CH673338A5

CH673338A5 -

Info

Publication number: CH673338A5
Application number: CH4744/86A
Authority: CH
Inventors: Loren Haines Walker; Georges Robert Eugene Lezan
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1985-12-06
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1990-02-28
Also published as: DE3640546C2; JPS62156576A; JPH0638694B2; SE8605196L; SE463119B; DE3640546A1; SE8605196D0; US4641231A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss dem 35 Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, sowie eine Einrichtung in Anwendung auf einen elektrischen Leistungswandler, der in Reihe geschaltete steuerbare Abschalt-Halbleiter zwischen Gleichstrom-Sammelleitungen (Busen) verwendet, um zu 40 verhindern, dass einer der Halbleiter in der Reihenschaltung durchschaltet, bevor der andere gesperrt worden ist.

Es gibt eine Reihe von Situationen, in denen der Leitfähigkeitszustand einer Halbleitervorrichtung bekannt sein muss. Beispielsweise kann es erforderlich sein, den Leitfähigkeits-45 zustand für Alarm- oder Totalabschaltzwecke eines Systems zu kennen. Weiterhin sind in vielen Leistungswandlern zwei Halbleiter in einer Reihenschaltung, die manchmal «Schenkel» bezeichnet wird, zwischen den Busen einer Gleichstromquelle enthalten. Diese Halbleiter dienen dazu, so die einer Last zugeführte elektrische Leistung zu steuern. Ein üblicher Wandler dieser Art ist ein dreiphasiger Wandler mit drei Schenkeln, die zwischen positiven und negativen Gleichstrom-Sammelleitungen gegenseitig parallel geschaltet sind. Die Halbleiter der Schenkel werden in einer vorbe-55 stimmten Reihenfolge oder Sequenz leitend gemacht, um die elektrische Leistung zu steuern, die von den Gleichstrom-Sammelleitungen an die Last geliefert wird. Wenn beide Halbleiter irgendeines Schenkels gleichzeitig durchschalten, entsteht ein Kurzschluss zwischen den zwei Gleichstrom-60 Sammelleitungen, der, wenn er fortbesteht, schwerwiegende Folgen für die Last, die Spannungsquelle und/oder die Halbleiter selbst hat. Wenn die Halbleitervorrichtungen dergestalt sind, dass sie Signale für eine Steuerelektrode erfordern, um die Vorrichtung selektiv leitend und nicht-leitend zu 65 machen, wird das Problem noch schwieriger, da die Vorrichtungen dieser Art bekanntlich sehr eingeschränkt sind bezüglich der Grösse des Stromes, den sie unterbrechen oder abschalten können. Vorrichtungen dieser Art im täglichen

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Gebrauch werden als Gate-Abschaltthyristoren (gate-turn-off-Thyristoren GTO) und Leistungstransistoren bezeichnet. Diese Vorrichtungen zusammengenommen werden hier als «steuerbare Abschalt-Halbleiter» bezeichnet.

Es gibt mehrere Verfahren und Vorrichtungen zum Ermitteln des Leitvermögens eines steuerbaren Abschalt-Halbleiters. Beispielsweise können Stromtransformatoren verwendet werden, wobei das allgemeine Betriebsvermögen des steuerbaren Abschalt-Halbleiters vor dem Anlegen der vollen Leistung an die Vorrichtung ermittelt wird. Diese Möglichkeit ist jedoch nicht gut geeignet für die Abtastung des Leitfähigkeitszustandes der Vorrichtung während des vollen Betriebs.

Eine Möglichkeit, um den eingangs beschriebenen Kurz-schluss zwischen den Sammelleitungen zu verhindern, besteht einfach darin, eine Verzögerung zwischen den Steuerimpulsen, die eine der Vorrichtungen eines Schenkels sperren, und den Steuerimpulsen vorzusehen, die die andere Vorrichtung durchschalten. Solange die Verzögerung länger ist als die Zeit, die zum Sperren des Halbleiters nötig ist, wird ein Kurzschluss gewöhnlich verhindert. Dieses System hat jedoch den Nachteil, dass es in seiner Wirkung nicht sicher bzw. positiv ist, d. h. es gibt keine positive Anzeige, dass die erste Vorrichtung tatsächlich sperrt. Weiterhin ist es nicht gut geeignet für Hochleistungssysteme, da die Verzögerung ausreichend sein muss, damit der erste Halbleiter unter allen Betriebsständen gesperrt wird.

Ein weiteres Verfahren ist ein solches, das als das Anoden-abtast-Verfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren überwacht die Stromrichtung und die Anoden-Kathoden-Span-nung des Halbleiters. Wenn die Strompolarität positiv ist, dann wird die Sperrung dieses Halbleiters angezeigt durch eine positive Spannung von der Anode zur Kathode. Indem also die Ansteuerung des zweiten Halbleiters des Schenkels verzögert wird, bis die Spannung über dem ersten auftritt, kann ein Kurzschluss der Gleichstromquelle verhindert werden. Dieses Verfahren arbeitete jedoch nicht, wenn der Strom negativ ist, d. h. von der Diode geführt wird, die in Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren normalerweise anti-parallel geschaltet ist. In diesem Fall bleibt die abgetastete Spannung sehr klein, da die Diode leitend ist. Wenn die zweite steuerbare Abschaltvorrichtung angesteuert wird, bevor die erste tatsächlich gesperrt hat, oder wenn die erste in einem Kurzschlusszustand versagt, dann besteht ein kurzgeschlossener Stromkreis.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln des Leitfähigkeitszustandes eines steuerbaren Abschalt-Halbleiters und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Dabei soll für eine Abtastung eines falschen Betriebszustandes eines steuerbaren Abschalt-Halbleiters durch Abtasten der Spannung an der Steuerelektrode des Halbleiters gesorgt werden. Ferner sollen ein Verfahren und eine Einrichtung zum Verhindern eines Kurzschlusses zwischen Gleichstrom-Sammelleitungen eines Leistungswandlers beschrieben werden, der in Reihe geschaltete steuerbare Abschalt-Halbleiter aufweist. Dabei soll die Spannung der Steuerelektrode abgetastet werden, um dadurch Sperrsignale zu entwickeln, um den falschen Zündzeitpunkt des Halbleiters eines gegebenen Schenkels zu verhindern.

Erfindungsgemäss wird der Leitfähigkeitszustand eines steuerbaren Abschalt-Halbleiters ermittelt, der Anoden-, Kathoden- und Steuerelektroden aufweist. Es werden geeignete Signale an die Steuerelektrode angelegt, um dessen Leitfähigkeitszustand zu steuern, und es wird die bestehende Spannung an dieser Elektrode verwendet, um den tatsächlichen Leitfähigkeitszustand zu ermitteln. Das Verfahren verwendet auch ein erstes Signal, das den gewünschten

Betriebszustand des Halbleiters darstellt in Verbindung mit einem zweiten Signal, das den tatsächlichen Betriebszustand des Halbleiters darstellt. Das zweite Signal ist dasjenige, das als eine Funktion der bestehenden Spannung an der Steuer-5 elektrode entwickelt wird. Die entwickelten ersten und zweiten Signale werden in geeigneter Weise zusammenge-fasst, um eine Fehleranzeige zu generieren, wenn das zweite Signal einen Leitfähigkeitszustand des Halbleiters anzeigt und das erste Signal einen gewünschten nicht-leitenden io Zustand anzeigt. In einem Ausführungsbeispiel, das in einer Reihenschaltung zwei derartige steuerbare Abschalt-Halbleiter verwendet, die einen Schenkel zwischen zwei Gleichstrom-Sammelleitungen (Busen) bilden, wird das zweite Signal, das den bestehenden Zustand von einem der Halb-15 leiter in einen Schenkel darstellt, mit dem gewünschten Steuersignal des ersten Halbleiters zusammengefasst (kreuzgekoppelt), um zu verhindern, dass der erste Halbleiter leitend bzw. durchgeschaltet wird, wenn der zweite Halbleiter noch in seinem leitenden Zustand ist.

20 In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die vorstehend beschriebene, kreuzgekoppelte Anordnung mit einer Anoden-Abtast-Vorrichtung vereinigt, um eine weiter verbesserte, sicherere Vorrichtung zu schaffen, um den Gleich-strom-Kurzschluss zu verhindern. Dieses Ausführungsbei-25 spiel liefert das Ausgangssignal der Anoden-Abtast-Vorrich-tung als ein weiteres Eingangssignal an die Zusammenschaltung des kreuzgekoppelten zweiten Signals und des Signals, das den gewünschten Leitfähigkeitszustand darstellt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel von einem der 30 kreuzgekoppelten Ausführungsbeispiele wird eine Sperre (beispielsweise ein Flip-Flop) verwendet, um einen Halbleiter in seinem leitenden Zustand für die vorgesehene Einschaltdauer zu halten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und 35 Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild von einem bekannten dreiphasigen Leistungswandler zur Lieferung von 4o Leistung an eine Last.

Fig. 2 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen Leistungswandler, um einen Kurzschluss zwischen den Gleichstrom-Sammelleitungen eines Wandlers zu verhindern. 45 Fig. 3,4 und 5 sind Kurvenbilder zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer möglichen so Abwandlung der Ausführungsbeispiele gemäss den Fig. 2 und 6.

Fig. 1 zeigt einen typischen, bekannten Wechselrichter für eine dreiphasige Spannungsquelle zum Speisen einer Last aus 55 einer Gleichstromquelle. Ein derartiger Wechselrichter kann aber auch für andere Zwecke verwendet werden. Die Erfindung ist auch auf Stromquellenwandler anwendbar, obwohl die Verwendung des Fehlersignals unterschiedlich sein kann. Der Wandler 10 weist drei Schenkel mit steuerbaren 60 Abschalt-Halbleitervorrichtungen Gl bis G6 auf, die entsprechende, anti-parallel geschaltete Dioden Dl bis D6 aufweisen. Ein erster Schenkel wird durch die Reihenschaltung der Halbleiter Gl und G2 mit ihren entsprechenden Dioden Dl und D2 gebildet. Die Halbleiter G3 und G4 mit ihren ent-65 sprechenden Dioden bilden den zweiten Schenkel, während die Halbleiter G5 und G6 mit ihren entsprechenden Dioden D5 und D6 den dritten Schenkel bilden. Eine Gleichstromquelle 12, die beispielsweise eine Vollweg-Gleichrichter-

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brücke sein kann, die mit einer Wechselstromquelle ver- Das AND-Gatter 42 hat somit an seinem Ausgang auf der bunden ist, ist über einen positiven Bus 16 und einen nega- Leitung 49 ein Signal, das eine binäre 1 ist, nur während der-tiven Bus 18 mit dem Wandler 10 verbunden. Eine Last 14, jenigen Perioden, zu denen eine binäre 0 am Knotenpunkt 35 die beispielsweise ein Wechselstrommotor sein kann, ist mit anliegt, wodurch die Durchschaltung der Vorrichtung Gl dem Ausgang des Wandlers 10 durch Leiter 22,23 und 25 ver- s angezeigt wird und ein Signal auf der Leitung 46 fehlt. Diese bunden. Jeder steuerbare Abschalt-Halbleiter besitzt eine Situation ist dann gegeben, wenn die Vorrichtung Gl durchAnode, eine Kathode und eine Steuerelektrode gemäss der geschaltet ist, aber es nicht sein sollte.

üblichen Bezeichnung. In üblicher Weise werden unter der Das Signal auf der Leitung 49 wird einem Tiefpassfilter Regie einer geeigneten Steuerung 20 die verschiedenen (das eine analoge oder digitale Form haben kann) zugeführt, Abschalt-Halbleiter Gl bis G6 leitend und nicht-leitend io dessen Ausgangssignal auf der Leitung 52 ein Fehlersignal gemacht zu geeigneten Zeiten durch die Zufuhr von entspre- ist, welches anzeigt, dass die Vorrichtung Gl zu einer Zeit chenden Signalen an die Steuerelektroden, um dadurch den durchgeschaltet ist, zu der sie es nicht sein sollte. Dieses Strom bzw. die Spannung zu steuern, die der Last 14 aus der Signal kann zu irgendeinem gewünschten Zweck verwendet Quelle 12 zugeführt wird. werden, beispielsweise zum Aktivieren eines sichtbaren oder Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass, wenn beide Abschalt-Halb- is hörbaren Alarms, oder es kann auf Wunsch für eine Fehlerleiter eines einzigen Schenkels (beispielsweise Gl und G2) zu beseitigung verwendet werden, beispielsweise um den Halbirgendeiner Zeit durchgeschaltet sind, ein Kurzschluss zwi- leitervorrichtungen keinen Eingangsstrom mehr zuzusehen den Sammelleitungen 16 und 18 besteht, der eine führen. Es sei darauf hingewiesen, dass die einzige Funktion Beschädigung der Halbleiter, der Einspeisung und/oder der des Tiefpassfilters 50 darin besteht, spurenhafte oder tran-Last zur Folge haben kann. 20 siente Signale positiver Natur zu beseitigen, die beispiels-

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung gemäss der Erfindung sowohl weise während Schaltvorgängen auftreten können, um vérin ihrer Grundform, um den Betriebszustand eines Steuer- wirrende Anzeigen zu verhindern.

baren Abschalt-Halbleiters zu ermitteln, als auch die Ver- In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal des Kompara-

wendung des Erfindungsgedankens, um die gleichzeitige tors 32 am Knotenpunkt 37 einem invertierenden Eingang

Durchschaltung von zwei Halbleitern, die in Reihe an eine 2s eines AND-Gatters 44 zugeführt, dem an seinem zweiten

Quelle gelegt sind, zu verhindern, wie es vorstehend in Ver- Eingang die Signale auf der Leitung 48 zugeführt werden, die bindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Fig. 2 zeigt Buse 16 einen gewünschten Leitfähigkeitszustand der Vorrichtung und 18, zwischen denen Vorrichtungen Gl und G2 in Reihe G2 anzeigen. Das Ausgangssignal des AND-Gatters 44 wird geschaltet sind. Die Dioden D1 und D2 sind in üblicher einem Tiefpassfilter 54 zugeführt, dessen Ausgangssignal ein

Weise anti-parallel geschaltet. 30 Fehlersignal auf der Leitung 56 ist, das eine Durchschaltung

In der weiteren Beschreibung werden binäre Bezeich- der Vorrichtung G2 zu einer Zeit darstellt, zu der eine Sper-

nungen «1» und «0» verwendet. Dies ist jedoch nur eine rung bestehen sollte. Somit wird also ein relativ einfacher zweckmässige Beschreibungsform der Logik und soll keines- Weg geschaffen zum Liefern einer Anzeige einer falschen wegs bedeuten, dass nur digitale Implementationen ver- Durchschaltung der Vorrichtungen Gl und G2.

wendet werden können. Die Äquivalenz von digitaler und 35 Erfindungsgemäss werden bezüglich der Verhinderung der analoger Logik bzw. Verknüpfung ist allgemein bekannt. gleichzeitigen Durchschaltung der zwei Abschalt-Halbleiter

Die Anode des Halbleiters Gl ist mit dem Bus 16 ver- innerhalb des Schenkels eines Systems, wie beispielsweise der bunden und die Kathode ist mit einem Knotenpunkt 21 ver- Brücke gemäss Fig. 1, die Ausgangssignale der zwei Kompa-bunden, von dem eine-Leitung 22 ausgeht, die mit der Last in ratoren 30 und 32 und die Signale auf den Leitungen 46 und Verbindung steht. Der Knotenpunkt 21 ist auch mit der 40 48 verwendet, aber in einer Kreuzkopplungsanordnung. Mit Anode des Halbleiters G2 verbunden, dessen Kathode mit den hier verwendeten Bezeichnungen bezeichnen eine dem negativen Bus 18 verbunden ist. Die Gate- oder Steuer- binäre 1 darstellende Signale auf den Leitungen 46 und 48 elektroden 24 und 27 der zwei Halbleiter Gl und G2 sind auf auf entsprechende Weise einen gewünschten Leitfähigkeitsentsprechende Weise mit invertierenden Eingängen von zwei zustand für die entsprechenden Halbleitervorrichtungen. Es Komparatoren 30 und 32 verbunden. Der Komparator 30 hat 45 sei auch daran erinnert, dass die Ausgangsgrösse von jedem einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem Knoten- der Komparatoren 30 und 32 eine binäre 1 ist, wenn der ent-punkt 21 über eine geeignete Spannungsreferenz 34 ver- sprechende Abschalt-Halbleiter gesperrt ist, und eine binäre bunden ist, so dass am Ausgang des Komparators 30 (Knoten- 0 ist, wenn er durchgeschaltet ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich punkt 35) eine binäre 1 ansteht, wenn die Gate-Elektrode 24 ist, wird das am Knotenpunkt 35 anliegende Signal einem genügend negativ ist, um anzuzeigen, dass der Abschalt- so Eingang eines AND-Gatters 60 zugeführt (über einen geeig-Halbleiter Gl in seinem nicht-leitenden Zustand ist. In ähn- neten Trennkreis 61, falls erforderlich), dessen anderes Ein-licher Weise hat der Komparator 32 einen invertierenden gangssignal das Signal auf der Leitung 48 ist. Somit wird Eingang, der mit der Steuerelektrode 27 des Halbleiters G2 deutlich, dass, wenn der Komparator 30 ein Ausgangssignal verbunden ist, und einen nicht-invertierenden Eingang, der in Form einer binären 1 liefert, das anzeigt, dass die Vorrich-mit einer geeigneten negativen Spannungsreferenz 36 ver- ss tung Gl gesperrt ist, das Gatter 60 die Signale auf der Leitung bunden ist. Das Ausgangssignal des Komparators 32 am Kno- 48 durchlässt zu einer geeigneten Gate-Treiberschaltung 28, tenpunkt 37 ist eine binäre 1, wenn die Steuerelektrode 27 die ein Signal geeigneter Grösse an die Steuerelektrode 27 der der Vorrichtung G2 genügend negativ ist, um anzuzeigen, Halbleitervorrichtung G2 liefert, wodurch diese Vorrichtung dass sie gesperrt ist. durchgeschaltet werden kann. Wenn jedoch das Ausgangs-

Das Ausgangssignal des Komparators 30 am Knotenpunkt 60 signal des Komparators eine binäre 0 ist, womit angezeigt

35 wird zunächst an einen invertierenden Eingang eines wird, dass der Halbleiter Gl durchgeschaltet ist, hat das

AND-Gatters 42 angelegt, dessen zweiter invertierender Ein- Signal, das von dort an das AND-Gatter 60 angelegt wird,

gang mit einer Leitung 46 verbunden ist. Das Signal auf der eine sperrende Natur, wodurch der Durchtritt der Signale auf

Leitung 46 (Gl durchgeschaltet) würde aus einer geeigneten der Leitung 48 verhindert wird. Somit kann die Treiberschal-

Steuereinrichtung (beispielsweise Steuereinrichtung 20 in 65 tung 28 keine Ansteuerungssignale an die Vorrichtung G2

Fig. 1) kommen und würde normalerweise ein Impuls sein, liefern.

der für die Zeitlänge fortbesteht, die die Steuerung wünscht Der Knotenpunkt 37 am Ausgang des Komparators 32 ist oder angibt, dass der Halbleiter Gl im leitenden Zustand ist. kreuzgekoppelt und verbunden über eine Trennschaltung 59

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(wiederum falls erforderlich) mit dem einen Eingang eines AND-Gatters 62. Der andere Eingang des Gatters 62 empfängt die Steuersignale für den Halbleiter Gl auf der Leitung 46. Das Ausgangssignal des AND-Gatters 62 wird einer Treiberschaltung 26 zugeführt, deren Ausgang, wie bereits beschrieben wurde, das Signal ist, das die Durchschaltung der Vorrichtung Gl ermöglicht. Wenn die Vorrichtung G2 durchgeschaltet ist, wird das eine binäre 0 darstellende Signal von dem Komparator 32 das Gatter 62 und den Durchtritt der Signale auf der Leitung 46 sperren. Somit ist eine Durchschaltung der Vorrichtung Gl verhindert. Es wird deutlich, dass durch diese Kreuzkopplungsanordnung die Durchschaltung von einem der zwei steuerbaren Abschalt-Halbleiter in dem Schenkel zwischen den zwei Busen 16 und 18 solange verhindert ist, wie der andere Halbleiter in einem leitenden Zustand ist.

Fig. 3 zeigt in ihren Kurven typische betriebliche Wellenformen, die bei einem Gate-Abschalt-Thyristor (gate turn-off thyristor GTO) auftreten, der als der steuerbare Abschalt-Halbleiter in der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 2 verwendet wird. Die Kurven gemäss Fig. 3 haben die gleiche Zeitbasis, sind mit der Kathode als eine Referenz dargestellt und zeigen die Zeit einer Abschaltung bzw. Sperrung bei Vorwärtsstrom, d. h. bei einem Strom von der Anode zur Kathode einer Vorrichtung.

Die Sperrung der Vorrichtung wird zur Zeit to eingeleitet, durch den Beginn des Anstieges des negativen Gate-Stromes Ig (siehe unterste Kurve in Fig. 3). Es gibt keine Änderung der Anodenspannung oder des Stroms bis zur Zeit ti, zu der Ig einen ausreichenden Wert erreicht, um die Spannungssperrung in dem Abschalt-Halbleiter einzuleiten. Zur Zeit ti beginnt der Anodenstrom Ia zu fallen und die Anodenspannung Va beginnt anzusteigen. Die Gate-Spannung steigt an bis zu der Lawinendurchbruchsspannung des Gate-Kathodenübergangs zur Zeit ti, zu der der Gate-Rückwärtsstrom nicht länger von dem Übergang abgezogen werden kann. Die Zeit ti des Sperrens kann durch Abtasten dieses Spannungsanstiegs am Gate ermittelt werden. Die Zeit ti ist die Zeit, zu der die Steuerspannung Vg die Referenzspannung Vi überschreitet.

Wenn der Strom in dem Schenkel negativ ist, d. h. in der Diode anstatt in dem Abschalt-Halbleiter, steigt die Anodenspannung niemals aufgrund eines Abschaltimpulses zum GTO an. Somit ist nur das hier beschriebene Gate-Abtastverfahren gemäss Fig. 3 wirksam. Die Kurven für diesen Fall sind in Fig. 4 gezeigt. Die Anodenspannung und der Strom sind nicht gezeigt, da sie durch das Abschaltsignal nicht be-einflusst werden. Der Gate-Strom kann in diesem Fall in Rückwärtsrichtung nur für eine kurze Zeit (to bis ti) fliessen, da er nur die Träger herausschwemmen muss, die aus dem unmittelbar vorangegangenen «Einschaltstrom» zum Gate resultieren. Die Gate-Kathodenspannung Vg steigt auf mehr als Vi zur Zeit ti an, um anzuzeigen, dass der GTO im Sperrzustand ist, obwohl keine Anodenspannung vorhanden ist, um dies zu beweisen. Dies ist ein Hauptvorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung. Indem eine kurze Zeit nach ti gewartet wird, kann die Steuerung bzw. Regelung einen Durchschaltimpuls an den anderen, in Reihe geschalteten Abschalt-Halbleiter mit dem Vertrauen anlegen, dass dem ersten Halbleiter ein Abschaltimpuls zugeführt worden ist, der die Spannung sperrt, wenn die anti-parallele Diode sich erholt. Wie bereits ausgeführt wurde, beziehen sich die Kurven gemäss den Fig. 3 bis 5 auf einen GTO. Kurven für bipolare Transistoren würden sehr ähnlich sein, während andere Vorrichtungstypen durch in etwa ähnliche Kurve charakterisiert werden würden.

Fig. 5 zeigt den Fall, dass der Abschalt-Halbleiter, der gesperrt werden soll, versagt hat (er hat seine Fähigkeit verloren, die Vorwärtsspannung zu sperren) oder aus einem anderen Grund nicht abgeschaltet hat. In diesem Fall ist die Gate-Spannung immer klein, sie überschreitet niemals Vi, so dass die Steuerung bzw. Regelung den anderen in Reihe s geschalteten Halbleiter nicht durchschalten kann. Es kann gezeigt werden, dass ein fehlerhafter Gate-Abschalt-Thyri-stor, der einen Kurzschluss von Anode zu Kathode aufweist, immer einen Kurzschluss von der Anode zum Gate (Steuerelektrode) hat. Die Wirkung der beschriebenen Erfindung im io Falle eines totalen Versagens der Vorrichtung beim Sperren besteht darin, dass der Wechselrichter (Inverter) keine Ausgangsgrösse mehr erzeugt, aber es gibt keinen Fehler auf dem Gleichstrombus und somit besteht kein zerstörender Strom, der drastischere Massnahmen erfordert, wie beispielsweise ls das Ausblasen von Schaltern oder das Durchbrennen von Sicherungen. Im Falle eines Versagens einer Abschaltvorrichtung, temporär zu sperren (beispielsweise aufgrund einer Übertemperatur) kann die Vorrichtung vor einer permanenten Beschädigung durch die Erfindung bewahrt werden, 20 die verhindert, dass nach dem Fehler ein zerstörerischer Stromwert auftritt. Der Wechselrichter (Inverter) kann deshalb nach einer kurzen Abkühlungsperiode neu gestartet werden, ohne dass Sicherungen oder andere Teile ausgewechselt werden müssen.

25 Die Vorteile eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung werden nun in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben. Wenn in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 die Abtastung der Sperrung durch das Anodenabtast-verfahren durchgeführt wurde, wie es zuvor beschrieben 30 wurde, und wenn die Schwellspannung des Sensors auf einen Wert V2 (obere Kurve in Fig. 3) gesetzt würde, dann würde die Sperrzeit zur Zeit ti abgetastet werden. Dies stellt eine möglicherweise bessere Zeit zum Abtasten dar, dass die Sperrung aufgetreten ist. Es ist besser, den anderen Abschalt-35 Halbleiter durchzuschalten, wenn die an ihm anliegende Spannung sich 0 nähert. Die Zeit dieser Null-Spannung wird besser durch die Zeit t2 als durch die Zeit ti dargestellt. Wenn nur die Zeit ti verwendet werden würde, wäre eine feste Zeitverzögerung wünschenswert beim Ansteuern des anderen 40 Abschalt-Halbleiters. Durch Verwendung der Zeit t2 kann die Verzögerung eliminiert werden, und die Ansteuerung des anderen Halbleiters kann so schnell wie möglich erfolgen. Somit verwendet das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 beide Methoden, d. h. das Steuerelektroden-Abtastverfahren, 45 das anhand von Fig. 3 beschrieben wurde, in Verbindung mit dem Anoden-Abtastverfahren, um für die beste Schaltzeit für die andere Vorrichtung zu sorgen.

Aus Fig. 6 ist zu ersehen, dass der Abschnitt der Zeichnung auf der linken Seite der Vorrichtungen Gl und G2 (und der so Dioden Dl und D2) der gleiche ist, wie in Fig. 2, aber mit zwei Ausnahmen. Erstens sind die AND-Gatter 42 und 44, die Tiefpassfilter 50 und 54 und die Ausgangsleitungen 52 und 56 weggelassen, da sie in diesem Teil der Erfindung keine Rolle spielen. Weiterhin sind die zwei Eingänge auf-55 weisenden AND-Gatter 60 und 62 ersetzt durch drei Eingänge aufweisende AND-Gatter 60' und 62', um zusätzliche Steuer/Sperr-Signale zu diesen Gattern von dem Rest der in Fig. 6 gezeigten Anordnung zu empfangen.

Wenn man nun auf den oberen Teil von Fig. 6 schaut, wird 60 deutlich, dass innerhalb des gestrichelt dargestellten Kästchens 80 ein erster Komparator 82 vorhanden ist, dessen invertierender Eingang mit der Anode der Vorrichtung Gl verbunden ist. Ein zweiter (nicht-invertierender) Eingang ist über eine geeignete Spannungsreferenz 84 mit der Kathode 65 der Vorrichtung Gl verbunden. Somit liefert der Komparator 82 ein eine binäre 1 darstellendes Signal nur, wenn die Anodenspannung unter einem vorbestimmten Wert ist, beispielsweise demjenigen, der bei V2 in der oberen Kurve von

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Fig. 3 gezeigt ist. Als eine Stromabtastfunktion ist ein zweiter führungsbeispiel ordnet ein eine logische 1 darstellendes

Komparator 90 vorgesehen mit einem ersten Eingangssignal, Signal von dem AND-Gatter 102 das Flip-Flop 110 in seinem das die Spannung am Knotenpunkt 21 darstellt, und einem gesetzten Zustand an, um die Treiberschaltung 100 anzu-zweiten Eingangssignal von einer geeigneten Stromabtastvor- steuern, bis das Flip-Flop zurückgesetzt wird. Das Rück-

richtung, beispielsweise einem Stromwandler 88. Somit lie- 5 setzen des Flip-Flops 110 erfolgt durch die Zufuhr eines ent-

fert der Komparator 90 eine Ausgangsgrösse mit einer sprechenden Signals zu seinem Eingang R über einen Inver-

binären 1, wenn in der Leitung 22 ein Strom zur Last fliesst. tierer 112, der mit der Leitung 106 verbunden ist. Somit wird Die zwei Komparatoren 82 und 90 liefern Eingangssignale an das Flip-Flop 110 rückgesetzt, wenn das Signal auf der Lei-

ein AND-Gatter 86, das aufgrund des invertierenden Ein- tung 106 eine Sperrung der Vorrichtung G verlangt.

gangs eine binäre 0 auf der Leitung 91 liefert, wenn die io £)as Einrasten (latching) ist wünschenswert, wenn die Anodenspannung unter dem vorgeschriebenen Wert (V2 ) steuerbaren Abschalt-Halbleiter nicht augenblicklich und der Strom in der Vorwärtsrichtung ist. Das AND-Gatter sperren können, wenn sie dieses tun sollen. Es ist auch sehr 86 liefert eine binäre 1 zu allen anderen Zeiten. Diese Aus- vorteilhaft in der Situation, wenn der Abschalt-Halbleiter gangsgrösse wird (über eine Trennschaltung 92, falls erfor- versagt, wenn er in dem nicht-leitenden oder sperrenden derlich) in Kreuzkopplung als das dritte Eingangssignal an 15 Zustand ist. In dem letztgenannten Fall tritt ein Fehler beim das And-Gatter 60' geliefert. Somit ist das AND-Gatter 60' sofortigen Auftreten eines Kurzschlusses auf, den der gesperrt, wenn der Strom positiv und die Anodenspannung Abschalt-Halbleiter nicht korrigieren kann. Bei dem Ausfüh-unter V2 (siehe Fig. 3) ist. In ähnlicher Weise liefert, obwohl rungsbeispiel gemäss Fig. 2 sei beispielsweise angenommen, es nicht im Detail gezeigt ist, ein Block 80' ein Ausgangs- dass die Vorrichtung G2 richtig leitet und obwohl die Vorsignal über eine Trennschaltung 94 an einen dritten Eingang 20 richtig Gl gesperrt sein soll, ist sie fehlerhaft und beginnt des AND-Gatters 62'. Der einzige Unterschied in diesem Fall zu leiten. In diesem Fall würde der Komparator 30 sofort ein würde darin bestehen, dass der Komparator in dem Kästchen Ausgangssignal liefern, das das AND-Gatter 60 sperrt, damit 80', der das Signal von dem Stromwandler 88 empfängt,^ der Halbleiter G2 sperrt und den Kurzschluss unterbricht, dieses über einen invertierenden Eingang empfangen würde, Dies ist eine wünschenswerte Antwort bzw. Reaktion, wenn der anzeigt, dass der Strom auf der Leitung 22 die entgegen- 25 jjgj- Abschalt-Halbleiter G2 eine ausreichend kurze Sperrzeit gesetzte Richtung hat, d. h. aus der Last und durch die Diode hat in bezug auf die Anstiegszeit des Fehlerstroms, so dass Dl fliesst. .... dieser Strom unterbrochen werden kann, bevor er den Fig. 7 zeigt eine Abwandlung, die in Verbindung mit Abschalt-Nennstrom der richtigen Vorrichtung (G2 in einem der Ausführungsbeispiele gemäss Fig. 2 oder Fig. 6 diesem Beispiel) überschreitet. Wenn jedoch die Vorrichtung verwendet werden kann. In Fig. 7 stellen der steuerbare 30 iangsam jst beim Abschalten oder die Quelleninduktivität Abschalt-Halbleiter G und die Diode D irgendwelche ähn- klein ist, ist der richtig arbeitende Abschalt-Halbleiter nicht liehe Vorrichtungen dar, wie in den vorstehenden Figuren. jn der Lage zu Sperren, bis der Fehlerstrom sein maximales In ähnlicher Weise stellt der Treiber 100 einen der Treiber 26 Sperrvermögen überschritten hat, was eine Zerstörung der und 28 der bereits beschriebenen Figuren dar, und das AND- richtig arbeitenden Vorrichtung zur Folge hat.

Gatter 102 stellt eines der AND-Gatter 60 und 62 gemäss 35

Fig. 2 und 60' und 62' gemäss Fig. 6 dar. Ein AND-Gatter Das zwischengeschaltete Flip-Flop 110 gemäss Fig. 7 ver-

102 empfängt ein «Einschalt»-Signal über eine Leitung 106, hindert, dass das vorstehend beschriebene Ereignis auftritt,

wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen und der Die kreuzgekoppelten Signale können die Durchschaltung

Leiter 108 stellt die Zufuhr des zusätzlichen Durchschalt/ eines Halbleiters hemmen bzw. verhindern, sie können aber

Sperr-Signals oder der Signale dar. 40 keine Unterbrechung des «Einschalt»-Signals zu einer lei-

Der Unterschied zwischen den bereits beschriebenen Aus- tenden Vorrichtung bewirken, wenn diese einmal leitend ist.

führungsbeispielen und dem nun beschriebenen Ausfüh- Zusätzlich sei darauf hingewiesen, dass die beschriebene Zwi-

rungsbeispiel ist der Einschluss einer Rast- oder Verriege- schenschaltung des Flip-Flops einen fehlerhaften bzw.

lungsschaltung oder eines Flip-Flops 110, das zwischen dem sprunghaften Sperrvorgang, beispielsweise aufgrund von

AND-Gatter und dem Treiber angeordnet ist. In diesem Aus- 45 ungewollten Signalen usw., vermindert.

B

3 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Ermitteln des Leitfähigkeitszustandes eines steuerbaren Abschalt-Halbleiters (Gl), der eine Anode, eine Kathode und eine Steuerelektrode (24) aufweist, der Signale zur Steuerung des Leitfähigkeitszustandes des Halbleiters zuführbar sind, gekennzeichnet durch:

(a) Generieren eines Steuerelektroden-Spannungssignals (Vg), das die bestehende Spannung ander Steuerelektrode (24) darstellt, und

(b) Kombinierendes Steuerelektroden-Spannungssignals (Vg) mit einem Referenzspannungssignal (Vi) vorbestimmter Grösse zum Entwickeln von Ausgangssignalen, die den Leitfähigkeitszustand des Halbleiters darstellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelektroden-Spannungssignal mit dem Refe-renzspannungssignal (Vi) verglichen wird zum Liefern eines ersten Ausgangssignal, wenn das Steuerelektroden-Spannungssignal (Vg) negativer ist als das negative Referenzspannungssignal (Vi), um einen nicht-leitenden Leitfähigkeitszustand des Halbleiters (Gl) anzuzeigen, und zum Liefern eines zweiten Ausgangssignals, wenn das Steuerelektroden-Spannungssignal (Vg) weniger negativ als das Referenzspannungssignal (Vi) ist, um einen leitenden Leitfähigkeitszustand des Halbleiters (Gl) anzuzeigen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch :

(a) Liefern eines ersten Signals, das einen gewünschten Leitfähigkeitszustand des Halbleiters darstellt,

(b) Generieren eines zweiten Signals, das den tatsächlichen Leitfähigkeitszustand des Halbleiters als eine Funktion der bestehenden Spannung an der Steuerelektrode darstellt, und

(c) Kombinieren der ersten und zweiten Signale zur Erzeugung eines Fehlersignals, wenn das zweite Signal einen leitenden Leitfähigkeitszustand des Halbleiters anzeigt und das erste Signal einen gewünschten nicht-leitenden Leitfähigkeitszustand anzeigt, um einen falschen Betriebszustand des steuerbaren Abschalt-Halbleiters abzutasten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal generiert wird, wenn die Spannung (Vg) an der Steuerelektrode eine Grösse mit einem vorbestimmten Wert überschreitet.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) die ersten und zweiten Signale kombiniert werden, um ein Zwischensignal zu bilden, und

(b) das Fehlersignal erzeugt wird, wenn das Zwischensignal für einen vorbestimmten Zeitraum besteht.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

(a) Mittel zum Generieren eines Steuerelektroden-Spannungssignals (Vg), das die bestehende Spannung an der Steuerelektrode (24) darstellt, und

(b) Mittel zum Kombinieren des Steuerelektroden-Spannungssignals (Vg) mit einem Referenzspannungssignal (Vi), das einen vorbestimmten Wert aufweist, zum Entwickeln von Ausgangssignalen, die den Leitfähigkeitszustand des Halbleiters (Gl) darstellen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Entwickeln der Ausgangssignale eine Komparatorschaltung (30,32) aufweisen zum Liefern eines ersten Ausgangssignals, wenn das Steuerelek-troden-Spannungssignal (Vg) negativer als das negative Referenzspannungssignal (Vi) ist, wobei das erste Ausgangssignal einen nicht-leitenden Leitfähigkeitszustand des Halbleiters • anzeigt, und eines zweiten Ausgangssignals, wenn das Steuerelektroden-Spannungssignal (Vg) weniger negativ als das negative Referenzspannungssignal (Vi) ist, wobei das zweite

Ausgangssignal einen leitenden Leitfähigkeitszustand des Halbleiters anzeigt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zum Abtasten eines falschen Leitfähigkeitszustandes eines steuerbaren Abschalt-

s Halbleiters, gekennzeichnet durch:

(a) Mittel zum Liefern eines ersten Signals, das einen gewünschten oder Soll-Leitfähigkeitszustand des Halbleiters (Gl) darstellt,

(b) Mittel zum Generieren eines zweiten Signals, das den io tatsächlichen oder Ist-Leitfähigkeitszustand des Halbleiters als eine Funktion der an der Steuerelektrode bestehenden Spannung darstellt, und

(c) Mittel zum Kombinieren der ersten und zweiten Signale zum Erzeugen eines Fehlersignals, wenn das zweite

15 Signal einen leitenden Leitfähigkeitszustand des Halbleiters (Gl) und das erste Signal einen gewünschten nicht-leitenden Leitfähigkeitszustand anzeigt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Generieren des zweiten Signals

20 eine Komparatorschaltung (30) aufweisen zum Entwickeln des zweiten Signals, wenn die Spannung an der Steuerelektrode eine Grösse mit einem vorbestimmten Wert überschreitet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-

2s zeichnet, dass die Mittel zum Kombinieren der ersten und zweiten Signale eine AND-Funktionsschaltung (h2) aufweisen zum Bilden eines Zwischensignals, wobei die Mittel zum Erzeugen des Fehlersignals ein Tiefpassfilter (50) aufweisen.

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