Processing

Please wait...

Settings

Settings

Goto Application

1. WO2007095873 - DEVICE FOR SHORT-CIRCUITING POWER SEMICONDUCTOR MODULES

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Beschreibung

Einrichtung zum Kurzschließen von Leistungshalbleitermodulen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Leistungshalbleitermodulen, die über Verbindungsmittel unter Ausbildung einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind, wobei jedem Leistungshalbleitermodul eine Kurzschlusseinrichtung zum Kurzschließen des jeweiligen Leistungshalbleitermoduls zugeordnet ist.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 103 23 220 Al bereits bekannt. Dort ist ein Umrichter beschrieben, der eine Brü-ekenschaltung mit Brückenzweigen umfasst. Dabei weist jeder Brückenzweig eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleitermodulen auf, die über Verbindungsmittel miteinander verbunden sind. Die zweipoligen Leistungshalbleitermodule weisen bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmspannung auf. Jedes Leistungshalbleitermodul umfasst ferner einen internen- Spannungszwischenkreis mit einem Energiespeicher. Die Leistungshalbleitermodule sind nicht über Druckkontakt der jeweiligen Leistungshalbleiter miteinander verbunden. Ein Kurzschluss innerhalb des Leistungshalbleitermoduls kann daher zum Auftreten von Lichtbögen führen, mit Explosionsgasen oder dergleichen im Gefolge. Um dem Lichtbogen die treibende Spannung zu entziehen, wird das fehlerhafte Leistungshalbleitermodul kurzgeschlossen und auf diese Weise in der Reihenschaltung überbrückt. Zum Kurzschließen ist dem Leistungshalbleitermodul eine Kurzschlusseinrichtung parallel geschaltet, die ein Opferbauelement aus Halbleitern umfasst. Das Opferbauelement legiert beim Kurzschließen im Fehlerfall durch, wobei es zerstört wird. Die vorbekannte Kurzschlussvorrichtung weist jedoch einen komplizierten Aufbau auf und ist kostenintensiv.

Aus der DE 199 55 682 A2 ist eine strombegrenzende Einrichtung für die Hochspannung bekannt, die über eine Sprengladung zum Öffnen eines Hauptstromzweiges verfügt. Nach dem Öffnen des Hauptstromzweiges kommutiert der Strom auf einen einen Kondenstor aufweisenden Nebenzweig. In Abhängigkeit der Impedanz des Kondensators kommt es zu einer Begrenzung des über die Einrichtung fließenden Stromes.

Die DE 102 54 497 B3 offenbart einen Kurzschließer mit einem Lichtempfänger, dessen optisches Ausgangssignal zur Aktivierung einer photochemischen Reaktion eines Reaktionsgemisches eingesetzt wird. Dazu wird das Licht eines entstandenen Störlichtbogens über Lichtwellenleiter in eine Reaktionskammer geführt, die mit dem Reaktionsgemisch befüllt ist. Durch die photochemische Zündung des Reaktionsgemisches kommt es zur explosionsartiger Druckerhöhung in der Kammer, wodurch wiederum ein Kurzschließer mechanisch betätigt wird.

Aus der DE 225 540 Al ist ferner ein Antrieb für elektrische Schalter mit Explosivzündung bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine zuverlässige und gleichzeitig kostengünstige Kurzschlusseinrichtung aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Kurschlusseinrichtung ein pyrotechnisch-mechanisches Element ist, das einen Sprengsatz und ein durch den Sprengsatz verschiebbares Auslösemittel aufweist.

Im Rahmen der Erfindung wird ein kostengünstiges pyrotechnisch-mechanisches Element zum Überbrücken eines Leistungshalbleitermoduls verwendet. Solche pyrotechnisch-mechanischen Elemente sind beispielsweise als Gurtstraffer oder zum Öffnen von gepanzerten Fahrzeugen bekannt geworden. Sie weisen neben einer schnellen Reaktionszeit eine extrem hohe Zuverlässigkeit auf. Ferner wird nur eine begrenzte Energie zum Auslösen des Sprengsatzes benötigt, wobei jedoch über die entstehende Druckwelle hohe Kräfte in das beweglich in den restlichen Bauteilen des pyrotechnisch-mechanischen Elements gelagerte Auslösemittel eingeleitet werden. Zweckmäßigerweise ist das Auslösemittel im Auslösefall nur über eine vorbestimmte
Wegstrecke hinweg beweglich gelagert. Auf diese Weise kann die Beschädigung empfindlicher Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch weiter vermieden werden. Erfindungsgemäß ist auch bei langen Lebensdauern ein zuverlässiges Schalten ermöglicht. Der Einsatz des pyrotechnisch-mechanischen Elements ermöglicht daher die Konstruktion von erfindungsgemäßen Vor-richtungen, wie beispielsweise Stromrichtern, die modulartig aufgebaut sind, wobei die einzelnen Module über Verbindungsmittel verbunden sind. Eine aufwändige Druckkontaktierung der einzelnen Leistungshalbleiter ist daher überflüssig geworden. Die Stromrichter sind somit kostengünstig herstellbar. Bei einem Kurzschluss kann das fehlerhafte Leistungshalbleitermodul mittels des pyrotechnisch-mechanischen Elementes sicher kurzgeschlossen werden, so dass Beschädigungen der restlichen Bauteile des Stromrichters oder von Personen in der Nähe des Stromrichters erfindungsgemäß zuverlässig vermieden sind. Zwar sind pyrotechnische Auslösungen im Bereich der Energieverteilung bereits bekannt geworden. Erfindungsgemäß wurde jedoch erkannt, dass Sprengsätze auch im Zusammenhang mit empfindlichen Leistungshalbleitern zur Anwendung gelangen können. Dazu ist jedes pyrotechnisch-mechanisches Element im Rahmen der Erfindung bezüglich der Leistungshalbleitermodule so angeordnet oder auf eine Weise ausgerüstet, dass die besagten Beschädigungen im Auslösefall durch die dann stattfindende Explosion sicher ausgeschlossen werden können.

Zweckmäßigerweise verfügt jedes Leistungshalbleitermodul über wenigstens einen zugeordneten Energiespeicher, wie beispielsweise wenigstens einen Kondensator.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das pyrotechnisch-mechanische Element ein Gehäuse auf, in dem der Sprengsatz angeordnet ist. Durch das Gehäuse ist beispielsweise ein Schutz für die Leistungshalbleitermodule bereitgestellt. Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise so dick aus-gestaltet, dass ein Zerbersten des Gehäuses oder sonstiger Teile des pyrotechnischen-mechanischen Elementes im Explosionsfalle vermieden ist.

Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung ist das Gehäuse im Auslösefall gasdicht, so dass ein Auftreten von Explosionsgasen vermieden ist. Auf diese Weise ist die Gefahr einer Beschädigung der Leistungshalbleitermodule durch den Sprengsatz bei einer Explosion nahezu vollständig vermieden. Das pyrotechnisch-mechanische Element ist so ausgestaltet, dass lediglich eine mechanische Verschiebung des Auslösemittels im Auslösefall stattfindet. Weitere Nebenwirkungen entstehen gemäß dieser Weiterentwicklung im Rahmen der Erfindung nicht. Im diesem Zusammenhang sind pyrotechnisch-mechanische Elemente bekannt geworden, die sich nach Zündung des Sprengsatzes bei Raumtemperatur, ohne äußere Explosionsgase frei zu setzen, lediglich bis zu etwa 60° Celsius erwärmen.

Vorteilhafterweise weist das pyrotechnisch-mechanische EIe-ment wenigstens zwei Ansteueranschlüsse zum Auslösen des Sprengsatzes auf. Durch das Vorsehen von zwei Ansteueranschlüssen ist eine redundante Ansteuerung des Sprengsatzes ermöglicht, wodurch die Zuverlässigkeit der Auslösung noch weiter erhöht wird.

O

Vorteilhafterweise besteht das pyrotechnisch-mechanische Element wenigstens aus einem elektrisch leitfähigen Material und verbindet in einer Auslösestellung die Reihenschaltung mit einem Umgehungszweig, so dass dem pyrotechnisch-mechanischen Element zugeordnete Leistungshalbleitermodul überbrückt ist. Gemäß dieser Weiterentwicklung der Erfindung findet im Fehlerfall ein Stromfluss über das pyrotechnisch-mechanische E-lement selbst statt. Mit anderen Worten ist das pyrotechnisch-mechanische Element Teil des Umgehungszweiges für das fehlerhafte Leistungshalbleitermodul.

Zweckmäßigerweise ist das pyrotechnisch-mechanische Element elektrisch zündbar. Eine solche elektrische Zündung ist sowohl zuverlässig als auch kostengünstig.

Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung weist das pyrotechnisch-mechanische Element wenigstens einen Messgeber zur Erfassung eines zu überwachenden elektrischen Signals des zugeordneten Leistungshalbleitermoduls auf, wobei jeder Messge-ber mit einer Auslöseeinheit verbunden ist, die zum elektrischen Zünden des Sprengsatzes eingerichtet ist. Die Auslöseeinheit ist beispielsweise mit einer zweckmäßigen Logik ausgestattet, die zum Überprüfen des zu überwachenden Signals an Hand einer internen Logik eingerichtet ist. Das zu überwa-chende Signal ist beispielsweise einer Spannung, die beispielsweise an einem Kondensator des zu überwachenden Leistungshalbleitermoduls abfällt, einem Strom oder einer zeitliche Veränderung der besagten Spannung oder des besagten Stroms proportional. Wird eine Spannung überwacht, ist der Messgeber beispielsweise ein geeichter Spannungswandler, der ein der von der Spannung abhängiges Spannungssignal erzeugt, das von der Auslöseeinheit unter Gewinnung von Abtastwerten abgetastet wird, wobei die Abtastwerte durch einen Analog-/Digitalwandler in digitale Spannungsmesswerte umgewandelt werden. Die digitalen Spannungsmesswerte können beispielsweise mit einem parametrisierten Schwellenwert verglichen werden. Abweichend davon ist jedoch eine analoge Auswertung der Messgebersignale möglich. Solche Auslösevorgänge sind dem Fachmann jedoch bestens bekannt, so dass an dieser Stelle nicht näher hierauf eingegangen zu werden braucht.

Vorteilhafterweise ist das verschiebbare Auslösemittel durch den Sprengsatz in das Gehäuse hinein verschiebbar. Solche py-rotechnisch-mechanischen Elemente sind auf dem Markt unter dem Begriff „Pinpuller" bekannt geworden. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung wirkt das pyrotechnisch-mechanische Element wie eine Verriegelung, wobei die Verriegelung nach der Auslösung des Sprengsatzes aufgehoben ist und beispielsweise eine vorgespannte Feder freigesetzt wird, die einen zugeordneten Schalter oder Kontakt schließt.

Selbstverständlich ist es auch möglich, das verschiebbare Auslösemittel aus dem Gehäuse hinaus zu verschieben, so dass die Schaltbewegung von dem pyrotechnisch-mechanischen Element unmittelbar erzeugbar ist. Die Schaltbewegung wird anschließend in eine zweckmäßige Kinematik eingeleitet, so dass Kontakte zum Überbrücken des jeweils zugeordneten Leistungshalbleitermoduls geschlossen werden. Pyrotechnisch-mechanische Elemente sind beispielsweise unter dem Begriff pyrotechnische Aktuatoren bekannt geworden. Vorteilhafterweise ist die
Wegstrecke der Verschiebung auch in diesem Fall begrenzt ausgelegt, so dass die Gefahr einer Beschädigung von weiteren Bauteilen der Vorrichtung vermieden ist.

Zweckmäßigerweise verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über einen Hilfskontakt, mit dessen Hilfe überprüfbar ist, ob das pyrotechnisch-mechanische Element nach einer Zündung ausgelöst hat.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirken-de Bauteile verweisen und wobei

Figur 1 ein pyrotechnisch-mechanisches Element mit einer Auslöseeinheit in einer schematischen Darstellung,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines pyrotechnisch- mechanischen Elementes und

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2
zeigen.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines pyrotechnisch-mechanischen Elements 1, das über ein gasdichtes Gehäuse verfügt, in dem ein Sprengsatz angeordnet ist. Durch die Auslö-sung des Sprengsatzes kommt es zur Verschiebung eines in Figur 1 nicht sichtbaren Auslösemittels, dessen Antriebsbewegung in eine zweckmäßige Kinematik 2 zum Schließen eines Schalters oder Kurzschließers 3 eingeleitet wird. Bei geschlossenem Schalter 3 ist ein Leistungshalbleitermodul über-brückt, das in einer Reihenschaltung von Leistungshalbleitermodulen angeordnet ist. Die besagte Reihenschaltung ist Teil eines Stromrichters.

Zum Auslösen des pyrotechnisch-mechanischen Elementes ist ei-ne Ansteuereinheit 4 vorgesehen, die über Verbindungsleitungen 5 mit Messgebern verbunden ist, die in Figur 1 figürlich nicht dargestellt sind.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 dient die Ansteuereinheit zum Überwachen eines Leistungshalbleitermoduls 1, das einen dem besagten Leistungshalbleitermodul 1 zugeordneten figürlich nicht dargestellten Energiespeicher beispielsweise in Form eines Kondensators aufweist. Die Ansteuereinheit 4 überwacht über die Verbindungsleitungen 5 die an dem Kondensator abfallende Spannung. Im Kurzschlussfall kommt es zum schnellen Zusammenbruch der Spannung. Überschreitet dieser Gradient eine bestimmte vorgegebene Schwelle, löst die An-Steuereinheit eine Explosion des Sprengsatzes des pyrotech-nisch-mechanischen Elementes 1 aus, wodurch es zum Schließen des Schalters 3 kommt. Auf diese Weise ist das fehlerhafte Leistungshalbleitermodul überbrückt, so dass ein Stromfluss über die übrigen Leistungshalbleitermodule 1, die in Reihe zum fehlerhaften Leistungshalbleitermodul 1 geschaltet sind, ermöglicht ist.

Darüber hinaus kann auf das Überschreiten einer bestimmten Spannungsschwelle detektiert werden, woraus auf einen Fehler innerhalb des Leistungshalbleitermoduls 1 geschlossen werden kann. In diesem Fall wird dieses Leistungshalbleitermodul sofort kurzgeschlossen, beispielsweise um ein weiteres Anwachsen einer Kondensatorspannung, die an einem Kondensator des Leistungshalbleitermoduls abfällt, und damit einen höheren Energieinhalt im besagten Kondensator zu vermeiden.

Zur Energieversorgung der Ansteuereinheit ist eine Stromversorgungselektronik 6 vorgesehen, die über Anschlussleitungen 7 mit einer Stromversorgung verbunden ist.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des pyrotechnisch-mechanischen Elementes 1, das über ein Gehäuse 8, einen Schaltstift 9 sowie eine Ansteuerleitung 10 verfügt. Die Explosion des Sprengsatzes im Innern des Gehäuses 8 bewirkt ein Einfahren des Schaltstiftes 9 in das Gehäuse 8. Dabei ist das Gehäuse 8 durch Einsatz zweckmäßiger Dichtungen gasdicht ausgebildet, so dass trotz der Explosion des Sprengsatzes das Auftreten von Explosionsgasen außerhalb des Gehäuses vermie-den ist. Eine Beschädigung der empfindlichen Leistungshalb-leiterbaueleinente ist daher im Rahmen dieser Weiterentwicklung der Erfindung vermieden.

Der Schaltstift 9 dient in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zur Verriegelung. Aus diesem Grunde ist die Spitze des
Schaltstiftes 9 kegelförmig dargestellt, wobei die kegelförmige Spitze in eine komplementäre Ausnehmung 11 einer Schaltstange 12 eingreift. Im Normalbetrieb ist eine Druckfeder 13 durch die verriegelten Schaltstange 12 vorgespannt. Nach dem Auslösen des pyrotechnisch-mechanischen Elementes 1 ist die Verriegelung der Druckfeder 13 aufgehoben und die Druckfeder 13 freigesetzt, so dass es zum Überbrücken der Kontakte 14 durch die Kontaktbrücke 15 kommt. Kontaktiert die Kontaktbrücke 15 die Kontakte 14, ist das zugeordnete fehlerhafte Leis-tungshalbleiterbauelement überbrückt.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des pyrotechnisch-mechanischen Elementes 1, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig aus einem leitenden Material, bei-spielsweise einem geeigneten Metall, gefertigt ist. Dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 entsprechend weist das in Figur 3 dargestellte pyrotechnische Element 1 ein Gehäuse 8 sowie einen Schaltstift 9 auf, wobei im Gegensatz zu dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schaltstift 9 im Exp-losionsfalle des Sprengsatzes aus dem Gehäuse 8 herausfahrbar ausgestaltet ist. In der gezeigten Betriebsstellung ist der Schaltstift 9 vom Gegenkontakt 14 getrennt. In der ausgefahrenen Stellung ist jedoch ein Kontakt zwischen dem Schaltstift 9 und dem Gegenkontakt 14 bereitgestellt und somit ein Stromfluss über das pyrotechnisch-mechanische Element 1 ermöglicht und das fehlerhafte Leistungshalbleitermodul überbrückt .