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WO2016091281A1 - Vorrichtung zur leistungsbegrenzung beim schalten einer last, schaltungsanordnung sowie verfahren - Google Patents

Vorrichtung zur leistungsbegrenzung beim schalten einer last, schaltungsanordnung sowie verfahren Download PDF

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WO2016091281A1
WO2016091281A1 PCT/EP2014/076915 EP2014076915W WO2016091281A1 WO 2016091281 A1 WO2016091281 A1 WO 2016091281A1 EP 2014076915 W EP2014076915 W EP 2014076915W WO 2016091281 A1 WO2016091281 A1 WO 2016091281A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
load
semiconductor switching
bidirectionally
blocking
switching device
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/076915
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Pfeifer
Yannick Fotsing
Karsten Handt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to PCT/EP2014/076915 priority Critical patent/WO2016091281A1/de
Publication of WO2016091281A1 publication Critical patent/WO2016091281A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/005—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection avoiding undesired transient conditions
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/043—Protection of over-voltage protection device by short-circuiting
    • 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
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/08104—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit in field-effect transistor switches
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    • H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
    • H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/163—Soft switching
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/168—Modifications for eliminating interference voltages or currents in composite switches

Definitions

  • the invention relates to a device for limiting an alternating current and / or an alternating voltage when switching a load, wherein the device comprises a switching device for switching the alternating voltage and / or the alternating current in a switching phase and a bridging device for bridging the switching device in an operating phase.
  • the invention also relates to a circuit arrangement and a method.
  • soft starters are usually used by means of which a targeted start-up current reduction and a continuous increase in torque can be realized.
  • Such soft starters usually comprise two antiparallel-connected thyristors or a triac.
  • Phase control of both thyristors, the motor voltage and / or a motor current is slowly raised within an adjustable start-up time and thus regulated the starting current and the torque.
  • the triac After a zero crossing of the alternating voltage or the alternating current, the triac does not conduct the starting current until the triac receives a renewed ignition pulse.
  • the load for example the motor, is supplied with the alternating current and / or the alternating voltage until the next zero crossing. from that
  • the alternating current or the starting current can be switched off only at a zero crossing of the alternating current and / or the alternating voltage.
  • the thyristors are usually connected by means of semiconductor relays or by-pass
  • An inventive device is used to limit an alternating current and / or an alternating voltage when switching a load.
  • the device has a switching device for switching the alternating voltage and / or the alternating current in a switching phase and a bridging device for bridging the switching device in an operating phase.
  • the switching device comprises a bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device, which is designed to switch off the AC voltage and / or the AC independently of a current phase angle of the AC voltage and / or the AC current.
  • the device has a protective circuit device for bridging the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device from a predetermined overvoltage in the switching phase.
  • the device which is also referred to below as a solid-state switch, so a load with, for example, provided by an energy source, electrical energy can be supplied.
  • the bidirectional blocking semiconductor switching device In a switching phase, so when switching on and / or off the load, the bidirectional blocking semiconductor switching device can be operated pulsed, whereby the AC or starting current supplied to the load can be switched on and off at any time.
  • the bidirectionally breakable semiconductor switching device can switch on and off the load current independently of a current phase of the alternating current and / or the alternating voltage. This means, in particular, that the bidirectionally non-conductive semiconductor switching device is designed to provide a
  • Alternating current and / or an alternating voltage in contrast to a triac, also switch off outside of a zero crossing of the alternating current and / or the alternating voltage.
  • an energy flow to the load can be interrupted immediately by immediate opening of the bidirectionally inhibitable semiconductor switching device.
  • the device or the solid-state switch can be operated in the continuous phase or in continuous operation.
  • the bidirectional lockable is
  • the bridging device can be used as a mechanical switch, for example as a power switch. lais, be executed. As a result, a load current can be conducted via the bridging device past the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device to the load.
  • a designed as a mechanical switch bridging device generally has lower Maiswider states as a semiconductor switching device. This results in the advantage that in continuous operation of the Vorrichtun the power loss in the bidirectional blocking semiconductor switching device is reduced and thus heating of the solid-state switch is reduced.
  • Said protective circuit device is designed to bridge the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device from a predetermined overvoltage, which can lead to destruction or damage to the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device.
  • overvoltages which are also referred to as voltage peaks, can occur, for example, when switching off inductive loads.
  • a control device may be provided.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device is designed to switch off a short circuit immediately, the device is designed particularly short-circuit proof.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device has an antiserial circuit of two IGBTs.
  • An IGBT insulated gate bipolar transistor
  • An IGBT is a bipolar transistor with an insulated control electrode, a so-called gate electrode, and combines the advantages of a bipolar transistor, namely a good on-state behavior and a high blocking voltage, with the advantages of a bipolar transistor Field effect transistor, namely the almost powerless control.
  • the bidirectionally non-conductive semiconductor switching device is designed for switching alternating currents and / or alternating voltages.
  • IGBTs are operated pulsed, a switching on and off of the IGBTs is possible at any time, that is independent of a current phase angle of the alternating current and / or the alternating voltage and thus closing and opening the bidirectional Sperrstateen Halbleiterschaltein- direction possible.
  • the bidirectionally breakable semiconductor switching device on an anti-parallel connection of two backward blocking IGBTs.
  • Backward blocking IGBTs so-called RB-IGBTs
  • the semiconductor switching device is advantageously designed to block alternating current.
  • it is possible to dispense with a freewheeling diode, which is necessary in the case of non-backward blocking IGBTs for realizing a reverse blocking capability. This leads above all to a reduction of the switching losses.
  • the device is thus particularly low loss and designed to save on components.
  • the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device has an antiserial circuit of two power MOSFETs.
  • Power MOSFETs also referred to as DMOS field effect transistors, have a vertical construction, unlike MOSFETs used in integrated circuits, for example, and are designed to conduct and block large currents and voltages. Power MOSFETs have particularly fast switching times.
  • the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device has an antiserial circuit of two junction field-effect transistors.
  • barrier layer Field effect transistors or JFETs Junction Field Effect Transistor are particularly easy to manufacture.
  • the said protective circuit device is designed to bridge the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device as of a breakdown voltage of the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device as the predetermined overvoltage. While a blocking voltage is present across the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device, the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device is in a blocking operation and can block a load current from the energy source to the load. In particular, only a small reverse current flows.
  • the said overvoltage, at which the protective circuit device turns on corresponds to the breakdown voltage of the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device or exceeds the breakdown voltage, a so-called breakdown can not occur in which the
  • the protective circuit device is designed to bridge the bidirectionally barrier-capable Halbleiterschaltein- direction by passing, for example, caused by the overvoltage overcurrent of the bidirectional blocking semiconductor switching device.
  • the protective circuit device preferably has a varistor for this purpose.
  • Resistor is a voltage-dependent resistor whose dif ferential resistance abruptly decreases from a certain threshold voltage.
  • the varistor is in particular dimensioned such that its differential resistance is abruptly smaller than the predetermined overvoltage as the threshold voltage. As soon as the predetermined overvoltage and thus the threshold voltage at the varis connected in parallel with the bidirectionally inhibitable semiconductor switching device gate is applied, a current flow is passed to the bidirectional blocking semiconductor switching device over the varistor.
  • Varistors have short response times and can also limit very short-term overvoltage nondestructively.
  • the protective circuit device has an RC element.
  • An RC element comprises a series connection of a resistor and a capacitor.
  • a protective circuit with an RC element is particularly well suited for alternating voltages and / or alternating currents, since a damping of high-frequency voltage peaks can be effected bidirectionally by the capacitor.
  • the protective circuit device has a gas absorber.
  • Gas ablators are gas discharge tubes which are used as surge arresters.
  • the Gasabieiter which is connected in parallel to the bidirectional blocking semiconductor switching device, behaves below an ignition voltage, which is adapted in the context of the invention, in particular to the predetermined overvoltage, such as an insulator and thus does not affect the bidirectional blocking semiconductor switching device in an advantageous manner.
  • the predetermined overvoltage is applied to the gas absorber, it ignites and passes an overcurrent caused by the overvoltage almost completely past the bidirectionally inhibitable semiconductor switching device.
  • the described protective circuit devices are in particular self-disconnecting, e.g. lock them if the voltage drops below the overvoltage.
  • the invention also includes a circuit arrangement with a load, a control device and at least one device according to the invention.
  • a polyphase electrical line may be provided and a device of the type described may be present in each phase.
  • the Load is electrically connected to the at least one device and the control device is designed to control the respective bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device of the at least one device and / or the respective bridging device of the device for opening and / or closing.
  • the load can be an inductive, an ohmic or a capacitive load.
  • An inductive load may be, for example, a three-phase asynchronous machine which can be supplied with three-phase alternating current or three-phase alternating current via three phases or three conductors, wherein each of the three phases can each have a device according to the invention.
  • the invention comprises a method for limiting an alternating current and / or an alternating voltage when switching a load.
  • a bidirectionally inhibitable semiconductor switching device When the load is switched on, a bidirectionally inhibitable semiconductor switching device is closed and then bridged by a bridging device and thus the load is operated in an operating phase.
  • the bridging device is bridged by the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device, then the bridging device is opened to terminate the operating phase and the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device is blocked for momentary-phase angle-independent blocking of the alternating current and / or the alternating voltage.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device can, for example, be operated pulsed, so that an alternating current and / or an alternating voltage is limited when the load is switched on. If, for example, a short circuit occurs or occurs during the switching on of the load, the bidirectionally breakable semiconductor switching device can block the alternating current and / or the alternating voltage independently of a momentary phase, ie from a current phase angle of the alternating current and / or the alternating voltage. Once the load with a predetermined operating voltage and / or a predetermined operating current is supplied, the load can be operated in the operating phase.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device is bridged by the bridging device, which may be designed, for example, as a mechanical switch.
  • a mechanical switch connected in parallel with the bidirectionally inhibitable semiconductor switching device can be closed as a bridging device.
  • the bidirectionally disabling semiconductor switching device can be opened, so that the alternating current and / or the alternating voltage is conducted to the load only via the bridging device.
  • the bridging device is bridged by the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device is closed, while the bridging device is still closed.
  • the bridging device is opened, as a result of which the alternating current and / or the alternating voltage is conducted via the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device.
  • a bridging device designed as a mechanical switch an arc is thus avoided or an arc duration reduced when the mechanical switch is opened.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device is also opened, whereby no AC and / or no AC voltage is fed to the load.
  • the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device can be bypassed by a protective circuit device when a predetermined overvoltage occurs.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a further embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • 4 shows a schematic illustration of a further embodiment of a circuit arrangement according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of the switching characteristics within an embodiment of the device according to the invention when a short circuit occurs during a switch-on phase of a load
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the switching characteristics within an embodiment of the device according to the invention when a short circuit occurs during an operating phase of a load.
  • Fig. 1 shows a device 1 for limiting an alternating current and / or an alternating voltage when switching a load, not shown here.
  • the device 1 constitutes a solid-state switch and comprises a bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device 2, a protective circuit device 3 connected in parallel with the bidirectionally-blocking semiconductor switching device 2 and a bypass device 4 connected in parallel with the bidirectionally-blocking semiconductor switching device 2 and the protective circuit device 3.
  • the bidirectional blocking semiconductor switching device 2 here comprises an antiserial circuit of a first IGBT 5 and a second IGBT 6.
  • Each of the IGBTs 5 and 6 has a control terminal or a gate terminal G, via which the IGBTs 5 and 6 can be controlled.
  • the gate terminal G may for example be connected to a driver circuit or control device, not shown here, which is designed to turn on and / or off the respective IGBT 5 and 6. Since IGBTs are usually limited in the reverse direction only limited, here between an emitter terminal E and a collector terminal C of each of the IGBTs 5 and 6 is provided in each case a freewheeling diode FD, which conducts in the reverse direction.
  • the bidirectionally breakable semiconductor switching device 2 is closed, that is, the IGBTs 5 and 6 are turned on, an alternating current and / or an alternating voltage can be applied across the bidirectionally breakable semiconductor switching device 2 are performed.
  • the protective circuit device 3 is designed here as a varistor and is designed to bridge the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device 2 from a predetermined overvoltage, which may occur, for example, as a so-called voltage peak when switching off an inductive load. While the bidirectionally breakable semiconductor switching device 2 is bridged by the protective circuit device 3, a current caused by the predetermined overvoltage can be conducted past the protective circuit device 3 to the bidirectionally inhibitable semiconductor switching device 2. Further possibilities for overvoltage limiting are so-called active clamping or monitoring of the collector-emitter voltage (U CE ) of the IGBTs 5 and 6.
  • the bridging device 4 is designed here as a relay or as bypass contacts and serves to bridge the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device 2 in an operating phase of the load. While the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device 2 is bridged by the bridging device 4, the alternating current for supplying the load or the load current can be passed over the bridging device 4 to the bidirectional blocking semiconductor switching device 2.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a device 1 according to the invention.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device 2 here has a parallel connection of a first backward blocking IGBT (RB-IGBT) 7 and a second backward blocking IGBT 8.
  • RB-IGBT backward blocking IGBT
  • IGBT 8 the freewheeling diodes FD according to FIG. 1 can be dispensed with.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a circuit arrangement 9 according to the invention with a load M.
  • the load M is here exemplified by an asynchronous three-phase machine.
  • the load M is operated via three phases or conductors LI, L2, L3 with a three-phase alternating current.
  • Each of the three conductors LI, L2, L3 has in each case a device 1, via which the load M is supplied with an alternating voltage and / or an alternating current.
  • Each of the devices 1 here has a bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device 2 according to FIG. To switch on the load M, eg to start up the
  • the bidirectional breakable semiconductor switching device 2 is first closed by at least two of the three conductors LI, L2, L3.
  • the IGBTs 5 and 6 of the respective bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device 2 can be driven pulsed to a
  • Soft start of the load M to enable.
  • a control device not shown here may be provided.
  • the bridging device 4 is galvanically isolated from the load M. If a short-circuit occurs during turn-on of the load M, the bidirectionally breakable semiconductor switching device 2 can be opened immediately, ie independently of a current phase of the alternating current and / or the alternating voltage, and the load M thereby switched off. An overvoltage occurring when switching off can be limited by the protective circuit device 3.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device 2 can be bridged by the respective bridging device 4. After bridging the respective bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device 2, this can be opened, that is, switched to a blocking state.
  • the load M is now operated in an operating phase and is only activated via the respective bridging direction 4 supplied with the alternating current and / or the alternating voltage.
  • the respective bi-directional blocking semiconductor switching device 2 is closed again, ie the IGBTs 5 and 6 are turned on. Subsequently, the respective bridging device 4 is galvanically separated from the load M.
  • a bridging device 4 designed as a relay during the opening of the relay, contact resistances at the respective relay rise in such a way that the respective IGBTs 5 and 6, ie the bidirectionally nonconductive semiconductor switching device 2, take over the carrying of the alternating current. As a result, the relay is switched off and there is no arc.
  • the respective IGBTs 5 and 6 are turned off.
  • the circuit 9 surges or so-called voltage peaks can arise, which can be limited by the respective protective circuit device 3.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a circuit arrangement 9 according to the invention, in which the three conductors L 1, L 2, L 3 have a device 1 according to FIG. 2.
  • FIG. 5 shows switching characteristics 10 and 11 of the bridging device 4 and the bidirectionally inhibitable semiconductor switching device 2 when a short circuit 12 occurs during a switch-on phase 13 of the load M.
  • the switching curve 10 corresponds to the switching curve of the bridging device 4 and the switching curve 11 corresponds to the switching curve of FIG bidirectionally blocking semiconductor switching device 2.
  • the switching curves 10 and 11 are plotted over the time t.
  • a respective switching state "1" means that the bidirectional blocking semiconductor switching device 2 or the bridging device 4 is closed.
  • a respective switching state "0" means that the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device 2 or the bridging device 4 is open
  • Semiconductor switching device 2 is closed to switch on the load M, that is to say into the switching state "1.”
  • the bridging device 4 is opened during the switch-on phase 13, thus has the switching state "0".
  • the alternating current and / or the alternating voltage is thus conducted to the load M only via the bidirectionally non-conductive semiconductor switching device 2.
  • the bidirectionally barrier-capable semiconductor switching device 2 is opened, that is to say placed in the switching state "0"
  • the bridging device 4 remains open, so that a flow of the alternating current to the load M is interrupted.
  • FIG. 6 shows the switching characteristics 10 and 11 of the bridging device 4 and of the bidirectionally inhibitable semiconductor switching device 2 during the occurrence of the short circuit 12 during an operating phase 14 of the load M over the time t.
  • the bi-directionally blocking-capable semiconductor switching device 2 is closed in the switch-on phase 13, that is, in the switching state "1", between times t 1 and .2
  • the lock-up device 4 is closed, so also in the switching state "1" offset.
  • the load M is in the operating phase. 14.
  • both the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device 2 and the bridging device 4 remain in the closed state.
  • the bidirectionally blocking-capable semiconductor switching device 2 is opened, that is to say placed in the switching state "0", while the bridging device 4 remains closed, ie the alternating current is only conducted to the load M via the bridging device 4.
  • the short-circuit 12 occurs
  • the bidirectionally breakable semiconductor switching device 2 is closed, that is put into the switching state "1”.
  • the bridging device 4 remains closed until a time t 5 in addition to the bidirectionally disabling semiconductor switching device 2 and is opened at time t 5 .
  • the alternating current is only passed through the bidirectional blocking semiconductor switching device 2, which is also opened at the time te. From the time te, the load M is no longer supplied with the alternating current and / or the alternating voltage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Begrenzung eines Wechselstromes und/oder einer Wechselspannung beim Schalten einer Last (M), wobei die Vorrichtung (1) eine Schalteinrichtung zum Schalten der Wechselspannung und/oder des Wechselstromes in einer Schaltphase und eine Überbrückungseinrichtung (4) zum Überbrücken der Schalteinrichtung in einer Betriebsphase (14) der Last (M) aufweist, wobei die Schalteinrichtung eine bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, die Wechselspannung und/oder den Wechselstrom unabhängig von einem momentanen Phasenwinkel der Wechselspannung und/oder des Wechselstromes abzuschalten, und die Vorrichtung (1) eine Schutzschaltungseinrichtung (3) zum Überbrücken der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung (2) ab einer vorbestimmten Überspannung in der Schaltphase aufweist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Leistungsbegrenzung beim Schalten einer Last, Schaltungsanordnung sowie Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung eines Wechselstromes und/oder einer Wechselspannung beim Schalten einer Last, wobei die Vorrichtung eine Schalteinrichtung zum Schalten der Wechselspannung und/oder des Wechselstromes in einer Schaltphase und eine Überbrückungseinrichtung zum Überbrücken der Schalteinrichtung in einer Betriebsphase aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren.
Es ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt, eine elektrische Leistung, beim Einschalten bzw. Ausschalten eines elektrischen Geräts, oder allgemein einer elektrischen Last, zu begrenzen. Hierzu können die elektrische Spannung und/oder der elektrische Strom begrenzt werden. Dies wird auch als Sanftanlauf bzw. als Sanftauslauf bezeichnet.
Zum Sanftanlauf bzw. Sanftauslauf von Lasten, beispielsweise von Motoren, werden in der Regel sogenannte Sanftstarter verwendet, mittels welcher eine gezielte AnlaufStromreduzierung sowie ein kontinuierlicher Drehmomentanstieg realisierbar ist .
Solche Sanftstarter umfassen üblicherweise zwei antiparallel geschaltete Thyristoren bzw. einen Triac. Durch eine
Phasenanschnittsteuerung beider Thyristoren wird die Motorspannung und/oder ein Motorstrom innerhalb einer einstellbaren Anlaufzeit langsam angehoben und somit der Anlaufstrom und das Drehmoment geregelt. Nach einem Nulldurchgang der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes leitet der Triac den Anlaufstrom so lange nicht, bis der Triac einen erneuten Zündimpuls erhält. Ab diesem Zeitpunkt wird die Last, beispielsweise der Motor, bis zum nächsten Nulldurchgang mit dem Wechselstrom und/oder der Wechselspannung versorgt. Daraus ergibt sich jedoch der Nachteil, dass der Wechselstrom bzw. der Anlaufstrom nur bei einem Nulldurchgang des Wechselstromes und/oder der Wechselspannung abgeschaltet werden kann. Bei bestehenden Kurzschlüssen, beispielsweise durch Kabel- Schäden oder durch einen Windungsschluss im Motor, müssen alle Bauelemente der Schaltungsanordnung, beispielsweise die Thyristoren, der Motor, die Halbleiterrelais und weitere elektronische Komponenten, den Kurzschlussstrom bis zum nächsten Nulldurchgang führen. Um einen Kurzschlussstrom zu begrenzen, werden gemäß dem Stand der Technik überdimensionierte Thyristoren eingesetzt oder spezielle Schmelzsicherungen vorgeschaltet.
Während einer Betriebsphase der Last werden die Thyristoren in der Regel mit Hilfe von Halbleiterrelais bzw. Bypass-
Kontakten überbrückt. Um die Betriebsphase der Last zu beenden, also um die Last auszuschalten, werden die Halbleiterrelais bzw. die Bypass-Kontakte geöffnet. Die dabei entstehenden Lichtbögen können zu einer Abnutzung der Relaiskontakte führen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Lösung bereitzustellen, mittels welcher eine Last sicher und zuverlässig geschaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren .
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Begrenzung eines Wechselstromes und/oder einer Wechselspannung beim Schalten einer Last. Die Vorrichtung weist eine Schalteinrichtung zum Schalten der Wechselspannung und/oder des Wechselstromes in einer Schaltphase und eine Überbrückungseinrichtung zum Überbrücken der Schalteinrichtung in einer Betriebsphase auf. Da- rüber hinaus umfasst die Schalteinrichtung eine bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Wechselspannung und/oder den Wechselstrom unabhängig von einem momentanen Phasenwinkel der Wechselspannung und/oder des Wechselstromes abzuschalten. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Schutzschaltungseinrichtung zum Überbrücken der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung ab einer vorbestimmten Überspannung in der Schaltphase auf .
Über die Vorrichtung, welche im Folgenden auch als Solid- State-Schalter bezeichnet wird, kann also eine Last mit einer, beispielsweise von einer Energiequelle bereitgestellten, elektrischen Energie versorgt werden.
In einer Schaltphase, also bei Einschalten und/oder Ausschalten der Last, kann die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung gepulst betrieben werden, wodurch der der Last zugeführte Wechselstrom bzw. Anlaufstrom jederzeit ange- schaltet und abgeschaltet werden kann. Die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung kann dabei den Laststrom unabhängig von einer momentanen Phase des Wechselstromes und/oder der Wechselspannung anschalten und abschalten. Dies bedeutet insbesondere, dass die bidirektional sperrfähi- ge Halbleiterschalteinrichtung dazu ausgelegt ist, einen
Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung im Gegensatz zu einem Triac auch außerhalb eines Nulldurchgangs des Wechselstromes und/oder der Wechselspannung abzuschalten. So kann beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses ein Energiefluss zur Last durch sofortiges Öffnen der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung sofort unterbrochen werden.
In einer Betriebsphase der Last kann die Vorrichtung bzw. der Solid-State-Schalter in der Dauerphase bzw. im Dauerbetrieb betrieben werden. Dabei ist die bidirektional sperrfähige
Halbleiterschalteinrichtung durch die Überbrückungseinrich- tung überbrückt. Die Überbrückungseinrichtung kann als ein mechanischer Schalter, beispielsweise als ein Leistungsre- lais, ausgeführt sein. Dadurch kann ein Laststrom über die Überbrückungseinrichtung an der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung vorbei zu der Last geführt werden. Eine als mechanischer Schalter ausgeführte Überbrückungseinrichtung weist in der Regel niedrigere Kontaktwider stände als eine Halbleiterschalteinrichtung auf. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass im Dauerbetrieb der Vorrichtun die Verlustleistung in der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung reduziert wird und somit eine Erwärmung des Solid-State-Schalters verringert wird.
Die genannte Schutzschaltungseinrichtung ist dazu ausgelegt, die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung ab einer vorgegebenen Überspannung, welche zu einer Zerstörung oder Schädigung der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung führen kann, zu überbrücken. Solche Überspannungen, welche auch als Spannungsspitzen bezeichnet werden, können beispielsweise beim Abschalten induktiver Lasten auftreten .
Um die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung zum Öffnen und/oder zum Schließen anzusteuern, kann beispielsweise eine Steuereinrichtung vorgesehen sein.
Somit kann in vorteilhafter Weise ein sicheres Einschalten und/oder Ausschalten einer Last mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden. Dadurch, dass die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Kurzschluss sofort abzuschalten, ist die Vorrichtung besonders kurzschlussfest gestaltet.
Besonders bevorzugt weist die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung eine Antiseriellschaltung zweier IGBTs auf. Ein IGBT (Insulated- Gate Bipolartransistor) ist ein Bipolartransistor mit einer isolierten Steuerelektrode, einer sogenannten Gate-Elektrode, und vereint die Vorteile eines Bipolartransistors, nämlich ein gutes Durchlassverhalten und eine hohe Sperrspannung, mit den Vorteilen eines Feldeffekttransistors, nämlich die nahezu leistungslose An- steuerung. Durch die Antiseriellschaltung der IGBTs ist die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung zum Schalten von Wechselströmen und/oder Wechselspannungen ausge- legt. Da IGBTs gepulst betrieben werden, ist jederzeit, also unabhängig von einem momentanen Phasenwinkel des Wechselstromes und/oder der Wechselspannung ein Einschalten und ein Ausschalten der IGBTs möglich und damit ein Schließen und ein Öffnen der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschaltein- richtung möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung eine Antiparallelschaltung zweier rückwärtsblockierender IGBTs auf. Rückwärtsblockierende IGBTs, sogenannte RB-IGBTs, sind sowohl in einer Vorwärtsrichtung als auch in einer Rückwärtsrichtung blockierfähig bzw. sperrfähig. Somit ist die Halbleiterschalteinrichtung in vorteilhafter Weise dazu ausgelegt, Wechselstrom zu sperren. Außerdem kann auf eine Frei- laufdiode verzichtet werden, welche bei nicht rückwärtsblockierenden IGBTs zur Realisierung einer Rückwärtssperrfähig- keit notwendig ist. Dies führt vor allem zu einer Reduzierung der Schaltverluste. Die Vorrichtung ist somit besonders verlustarm und bauteilsparend gestaltet.
Es kann vorgesehen sein, dass die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung eine Antiseriellschaltung zweier Leistungs-MOSFETs aufweist. Leistungs-MOSFETs , welche auch als DMOS-Feldeffekttransistoren bezeichnet werden, weisen im Gegensatz zu MOSFETs, welche beispielsweise in integrierten Schaltkreisen verwendet werden, einen vertikalen Aufbau auf und sind zum Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen ausgelegt. Leistungs-MOSFETs weisen besonders schnelle Schaltzeiten auf.
Auch kann vorgesehen sein, dass die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung eine Antiseriellschaltung zweier Sperrschicht-Feldeffekttransistoren aufweist. Sperrschicht- Feldeffekttransistoren bzw. JFETs (Junction Field- Effect Transistor) sind besonders einfach zu fertigen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die genannte Schutzschaltungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung ab einer Durchbruchspannung der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung als die vorbestimmte Überspannung zu überbrücken. Während über der bidirektional sperrfähigen Halblei- terschalteinrichtung eine Sperrspannung anliegt, befindet sich die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung in einem Sperrbetrieb und kann einen Laststrom von der Energiequelle zur Last blockieren. Insbesondere fließt lediglich ein geringer Sperrstrom.
Wenn die genannte Überspannung, bei welcher die Schutzschaltungseinrichtung durchschaltet, der Durchbruchspannung der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung entspricht oder die Durchbruchspannung übersteigt, kann es nicht zu einem sogenannten Durchbruch kommen, bei welchem der
Sperrstrom schlagartig ansteigt, obwohl die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung im Sperrbetrieb betrieben wird. Denn die Schutzschaltungseinrichtung ist dazu ausgelegt, die bidirektional sperrfähige Halbleiterschaltein- richtung zu überbrücken, indem sie beispielsweise einen durch die Überspannung hervorgerufenen Überstrom an der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung vorbeiführt.
Bevorzugt weist die Schutzschaltungseinrichtung hierzu einen Varistor auf. Ein Varistor bzw. ein VDR (Voltage Dependent
Resistor) ist ein spannungsabhängiger Widerstand, dessen dif- ferentieller Widerstand ab einer bestimmten Schwellspannung abrupt kleiner wird. Der Varistor ist dabei insbesondere derart dimensioniert, dass sein differentieller Widerstand ab der vorbestimmten Überspannung als die Schwellspannung abrupt kleiner wird. Sobald die vorbestimmte Überspannung und damit die Schwellspannung an dem parallel zu der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung geschalteten Varis- tor anliegt, wird ein Stromfluss an der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung vorbei über den Varistor geführt. Varistoren weisen kurze Ansprechzeiten auf und können auch sehr kurzzeitige Überspannungen zerstörungsfrei begrenzen .
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Schutzschaltungseinrichtung ein RC-Glied aufweist. Ein RC-Glied umfasst eine Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators. Eine Schutzbeschaltung mit einem RC-Glied ist besonders gut für Wechselspannungen und/oder Wechselströme geeignet, da durch den Kondensator eine Dämpfung hochfrequenter Spannungsspitzen bidirektional bewirkt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Schutzschaltungseinrichtung einen Gasabieiter aufweist. Gasabieiter sind Gasentladungsröhren, welche als Überspannungsabieiter eingesetzt werden. Der Gasabieiter, welcher parallel zu der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung geschaltet ist, verhält sich unterhalb einer Zündspannung, welche im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere an die vorbestimmte Überspannung angepasst ist, wie ein Isolator und beeinflusst somit die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung in vorteilhafter Weise nicht. Sobald die vorbestimmte Überspannung an dem Gasabieiter anliegt, zündet dieser und führt einen durch die Überspannung hervorgerufenen Überstrom nahezu vollständig an der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung vorbei .
Die beschriebenen Schutzschaltungseinrichtungen sind insbesondere selbstabschaltend, z.B. sperren sie, falls die Spannung unter die Überspannung fällt.
Zur Erfindung gehört außerdem eine Schaltungsanordnung mit einer Last, einer Steuereinrichtung und zumindest einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es kann z.B. eine mehrphasige elektrische Leitung bereitgestellt sein und in jeder Phase eine Vorrichtung der beschriebenen Art vorhanden sein. Die Last ist elektrisch mit der zumindest einen Vorrichtung verbunden und die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die jeweilige bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung der zumindest einen Vorrichtung und/oder die jeweilige Über- brückungseinrichtung der Vorrichtung zum Öffnen und/oder zum Schließen anzusteuern. Die Last kann dabei eine induktive, eine ohmsche oder eine kapazitive Last sein. Eine induktive Last kann beispielsweise eine Drehstrom-Asynchronmaschine sein, welche über drei Phasen bzw. drei Leiter mit einem Drehstrom bzw. einem Dreiphasenwechselstrom versorgbar ist, wobei jede der drei Phasen jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweisen kann.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Begrenzen eines Wechselstromes und/oder einer Wechselspannung beim Schalten einer Last. Dabei wird beim Einschalten der Last eine bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung geschlossen und anschließend von einer Überbrückungsein- richtung überbrückt und damit die Last in einer Betriebsphase betrieben. Alternativ oder zusätzlich wird beim Ausschalten der Last die Überbrückungseinrichtung von der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung überbrückt, dann die Überbrückungseinrichtung zum Beenden der Betriebsphase geöffnet und die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung zum Momentanphasenwinkel- unabhängigen Blockieren des Wechselstroms und/oder der Wechselspannung geöffnet.
Beim Einschalten der Last kann die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung beispielsweise gepulst betrieben werden, sodass ein Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung beim Einschalten der Last begrenzt wird. Falls während des Einschaltens der Last beispielsweise ein Kurzschluss vorliegt oder auftritt, kann die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung den Wechselstrom und/oder die Wechselspannung unabhängig von einer Momentanphase, d.h. von einem momentanen Phasenwinkel des Wechselstroms und/oder der Wechselspannung blockieren. Sobald die Last mit einer vorgegebenen Betriebsspannung und/oder einem vorgegebenen Betriebsstrom versorgt wird, kann die Last in der Betriebsphase betrieben werden. In der Betriebsphase wird die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung von der Überbrückungsein- richtung, welche beispielsweise als ein mechanischer Schalter ausgestaltet sein kann, überbrückt. Dazu kann z.B. ein parallel zu der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung geschaltete mechanische Schalter als Überbrückungs- einrichtung geschlossen werden. Nach Schließen der Überbrü- ckungseinrichtung kann die bidirektional sperrfähige Halblei- terschalteinrichtung geöffnet werden, sodass der Wechselstrom und/oder die Wechselspannung nur über die Überbrückungsein- richtung zu der Last geführt wird.
Zum Beenden der Betriebsphase wird die Überbrückungseinrich- tung von der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung überbrückt. Dabei wird zuerst die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung geschlossen, während die Überbrückungseinrichtung nach wie vor geschlossen ist. Nach Schließen der bidirektional sperrfähigen Halbleiter- schalteinrichtung wird die Überbrückungseinrichtung geöffnet, wodurch der Wechselstrom und/oder die Wechselspannung über die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung geführt wird. Bei einer als mechanischer Schalter ausgeführten Überbrückungseinrichtung wird somit bei Öffnen des mechani- sehen Schalters ein Lichtbogen vermieden bzw. eine Lichtbogendauer reduziert.
Schließlich wird die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung ebenfalls geöffnet, wodurch kein Wechsel- ström und/oder keine Wechselspannung zu der Last geführt wird .
Während dieser Schaltphasen (Einschalten/Ausschalten der Last) kann die bidirektional sperrfähige Halbleiterschaltein- richtung bei Auftreten einer vorbestimmten Überspannung von einer Schutzschaltungseinrichtung überbrückt werden. Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie für das erfindungsgemäße Verfahren. Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Aus- führungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Schaltverläufe innerhalb einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Auftreten eines Kurzschlusses während einer Einschaltphase einer Last; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Schaltverläufe innerhalb einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Auftreten eines Kurzschlusses während einer Betriebsphase einer Last.
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbil- den und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Begrenzen eines Wechselstromes und/oder einer Wechselspannung beim Schalten einer hier nicht dargestellten Last. Die Vorrichtung 1 stellt einen Solid-State-Schalter dar und umfasst eine bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2, eine parallel zu der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 geschaltete Schutzschaltungseinrichtung 3 und eine parallel zu der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 und der Schutzschaltungseinrichtung 3 geschaltete Überbrü- ckungseinrichtung 4.
Die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 umfasst hier eine Antiseriellschaltung eines ersten IGBTs 5 und eines zweiten IGBTs 6. Jeder der IGBTs 5 und 6 weist ei- nen Steueranschluss bzw. einen Gate-Anschluss G auf, über welchen die IGBTs 5 und 6 ansteuerbar sind. Dazu kann der Gate-Anschluss G beispielsweise mit einer hier nicht dargestellten Treiberschaltung oder Steuereinrichtung verbunden sein, welche dazu ausgelegt ist, den jeweiligen IGBT 5 und 6 einzuschalten und/oder auszuschalten. Da IGBTs üblicherweise in Rückwärtsrichtung nur begrenzt sperrfähig sind, ist hier zwischen einem Emitter-Anschluss E und einem Kollektor- Anschluss C jedes der IGBTs 5 und 6 jeweils eine Freilaufdiode FD vorgesehen, welche in Rückwärtsrichtung leitet. Wenn die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 geschlossen ist, d.h. die IGBTs 5 und 6 eingeschaltet sind, kann ein Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung über die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 geführt werden .
Die Schutzschaltungseinrichtung 3 ist hier als ein Varistor ausgestaltet und ist dazu ausgelegt, die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 ab einer vorbestimmten Überspannung, welche beispielsweise als eine sogenannte Spannungsspitze beim Ausschalten einer induktiven Last auftreten kann, zu überbrücken. Während die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 von der Schutzschaltungseinrichtung 3 überbrückt wird, kann ein durch die vorbestimmte Überspannung hervorgerufener Strom über die Schutzschaltungseinrichtung 3 an der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 vorbeigeführt werden. Weitere Möglichkei- ten zu einer Überspannungsbegrenzung ist das sogenannte Active Clamping oder eine Überwachung der Kollektor-Emitter- Spannung (UCE) der IGBTs 5 und 6.
Die Überbrückungseinrichtung 4 ist hier als ein Relais bzw. als Bypass-Kontakte ausgestaltet und dient zum Überbrücken der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 in einer Betriebsphase der Last. Während die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 von der Überbrückungseinrichtung 4 überbrückt wird, kann der Wechselstrom zur Versorgung der Last bzw. der Laststrom über die Überbrückungseinrichtung 4 an der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 vorbeigeführt werden.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung 1. Die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 weist hier eine Parallelschaltung eines ersten rückwärtsblockierenden IGBTs (RB-IGBTs) 7 und eines zweiten rückwärtsblockierenden IGBTs 8 auf. Durch den Einsatz der rückwärtsblockierenden IGBTs 7 und 8 kann auf die Freilaufdioden FD gemäß Fig. 1 verzichtet werden.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 9 mit einer Last M. Die Last M ist hier beispielhaft durch eine Asynchron-Drehstrommaschine gebildet. Die Last M wird über drei Phasen bzw. Leiter LI, L2, L3 mit einem Dreiphasenwechselstrom betrieben. Jeder der drei Leiter LI, L2, L3 weist jeweils eine Vorrichtung 1 auf, über welche die Last M mit einer Wechselspannung und/oder einem Wechselstrom versorgt wird. Jede der Vorrichtungen 1 weist hier eine bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 gemäß Fig. 1 auf. Zum Einschalten der Last M, also z.B. zum Hochlaufen der
Asynchron-Drehstrommaschine, wird zuerst die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 von zumindest zwei der drei Leiter LI, L2, L3 geschlossen. Dazu können die IGBTs 5 und 6 der jeweiligen bidirektional sperrfähigen Halbleiter- schalteinrichtung 2 gepulst angesteuert werden, um einen
Sanftanlauf der Last M zu ermöglichen. Zum Ansteuern der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 bzw. der IGBTs 5 und 6 kann beispielsweise eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung vorgesehen sein. Während der Ein- schaltphase der Last M ist die Überbrückungseinrichtung 4 galvanisch von der Last M getrennt. Falls während des Ein- schaltens der Last M ein Kurzschluss auftritt, kann die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 sofort, also unabhängig von einer momentanen Phase des Wechselstromes und/oder der Wechselspannung, geöffnet werden, und die Last M dadurch abgeschaltet werden. Eine beim Abschalten auftretende Überspannung kann durch die Schutzschaltungseinrichtung 3 begrenzt werden. Bei erfolgreichem, insbesondere kurzschlussfreiem, Anlaufen der Last M kann die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 von der jeweiligen Überbrückungseinrichtung 4 überbrückt werden. Nach Überbrücken der jeweiligen bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 kann diese geöffnet werden, d.h. in einen sperrenden Zustand geschaltet werden. Die Last M wird nun in einer Betriebsphase betrieben und wird nur über die jeweilige Überbrückungsein- richtung 4 mit dem Wechselstrom und/oder der Wechselspannung versorgt .
Zum Beenden der Betriebsphase wird die jeweilige bidirektio- nal sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 wieder geschlossen, also die IGBTs 5 und 6 eingeschaltet. Anschließend wird die jeweilige Überbrückungseinrichtung 4 galvanisch von der Last M getrennt. Bei einer als Relais ausgestalteten Überbrückungseinrichtung 4 steigen dabei während des Öffnens des Relais Kontaktwiderstände an dem jeweiligen Relais derart an, dass die jeweiligen IGBTs 5 und 6, also die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2, das Führen des Wechselstroms übernehmen. Dadurch wird das Relais ausschaltentlastet und es entsteht kein Lichtbogen.
Anschließend werden die jeweiligen IGBTs 5 und 6 ausgeschaltet. Durch Ausschalten der induktiven Last M oder durch Streuinduktivitäten in dem Kommutierungskreis der Schaltungsanordnung 9 können Überspannungen bzw. sogenannte Spannungs- spitzen entstehen, welche von der jeweiligen Schutzschaltungseinrichtung 3 begrenzt werden können.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge- mäßen Schaltungsanordnung 9, bei welcher die drei Leiter LI, L2, L3 eine Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 aufweisen.
Fig. 5 zeigt Schaltverläufe 10 und 11 der Überbrückungseinrichtung 4 und der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 bei Auftreten eines Kurzschlusses 12 wäh- rend einer Einschaltphase 13 der Last M. Der Schaltverlauf 10 entspricht dabei dem Schaltverlauf der Überbrückungseinrichtung 4 und der Schaltverlauf 11 entspricht dem Schaltverlauf der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2. Die Schaltverläufe 10 und 11 sind dabei über die Zeit t aufgetragen. Ein jeweiliger Schaltzustand „1" bedeutet dabei, dass die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 bzw. die Überbrückungseinrichtung 4 geschlossen ist. Ein jeweiliger Schaltzustand „0" bedeutet dabei, dass die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 bzw. die Überbrückungseinrichtung 4 geöffnet ist. Zu einem Zeitpunkt ti wird die bidirektional sperrfähige
Halbleiterschalteinrichtung 2 zum Einschalten der Last M geschlossen, also in den Schaltzustand „1" versetzt. Die Überbrückungseinrichtung 4 ist während der Einschaltphase 13 geöffnet, weist also den Schaltzustand „0" auf. Der Wechsel- ström und/oder die Wechselspannung wird also nur über die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 zu der Last M geführt. Während der Einschaltphase 13 zu einem Zeitpunkt .2 tritt hier der Kurzschluss 12 auf. Daraufhin wird die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 geöffnet, also in den Schaltzustand „0" versetzt, die Überbrückungseinrichtung 4 bleibt geöffnet. Ein Fluss des Wechselstromes zu der Last M ist somit unterbrochen .
Eine beim Öffnen bzw. Abschalten der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 auftretende Überspannung kann von der Schutzschaltungseinrichtung 3 begrenzt werden. Fig. 6 zeigt die Schaltverläufe 10 und 11 der Überbrückungseinrichtung 4 und der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 bei Auftreten des Kurzschlusses 12 während einer Betriebsphase 14 der Last M über die Zeit t aufgetragen .
Zum Einschalten der Last M wird in der Einschaltphase 13, also zwischen den Zeitpunkten ti und .2 , die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 geschlossen, also in den Schaltzustand „1" versetzt. Zum Zeitpunkt t2, wenn an der Last M beispielsweise eine vorgegebene Betriebsspannung anliegt, wird zusätzlich die Überbrückungseinrichtung 4 geschlossen, also auch in den Schaltzustand „1" versetzt. Ab dem Zeitpunkt t2 befindet sich die Last M in der Betriebspha- se 14. Bis zu einem Zeitpunkt t3 bleiben sowohl die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 als auch die Überbrückungseinrichtung 4 in dem geschlossenen Zustand. Zu dem Zeitpunkt ts wird die bidirektional sperrfähige Halblei- terschalteinrichtung 2 geöffnet, also in den Schaltzustand „0" versetzt, während die Überbrückungseinrichtung 4 geschlossen bleibt. Der Wechselstrom wird also nur noch über die Überbrückungseinrichtung 4 zur Last M geführt. Zu einem Zeitpunkt t4 während der Betriebsphase 14, tritt der Kurzschluss 12 auf. Zum Zeitpunkt t4 wird die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 geschlossen, also in den Schaltzustand „1" versetzt. Die Überbrückungseinrichtung 4 bleibt bis zu einem Zeitpunkt t5 zusätzlich zu der bi- direktional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung 2 geschlossen und wird zum Zeitpunkt t5 geöffnet. Der Wechselstrom wird nur noch über die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung 2 geführt, welche zum Zeitpunkt te ebenfalls geöffnet wird. Ab dem Zeitpunkt te wird die Last M nicht mehr mit dem Wechselstrom und/oder der Wechselspannung versorgt .
Insgesamt ist durch das Beispiel gezeigt, wie durch die Erfindung ein hybrides Solid-State-Relais bereitgestellt werden kann.
Bezugs zeichenliste
1 Vorrichtung
2 bidirektional sperrfähige Halbleiterschalt- einrichtung
3 Schutz Schaltungseinrichtung
4 Überbrückungseinrichtung
5 erster IGBT
6 zweiter IGBT
7 erster rückwärtsblockierender IGBT
8 zweiter rückwärtsblockierender IGBT
9 Schaltungsanordnung
10 Schaltverlauf
11 Schaltverlauf
12 Kurzschluss
13 Einschaltphase
14 Betriebsphase
FD Freilaufdiode
G Gate-Anschluss
E Emitter-Anschluss
C Kollektor-Anschluss
M Last
LI, L2, L3 Leiter
t Zeit
ti - te Zeitpunkte

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Begrenzung eines Wechselstromes
und/oder einer Wechselspannung beim Schalten einer Last (M) , wobei die Vorrichtung (1) eine Schalteinrichtung zum Schalten der Wechselspannung und/oder des Wechselstromes in einer Schaltphase und eine Überbrückungsein- richtung (4) zum Überbrücken der Schalteinrichtung in einer Betriebsphase (14) der Last (M) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalteinrichtung eine bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, die Wechselspannung und/oder den Wechselstrom unabhängig von einem momentanen Phasenwinkel der Wechselspannung und/oder des Wechselstromes abzuschalten, und die Vorrichtung (1) eine Schutz schaltungsein- richtung (3) zum Überbrücken der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung (2) ab einer vorbestimmten Überspannung in der Schaltphase aufweist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) eine Antiseriellschaltung zweier IGBTs (5, 6) aufweist.
3. Vorrichtung (l)nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrich- tung (2) eine Antiparallelschaltung zweier rückwärtsblockierender IGBTs (7, 8) aufweist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) eine Antiseriellschaltung zweier Leistungs- MOSFETs aufweist. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) eine Antiseriellschaltung zweier Sperrschicht- Feldeffekttransistoren aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschaltungseinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) ab einer Durchbruchspannung der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung (2) als die vorbestimmte Überspannung zu überbrücken .
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschaltungseinrichtung (3) einen Varistor aufweist . 8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschaltungseinrichtung (3) ein RC-Glied aufweist .
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschaltungseinrichtung (3) einen Gasabieiter aufweist . 10. Schaltungsanordnung (9) mit einer Last (M) , einer
Steuereinrichtung und zumindest einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Last (M) elektrisch mit der zumindest einen Vorrichtung (1) verbunden ist und die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die jeweilige bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) der zumindest einen Vorrichtung (1) und/oder die jeweilige Überbrückungseinrichtung (4) der Vorrichtung (1) zum Öffnen und/oder zum Schließen anzusteuern .
11. Verfahren zum Begrenzen eines Wechselstromes
und/oder einer Wechselspannung beim Schalten einer Last (M) ,
dadurch gekennzeichnet dass
beim Einschalten der Last (M) eine bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) zum Führen des Wechselstroms und/oder der Wechselspannung geschlossen wird und die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) von einer Überbrückungseinrichtung (4) überbrückt wird, und hierdurch die Last (M) in einer Betriebsphase (14) betrieben wird und/oder beim Ausschalten der Last (M) die Überbrückungseinrichtung (4) von der bidirektional sperrfähigen Halbleiterschalteinrichtung (2) überbrückt wird und die bidirektional sperrfähige Halbleiterschalteinrichtung (2) zum
momentanphasenwinkelunabhängigen Blockieren des Wechselstroms und/oder der Wechselspannung geöffnet wird.
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