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Beschreibung
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Elektronische Sicherungsvorrichtung für Halbleiterschalter durch Abkommutierung
des Stromes durch den Leistungspfad.
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Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherungsvorrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Der Oberstromschutz für Halbleiterschalter nach Anspruch 1 beruht
auf der Ableitung des von dem Halbleiterschalter geführten Oberstroms auf einen
parallelen Zweig.
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In den letzten Jahren sind in der Halbleitertechnologie besonders
zwei Entwicklungsrichtungen zu beachten: Zum Einen werden neue Halbleiterarten gefertigt,
die eine spezifische Schutzvorrichtung erfordern. Zum Anderen wird der Ausnutzungsgrad
der Halbleiter immer größer und damit deren Oberlastbarkeit kleiner.
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Dieser Oberstromschutz ist besonders geeignet für Leistungshalbleiter
mit folgenden Eigenschaften: - schlechter werdendes Abschaltverhalten mit steigendem
Halbleiterstrom bis zum Verlust der Abschaltfähigkeit über den Steueranschluß; -
geringer Abstand zwischen Nennstrom und abschaltbarem Oberstrom.
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Von den derzeit auf dem Markt befindlichen Leistungshalbleitertypen
weist der GTO-Thyristor (abschaltbarer Thyristor) o.g.
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Eigenschaften auf. Für dieses Element wird die Funktion der Vorrichtung
exemplarisch dargestellt.
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Neuere Stromrichterschaltungen die für immer höher werdende Frequenzen
ausgelegt werden, erfordern kürzer werdende Kommutierungszeiten, die mit großen
Stromsteilheiten di/dt verbunden sind. Durch die hohen Stromsteilheiten werden hohe
Anforderungen an die Schutzvorrichtungen für die Ventile gestellt, denn
durch
ein großes di/dt kann der Ventilstrom vom Erkennen der Störung, die zu dem Oberstrom
führt, bis zum Wirksamwerden der Schutzvorrichtung auf erhebliche Werte angestiegen
sein. Die Möglichkeit, den Oberstrom des GTO-Thyristors zu dessen Schutz über das
Gate abzuschalten ist durch den schnellen Anstieg des Oberstromes beschränkt. Der
Laststrom des GTO-Thyristors darf den vorgegebenen Grenzwert des maximal abschaltbaren
Stroms nicht überschreiten, bei dem der GTO nicht nur seine Abschaltfähigkeit verliert,
sondern sogar die Gefahr der Zerstörung besteht. Bei zu großen Werten des Anodenstroms
wird beim Anlegen einer negativen Gate-Spannung auf Grund der inneren Spannungsabfälle
der Anodenstrom auf einge Gebiete fokussiert in denen große Stromdichten entstehen,
wodurch das Halbleitergefüge zerstört wird. Diese Gefahr besteht bei der erfindungsgemäßen
Schutzschaltung nicht, da der Oberstrom auf einen Parallel zweig abkommutiert wird
und die Abschaltimpulse am Gate des GTO gesperrt werden.
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Der Stand der Technik wird durch die folgenden möglichen Schutzmaßnahmen
erläutert /1/.
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Extern verursachte Störungsfälle die ihre Ursache außerhalb des Stromrichters
haben - netz- oder lastseitige Oberspannungen - Netzunterbrechung - erhöhte Umgebungstemperatur
oder behinderte Kühlung - elektromagnetische Störungen, die die Steuerung beeinflussen
- generatorische Last bei nicht rückarbeitsfähigen Stromrichtern - zu geringe Impedanz
der Last bzw. direkter Klemmenkurzschluß.
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Die Maßnahmen zu den an erster und zweiter Stelle genannten Störungen
sind bekannt, z.B. die Beschaltung mit Pufferkondensatoren ausreichender Kapazität
/2/. Die an dritter bis fünfter Stelle genannten Störungen treten auch bei konventionellen
Thyristor-Stromrichtern auf und können mit den gleichen Schutzmaßnahmen beherrscht
werden.
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Der lastseitige Oberstrom aus der an sechster Stelle genannten Störung
wird bei Stromrichtern meist mit flinken Schmelzsicherungen oder Gleichstromschnellschaltern
abgeschaltet. In Stromrichtern mit GTO-Thyristoren kann vorteilhafterweise ein elektronischer
Oberstromschutz verwirklicht werden. Zu diesem Zweck muß der Oberstromfall mit elektronischen
Hilfsmitteln erkannt werden. So dann können selbsttätig Abschaltimpulse an die GTO-Thyristoren
gegeben werden und der Oberstrom unterbrochen werden, bevor der maximal abschaltbare
Strom der GTO-Thyristoren erreicht wird. Die gesamte Ansprechzeit vom Auftreten
des Oberstromes bis zur Abschaltung kann unter 10 ijs gehalten werden.
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Stromrichterinterne Störungsfälle lassen sich unterteilen in - Defekt
eines Bauelements in Steuer- und Leistungsteil (irreversibel) - Fehlfunktion eines
Bauelements in Steuer- und Leistungsteil (reversibel) Weil das Auftreten solcher
Fehler grundsätzlich nicht völlig vermieden werden kann, ist es anzustreben, zumindest
Folgeschäden zu vermeiden, oder zu begrenzen.
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Den Störfällen der erstgenannten Art kann durch Redundanz im Leistungsteil,
in der Meßwerterfassung und der Steuerimpulsgeneratoren selbst begegnet werden.
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Störungen der zweitgenannten Art sollten möglichst ohne Zerstörungen
beseitigt werden. Für einen inneren Kurzschluß durch fehlerhaftes Durchzünden eines
der GTO-Thyristoren bestehen zwei grundsätzlich verschiedene Schutzmöglichkeiten:
- Abschalten des Kurzschlußstroms durch die GTO-Thyristoren - Abschalten des Kurzschlußstroms
durch Schmelzsicherungen.
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In beiden Fällen muß die Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlußstromes
durch zusätzliche Induktivitäten begrenzt werden.
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Voraussetzung für die erstgenannte Schutzmethode ist eine schnelle
elektronische Erfassung des Oberstromfalls und eine Begrenzung der Steilheit des
Kurzschlußstroms durch genügend große Induktivitäten.
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Den Kurzschlußschutz an zweitgenannter Stelle wird man nur wählen,
wenn sich der Kurzschlußschutz durch Abschalten der GTO-Thyristoren schlecht realisieren
läßt. Dieser Fall wird aus den folgenden Gründen am ehesten bei GTO-Stromrichtern
großer Leistung auftreten: - Die Speicherzeiten leistungsstarker GTO-Thyristoren
sind höher als bei Elementen kleiner Schaltleistung - Die GTO-Thyristoren werden
hoch ausgenutzt, so daß die Differenz zwischen maximal abschaltbarem Strom und dem
Spitzenstrom im Normalbetrieb klein wird.
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Die genannten Gründe können zu unwirtschaftlich großen Schutzdrosseln
führen.
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Sollen GTO-Thyristoren durch Schmelzsicherungen geschützt werden,
ist zu beachten, daß nicht ohne weiteres der Stoßstromgrenzwert ausgenutzt werden
kann - wie dies bei konventionellen Thyristoren möglich ist. Vielmehr existiert
in Form des maximal abschaltbaren Stroms eine wesentlich niedrigere Grenze, bei
deren Oberschreitung der GTO-Thyristor beim Abschaltvorgang zerstört werden kann.
Eine konservative Auslegung der Sicherungen entsprechend diesem niedrigen Wert ist
praktisch ohne Bedeutung, weil die Strombelastbarkeit des GTO-Thyristors nur zu
einem kleinen Bruchteil ausgenützt würde.
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Um den Stoßstromgrenzwert im Fehlerfall ausnutzen zu können, muß sichergestellt
werden, daß während der Stoßstrombelastung keine Abschaltimpulse auf die GTO-Thyristoren
gegeben werden. Dies erfordert eine schnelle elektronische Erfassung des Oberstromfalls.
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Wird ein Oberstrom erkannt, können Zündimpulse auf alle GTO-Thyristoren
gegeben werden, um den Stoßstrom möglichst gleichmäßig
auf alle
Zweige des Wechselrichters zu verteilen.
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Falls diese Maßnahmen nicht ausreichen, kann ein zusätzlicher Thyristor,
der dem Stromrichter gleichstromseitig parallel liegt, gezündet werden. Für diesen
konventionellen Thyristor kann ein besonders strombelastbarer Typ gewählt werden.
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Die Kritik betrifft die bisherigen Schutzvorrichtungen sowohl bei
extern als auch bei intern verursachten Störfällen.
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Zunächst werden die externen Störfälle behandelt: Der Störfall des
lastseitigen Oberstroms erfordert eine ausreichend hohe Induktivität des Kurzschlußkreises
die nötigenfalls durch zusätzliche Induktivitäten erzielt werden muß, damit der
GTO über das Gate abgeschaltet werden kann. Die bei modernen Stromrichtern angestrebten
kurzen Kommutierungszeiten stehen jedoch im Widerspruch zu dieser Forderung. Mit
der Schutzschaltung nach Anspruch 1 tritt das Problem der Begrenzung des Kurzschlußstroms
auf den zulässig abschaltbaren Wert mittels Induktivitäten erst garnicht auf, weil
der Kurzschlußstrom nicht über das Gate des GTO-Thyristors abgeschaltet wird. Somit
kann der GTO-Thyristor mit dem Stoßstrom-Grenzwert im Störfall belastet werden,
eine spezielle Kurzschlußkreisinduktivität entfällt und die Einschaltentlastungsinduktivitäten
brauchen nur nach der kritischen di/dt Steilheit ausgelegt werden.
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Bei den stromrichterinternen Störungsfällen, denen die Fehlfunktion
eines Bauelements, insbesondere das Durchzünden eines Thyristors ohne Steuerbefehl,
zu Grunde liegt, besteht bei einem Abschalten des Kurzschlußstroms über das Gate
des GTO-Thyristors ebenfalls die Gefahr der Oberschreitung des maximal zulässigen
abschaltbaren Stroms. Auch für diesen Störfall muß der Strom mit in den Kurzschlußkreis
zusätzlich eingefügten Induktivitäten begrenzt werden, derart daß der Kreisstrom,
nach Erkennen des Überstroms zum Zeitpunkt der Abschaltung über das Gate, den zulässig
abschaltbaren Strom nicht überschreitet. Dieser Wert kann zwar
innerhalb
bestimmter Grenzen durch die zur Anode-Kathode-Strecke parallel geschalteten Ausschalt-Entlastungs-Kapazitäten
vergrößert werden, dies steht jedoch im Widerspruch zu den Anforderungen an moderne
Stromrichter bezüglich kurzer Kommutierungszeiten.
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Außerdem ist man bemüht, die Ventile bezüglich Strom und Taktfrequenz
hoch auszunutzen und dies erfordert eine kleine Differenz zwischen dem maximal abschaltbaren
und dem betriebsmäßig auftretenden Spitzenstrom. Bei der erfindungsmäßigen Ausführung
des Oberstromschutzes tritt auch hier das Problem der Grenze für den maximal abschaltbaren
Strom erst gar nicht auf, weil der Kurzschlußstrom nicht mit dem GTO-Thyristor abgeschaltet
wird.
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Die zur Vermeidung der Abschaltung des Kurzschlußstroms über das Gate
bisher bekannte Schaltung, bei der ein zusätzlicher Thyristor, der dem Wechselrichter
gleichstromseitig parallel liegt und im Störfall gezündet wird, bewirkt nur einen
Summenschutz der Ventile. Außerdem muß sichergestellt sein, daß dieser besonders
mit Stoßstrom belastete zusätzliche Thyristor sehr schnell nach Erkennung des Störfalls
zündet, was bei heutigen Anforderungen an den Schutz neuer Halbleiter problematisch
ist. Dieser Summenschutz gewährleistet jedoch keinen Schutz, wenn im Stromrichter
Energiespeicher in Form z.B. von Kapazitäten enthalten sind, die sich im Störfall
schlagartig entladen und zum Defekt der Ventile führen können, wie z.B. bei Schwingkreiswechselrichtern.
Außerdem bietet der Summenschutz keine Absicherung gegen generatorische Last bei
nicht rückarbeitsfähigen Stromrichtern.
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Allgemein gilt: Die erfindungsmäßige Schutzvorrichtung gewährleistet
den Schutz jedes einzelnen Halbleiterschalters unabhängig von der Struktur der Ventil-Schaltung
bei niedrigem Wartungsaufwand ohne Zurhilfenahme von Schmelzsicherungen. Bei nicht
rückarbeitsfähigen Stromrichtern
stellt die erfindungsmäßige Schaltung
den Schutz der Ventile bei inneren Kurzschlußzweigen aufgrund von Fehlfunktionen
von Ventilen im Falle generatorischer Last sicher.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schutz jedes einzelnen
Halbleiterschalters unabhängig von der Schaltungsstruktur zu gewährleisten, derart
daß eine einfache Wiederinbetriebnahme der Schaltung, evtl. automatisch, möglich
ist. Die elektronische Sicherungsvorrichtung soll nicht nur einen Oberstrom im Lastkreis
der Gesamtschaltung, sondern auch den durch Fehlverhalten eines Schaltelements bedingten
internen Oberstrom der Schaltung erkennen und unschädlich machen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
nach Anspruch 1,2,3,4,5,6.und 7 gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im Schutz jedes
einzelnen Halbleiterschalters vor einer weitreichenden Möglichkeit von Störungen,
wobei die volle Ausnutzbarkeit des Ventils bezüglich Schaltleistung und -frequenz
erhalten bleibt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung der elektronischen Sicherungsvorrichtung nach
Anspruch 1 mit dem zum Halbleiterschalter parallel liegenden Zweig, auf den der
Hauptstrom im Störfall, nach Aufsteuern des elektronischen Schutzschalters kommutiert,
wodurch der Halbleiterschalter entlastet wird. Die Vorspannung des Löschkondensators
Cl, die gemäß Fig. 1 mit eigener Schaltung erzeugt wird, kann nach Anspruch 2 durch
Spitzenwertgleichrichtung mit Polaritätsumkehr der Spannung an den Hauptklemmen
des Halbleiterschalters derart erzeugt werden, daß zwei Kondensatoren geladen werden.
Die Höhe dieser Spannung muß evtl.
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durch einen geeigneten Spannungsteiler festgelegt werden. Die Ladung
von C1 bewirkt ein negatives Kathodenpotential des elektronischen Schutzschalters
gegenüber dem des zu schützenden Halbleiterschalters.
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Im folgenden wird die Funktionsweise an einer GTO-Schutzschaltung
mit konventionellem Thyristor im Parallelzweig dargestellt. Fig. 2 zeigt den zum
GTO-Thyristor parallelen Stromzweig, bestehend aus den Elementen L1, Th und C1,
sowie eine mögliche Schaltungsvariante zur Erzeugung der negativen Vorspannung an
der Kathode des Thyristors Th, bestehend aus den Elementen C1, R1, Dl, C2 und D2.
Die Überstromerkennung zusammen mit dem Strompfad zur Kathode des GTO-Thyristors
erzeugt einen Impuls bei Oberschreitung einer Stromschwelle, der nach Impulsformung
und Potentialtrennung dem Schutzthyristor Th zugeführt wird und diesen im Störfall
zündet. Die Stoßstrombeanspruchung dieses Thyristors liegt in der Größenordnung
von der des GTO-Thyristors.
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Der elektronische Schutzschalter des parallelen Kommutierungskreises
wurde durch einen konventionellen Thyristor gemäß Anspruch 7 realisiert, der zum
Zeitpunkt der Anmeldung das Element ist, das am geeignetsten die Anfordungen für
die Kommutierung erfüllt, wie etwa - hohe Stoßstrombelastbarkeit - hohe du/dt und
di/dt Steilheit - hohe Spannungsfestigkeit - niedriger Preis.
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Gemäß Anspruch 3 ermöglicht die Schaltung zur Vorspannungserzeugung
nach Fig. 3 ein selbständiges Löschen des Schutzthyristors Th beim Stromnulldurchgang
des Kondensatorstroms von C1, wenn R1 hochohmig ausgeführt wird, so daß der Haltestrom
des Thyristors Th unterschritten wird.
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Gemäß Anspruch 4 wird der Löschkondensator C1 des parallelen Stromkreises
in die Schaltung zur Erzeugung der negativen Vorspannung an der Kathode des Thyristors
Th, wie in Fig. 3 dargestellt, mit einbezogen.
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Zur Vorspannungserzeugung kann auch ein kapazitiver Spannungsteiler
eingesetzt werden, der ein schnelleres Aufladen von C1 ermöglicht. Dazu kann R1
mit einem Kondensator überbrückt werden.
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Fig. 4 zeigt den gemäß Anspruch 5 mit L1 erweiterten Parallelkreis,
auf den der Laststrom kommutiert. Hier kann die Kondensatorspannung von C1 größer
als die Durchbruchspannung des in Rückwärtsrichtung nicht sperrfähigen GTO-Thyristors
gewählt werden, da mit der zum GTO-Thyristor antiparallel geschalteten Diode die
negative Spannung am GTO-Thyristor auf die Durchlaßspannung der Diode und der Stromanstieg
mit L1 nach dem Zünden des Schutzthyristors Th begrenzt wird.
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Nach Anspruch 6 kann die Spule L1 in den Kathodenkreis des Thyristors
Th eingefügt werden. Diese Maßnahme erfordert eine galvanische Trennung zwischen
dem Gate-Kreis des Thyristors Th und der Schaltung zur Zündimpulserzeugung.
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Schrifttum /1/ Marquardt, R. : Untersuchung von Stromrichterschaltungen
mit GTO-Thyristoren.
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Dissertation 09.12.1962; Universität Hannover /2/ Heumann, K. : Kapitel
1 Stromrichter aus HATTE, Taschenbücher der Technik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg,
1978.
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- L e e r s e i t e -