WO2016188589A1

WO2016188589A1 - Spannungsgeführtes stromrichtermodul

Info

Publication number: WO2016188589A1
Application number: PCT/EP2015/061907
Authority: WO
Inventors: Jörg DORN; Herbert Gambach; Daniel Schmitt; Frank Schremmer; Michael Vieth; Marcus Wahle; Andreas Zenkner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2017-11-28
Also published as: CN208433908U; US20180166994A1

Abstract

Ein spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1), umfassend einen elektrischen Ladungsspeicher (14) und einen mit diesem verbundenen Halbleiterschalter (8) mit einem Kollektor (8k), einem Gate (8g) und einem Emitter (8e), wobei die Kollektor- Emitter-Strecke des Halbleiterschalters (8) in einen Strompfad (16) zwischen einem ersten und einem zweiten Wechselstromanschluss (2, 4) des Stromrichtermoduls (1) geschaltet ist, wobei die Wechselstromanschlüsse (2, 4) über einen Bypassschalter (20) verbindbar sind, soll im Fehlerfall eine Entstehung von Schäden minimieren und einen Weiterbetrieb des Multilevel-Stromrichters erlauben, ohne dass dafür jedoch ein extrem schneller Bypassschalter verwendet werden müsste. Dazu sind Kollektor (8k) und Gate (8g) des Halbleiterschalters (8) durch eine Schaltungsanordnung (22) verbunden, die derart ausgebildet ist, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle leitend wird.

Description

Beschreibung

Spannungsgeführtes Stromrichtermodul Die Erfindung betrifft ein spannungsgeführtes Stromrichter^¬ modul, umfassend einen elektrischen Ladungsspeicher und einen mit diesem verbundenen Halbleiterschalter mit einem Kollektor, einem Gate und einem Emitter, wobei die Kollektor-Emit^¬ ter-Strecke des Halbleiterschalters in einen Strompfad zwi- sehen einem ersten und einem zweiten Wechselstromanschluss des Stromrichtermoduls geschaltet ist, wobei die Wechsel^¬ stromanschlüsse über einen Bypassschalter verbindbar sind.

Stromrichter mit Stromrichtermodulen der genannten Art kommen heute vor allem in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) zur Anwendung, die insbesondere der Energieübertragung mittels Gleichstrom über weite Entfernungen - in der Regel Entfernungen von rund 750 km aufwärts - dient. Hierfür ist zwar ein vergleichsweise hoher technischer Aufwand für hoch- spannungstaugliche, aufwendige Stromrichter vonnöten, da elektrische Energie in Kraftwerken fast immer durch Synchron- Generatoren als Dreiphasenwechselstrom der Frequenz 50 Hz bzw. 60 Hz erzeugt wird. Allerdings führt die HGÜ ab bestimm^¬ ten Entfernungen trotz des technischen Aufwands und der zu- sätzlichen Konverterverluste zu in der Summe geringeren Übertragungsverlusten als die Übertragung mit Dreiphasenwechselstrom.

Hierzu ist es bekannt, Stromrichter zu verwenden, die eine Mehrzahl von in einer Reihe geschalteten spannungsgeführten

Stromrichtermodulen (englisch: Voltage-Source Converter, kurz VSC) umfassen (so genannte Multilevel-Stromrichter) . Unter einem VSC-Modul wird ein Modul verstanden, das einen Ladungs^¬ speicher in der Art einer Batterie umfasst, wobei der Span- nungswert an den Anschlüssen des Moduls durch entsprechende Ansteuerung von ebenfalls im Modul enthaltenen Halbleiterschaltern mit einer Steuerspannung variiert werden kann. Mit einer Reihe solcher VSC-Module ist es möglich, gestufte Span^¬ nungsverläufe zu generieren, deren Stufenhöhe der Nennspannung eines der VSC-Module entspricht, die letztlich die Ver^¬ bindung zwischen Wechsel- und Gleichstromseite bilden. Die Verwendung von VSC-Modulen anstatt der bisher üblichen netzgeführten Stromrichter (englisch: Line-commutated Converter, kurz LCC) bietet vielfältige Vorteile, siehe G. Gemmell, J. Dorn, D Retzmann, D. Soerangr, „Prospects of Multilevel VSC Technologies for Power Transmission", in IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition, Chicago, US, Ap^¬ ril 2008.

Als problematisch hat sich jedoch erwiesen, dass die in den VSC-Modulen verwendeten großen Ladungsspeicher im Fehlerfall (z. B. Schaltversagen eines Halbleiterschalters) schwer zu beherrschen sind, da hierbei ohne zusätzliche Sicherungsmaß^¬ nahmen die Energie unkontrolliert und schlagartig freigesetzt wird. Die elektrischen Komponenten des elektrischen Kreises sind im Fehlerfall meist nicht in der Lage, die Energien auf- zunehmen oder zu kontrollieren. Dies führt dann meist dazu, dass die elektrischen Schaltungen und insbesondere der Ladungsspeicher im Fehlerfall komplett zerstört werden (z. B. durch Explosion) . Bei der Zerstörung kann es zudem noch zu weiteren Folgeschäden der sonstigen Betriebsmittel kommen. Grund hierfür können elektrische Lichtbögen, enorme magneti^¬ sche Stromkräfte oder auch starke Verunreinigungen sein.

Somit muss bei entsprechend durch einen Fehlerzustand er^¬ reichter Überspannung der verbauten Betriebsmittel eine ei- gensichere Fehlerbegrenzung vorhanden sein, um die beschriebenen Worst-Case-Auswirkungen zu verhindern. In den beschriebenen Multilevel-Stromrichtern wird zudem noch gefordert, dass Fehlerfälle oder Ausfälle von Komponenten, die durch die verbaute Redundanz kompensiert werden können, auch so be- herrscht werden, dass ein Weiterbetrieb der Gesamtanlage im^¬ mer gewährleistet ist. Hierzu werden erstens - um die Schäden so gering wie möglich zu halten und auch die Konverterhalle nicht unnötig mit

Schmutz zu kontaminieren - die Halbleiterschalter mit einem Explosionsschutz versehen, so dass diese bei einem Schaltver- sagen und durch die enorme Energie, die dann auf VSC-Modul- ebene freigesetzt wird, in dieser Ummantelung explodieren können. Aufgrund der Explosionszelle werden dann keine Folge^¬ schäden bei den Nachbarmodulen verursacht. Zweitens wird in der Regel ein Bypassschalter vorgesehen, der das jeweilige VSC-Modul im Fehlerfall überbrückt. Dies ist erforderlich, da sonst die extrem hohen und schnellen Spannungsänderungen unter Umständen zu Schäden oder zur Zerstörung des Ladungsspeichers führen. Dies ist unbedingt zu ver- meiden. Da die Überladung der verwendeten Energiespeicher in heutigen Multilevel-Stromrichtern aufgrund der extrem hohen Betriebsströme in wenigen Millisekunden erfolgen kann, muss der verwendete Bypassschalter extrem schnell agieren um die beschriebenen Fehlerszenarien zu unterdrücken oder sehr stark zu begrenzen.

Um die benötigten Schließzeiten in mechanischen Bypassschal- tern mit einer hohen Stromtragfähigkeit (z. B. > 1000 A) zu realisieren, benötigt man z. B. einen mit pyrotechnischer Treibladung angetriebenen mechanischen Kurzschließer, wie er z. B. in der DE 10 2008 059 670 B3 beschrieben ist. Hier wirken als Schließverzugszeit lediglich die Massenträgheit des beweglichen Stromkontaktes und die Elektroniklaufzeiten (wenige ys) . Etwaige Feder-, Magnetrelais- oder sonstige mecha- nische Antriebe sind viel zu langsam und scheiden für diesen Anwendungsfall deshalb aus.

Nachteilig ist dabei jedoch augenscheinlich die Gefährdung, die von der Verwendung der genannten pyrotechnischen Treibla- düngen ausgeht. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein spannungsgeführtes Stromrichtermodul der eingangs genannten Art anzugeben, wel^¬ ches im Fehlerfall eine Entstehung von Schäden minimiert und einen Weiterbetrieb des Multilevel-Stromrichters erlaubt, oh- ne dass dafür jedoch ein extrem schneller Bypassschalter verwendet werden müsste.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem Kollektor und Gate des Halbleiterschalters durch eine Schaltungsanord- nung verbunden sind, die derart ausgebildet ist, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle leitend wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei der Entstehung von Schäden am VSC-Modul im Fehlerfall vor allem die Beschädigung und Zerstörung des elektrischen Ladungsspeichers zu vermeiden ist, während eine Beschädigung oder Zerstörung der Halbleiterschalter weit weniger Schaden verursacht und weniger komplex zu beheben ist. Um eine etwaige Überspannung in angeschlossenen Ladungsspeichern zu verhin- dern, können daher die eigentlichen Halbleiterschalter verwendet werden. Mindestens der zwischen den Wechselstromanschlüssen des VSC-Moduls angeordnete Halbleiterschalter wird passiv über eine Schaltungsanordnung verbunden, die zwischen dem jeweiligen Kollektor und dem Gate des Halbleiter- Schalters liegt, und die derart ausgebildet ist, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle leitend wird. Die Spannungsschwelle ist dabei auf die entsprechende Zünd^¬ überspannung angepasst, d. h. sie liegt mit entsprechend aus^¬ zulegendem Maß oberhalb der betriebsmäßigen Spannungen und schaltet den Halbleiterschalter so in den aktiven Bereich. Die thermische Zerstörung des Halbleiters durch den einige Mikrosekunden andauernden Betrieb im aktiven Bereich oder auch die thermische Zerstörung der Schaltungsanordnung durch die lange Bestromung wird dabei bewusst in Kauf genommen. Der herbeigeführte Querzünder verhindert zunächst das Überladen des Ladungsspeichers. Da nun die im Normalbetrieb schaltenden Halbleiter als Überspannungsbegrenzung herangezogen werden, ist das Problem der schnellen eigensicheren Entladung der Energiespeicher gelöst. Da die meisten heute verwendeten Halbleiter kein so genanntes Conduct-on-Fail-Verhalten zeigen und diese beim Kurzschließen von großen Energiemengen und extremen Leistungsdichten praktisch immer komplett zerstört werden, muss das längerfristige Bypassverhalten immer noch durch einen zusätzlichen Bypass- schalter bewerkstelligt werden. Dieser kann aber sehr viel langsamer und damit technisch einfacher ausgeführt sein, als dies bislang der Fall ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist das spannungsgeführte Stromrichtermodul als Halbbrückenmodul ausgebildet. Ein der- artiges Modul umfasst in der Regel nur zwei Halbleiterschal^¬ ter, von denen nur ein einziger zwischen den beiden Wechselstromanschlüssen des VSC-Moduls angeordnet ist. Für die be^¬ schriebene Funktionalität ist es ausreichend, wenn dieser Halbleiterschalter mit der oben beschriebenen Schaltungsan- Ordnung ausgestattet ist. Unter dem Begriff Halbleiterschal^¬ ter wird dabei auch eine funktionale Einheit mehrerer Schal^¬ ter verstanden, die z. B. zur Erhöhung ihrer Leistungsfähigkeit parallel geschaltet sind, aber stets gemeinsam geschal^¬ tet, d. h. angesteuert werden. Hierbei muss die beschriebene Schaltungsanordnung abhängig von der genauen Ausgestaltung der funktionalen Einheit so angeordnet werden, dass die funktionale Einheit bei einer Überspannung aufgesteuert wird. Hierzu kann es z. B. bei einer parallelen Schaltung mehrerer gemeinsam angesteuerter Leistungsschalter als funktionale Halbleiterschaltereinheit ausreichend sein, nur einen der

Leistungsschalter zu öffnen. Sind in der funktionalen Einheit die Gates der Leistungsschalter verbunden, werden aber ohnehin alle Leistungsschalter durch die Schaltungsanordnung geöffnet .

In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung ist das spannungsgeführte Stromrichtermodul als Vollbrückenmodul oder als Clamp-Doppelsubmodul ausgebildet. Letztere sind dem Fachmann beispielsweise aus der DE 10 2009 057 288 AI bekannt. In der^¬ artigen Modulen sind in der Regel zwei mögliche Strompfade zwischen den beiden Wechselstromanschlüssen vorhanden, die jeweils eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern mit jeweils einem Kollektor, einem Gate und einem Emitter aufweisen. In diesem Fall sind für mindestens einen dieser Strompfade bei jedem Halbleiterschalter, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in den Strompfad geschaltet ist, Kollektor und Gate des jeweili- gen Halbleiterschalters durch eine entsprechende Schaltungs^¬ anordnung verbunden, die derart ausgebildet ist, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle leitend wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass über zumindest einen

Strompfad die Überbrückung durch die Halbleiter gewährleistet ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des spannungsgeführ- ten Stromrichtermoduls sind bei jedem Halbleiterschalter des Moduls Kollektor und Gate des jeweiligen Halbleiterschalters durch eine entsprechende Schaltungsanordnung verbunden, die derart ausgebildet ist, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle leitend wird. Mit anderen Worten: Alle Halbleiterschalter bekommen die gleiche Schaltung. Dadurch funktioniert die schnelle Überbrückung auch bei Ausfall der normalen Gateansteuerung egal welchen Halbleiterschalters.

Zweckmäßigerweise umfasst die jeweilige Schaltungsanordnung eine Suppressordiode oder eine Suppressordiodenkette . Diese weisen exakt die für die hier beschriebene Anwendung benötig- te Charakteristik auf, sie werden nämlich leitend, sobald eine bestimmte Spannungsschwelle überschritten ist. Durch An^¬ ordnung in einer seriell verschalteten Kette kann die Schaltungsanordnung für quasi beliebige Spannungen angepasst werden .

In der Tat stellen die Suppressordioden alle benötigten Eigenschaften zur Verfügung, so dass es ausreicht, dass die je- weilige Schaltungsanordnung vorteilhafterweise aus der Supp- ressordiode oder der Suppressordiodenkette besteht und keine weiteren Bauteile umfasst. Der elektrische Ladungsspeicher des spannungsgeführten Stromrichtermoduls ist vorteilhafterweise ein Kondensator.

Der jeweilige Halbleiterschalter des spannungsgeführten

Stromrichtermoduls ist vorteilhafterweise ein Transistor, insbesondere ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) . Dies gilt insbesondere für jeden der Halbleiterschalter. IGBTs eignen sich besonders für die hier vorgesehe^¬ ne Anwendung im Hochleistungsbereich, da sie über eine hohe Vorwärts-Sperrspannung (derzeit bis 6,5 kV) verfügen und hohe Ströme (bis etwa 3 kA) schalten können. Für die Schaltung hoher Ströme können auch mehrere Transistoren parallel geschal^¬ tet werden.

Der Bypassschalter des spannungsgeführten Stromrichtermoduls ist vorteilhafterweise als mechanischer Schalter, z. B. als Federschalter oder Magnetschalter ausgebildet. Durch die schnelle Überbrückung im Fehlerfall über die Halbleiterschal^¬ ter selbst ist wie beschrieben eine Beschädigung des Ladungs^¬ speichers vermieden und der Bypass kann über einen derartigen langsameren und weniger aufwändigen Schalter geschaltet werden .

Das spannungsgeführte Stromrichtermodul umfasst hierzu vor^¬ teilhafterweise eine Steuereinheit für den Bypassschalter, die derart ausgebildet ist, dass sie den Bypassschalter bei Erkennen einer Fehlfunktion eines der Halbleiterschalter schließt .

Ein spannungsgeführtes Stromrichtermodul, welches wie be- schrieben für Multilevel-Stromrichter in der HGÜ-Technik zur Anwendung kommt, ist vorteilhafterweise für eine Nennspannung von mehr als 800 V und/oder einen Nennstrom von mehr als 500 A ausgelegt.

Ein Stromrichter umfasst vorteilhafterweise eine Mehrzahl von an ihren jeweiligen Wechselstromanschlüssen in einer Reihe geschalteten spannungsgeführten Stromrichtermodulen, die wie oben beschrieben ausgebildet sind.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re darin, dass durch die Anordnung einer Durchbruchschaltung, insbesondere einer Suppressordiodenkette zwischen Kollektor und Gate eines Halbleiterschalters in einem VSC-Modul eines Multilevel-Stromrichters im Fehlerfall (Ausfall des einzelnen VSC-Moduls) ein Durchbruch der Suppressordiodenkette erfolgt und das Gate des entsprechend angeschlossenen Halbleiters aufgesteuert wird. Dieser wird dadurch leitend und die Span^¬ nung im Energiespeicher wird begrenzt, bis es zum beabsichtigten Brückenkurzschluss durch den Bypassschalter kommt. Dieser überbrückt die fehlerhafte Leistungselektronik bis zum nächsten Wartungsintervall. In dieser Zeit ist eine sichere Herstellung eines dauerhaft geschlossenen Bypass-Zweiges ge^¬ währleistet .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeich- nungen näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen schematischen Schaltplan eines Halbbrücken-

VSC-Moduls mit Suppressordiodenkette an nur einem

IGBT,

FIG 2 einen schematischen Schaltplan eines Halbbrücken- VSC-Moduls mit Suppressordiodenkette an beiden IG-

BTs,

FIG 3 einen schematischen Schaltplan eines Vollbrücken- VSC-Moduls mit Suppressordiodenkette an vier IGBTs, FIG 4 einen schematischen Schaltplan eines Multilevel- Stromrichters , und

FIG 5 einen schematischen Schaltplan eines Clamp-Doppel- sub-VSC-Moduls mit Suppressordiodenkette an vier

IGBTs .

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei^¬ chen versehen.

FIG 1 zeigt den Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines spannungsgeführten Stromrichtermoduls 1 in einer Halb^¬ brückenschaltung, die vergleichsweise einfach aufgebaut ist, dafür aber hinsichtlich ihrer Schaltmöglichkeiten einge- schränkt. Das Stromrichtermodul 1 hat zwei externe Wechsel^¬ stromanschlüsse 2, 4, mit denen mehrere Stromrichtermodule 1 in Reihe geschaltet werden, wie in FIG 4 noch näher erläutert wird. Das Stromrichtermodul 1 umfasst im Ausführungsbeispiel zwei Halbleiterschalter 6, 8 in Form von normalleitenden Bi- polartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch:

Insulated-Gate bipolar Transistor, kurz IGBT) , denen jeweils eine Freilaufdiode 10, 12 gegenläufig parallel geschaltet ist. Prinzipiell sind aber auch andere Arten von Transistoren verwendbar .

In der FIG 1 und den folgenden Zeichnungen sind die Halbleiterschalter 6, 8 nur als jeweils einzelne IGBTs dargestellt. Selbstverständlich kann dies aber auch nur repräsentativ für mehrere IGBTs stehen, die eine funktionale Einheit bilden, d. h. die z. B. parallel geschaltet sind und deren Gates mit^¬ einander verbunden sind oder gemeinsam angesteuert werden.

Die Halbleiterschalter 6, 8 sind mit einem Ladungsspeicher 14 in Form eines Kondensators als zentrales Element in der Art einer Halbbrücke verschaltet, d. h. die beiden Halbleiter^¬ schalter 6, 8 sind in gleicher Richtung seriell geschaltet und bilden mit dem Ladungsspeicher 14 einen Kreis. Die Halb- leiterschalter 6, 8 weisen jeweils einen Kollektor 6k, 8k, ein Gate 6g, 8g, und einen Emitter 6e, 8e auf. Der erste Wechselstromanschluss 2 ist mit der Verbindung zwischen Emit^¬ ter 6e des ersten Halbleiterschalters 6 und Kollektor 8k des zweiten Halbleiterschalters 8 des Kreises verbunden. Der zweite Wechselstromanschluss 4 ist mit der Verbindung zwi^¬ schen Emitter 8e des zweiten Halbleiterschalters und Ladungs^¬ speicher 14 verbunden. Der Halbleiterschalter 8 ist somit mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke in den Strompfad 16 zwischen den beiden Wechselstromanschlüssen 2, 4 geschaltet.

Die Halbleiterschalter 6, 8 sind mittels einer elektronischen Ansteuerung 18 einzeln ansteuerbar/schaltbar. Diese ist in FIG 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für den Halblei- terschalter 8 dargestellt, der Halbleiterschalter 6 weist eine ebensolche Ansteuerung auf. Die Ansteuerung vermag über externe Steuerimpulse den angeschlossenen IGBT ein oder auszuschalten. In einer Ausführungsform kann hierbei eine baulich realisierte Verriegelung vorhanden sein, die ein gleich- zeitiges Schalten beider Halbleiter 6, 8 verhindert. Dadurch kann die am Ladungsspeicher 14 anliegende Spannung U auf die Wechselstromanschlüsse 2, 4 geschaltet werden. Zwischen den Wechselstromanschlüssen 2, 4 liegt demnach je nach Schaltzustand der Halbleiterschalter 2, 4 die Spannung +U oder 0 V an. Jede Stromrichtung ist dabei möglich. Durch die Reihenschaltung mehrerer Stromrichtermodule 1 kann so ein gestufter Spannungsverlauf erzeugt werden, wie anhand von FIG 4 noch erläutert wird. Im Fehlerfall eines der Halbleiterschalter 6, 8, insbesondere hier des Halbleiterschalters 8, kann es zu einer Überladung des Ladungsspeichers 14 kommen. Dies muss die Steuerelektro^¬ nik schnell erkennen und einen Bypassschalter 20 schließen, der die beiden Wechselstromanschlüsse 2, 4 verbindet. Dadurch wird das Stromrichtermodul 1 überbrückt und die Anlage kann bis zur nächsten Wartung weiter betrieben werden. Die Überbrückung muss jedoch sehr schnell erfolgen. Damit dennoch langsamere mechanische Bypassschalter 20 einge^¬ setzt werden können, ist der Kollektor 8k des Halbleiterschalters 8 über eine Schaltungsanordnung 22 mit dem Gate 8g verbunden, die aus einer Reihe von Suppressordioden 24 besteht. Wird somit die Spannung zwischen Kollektor 8k und Gate 8g aufgrund des NichtaufSchaltens des Halbleiterschalters 8 zu groß, brechen die Suppressordioden 24 durch und das Gate 8g wird mit der Spannung am Kollektor 8g verbunden. Dadurch wird ein Stromfluss durch den Halbleiterschalter 8 hergestellt, der ggf. mit einer Zerstörung des Halbleiterschalters 8 und der Suppressordioden 24 einhergeht, aber kurzfristig eine Zerstörung des Ladungsspeichers 14 verhindert, bis der Bypassschalter 20 geschlossen ist. Der Ladungsspeicher 14 bleibt somit intakt.

In einer zweiten Ausführungsform eines spannungsgeführten Stromrichtermoduls 1 gemäß FIG 2, die nur anhand der Unter^¬ schiede zu FIG 1 erläutert wird, ist auch die bereits be- schriebene Ansteuerung 26 des Halbleiterschalters 6 darge^¬ stellt. Hier ist zusätzlich auch beim Halbleiterschalter 6 der Kollektor 6k über eine identische Schaltungsanordnung 28 mit dem Gate 6g verbunden, die aus einer Reihe von Suppress^¬ ordioden 30 besteht.

FIG 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, nämlich den Schaltplan eines Stromrichtermoduls 1 in einer Vollbrücken- schaltung. Auch hier hat das Stromrichtermodul zwei Wechsel^¬ stromanschlüsse 2, 4, umfasst aber vier Halbleiterschalter 6, 8, 32, 34, denen wiederum jeweils eine Freilaufdiode 10, 12, 36, 38 zum Schutz vor einer Überspannung beim Abschalten parallel geschaltet ist. Die Halbleiterschalter 32, 34 sind identisch zu den Halbleiterschaltern 6, 8 wie in FIG 1 und 2 ausgeführt .

Die Halbleiterschalter 6, 8, 32, 34 sind mit dem Kondensator 14 als zentrales Element in der Art einer Vollbrücke ver- schaltet, d. h. jeweils zwei in gleicher Richtung seriell ge^¬ schaltete Halbleiterschalter 6, 8 sowie Halbleiterschalter 32, 34, zwischen denen einer der Wechselstromanschlüsse 2 bzw. 4 angeordnet ist, sind in gleicher Richtung miteinander und zum Kondensator 14 parallel geschaltet. Zwischen den

Wechselstromanschlüssen 2, 4 liegt demnach je nach Schaltzustand der Halbleiterschalter 6, 8, 32, 34 entweder +U, -U oder 0 V an. Jede Stromrichtung ist dabei möglich. Auch im Ausführungsbeispiel der FIG 3 ist ein Bypassschalter 20 zwischen den Wechselstromanschlüssen 2, 4 vorgesehen; die Ansteuerungen der Halbleiterschalter 6, 8, 32, 34 sind nicht dargestellt. Bei jedem Halbleiterschalter 6, 8, 32, 34 ist der jeweilige Kollektor 6k, 8k, 32k, 34k über eine identische Schaltungsanordnung 22, 28, 40, 42 mit dem jeweiligen Gate 6g, 8g, 32g, 34g verbunden, die aus jeweils einer Reihe von Suppressordioden 24, 30, 44, 46 besteht.

In der Ausführungsform der FIG 3 ergeben sich zwei mögliche Strompfade 16, 48 zwischen den beiden Wechselstromanschlüssen 2, 4. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform können auch nur die Halbleiterschalter 6, 32 oder 8, 34 eines Strompfades 48 bzw. 16 mit den Schaltungsanordnungen 28, 40 bzw. 22, 42 versehen sein.

FIG 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 50 in einer schematischen Darstellung. Der Stromrichter 50 weist sechs Leistungshalbleiterventile 52 aufweist, die in einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind. Jedes der Leis- tungshalbleiterventile 52 erstreckt sich zwischen einem der drei Drehstromanschlüsse 54, 56, 58 und einem der zwei

Gleichstromanschlüsse 60, 62.

Für jede Phase des Wechselspannungsnetzes ist ein Drehstrom- anschluss 54, 56, 58 vorgesehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Wechselspannungsnetz dreiphasig. Somit weist auch der Stromrichter 50 drei Drehstromanschlüsse 54, 56, 58 auf. Der Stromrichter 50 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel Teil einer Hochspannungsgleichstromübertra- gungsanlage und dient zur Verbindung von Wechselspannungsnet^¬ zen, um zwischen diesen hohe elektrische Leistungen zu über- tragen. An dieser Stelle sei jedoch erwähnt, dass der Stromrichter 50 auch Teil einer so genannten FACTS-Anlage sein kann, die zur Netzstabilisierung oder Sicherung einer gewünschten Spannungsqualität dient. Darüber hinaus ist auch eine Verwendung des Stromrichters 50 in der Antriebstechnik möglich.

Jedes der Leistungshalbleiterventile 52 in der FIG 4 ist identisch ausgebildet und umfasst eine Reihenschaltung aus Stromrichtermodulen 1 sowie eine Drossel 64. Die Stromrich- termodule 1 sind gemäß einem der zu FIG 1 bis FIG 3 beschrie^¬ benen Ausführungsbeispiele ausgebildet, oder aber gemäß dem Ausführungsbeispiel welches im Folgenden in Bezug auf FIG 5 beschrieben wird. Die in FIG 5 dargestellte Ausführungsform eines Stromrichtermoduls 1 ist als so genanntes Clamp-Doppelsubmodul ausgebil^¬ det. Sie wird anhand der Unterschiede zur Ausführungsform nach der FIG 3 beschrieben. Im Clamp-Doppelsubmodul ist im Wesentlichen die zentrale An^¬ ordnung und Verschaltung des Ladungsspeichers 14 aus der FIG 3 geändert: Im Ausführungsbeispiel der FIG 3, einem Voll- brückenmodul , ist der Ladungsspeicher 14 in eine Verbindungs^¬ leitung zwischen dem Strompfad 16 und dem Strompfad 48 ge- schaltet. Im Clamp-Doppelsubmodul gemäß der FIG 5 sind zu^¬ nächst zwei separate Ladungsspeicher 14a, 14b vorgesehen, die parallel in jeweils eine separate Verbindungsleitung zwischen dem Strompfad 16 und dem Strompfad 48 geschaltet sind. Zwi^¬ schen den beiden genannten Verbindungsleitungen mit dem La- dungsspeichern 14a, 14b sind im Strompfad 16 eine Potenzial^¬ trennungsdiode 66 sowie ein Begrenzungswiderstand 68 angeord- net. Der Strompfad 48 verfügt ebenfalls über eine Potenzial^¬ trennungsdiode 70 sowie über einen Begrenzungswiderstand 72.

Der Strompfad 16 ist mit dem Strompfad 48 über einen Schalt- zweig 74 verbunden, in dem ein weiterer Halbleiterschalter 76 angeordnet ist. Dieser ist ebenso wie die übrigen Halbleiter^¬ schalter 76 als IGBT mit entsprechendem Kollektor 76k, Gate 76g und Emitter 76e ausgestaltet und ihm ist gegensinnig pa^¬ rallel eine Freilaufdiode 78 geschaltet. Die Ansteuerung des Halbleiterschalters 76 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Der Schaltzweig 74 verbindet die Kathodenseite der Potenzial^¬ trennungsdiode 66 mit der Anodenseite der Potenzialtrennungs- diode 70, wobei der zwischen der besagten Anode und dem

Schaltzweig 74 angeordnete Begrenzungswiderstand 72 vernach^¬ lässigt wurde.

Das spannungsgeführte Stromrichtermodul 1 gemäß der FIG 5 er- möglicht aufgrund des zusätzlichen Halbleiters 76 im Schalt^¬ zweig 74 und der daraus resultierenden zusätzlichen Stromwege eine Vielzahl von Spannungszuständen an seinen Ausgangsklemmen, die besonders bei Fehlerzuständen des Gesamtstromrichters verwendet werden können, um diesen beherrschbarer zu ma- chen. Der zentrale, soeben beschriebene Halbleiterschalter 76 ist nicht mit einer zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung versehen, da bei seinem Ausfall auch durch die übrigen Halbleiterschalter 6, 8, 32, 34 eine Entladung der Ladungsspeicher 14a, 14b sichergestellt werden kann. Hierzu ist analog zu FIG 3 bei den Halbleiterschaltern 6, 8, 32, 34 der jeweilige Kollektor 6k, 8k, 32k, 34k über eine identische Schaltungsanordnung 22, 28, 40, 42 mit dem jeweiligen Gate 6g, 8g, 32g, 34g verbunden, die aus jeweils einer Reihe von Suppress- ordioden 24, 30, 44, 46 besteht. Bezugs zeichenliste

1 Spannungsgeführtes Stromrichtermodul

2, 4 Wechselstromanschluss

6, 8 Halbleiterschalter

6e, 8e Emitter

6g, 8g Gate

6k, 8k Kollektor

10, 12 Freilaufdiode

14,

14a, 14b Ladungsspeicher

16 Strompfad

18 Ansteuerung

20 Bypassschalter

22 Schaltungsanordnung

24 Suppressordiode

26 Ansteuerung

28 Schaltungsanordnung

30 Suppressordiode

32, 34 Halbleiterschalter

32e, 34e Emitter

32g, 34g Gate

32k, 34k Kollektor

36, 38 Freilaufdiode

40, 42 Schaltungsanordnung

44, 46 Suppressordiode

48 Strompfad

50 Stromrichter

52 Leistungshalbleiterventil

54, 56, 58 Drehstromanschluss

60, 62 Gleichstromanschluss

64 Drossel

66 Potentialtrennungsdiode

68 Begrenzungswiderstand

70 Potentialtrennungsdiode

72 Begrenzungswiderstand

74 Schaltzweig Halbleiterschaltere Emitter

g Gate

k Kollektor

Freilaufdiode

Claims

Patentansprüche

1. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1), umfassend einen elektrischen Ladungsspeicher (14) und einen mit diesem ver- bundenen Halbleiterschalter (8) mit einem Kollektor (8k), einem Gate (8g) und einem Emitter (8e), wobei die Kollektor- Emitter-Strecke des Halbleiterschalters (8) in einen Strom^¬ pfad (16) zwischen einem ersten und einem zweiten Wechsel- stromanschluss (2, 4) des Stromrichtermoduls (1) geschaltet ist, wobei die Wechselstromanschlüsse (2, 4) über einen By- passschalter (20) verbindbar sind,

wobei Kollektor (8k) und Gate (8g) des Halbleiterschalters (8) durch eine Schaltungsanordnung (22) verbunden sind, die derart ausgebildet ist, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle leitend wird.

2. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 1, welches als Halbbrückenmodul ausgebildet ist.

3. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 1, welches als Vollbrückenmodul oder als Clamp-Doppelsubmodul ausgebildet ist und welches eine Mehrzahl von Halbleiter^¬ schaltern (6, 8, 32, 34) mit jeweils einem Kollektor (6k, 8k, 32k, 34k), einem Gate (6g, 8g, 32g, 34g) und einem Emitter (6e, 8e, 32e, 34e) aufweist, wobei bei jedem Halbleiterschal^¬ ter (6, 8, 32, 34), dessen Kollektor-Emitter-Strecke in den Strompfad geschaltet ist, Kollektor (6k, 8k, 32k, 34k) und Gate (6g, 8g, 32g, 34g) des jeweiligen Halbleiterschalters (6, 8, 32, 34) durch eine Schaltungsanordnung (22, 28, 40, 42) verbunden sind, die derart ausgebildet ist, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle leitend wird.

4. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei jedem Halbleiterschal- ter (6, 8, 32, 34) Kollektor (6k, 8k, 32k, 34k) und Gate (6g, 8g, 32g, 34g) des jeweiligen Halbleiterschalters (6, 8, 32, 34) durch eine Schaltungsanordnung (22, 28, 40, 42) verbunden sind, die derart ausgebildet ist, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Spannungsschwelle leitend wird.

5. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die jeweilige Schaltungsanordnung (22, 28, 40, 42) eine Suppressordiode (24, 30, 44, 46) oder eine Suppressordiodenkette umfasst.

6. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 5, bei dem die jeweilige Schaltungsanordnung (22, 28, 40, 42) aus der Suppressordiode (24, 30, 44, 46) oder der Suppressordiodenkette besteht.

7. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Ladungs^¬ speicher (14) ein Kondensator ist.

8. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul nach einem der vor^¬ hergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterschalter (6, 8, 32, 34) ein Transistor ist.

9. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach Anspruch 8, bei dem der Transistor ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ist.

10. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bypassschalter (20) als mechanischer Schalter ausgebildet ist.

11. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Steuereinheit für den Bypassschalter (20), die derart ausgebildet ist, dass sie den Bypassschalter (20) bei Erkennen einer Fehlfunktion eines der Halbleiterschalter (6, 8, 32, 34) schließt.

12. Spannungsgeführtes Stromrichtermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches für eine Nennspannung von mehr als 800 V und/oder einen Nennstrom von mehr als 500 A ausgelegt ist.

13. Stromrichter, umfassend eine Mehrzahl von an ihren jewei- ligen Wechselstromanschlüssen (2, 4) in einer Reihe geschalteten spannungsgeführten Stromrichtermodulen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.