroyed and then pass through. Again, alternatively, a passive Detection circuit may be provided.

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.With the invention remains the protection of the diodes of the power unit, for example, the full bridge circuit, before the destruction receive. Excluded are individual diode chips, if they are the case of error have caused.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The Invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. In the associated Drawings show:

1 einen Umrichter in Brückenschaltung; 1 a converter in bridge circuit;

2 die zugehörigen Teilumrichter eines einzelnen Brückenzweiges; 2 the associated partial converters of a single bridge branch;

3 eine Schaltung zur Erkennung eines Zwischenkreiskurzschlusses in einem Teilumrichter und 3 a circuit for detecting a DC link short circuit in a partial converter and

4 eine zweite Variante einer solchen Detektorschaltung. 4 a second variant of such a detector circuit.

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. 1 shows first the general structure of the converter in a version as a full bridge circuit. At the input of the converter, the mains voltage U _{N is applied} . In the form of a bridge circuit are four power converter branches 11 . 12 . 21 and 22 arranged. At the bridge diagonal is a medium-frequency transformer T with the primary voltage U _T and the secondary voltage U _T '. As 2 shows, the current judge branches exist 11 . 12 . 21 . 22 each consisting of several submodules with the terminal voltage 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.One possible realization of the submodules is in 2 shown. Each submodule has the form of a full-bridge circuit of a voltage converter, except that it is used here as a single two-terminal. The bridge circuit consists of four power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 with antiparallel connected diodes D1 ... D4. To the DC voltage side terminals, a storage capacitor C is connected, which charges each to the voltage U _dc1 ... U _dcN , as long as no power semiconductor switch IGBT1 ... IGBT4 is switched. Switching the power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 produces switching states with which the terminal voltage u _ss1 ... u _ssN , regardless of the current direction, becomes positive, negative or even zero (short circuit).

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.Assuming that the voltages U _dc1 ... U _{dcN of} the capacitors C of all submodules have a same output state U _dc = U ₀ and there are a number N of submodules, the voltage U _{ac of} a converter branch 11 . 12 . 21 . 22 assume the value range -nU ₀ ... + nU ₀ and can thus be set in discrete "stairs" of the voltage U ₀ .

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.The Submodules are constructed as high performance IGBT modules, which are mostly have a plurality of IGBT and anti-parallel diode chips. Each chip is over Bond wires electrically connected to the module-internal busbar. In the case of an error an IGBT valve usually only alloys a single chip. The This chip connected in parallel chips are still mostly functional. at Therefore, the error current is only over the most errors defective chip. Due to the high amplitude of the short-circuit current and the concentration Extremely high current densities in the bonding wires of the defective chips. After a few microseconds melt this or tear due to the magnetic forces and it forms an arc, which until the explosion of the module can. The explosion of IGBT or diode modules can result have that the semiconductor switches AC or DC side idle, which avoided inter alia with the invention becomes. A defective part converter will provide one in the event of a fault Rated current loadable short-circuit forth.

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.The Diode and IGBT modules are protected against arcing by: a sensor circuit the DC side short circuit within of a few microseconds (μs) and then an ignition all power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 initiates.

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.Due to the very rapid discharge of the storage capacitor C in the event of a fault, it is necessary that this state is detected in an extremely short time (T _tot <5 μs). This is necessary to still in time for a desaturation of the power semiconductor switch IGBT1 ... IGBT4 can be guaranteed to initiate measures for generating a short-circuit path.

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.According to a first variant of the method, an error occurs in a sensor circuit 1 detected by the strong negative du / dt of the capacitor _voltage U _dc . Exemplary shows 3 an embodiment of such a detection circuit. The detection of the highly negative du / dt takes place with the aid of an ohmic-capacitive voltage divider with the resistors R ₁ , R ₂ and the capacitors C ₁ , C ₂ . If the short circuit is detected, then with switching transistors V ₁ and V _2, at least one ignition transformer T _{Z is} energized from a voltage source, here a capacitor C ₃ . This voltage source is also fed directly from the power circuit. By means of a separate transformer for each power semiconductor switch IGBT1 ... IGBT4, an additional gate-emitter voltage U _{GE_addition} can thus be _applied to all power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4. With the help of this additional voltage all power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 can be controlled simultaneously and independently of the control signals. This makes it possible to change the IGBT saturation properties, turn them off or deliberately damage the oxide layer between gate and emitter.

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.After permeation of the semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4, the DC side of the submodule is permanently short-circuited. In addition, since arcing in the IGBT modules of the sub-module has been prevented, it is guaranteed that the majority of all diode chips are conducting in the direction of flow. In this way, there is also a permanent short circuit of the submodule between the terminals 1' and 2 ' guaranteed.

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.According to a second variant of the method, a fault is detected by the voltage drop across parasitic stray inductances of the DC link busbar. One possible implementation is in 4 exemplified. The circuit responds to the much longer lasting, compared to normal switching operations, strong positive di / dt in a parasitic leakage inductance Lσ. This circuit does not require any additional power supplies. After a few μs, the power semiconductor switches IGBT1 ... IGBT4 are also ignited in this circuit.

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.A di / dt is from a sensor circuit 2 consisting of an RC circuit with a capacitor C ₄ and the resistors R ₃ , R ₄ , R ₅ , detected. The following switchable voltage source is the same as 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.The as exemplary embodiments need described circuits no additional Power supply. This is of particular advantage since there is a redundant and independent Power supply to high voltage potential (up to some 10 kV) very elaborately designed. The solution is simple, robust and inexpensive. A maintenance of the circuit is not necessary. For systems with small and medium power is instead of IGBT disk cells (with IGBT pressure contact) the use of IGBT modules possible.

Claims

A method for short-circuiting a faulty partial converter, which is constructed as a voltage source inverter, which is connected to at least one internal DC link capacitor (C) as energy storage, in a series circuit of partial converters, characterized in that in case of failure all power semiconductor switches (IGBT1 ... IGBT4) of Partial converter at least temporarily turned on so that they permanently alloy.

Method according to claim 1, characterized in that that the alloying by raising the gate-emitter voltage of the power semiconductor switches (IGBT1 ... IGBT4) is achieved.

Method according to claim 1, characterized in that that the alloying by switching on the power semiconductor switches (IGBT1 ... IGBT4) followed by fast shutdown at high current is achieved.

Method according to claim 1, characterized in that that the alloying down by extremely fast switching on the power semiconductor switches (IGBT1 ... IGBT4) is achieved.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized that switching on and off takes place several times.

Process according to claims 1 to 5, characterized in that the power semiconductor switches (IGBT1 ... IGBT4) are replaced by a du / dt detection circuit, which is parallel to the DC link capacitor (C) is arranged to be controlled.

Process according to claims 1 to 5, characterized in that the power semiconductor switches (IGBT1 ... IGBT4) are replaced by a di / dt detection circuit, which is parallel to a leakage inductance (Lσ) of the partial converter is arranged to be controlled.