DE4435255A1

DE4435255A1 - Verfahren zur Fehlerbehebung in einer Stromrichterschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE4435255A1
Application number: DE19944435255
Authority: DE
Inventors: Peter Etter
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1994-10-01
Filing date: 1994-10-01
Publication date: 1996-04-04
Also published as: EP0706218A3; AU701831B2; EP0706218B1; EP0706218A2; DE59510457D1; US5663858A; JPH08116677A; AU3024195A; ZA956836B

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungs elektronik.

Sie betrifft ein Verfahren zur Fehlerbehebung in einer Stromrichterschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Aus dem Artikel "Moderne Leistungshalbleiter in der Stromrichtertechnik" von W. Bölsterling et al., etz Bd. 114 (1993) Heft 21, Seiten 1310-1319, sind Stromrichter schaltungsanordnungen bekannt, welche mehrere ein- und ausschaltbare Schaltermodule umfassen. Insbesondere han delt es sich dabei um IGBT-Module (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate) mit mehreren parallel geschalteten IGBT-Halbleiter chips pro Modul.

Die Gate-, Anoden und Kathodenanschlüsse der einzelnen Halbleiterchips werden normalerweise über Anschlußdrähte parallelgeschaltet und mit entsprechenden Leiterbahnen verbunden, welche die Modulanschlüsse bilden. Als An schlußdrähte werden üblicherweise Bonddrähte verwendet.

IGBT-Module höherer Leistung bestehen praktisch immer aus einer größeren Anzahl solcher parallelgeschalteter Halb leiterchips, um die geforderte Stromtragfähigkeit errei chen zu können. Die in einem mehrphasigen Stromrichter eingebauten IGBT-Module können durch Sperrversagen eines einzelnen Chips beschädigt werden. Das Halbleitersubstrat eines solchen Chips legiert durch und stellt anschließend einen Kurzschluß dar. Um eine Beschädigung der ge samten Anlage zu vermeiden, sind Schutzeinrichtungen vor gesehen, die einen Kurzschluß eines Chips detektieren und den Stromrichter sofort abschalten. Ein Defekt eines einzelnen Chips legt also die gesamte Anlage lahm. Abge sehen von den Reparaturkosten können die sich daraus er gebenden Betriebsunterbrüche dem Anwender unter Umständen sehr teuer zu stehen kommen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Fehlerbehebung in einer Stromrichterschaltungsanord nung anzugeben, welches eine höhere Verfügbarkeit der An lage ermöglicht und gewährleistet, daß beim Ausfall ei nes oder mehrerer Halbleiterschalterchips nicht die ge samte Anlage außer Betrieb gesetzt wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß die Anschlußdrähte derjenigen Schalterchips, welche einen allfälligen Defekt aufweisen und einen Kurzschluß bilden, gezielt aufge trennt werden.

Ein Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Stromrichterschaltungsanordnung einen mehrphasigen Umrichter umfaßt, der von einer Gleichspannungsquelle gespeist wird. Nachdem ein Defekt, d. h. ein Kurzschluß eines Chips festgestellt worden ist, werden in einem er sten Schritt alle Schaltermodule der Phasen ausgeschal tet. Anschließend wird z. B. das mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbundene Schaltermodul einer er sten Phase für eine bestimmte Zeitdauer tc eingeschaltet. Falls sich der Kurzschluß in einem Chip des mit dem Mi nuspol verbundenen Moduls derselben Phase befindet, so sorgt der durch dieses Modul fließende Strom dafür, daß in der Zeitdauer tc die Anschlußdrähte des fehlerhaften Chips durchgetrennt werden. Denn dieser Chip muß die ge samte Stromlast tragen, da das Modul selber ausgeschaltet ist. Im allgemeinen werden dadurch die Anschlußdrähte durchgebrannt. Befindet sich der Kurzschluß aber im Mo dul, das mit dem Pluspol verbunden ist, so geschieht zunächst einmal gar nichts. Wird nun aber das mit dem Pluspol verbundene Modul wieder ausgeschaltet und das mit dem Minuspol verbundene für tc eingeschaltet, so werden die Anschlußdrähte eines defekten Chips in dem mit dem Pluspol verbundenen Modul durchgetrennt. Falls sich der Kurzschluß nicht in der ersten Phase befindet, wird mit den übrigen Phasen in derselben Weise verfahren bis der Fehler behoben ist. Liegt ein nicht behebbarer Fehler vor, so wird die Anlage außer Betrieb genommen.

Bei einer weiteren Variante wird nach dem Erkennen des Fehlers und dem Ausschalten aller Module zunächst einmal die Gleichspannungsquelle ausgeschaltet bzw. entladen und anschließend auf eine optimale Brennspannung hochgefah ren. Mit dieser Brennspannung wird nun weitergefahren wie oben erläutert.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den ent sprechenden abhängigen Ansprüchen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, daß durch ein Defekt eines oder mehrerer Chips nicht die gesamte Anlage außer Betrieb gesetzt wird, sondern daß diese nach Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wei ter genutzt werden kann. Die Leistungsfähigkeit wird da bei nicht unbedingt reduziert, wenn dies bereits bei der Auslegung des Stromrichters berücksichtigt worden ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Stromrichterschaltungsanordnung, für wel che das Verfahren nach der Erfindung geeignet ist;

Fig. 2 Das Schaltbild eines Schalters;

Fig. 3 Das Schaltbild eines Schaltermoduls;

Fig. 4 Einen Schnitt durch ein Schaltermodul, das spe ziell für das Verfahren nach der Erfindung ge eignet ist.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenge faßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Stromrichterschaltungsanordnung 1, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil ange wendet wird. Es handelt sich dabei um einen 3-phasigen Umrichter, der von einer Gleichspannungsquelle 5 gespeist wird. Die Gleichspannungsquelle 5 kann beispielsweise eine Kondensatorbank eines Spannungszwischenkreises sein, die über einen Gleichrichter von einem Wechselspannungs netz gespeist wird. Jede Phase 6.1-6.3 des Umrichters um faßt mindestens zwei Schalter 2. Die Schalter 2, von denen ein erster zwischen dem Pluspol 7 der Gleichspan nungsquelle 5 und dem Lastanschluß 9 der Phase angeord net ist und ein zweiter zwischen dem Lastanschluß 9 und dem Minuspol 8 der Gleichspannungsquelle 5, umfassen je mindestens ein steuerbares Schaltelement und eine dazu antiparallelgeschaltete Freilaufdiode 13. Das steuerbare Schaltelement umfaßt beispielsweise ein Schaltermodul 14, es können jedoch auch mehrere Schaltermodule 14 pro Schalter 2 vorgesehen sein. Zur Erhöhung der Stromtragfä higkeit werden mehrere Module parallelgeschaltet, zur Er höhung der Spannungsbelastbarkeit werden sie in Serie ge schaltet. Die Lastanschlüsse 9 jeder Phase 6.1-6.3 sind mit einer Last verbunden, z. B. mit einem Motor 10. Eine Steuereinheit 17 schaltet nun die Module 2 jeder Phase abwechselnd ein- und aus, wobei die Phasen 6.1-6.3 unter einander phasenverschoben angesteuert werden, so daß an der Last eine mehrphasige Wechselspannung erzeugt wird, deren Frequenz eingestellt werden kann. Die Funktion ei nes derartigen Umrichters ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und muß an dieser Stelle nicht wei ter erläutert werden.

Fig. 2 zeigt einen Schalter 2 im Detail. Er umfaßt min destens ein Schaltermodul 14 mit einer antiparallelge schalteten Freilaufdiode 13. Der Schaltermodul 14 besteht vorzugsweise aus IGBT-Schaltelementen oder -Chips. Die Freilaufdiode 13 kann auch im Modul 14 integriert sein oder als diskretes Bauelement antiparallel zum Schalter modul 14 geschaltet sein. Das Modul 14 selbst umfaßt einen Gateanschluß 12, eine Anode 18 und eine Kathode 19. Für Hochleistungsanwendungen ist das Modul 14 seiner seits aus einer Parallelschaltung von Halbleiterchips 4 zusammengesetzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel also aus IGBT-Chips. Dies zeigt Fig. 3.

Wie Fig. 4, die Darstellung eines Schaltermoduls 14 im Schnitt, zeigt, sind die Chips 4 über Anschlußdrähte 3 z. B. mit Leiterbahnen 15 verbunden. Es handelt sich dabei im allgemeinen um sog. Bonddrähte. Legiert nun ein Chip 4 durch, so wird das gesamte Modul 14 kurzgeschlossen. Der Kurzschlußstrom ist gegebenenfalls sehr groß und könnte das Modul 14 zerstören. Deshalb ist eine Schutzschaltung vorgesehen, welche den Fehler detektiert und die übrigen Zweige des Stromrichters sofort abschaltet, um sie vor Beschädigung zu schützen.

Die Steuereinheit 17 einer realisierten Stromrichter schaltungsanordnung 1 erzeugt ein geregeltes Zündimpuls muster zur Ansteuerung der Schaltermodule 14. Dieses Zün dimpulsmuster wird z. B. in optische Signale umgewandelt und über Glasfasern den Modulen 14 zugeleitet. Eine opti sche Übertragung wird aus EMV-Gründen und wegen der Po tentialtrennung bevorzugt. Die optischen Signale werden entweder sogenannten Gate-Units, welche die optischen Si gnale wieder in elektrische umwandeln, oder direkt den Modulen zugeführt. Im letzteren Fall müssen die Module 14 einen entsprechenden Wandler bereits integriert haben. Dies ist mit den heute erhältlichen intelligenten Lei stungsmodulen (IPM = Intelligent Power Module) kein Pro blem mehr. Die Signalverbindung zwischen der Steuerein heit und den Modulen ist bidirektional, so daß es mög lich ist, Informationen über den Zustand der Gate-Unit bzw. der Module an die Steuereinheit zurückzumelden.

Wird erkannt, daß ein Modul defekt ist, so schaltet die Steuereinheit bei den bekannten Verfahren die gesamte An lage aus, um sie vor mechanischer Beschädigung zu schüt zen. Auf diese Weise wird verhindert, daß sich der Feh ler eines Moduls ausweitet und die ganze Anlage beschä digt wird. Es ist besonders wichtig, daß im Falle eines Fehlers beide Module einer Phase gesperrt werden. Falls dies nicht gelänge, müßte gegebenenfalls eine Explosion der Module erwartet werden, da das resultierende Kurz schlußstrom-Zeitintegral im allgemeinen viel höher ist als die entsprechenden zulässigen Werte der Module. Bei einem erfolgreichen Schutzeingriff obiger Art wird zwar ein Folgefehler vermieden, allerdings besteht dann ein dauernder Kurzschluß, so daß die Anlage nicht wieder eingeschaltet werden kann, bevor das entsprechende Module ausgewechselt worden ist.

Mit dem Fehlerbehebungsverfahren nach der Erfindung wer den solche, u. U. sehr kostspielige Unterbrüche vermieden. Dies erreicht man kurz gesagt dadurch, daß die An schlußdrähte eines defekten Moduls durchgetrennt werden. Zu diesem Zweck werden in einem ersten Schritt alle Schaltermodule 14 jeder Phase 6.1-6.3 ausgeschaltet. An schließend wird z. B. das mit dem Pluspol 7 der Gleich spannungsquelle 5 verbundene Modul 14 z. B. der Phase 6.1 eingeschaltet. Falls der Kurzschluß in dem mit dem Mi nuspol 8 verbundenen Modul 14 derselben Phase liegt, so fließt der gesamte Strom über die Anschlußdrähte 3 des defekten Chips, denn das betreffende Modul ist ja ausge schaltet. Man läßt nun den Strom nur für eine Zeitdauer (Brennzeit) tc fließen, so daß die Anschlußdrähte 3 durchgetrennt werden. Dadurch wird der defekte Chip 4 vom Rest des Moduls elektrisch abgetrennt und-das entspre chende Modul 14 ist wieder einsatzfähig. Gegebenenfalls wird dadurch zwar die Leistungsfähigkeit des Moduls her abgesetzt, doch kann dies durch entsprechende Auslegung, bei der ein Teil der Chips als redundanter Anteil vorge sehen wird, ausgeglichen werden.

Befindet sich der Kurzschluß jedoch nicht in dem mit dem Minuspol 7 verbundenen Modul 14 der Phase 6.1, so ge schieht überhaupt nichts, da der Stromkreis ja offen ist. In diesem Fall wird das mit dem Pluspol 7 verbundene Mo dul 14 wieder ausgeschaltet und dafür das mit dem Minus pol 8 verbundene Modul 14 für eine Zeitdauer tc einge schaltet. Analog wie oben werden, falls dieses Modul einen Kurzschluß aufweist, die Anschlußdrähte durchge trennt.

Befindet sich das defekte Modul nicht in der Phase 6.1, so wird mit den übrigen Phasen 6.2-6.3 entsprechend ver fahren bis der Fehler behoben ist.

Bei der Verwendung von intelligenten Leistungsmodulen, welche einen Fehler selbsttätig an die Steuereinheit übermitteln können, kann das Verfahren nach der Erfindung direkt und gezielt am defekten Modul angewendet werden. Die ermöglicht eine weitere Verkürzung des Betriebsunter bruchs.

Wenn die Anschlußdrähte 3 als Sicherung ausgelegt sind, wird mit Vorteil direkt die Zwischenkreisspannung zum Auftrennen der Anschlußdrähte eines defekten Moduls ap pliziert. Wenn die Anschlußdrähte 3, im allgemeinen Bonddrähte, jedoch nicht als Hochspannungssicherung aus gelegt sind, ist deren Lichtbogenspannung klein (kleiner als 1000 V). Aus diesem Grund ist es weiter von Vorteil, wenn die während der Zeitdauer tc applizierte Brennspan nung möglichst tief ist. Andernfalls reicht die Lichtbo genspannung nicht, um den Strom auszuschalten und die Ge fahr besteht, daß der Fehlerstelle zu viel Energie zuge führt wird. Dadurch würden nicht nur die Anschlußdrähte 3 durchgetrennt, sondern noch weitere Beschädigungen ver ursacht.

Dieses Problem kann nun dadurch verhindert werden, daß die Gleichspannungsquelle 5 bzw. die Zwischenkreiskonden satorbank nach dem Abschalten aller Module 14 zunächst entladen und anschließend auf eine optimale Brennspan nung aufgeladen wird und das Verfahren nach der Erfindung mit dieser Brennspannung fortgesetzt wird. Die optimale Brennspannung kann aus den Materialeigenschaften der An schlußdrähte 3 und der Zeitdauer tc berechnet werden.

Die Zeitdauer tc und damit die Länge des angelegten Strompulses sowie dessen Höhe (Brennspannung) wird so festgelegt, daß eine Struktur der unterbrochenen Stelle entsteht, welche in der Lage ist, die an dieser Stelle nach Wiederaufnahme des Normalbetriebes anliegende Be triebsspannung dauerhaft zu sperren.

Eine weitere Maßnahme zur Verhinderung von unkontrol lierbaren Beschädigungen beim Durchtrennen der An schlußdrähte 3 besteht darin, daß die Anschlußdrähte 3 mit einem Vergußmittel 11 umgeben werden. Wie Fig. 4 zeigt, ragen die Anschlußdrähte 3 in diesem Fall ein Stück über das Vergußmittel 11. An dieser Stelle werden die Anschlußdrähte 3 durchgetrennt. Das Vergußmittel 11 verhindert dabei ein weiteres Abschmelzen der Drähte 3 und damit ein unkontrolliertes Ausbreiten der applizier ten Brennenergie auf das Modul 14. Als Vergußmittel 11 kann beispielsweise Silicon-Gel verwendet werden.

Fig. 4 zeigt den Aufbau eines Schaltermoduls 14 im Schnitt. Auf einer Grundplatte 16 ist eine Anzahl Schal terchips 4 aufgebracht, z. B. aufgelötet. Außerdem sind Leiterbahnen 15 vorgesehen, welche die Anschlüsse der Mo dule 14 bilden. In der Figur ist der Einfachheit halber nur die Kontaktierung einer Seite, z. B. der Kathodenseite, dargestellt. Die Elektroden der Chips 4 werden über An schlußdrähte 3, i.a. Bonddrähte mit den Leiterbahnen 15 verbunden. Vorzugsweise werden IGBT-Chips 4 verwendet. Diese weisen drei Hauptelektroden, eine Anode 18, eine Kathode 19 und eine Gateelektrode 12 auf. Handelt es sich um ein intelligentes Leistungsmodul, so sind pro Modul 14 gegebenenfalls noch mehr Steuer- und Kontrollanschlüsse vorgesehen. Selbstverständlich können aber auch andere Halbleiterschalter verwendet werden, so z. B. MOS gesteu erte Thyristoren (MCT).

Optimale Werte für die Zeitdauer tc hängen natürlich von der angelegten Brennspannung ab. Im allgemeinen beträgt sie einige Mikrosekunden. Im Rahmen von Versuchen haben sich Werte zwischen ca. 20 µs und 10 ms bewährt. Beson ders gute Ergebnisse wurden mit Werten zwischen 100 und 10 ms erreicht. Dies erlaubt, daß ca. alle 1 ms ein Modul mit der Brennspannung beaufschlagt werden kann. Bei einer dreiphasigen Anordnung ergeben sich also maximal 6 Durchgänge à 1 ms. Dazu kommen noch zeitliche Verzögerun gen für das Abschalten der Module und die Unterbrechung der Energiezufuhr sowie das Hochfahren der Zwischenkreis spannung. Insgesamt ergibt sich jedoch eine totale Feh lerbehebungszeit, welche im Bereich von Bruchteilen von Sekunden bis zu wenigen Sekunden liegt. Wird darüber hinaus auf die optimale Anpaßung der Brennspannung ver zichtet und die Anschlußdrähte mit der anlagebedingten Zwischenkreisspannung durchgetrennt, so dauert der ganze Fehlerbehebungsvorgang nur einige ms und ist deshalb kaum festzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die oben erläuterte Schaltungsanordnung beschränkt, sondern wird ganz allgemein bei allen Stromrichterschaltungsanordnung mit Modulen bestehend aus mehreren parallelgeschalteten Chips mit Vorteil eingesetzt.

Insgesamt steht also mit der Erfindung ein Verfahren zur Fehlerbehebung in einer Stromrichterschaltungsanordnung zur Verfügung, bei welchem allfällige Kurzschlüsse in den Halbleiterchips der Schaltermodule ohne Ausfall der ge samten Anlage behoben werden können.

Bezugszeichenliste

1 Stromrichterschaltung
2 Schalter
3 Anschlußdrähte
4 Schalterchip
5 Gleichspannungsquelle
6.1-6.3 Phasen
7 Pluspol
8 Minuspol
9 Lastanschluß
10 Motor
11 Vergußmittel
12 Gateanschluß
13 Freilaufdiode
14 Schaltermodul
15 Leiterbahn
16 Grundplatte
17 Steuereinheit
18 Anode
19 Kathode
KS Kurzschluß

Claims

1. Verfahren zur Fehlerbehebung in einer Stromrichter schaltungsanordnung (1) mit Schaltern (2) bestehend aus mehreren ein- und ausschaltbaren Schaltermodulen (14), welche jeweils mehrere, über Anschlußdrähte (3) parallelgeschaltete Schalterchips (4) umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (3) derjenigen Schalterchips (4), die aufgrund eines allfälligen Defekts einen Kurzschluß bilden, ge zielt durchgetrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Strom richterschaltungsanordnung (1) einen mehrphasigen, von einer Gleichspannungsquelle (5) gespeisten Um richter umfaßt, wobei pro Phase (6.1-6.3) zwei Schalter (2) vorgesehen sind, von denen je einer zwischen dem Pluspol (7) der Gleichspannungsquelle (5) und einem Lastanschluß (9) und der andere zwi schen dem Lastanschluß (9) und dem Minuspol (8) der Gleichspannungsquelle (5) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß nachdem der Defekt erkannt wor den ist

a) in einem ersten Schritt alle Schaltermodule (14) jeder Phase (6.1-6.3) ausgeschaltet wer den;
b) in einem zweiten Schritt das mit dem Pluspol (7) verbundene Schaltermodul (14) einer ersten Phase (z. B. 6.1) für eine Zeitdauer tc einge schaltet wird und falls das mit dem Minuspol (8) verbundene Schaltermodul (14) nicht defekt war, anschließend das mit dem Minuspol (8) verbunden Schaltermodul (14) für die Zeitdauer tc eingeschaltet wird, nachdem das mit dem Pluspol (7) verbundene Schaltermodul (14) wie der ausgeschaltet wurde;
c) der zweite Schritt für die übrigen Phasen (z. B. 6.2, 6.3) wiederholt wird, falls das defekte Modul (14) nicht in der vorherigen Phase (6.1 bzw. 6.2) enthalten war.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (5) nach dem Aus schalten aller Schaltermodule (14) entladen wird und anschließend auf eine optimale Brennspannung auf geladen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zeitdauer tc zwischen 100 s und 10 ms liegt und die Brennspannung möglichst niedrig gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Schaltermodule (14) ver wendet werden, deren Anschlußdrähte (3) mit einem Vergußmittel (11), insbesondere aus Silikon-Gel, umgeben werden, wobei die Anschlußdrähte (3) teil weise aus dem Vergußmittel (11) herausragen.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Schaltermodule (14) ver wendet werden, deren Schalterchips (4) Transistoren mit isolierten Gate umfassen.