Verfahren zum Abschalten eines Leistungshalbleiterbauelements

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten eines bipolaren schaltbaren Leistungshalbleiterbauelements und eine Ansteuerschaltung für ein bipolares schaltbares

Leistungshalbleiterbauelement .

Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, bipolare schaltbare Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere

Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, mit vergleichsweise großen Gate-Emitter-Spannungen zu betreiben. Früher wurden lediglich Gate-Emitter-Spannungen von maximal 15 V zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente verwendet. Es hat sich aber gezeigt, dass Gate-Emitter-Spannungen größer oder gleich 18 V vorteilhaft sind, weil bei derartigen

Gate-Emitter-Spannungen die Durchlassverluste der

Leistungshalbleiterbauelemente verringert sind. Allerdings wirft das Betreiben von Leistungshalbleiterbauelementen mit derartig hohen Gate-Emitter-Spannungen Schwierigkeiten auf: Wenn beispielsweise bei einem durch ein eingeschaltetes

Leistungshalbleiterbauelement fließenden elektrischen Strom ein Kurzschluss auftritt (sogenannter Typ-2-Kurzschluss) , dann können sehr hohe Kurzschlussströme entstehen, welche im

Extremfall das Leistungshalbleiterbauelement zerstören können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abschalten eines bipolaren schaltbaren

Leistungshalbleiterbauelements sowie eine Ansteuerschaltung für ein bipolares schaltbares Leistungshalbleiterbauelement anzugeben, mit denen auch bei Nutzung von

Gate-Emitter-Spannungen größer oder gleich 18 V bei Auftreten eines Kurzschlusses das Leistungshalbleiterbauelement sicher abgeschaltet werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und durch eine Ansteuerschaltung nach den unabhängigen

Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Ansteuerschaltung sind in den abhängigen

Patentansprüchen angegeben.

Offenbart wird ein Verfahren zum Abschalten eines bipolaren schaltbaren Leistungshalbleiterbauelements, bei dem

- auf ein Abschaltsignal hin die Gate-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterbauelements von einem ersten Spannungswert ausgehend in einem ersten Zeitabschnitt mit einer ersten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit bis zu einem zweiten Spannungswert verringert wird,

- danach in einem zweiten Zeitabschnitt die

Gate-Emitter-Spannung konstant gehalten oder bis zu einem dritten Spannungswert verringert wird, wobei die

Gate-Emitter-Spannung in dem zweiten Zeitabschnitt eine zweite mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit aufweist, und der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit kleiner ist als der Betrag der ersten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit , und

- danach in einem dritten Zeitabschnitt die

Gate-Emitter-Spannung mit einer dritten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit bis zu einem vierten

Spannungswert verringert wird, wobei der Betrag der dritten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit größer ist als der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass auf das Abschaltsignal hin die Gate-Emitter-Spannung schnell von dem ersten

Spannungswert bis zu dem zweiten Spannungswert verringert wird und danach die Gate-Emitter-Spannung in dem zweiten

Zeitabschnitt konstant gehalten oder nur wenig verringert wird. Dadurch wird eine beschleunigte Entsättigung des

Leistungshalbleiterbauelements erzwungen und ein sanfter Übergang in den dritten Zeitabschnitt ermöglicht, in welchem der Abschaltvorgang beendet wird. Die Länge des zweiten

Zeitabschnitts ist dabei so gewählt, dass am Ende des zweiten Zeitabschnitts das Leistungshalbleiterbauelement entsättigt ist, daraufhin kann während des dritten Zeitabschnitts die Gate-Emitter-Spannung schnell bis zu dem vierten Spannungswert (dem Minimalwert der Gate-Emitter-Spannung) verringert werden. Bei diesem Verfahren findet eine schnelle Entsättigung des Leistungshalbleiterbauelements statt, so dass die während dieser Entsättigung auftretenden Stromspitzen begrenzt sind. Dadurch wird eine Schädigung des bipolaren schaltbaren

Leistungshalbleiterbauelements vermieden .

Das Verfahren kann so ablaufen, dass der erste Spannungswert größer als oder gleich 18 V ist. Durch die Nutzung einer Gate-Emitter-Spannung größer oder gleich 18 V (im

eingeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterbauelements) werden insbesondere geringe Durchlassverluste erreicht.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, das der zweite Spannungswert kleiner 15 V und größer der Abschnürspannung

(pinch-off-Spannung) des Leistungshalbleiterbauelements ist. Die Wahl eines derartigen zweiten Spannungswerts führt zu einer besonders schnellen Entsättigung des

Leistungshalbleiterbauelements .

Das Verfahren kann so ablaufen, dass der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit mindestens um den Faktor 5 kleiner ist als der Betrag der ersten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit .

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit mindestens um den Faktor 5 kleiner ist als der Betrag der dritten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit .

Durch die beiden vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten wird vorteilhafterweise erreicht, dass die

Gate-Emitter-Spannung während des zweiten Zeitabschnitts deutlich weniger verringert wird als während des ersten Zeitabschnitts oder während des dritten Zeitabschnitts. Dies trägt zu einer schnellen Entsättigung des

Leistungshalbleiterbauelements bei .

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass die zweite mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit zwischen 0 und -1 V/ps, insbesondere zwischen -0,01 und -1 V/ps, liegt. Dies ist eine geringe zweite mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit. Wenn die zweite mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit Null beträgt, dann bleibt die Gate-Emitter-Spannung in dem zweiten Zeitabschnitt konstant. Der zweite Zeitabschnitt stellt einen Warte-Zeitabschnitt dar.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass der zweite

Zeitabschnitt zwischen 1 und 20 ps, insbesondere zwischen 3 und 10 ps, lang ist. Der zweite Zeitabschnitt ist ein

Warte-Zeitabschnitt, nach dessen Ablauf die

Gate-Emitter-Spannung bis zu dem vierten Spannungswert verringert wird.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass der erste Spannungswert der Gate-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterbauelements im eingeschalteten Zustand entspricht. In diesem eingeschalteten Zustand treten die vorteilhaften Wirkungen der erhöhten

Gate-Emitter-Spannung auf, insbesondere die verringerten Durchlassverluste des Leistungshalbleiterbauelements.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass der erste Spannungswert zwischen 18 und 35 V beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass bei solchen Spannungswerten der Gate-Emitter-Spannung eine deutliche Verringerung der Durchlassverluste des

Leistungshalbleiterbauelements vorliegt (gegenüber niedrigeren Spannungswerten der Gate-Emitter-Spannung) .

Das Verfahren kann ein Verfahren zum Abschalten eines

Leistungshalbleiterbauelements eines Moduls eines modularen Multilevel-Stromrichters sein, wobei der modulare Multilevel-Stromrichter eine Vielzahl von Modulen aufweist, die eine elektrische Reihenschaltung bilden, die Module jeweils mindestens das Leistungshalbleiterbauelement, ein zweites Leistungshalbleiterbauelement und einen elektrischen

Energiespeicher aufweisen, wobei das

Leistungshalbleiterbauelement und das zweite

Leistungshalbleiterbauelement in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind, oder die Module jeweils mindestens das

Leistungshalbleiterbauelement, ein zweites

Leistungshalbleiterbauelement, ein drittes

Leistungshalbleiterbauelement, ein viertes

Leistungshalbleiterbauelement und einen elektrischen

Energiespeicher aufweisen, wobei das

Leistungshalbleiterbauelement, das zweite

Leistungshalbleiterbauelement, das dritte

Leistungshalbleiterbauelement und das vierte

Leistungshalbleiterbauelement in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Das Verfahren lässt sich also vorteilhaft bei einem modularen Multilevel-Stromrichter anwenden.

Das Verfahren kann auch so ausgestaltet sein, dass der erste Spannungswert ein positiver Spannungswert ist, der vierte Spannungswert ein negativer Spannungswert ist und der Betrag des ersten Spannungswerts größer ist als der Betrag des vierten Spannungswerts. Durch diese Asymmetrie (Betrag des ersten Spannungswerts ist größer als der Betrag des vierten

Spannungswerts) werden die beschriebenen vorteilhaften

Wirkungen, insbesondere die reduzierten Durchlassverluste des Leistungshalbleiterbauelements, erreicht .

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass das bipolare schaltbare Leistungshalbleiterbauelement ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ist.

Offenbart wird weiterhin eine Ansteuerschaltung für ein bipolares schaltbares Leistungshalbleiterbauelement, die zum Ausgeben einer Gate-Emitter-Spannung für das

Leistungshalbleiterbauelement eingerichtet ist, wobei

- die Gate-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterbauelements von einem ersten Spannungswert ausgehend in einem ersten Zeitabschnitt mit einer ersten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit bis zu einem zweiten

Spannungswert abfällt,

- danach in einem zweiten Zeitabschnitt die

Gate-Emitter-Spannung konstant bleibt oder bis zu einem dritten Spannungswert abfällt, wobei die Gate-Emitter-Spannung in dem zweiten Zeitabschnitt eine zweite mittlere

Spannungsänderungsgeschwindigkeit aufweist, und der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit kleiner ist als der Betrag der ersten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit , und

- danach in einem dritten Zeitabschnitt die

Gate-Emitter-Spannung mit einer dritten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit bis zu einem vierten

Spannungswert abfällt, wobei der Betrag der dritten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit größer ist als der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit.

Diese Ansteuerschaltung kann so ausgestaltet sein, dass der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit mindestens um den Faktor 5 kleiner ist als der Betrag der ersten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit .

Die Ansteuerschaltung kann so ausgestaltet sein, dass der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit mindestens um den Faktor 5 kleiner ist als der Betrag der dritten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit .

Die Ansteuerschaltung kann auch so ausgestaltet sein, dass die zweite mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit zwischen 0 und -1 V/ps, insbesondere zwischen -0,01 und -1 V/ps, liegt. Die Ansteuerschaltung kann auch so ausgestaltet sein, dass der zweite Zeitabschnitt zwischen 1 und 20 ps, insbesondere zwischen 3 und 10 ps, lang ist.

Die Ansteuerschaltung kann so ausgestaltet sein, dass der erste Spannungswert der Gate-Emitter-Spannung des

Leistungshalbleiterbauelements im eingeschalteten Zustand entspricht .

Die Ansteuerschaltung kann auch so ausgestaltet sein, dass der erste Spannungswert zwischen 18 und 35 V beträgt.

Die Ansteuerschaltung kann so ausgestaltet sein, dass der erste Spannungswert ein positiver Spannungswert ist, der vierte Spannungswert ein negativer Spannungswert ist und der Betrag des ersten Spannungswerts größer ist als der Betrag des vierten Spannungswerts .

Die Ansteuerschaltung kann auch so ausgestaltet sein, dass der zweite Spannungswert kleiner 15 V und größer der Abschnürspannung (pinch-off-Spannung) des Leistungshalbleiterbauelements ist.

Die Ansteuerschaltung kann so ausgestaltet sein, dass das bipolare schaltbare Leistungshalbleiterbauelement ein

Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ist.

Offenbart wird weiterhin eine Leistungshalbleitereinheit mit einem bipolaren schaltbaren Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere mit einem Bipolartransistor mit isolierter

Gate-Elektrode, und mit einer Ansteuerschaltung nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten.

Offenbart wird weiterhin ein Modul eines modularen

Multilevel-Stromrichters mit einer derartigen

Leistungshalbleitereinheit . Die Ansteuerschaltung, die Leistungshalbleitereinheit und das Modul des modularen Multilevel-Stromrichters weisen

gleichartige Vorteile auf, wie sie oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleichwirkende Elemente. Dazu ist in

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines modularen

Multilevel-Stromrichters, in

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines modularen

Multilevel-Stromrichters, in

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Phasenmodulzweigs eines modularen Multilevel-Stromrichters, in

Figur 4 ein Ausschnitt aus dem Phasenmodulzweig der Figur 3, in

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls eines modularen

Multilevel-Stromrichters, in

Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls eines modularen Multilevel-Stromrichters, in

Figur 7 ein Ausführungsbeispiel einer

Leistungshalbleitereinheit mit einem

Leistungshalbleiterbauelement und einer

Ansteuerschaltung, in

Figur 8 ein beispielhafter Verlauf des Abschaltens des

Leistungshalbleiterbauelements, und in

Figur 9 ein Detail eines weiteren Ausführungsbeispiels eines

Abschaltens des Leistungshalbleiterbauelements dargestellt .

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines modularen

Multilevel-Stromrichters 1 in Brückenschaltung dargestellt. Dieser modulare Multilevel-Stromrichter 1 weist einen ersten Wechselstromanschluss 4, einen zweiten Wechselstromanschluss 6 und einen dritten Wechselstromanschluss 8 auf. Der erste Wechselstromanschluss 4, der zweite Wechselstromanschluss 6 und der dritte Wechselstromanschluss 8 sind mit einem dreiphasigen Wechselstromnetz verbindbar.

Der erste Wechselstromanschluss 4 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 12 und einem zweiten Phasenmodulzweig 14 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 12 und der zweite

Phasenmodulzweig 14 bilden ein erstes Phasenmodul 16 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselstromanschluss 4 abgewandte Ende des ersten Phasenmodulzweigs 12 ist mit einem ersten Gleichspannungs-anschluss 18 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselstromanschluss 4 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 14 ist mit einem zweiten

Gleichspannungsanschluss 20 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungsanschluss 18 ist ein positiver

Gleichspannungs-anschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 20 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss. Zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 und dem zweiten

Gleichspannungsanschluss 20 liegt eine Gleichspannung Ud an.

Der zweite Wechselstromanschluss 6 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 22 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 24 elektrisch verbunden. Der dritte

Phasenmodulzweig 22 und der vierte Phasenmodulzweig 24 bilden ein zweites Phasenmodul 26. Der dritte Wechselstromanschluss 8 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodulzweigs 28 und mit einem Ende eines sechsten Phasenmodulzweigs 30 elektrisch verbunden. Der fünfte Phasenmodulzweig 28 und der sechste Phasenmodulzweig 30 bilden ein drittes Phasenmodul 32. Das dem zweiten Wechselstromanschluss 6 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 22 und das dem dritten

Wechselstromanschluss 8 abgewandte Ende des fünften

Phasenmodulzweigs 2827 sind mit dem ersten

Gleichspannungsanschluss 18 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselstromanschluss 6 abgewandte Ende des vierten Phasenmodulzweigs 24 und das dem dritten Wechselstromanschluss 8 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 30 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 20 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 12, der dritte Phasenmodulzweig 22 und der fünfte Phasenmodulzweig 28 bilden ein positivseitiges

Stromrichterteil 38; der zweite Phasenmodulzweig 14, der vierte Phasenmodulzweig 23 und der sechste Phasenmodulzweig 30 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 40.

Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind, vergleiche auch Figur 3. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im

Ausführungsbeispiel weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind zwei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 3, 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein.

Von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung des

Stromrichters 1 werden optische Nachrichten beziehungsweise optische Signale über eine optische Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen übertragen. Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines weiteren modularen Multilevel-Stromrichters 201 dargestellt. Dieser modulare Multilevel-Stromrichter 201 weist neben den drei Wechselstromanschlüssen 4, 6 und 8 lediglich die drei

Phasenmodulzweige 12, 22 und 28 auf. Die drei Phasenmodulzweige 12, 22 und 28 sind einer Dreieckschaltung geschaltet. Ein derartiger modularer Multilevel-Stromrichter kann

beispielsweise zur Blindleistungskompensation eingesetzt werden. Der erste Wechselstromanschluss 4, der zweite

Wechselstromanschluss 6 und der dritte Wechselstromanschluss 8 sind mit einem dreiphasigen Wechselstromnetz verbindbar.

In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Phasenmodulzweigs 301 dargestellt. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Phasenmodulzweige können wie dieser Phasenmodulzweig 301 aufgebaut sein.

Der Phasenmodulzweig 301 weist Module 304_1, 304_2 ... 304_n auf. Diese n Module sind elektrisch in Reihe geschaltet. Mit den Modulen elektrisch in Reihe geschaltet ist eine

Koppelinduktivität 307 sowie eine Strommesseinrichtung 310. Mittels der Strommesseinrichtung 310 kann festgestellt werden, ob ein Kurzschluss aufgetreten ist und deshalb ein erhöhter Strom als Kurzschlussstrom durch den Phasenmodulzweig 301 fließt.

Der Phasenmodulzweig 301 weist einen ersten Anschluss 313 sowie einen zweiten Anschluss 316 auf. Der erste Anschluss 313 ist mit der Strommesseinrichtung 310 elektrisch verbunden; der zweite Anschluss 316 ist mit der Koppelinduktivität 307 elektrisch verbunden. Der erste Anschluss 313 und der zweite Anschluss 316 können auch als ein erster Wechselstromanschluss 313 und ein zweiter Wechselstromanschluss 316 bezeichnet werden, weil mithilfe der Module 304_1 bis 304_n zwischen diesen beiden Wechselspannungsanschlüssen 313, 316 eine Wechselspannung erzeugt werden kann.

In Figur 4 ist ein Ausschnitt aus dem Phasenmodulzweig 301 der Figur 3 dargestellt. Die in Figur 4 dargestellte Reihenschaltung 401 weist k Module 304_1 bis 304_k auf, wobei k kleiner als n ist. Die Reihenschaltung 401 weist genau diejenigen k Module des modularen Multilevel-Stromrichters auf, welche räumlich auf einer Ebene 403 eines Stromrichterturmes angeordnet sind. Ein Stromrichterturm weist in der Regel mehrere Ebenen (Etagen) auf, so dass auf einem Stromrichterturm in mehreren Ebenen eine Vielzahl von Modulen angeordnet ist.

In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls 500 des modularen Multilevel-Stromrichters 1 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 304_1 des Phasenmodulzweigs 301 (oder auch um eines der anderen in Figur 3 oder 4 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 500 ausgestaltet. Das Modul 500 weist ein erstes ein- und

abschaltbares Leistungshalbleiterbauelement 502 mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 504 (erste Freilaufdiode 504) auf. Weiterhin weist das Modul 500 ein zweites ein- und abschaltbares Leistungshalbleiterbauelement 506 mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 508 (zweite

Freilaufdiode 508) und einen elektrischen Energiespeicher 510 in Form eines elektrischen Kondensators 510 auf. Das erste

Leistungshalbleiterbauelement 502 und das zweite

Leistungshalbleiterbauelement 506 sind jeweils als ein

Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ausgestaltet. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 502 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement 506. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden

Leistungshalbleiterbauelementen 502 und 506 ist ein erster (galvanischer) Modulanschluss 512 angeordnet. An dem Anschluss des zweiten Leistungshalbleiterbauelement 506, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter (galvanischer) Modulanschluss 515 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 515 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 510 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 510 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten

Leistungshalbleiterbauelements 502, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt . Der Energiespeicher 510 ist also elektrisch parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten

Leistungshalbleiterbauelement 502 und dem zweiten

Leistungshalbleiterbauelement 506. Durch entsprechende

Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiterbauelements 502 und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 506 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 512 und dem zweiten Modulanschluss 515 entweder die Spannung des

Energiespeichers 510 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird) . Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden.

In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 600 des modularen Multilevel-Stromrichters dargestellt. Bei diesem Modul 600 kann es sich beispielsweise um das Modul 304_n (oder auch um eines der anderen in Figur 3 oder 4 dargestellten Module) handeln. Neben den bereits aus Figur 5 bekannten ersten

Leistungshalbleiterbauelement 502, zweiten

Leistungshalbleiterbauelement 506, erster Freilaufdiode 504, zweiter Freilaufdiode 508 und Energiespeicher 510 weist das in Figur 6 dargestellte Modul 600 ein drittes

Leistungshalbleiterbauelement 602 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 604 sowie ein viertes

Leistungshalbleiterbauelement 606 mit einer vierten

antiparallel geschalteten Freilaufdiode 608 auf. Das dritte Leistungshalbleiterbauelement 602 und das vierte

Leistungshalbleiterbauelement 606 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 5 ist der zweite Modulanschluss 615 nicht mit dem zweiten

Leistungshalbleiterbauelement 506 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten Leistungshalbleiterbauelement 602 und dem vierten Leistungshalbleiterbauelernent 606. Das Modul der Figur 6 ist ein sogenanntes Vollbrücken-Modul 600. Dieses Vollbrücken-Modul 600 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier

Leistungshalbleiterbauelemente zwischen dem ersten

Modulanschluss 512 und dem zweiten Modulanschluss 615 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 510, die negative Spannung des Energiespeichers 510 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrücken-Moduls 600 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Ein modularer

Multilevel-Stromrichter kann entweder nur Halbbrücken-Module 500, nur Vollbrücken-Module 600 oder auch Halbbrücken-Module 500 und Vollbrücken-Module 600 aufweisen.

In Figur 7 ist beispielhaft eine Leistungshalbleitereinheit 700 dargestellt, welche eine Ansteuerschaltung 701 und ein mit der Ansteuerschaltung elektrisch verbundenes bipolares schaltbares Leistungshalbleiterbauelement 703 aufweist. Dieses

abzuschaltende Leistungshalbleiterbauelement 703 kann

vorzugsweise eines der Leistungshalbleiterbauelemente eines Moduls eines modularen Multilevel-Stromrichters sein, wobei dieses Modul entweder in Halbbrückenschaltung (vgl. Figur 5) oder in Vollbrückenschaltung (vgl. Figur 6) ausgestaltet sein kann.

Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem bipolaren schaltbaren Leistungshalbleiterbauelement 703 um einen

Bipolartransistor 703 mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor) . Dieser Transistor 703 weist einen Kollektoranschluss, einen Emitter-Anschluss sowie einen Gate-Anschluss auf. Der Emitter-Anschluss ist mittels einer Freilaufdiode 706 mit dem Kollektor-Anschluss verbunden, wobei die Anode der Freilaufdiode 706 mit dem Emitter-Anschluss und die Kathode der Freilaufdiode 706 mit dem Kollektor-Anschluss elektrisch verbunden ist. Der Emitter-Anschluss ist mit

Erdpotential 709 verbunden. Der Gate-Anschluss des

Leistungshalbleiterbauelements 703 ist mit einem Ausgang 712 der Ansteuerschaltung 701 verbunden. An diesem Ausgang 712 der Ansteuerschaltung 701 können (beim Ausführungsbeispiel)

Spannungen zwischen -15 V und + 35 V ausgegeben werden. Somit kann das bipolare schaltbare Leistungshalbleiterbauelement 703 mit nahezu beliebigen Gate-Emitter-Spannungsverläufen zwischen -15 V und +35 V beaufschlagt werden . In anderen Ausführungsbeispielen kann das bipolare schaltbare Leistungshalbleiterbauelement 703 auch anders realisiert sein, beispielsweise als ein

Feldeffekttransistor.

Über einen ersten Anschluss 715 wird die Ansteuerschaltung 701 mit einer positiven Spannung (im Ausführungsbeispiel +15 V) versorgt; über einen zweiten Anschluss 718 wird die

Ansteuerschaltung 701 mit einer negativen Spannung (im

Ausführungsbeispiel -15 V) versorgt. Über einen dritten

Anschluss 721 wird die Ansteuerschaltung 701 mit einer variablen Spannung (variable Versorgungsspannung, im Ausführungsbeispiel variabel zwischen +15 V und +35 V) versorgt. Über einen vierten Anschluss 725 wird die Ansteuerschaltung 701 mit einer weiteren Spannung versorgt, welche im Ausführungsbeispiel als

Clamp-Spannung (Vclamp) bezeichnet wird. Der erste Anschluss 715, der zweite Anschluss 718 und der dritte Anschluss 721 sind jeweils schaltbar über einen ohmschen Widerstand RGonl, RGon2, RGoffl, RGoff , SC beziehungsweise RGoff , soft mit dem Ausgang 712 der Ansteuerschaltung verbunden. Dabei kann jeder der Anschlüsse 715, 718 und 721 mittels mindestens eines elektronischen Schalters Sonl, Son2, Soffl, Soff , SC beziehungsweise Soff , soft mit dem Ausgang 712 verbunden oder von dem Ausgang 712 getrennt werden. Der vierte Anschluss 725 ist schaltbar über eine Diode Delamp mit dem Ausgang 712 der AnsteuerSchaltung verbunden . Dabei kann der vierte Anschluss 725 mittels eines elektronischen Schalters Sclamp mit dem Ausgang 712 verbunden oder von dem Ausgang 712 getrennt werden. Die elektronischen Schalter der Ansteuerschaltung 701 weisen jeweils einen Feldeffekttransistor auf. Zusätzlich ist in dem Verbindungszweig zwischen dem ersten Anschluss 715 und dem Ausgang 712 eine Dioden Dl geschaltet. Die zwei Zweige mit den elektronischen Schaltern Sonl und Son2 werden im Wesentlichen beim Einschalten des Leistungshalbleiterbauelements benötigt. Mittels der an dem dritten Anschluss 721 anliegenden variablen Versorgungsspannung wird erreicht, dass die Gate-Emitter-Spannung des

Leistungshalbleiterbauelements 703 im stationären

eingeschalteten Zustand den ersten Spannungswert VI > 18 V annimmt .

Die Zweige mit den elektronischen Schaltern Soffl, Soff, SC, Soff, soft und Sclamp werden beim Ausschaltvorgang des

Leistungshalbleiterbauelements benötigt .

Weiter unten ist dargestellt, wie durch Öffnen und Schließen der Schalter Soffl, Soff, SC, Soff, soft und Sclamp am Ausgang 712 der Ansteuerschaltung die gewünschte Gate-Spannung für das bipolare schaltbare Leistungshalbleiterbauelement 703 erzeugt und somit die gewünschte Gate-Emitter-Spannung für das

Leistungshalbleiterbauelement 703 bereitgestellt werden kann.

Die Ansteuerschaltung 701 weist also einen Gate-Treiber mit einer mehrstufigen Endstufe auf. Durch diese Ansteuerschaltung wird der Gate-Anschluss des Leistungshalbleiterbauelements mit unterschiedlichen Spannungsniveaus verbunden. Das Ein- und Ausschalten der einzelnen Schalter Sonl , Son2 und Soff1 , Soff, SC, Soff, soft und Sclamp kann zeitgesteuert oder eventgesteuert erfolgen. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen denkbar, um den gewünschten Verlauf der Gate-Emitter-Spannung zu erzeugen. Beispielsweise kann die an dem Gate-Anschluss anliegende Gate-Spannung mittels einer Pulsweitenmodulation oder einer programmierbaren Spannungsquelle erzeugt werden. Weiterhin ist die Erzeugung eines derartigen

Gate-Emitter-Spannungsverlaufes durch Ladung oder Entladung von RC-Gliedern denkbar. Die Module 500 und 600 des modularen Multilevelstromrichters können Ansteuerschaltungen 701 aufweisen, die jeweils den Leistungshalbleiterbauelementen der Module zugeordnet sind. Die Module können also

Leistungshalbleitereinheiten 700 aufweisen. In Figur 8 ist ein beispielhafter Ablauf des Verfahrens zum Abschalten des bipolaren schaltbaren

Leistungshalbleiterbauelements 703 dargestellt. Dabei ist im oberen Teil des Diagramms der zeitliche Verlauf der

Gate-Emitter-Spannung VGE dargestellt, während im unteren Teil des Diagramms der zeitliche Verlauf des Ein- beziehungsweise Ausschaltens der elektronischen Schalter Soffl, Soff, soft, Sclamp und Soff, SC mittels Logiksignalen dargestellt ist. Das Ein- und Ausschalten dieser elektronischen Schalter führt in Verbindung mit den an die Ansteuerschaltung angelegten

Versorgungsspannungen zu dem dargestellten Verlauf der

Gate-Emitter Spannung VGE.

Zum Zeitpunkt t=tl werden die elektronischen Schalter in ihre Ausgangsstellung gebracht. Im Ausgangszustand (t=t2) weist die Gate-Emitter-Spannung VGE einen ersten Spannungswert VI auf. Der erste Spannungswert VI entspricht der Gate-Emitter-Spannung des Leistungshalbleiterbauelements 703 im eingeschalteten Zustand. Der erste Spannungswert VI kann zwischen 18 und 35 V betragen; im Ausführungsbeispiel beträgt der erste Spannungswert 20 V (Vl=20 V) . Der erste Spannungswert VI ist der positive maximale Spannungswert der Gate-Emitter-Spannung. Die Schalter Soffl, Soff, soft, Sclamp und Soff, SC sind ausgeschaltet

(Ausgangsstellung) . Die übrigen Schalter Sonl und Son2 werden im Folgenden nicht berücksichtigt, diese werden für das Einschalten des Leistungshalbleiterbauelements benötigt.

Zum Zeitpunkt t=t3 wird von einer nicht dargestellten

Kurzschlusserkennungseinrichtung (beispielsweise aufgrund einer Messung oder Schätzung des elektrischen Stroms, der durch den Phasenmodulzweig 301 und damit auch durch das

Leistungshalbleiterbauelement 703 fließt) das Vorliegen eines Kurzschlusses festgestellt. Diese

Kurzschlusserkennungseinrichtung erzeugt daraufhin ein das Leistungshalbleiterbauelement 703 betreffendes Abschaltsignal A und gibt dieses Abschaltsignal A aus. Eine Erkennung eines Kurzschlusses mittels einer Schätzung von Stromwerten ist beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung EP 2 882 103 Al „Method and apparatus for short Circuit protection of power semiconductor switch" bekannt. Aufgrund des Abschaltsignals A wird das Leistungshalbleiterbauelement 703 abgeschaltet. Dazu werden zunächst die Schalter Sclamp und Soff, SC eingeschaltet. Dadurch beginnt die

Gate-Emitter-Spannung VGE zu fallen.

In einem ersten Zeitabschnitt (t3-t4) wird die

Gate-Emitter-Spannung VGE mit einer ersten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_l/dt von dem ersten Spannungswert VI bis zu einem zweiten Spannungswert V2 verringert. Der zweite Spannungswert V2 ist kleiner als 15 V (also kleiner als die herkömmliche Ansteuerspannung eines IGBTs) . Gleichzeitig ist der zweite Spannungswert V2 größer als die sogenannte Abschnürspannung (pinch-off-Spannung) Vth des IGBTs. Durch das Einschalten des elektronischen Schalter Soff, SC wird der Ausgang 712 der Ansteuerschaltung 701 über den Vorwiderstand RGoff, SC mit der negativen Spannungsquelle (im

Ausführungsbeispiel -15 V) verbunden. Dadurch wird die

Gate-Emitter-Spannung VGE während des ersten Zeitabschnitts relativ schnell verringert bzw. abgesenkt. Die erste mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_l/dt ist also

vergleichsweise groß. Dies ist auch gut in der grafischen Darstellung der Figur 8 zu erkennen. Zum Zeitpunkt t=t4 (also am Ende des ersten Zeitabschnitts) hat die Gate-Emitter-Spannung den zweiten Spannungswert V2 erreicht. Daraufhin wird der elektronische Schalter Soff, SC ausgeschaltet. Dadurch bleibt die Gate-Emitter-Spannung während eines darauffolgenden zweiten Zeitabschnitts (t4-t5) nahezu konstant; die

Gate-Emitter-Spannung V3 am Ende des zweiten Zeitabschnitts zum Zeitpunkt t=t5 entspricht ungefähr der Gate-Emitter-Spannung V2 am Anfang des zweiten Zeitabschnitts zum Zeitpunkt t=t4. Während dieses zweiten Zeitabschnitts findet eine schnelle Entsättigung des Leistungshalbleiterbauelements statt. Der zweite

Zeitabschnitt (t4-t5) stellt also einen Warte-Zeitabschnitt dar . Während des zweiten Zeitabschnitts (t4-t5) wird also gewartet, bis das Leistungshalbleiterbauelement entsättigt ist.

Entsprechend lang wird dieser zweite Zeitabschnitt gewählt. Zum Zeitpunkt t=t5 ist das Leistungshalbleiterbauelement

entsättigt. Daraufhin wird zum Zeitpunkt t=t5 (Ende des zweiten Zeitabschnitts) der elektronische Schalter Soffl eingeschaltet. Dadurch wird in einem dritten Zeitabschnitt (t5-t6) die

Gate-Emitter-Spannung mit einer dritten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_3/dt von dem dritten Spannungswert V3 bis zu einem vierten Spannungswert V4 verringert. Der vierte Spannungswert V4 entspricht im

Ausführungsbeispiel der maximalen negativen

Gate-Emitter-Spannung, diese beträgt -15 V. Während des dritten Zeitabschnitts t5-t6 findet ein sanftes Ausschalten des

Leistungshalbleiterbauelements statt; unter „sanft" wird hier ein langsames Ausschalten verstanden, bei dem nur geringe Überspannungen am Leistungshalbleiterbauelement auftreten. Zum Zeitpunkt t=t5 erfolgt ein sanfter Übergang zwischen dem Wartezeit-Abschnitt (t4-t5) und der langsamen Abschaltung des Leistungshalbleiterbauelements im dritten Zeitabschnitt

(t5-t6) . So wird der Zeitpunkt der Entsättigung des

Leistungshalbleiterbauelements (t5) gleichzeitig der Beginn eines sehr sanften Ausschaltens . Zum Zeitpunkt t=t6 (also am Ende des dritten Zeitabschnitts) ist der Abschaltvorgang beendet; das Leistungshalbleiterbauelement ist abgeschaltet. (Optional können zum Zeitpunkt t=t5 auch die beiden elektronischen Schalter Soffl und Soff, soft gleichzeitig eingeschaltet werden; dann ist ein schnelleres Abschalten möglich.)

Im Ausführungsbeispiel der Figur 8 gilt: der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_2/dt ist kleiner als der Betrag der dritten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_3/dt und der Betrag der dritten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit ist kleiner als der Betrag der ersten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_l /dt :

und

Weiterhin gilt im Ausführungsbeispiel:

| dVGE_2 /dt | < |dVGE_3/dt| < |dVGE_l/dt|.

Es ist in Figur 8 zu erkennen, dass der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_2/dt

mindestens um den Faktor 5 kleiner ist als der Betrag der ersten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_l/dt und als der Betrag der dritten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_3/dt .

Die zweite mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_2/dt kann zwischen 0 und -1 V pro ys liegen, insbesondere auch zwischen -0,01 und -1 V pro ys . Dabei kann der zweite Abschnitte (t4-t5) zwischen 1 und 20 ySekunden lang sein, insbesondere auch zwischen 3 und 10 ySekunden.

Der erste Spannungswert VI ist ein positiver Spannungswert, der vierte Spannungswert V4 ist ein negativer Spannungswert und der Betrag des ersten Spannungswerts | VI | ist größer als der Betrag des vierten Spannungswerts |V4| . Im Ausführungsbeispiel ist der Betrag des ersten Spannungswerts 20 V und der Betrag des vierten Spannungswerts 15 V. Je größer der Betrag des ersten

Spannungswerts ist, desto besser sind die genannten

vorteilhaften Eigenschaften des eingeschalteten

Leistungshalbleiterbauelements, insbesondere die minimierten Durchlassverluste .

In dem Ausführungsbeispiel der Figur 8 wird im zweiten

Zeitabschnitt (t4-t5) die Gate-Emitter-Spannung nahezu konstant gehalten. Die zweite mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_2/dt beträgt ungefähr Null. In Figur 9 wird ein

Ausführungsbeispiel für ein Verfahren gezeigt, bei dem die Gate-Emitter-Spannung im zweiten Zeitabschnitt (t4-t5) langsam verringert wird.

In Figur 9 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Abschalten eines Leistungshalbleiterbauelements dargestellt, bei dem die Gate-Emitter-Spannung während des zweiten

Zeitabschnitts (t4-t5) langsam von dem zweiten Spannungswert V2 auf einen dritten Spannungswert V3 verringert wird mit einer zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_2/dt. Im Ausführungsbeispiel ist diese Verringerung nahezu linear, die zweite mittlere Spannungsänderungsgeschwindigkeit weist einen relativ geringen konstanten Wert auf. Diese langsame Veränderung der Gate-Emitter-Spannung VGE kann mittels der Ansteuerschaltung 701 beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Spannung Vclamp während des zweiten Zeitabschnitts langsam linear verringert wird. Die Gate-Emitter-Spannung VGE braucht also während des zweiten Zeitabschnitts (t4-t5) nicht konstant zu sein. Es ist auch möglich, dass die Gate-Emitter-Spannung während des zweiten Zeitabschnitts vergleichsweise weniger verringert wird als während des ersten Zeitabschnitts oder als während des dritten Zeitabschnitts. Der Betrag der zweiten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_2/dt ist also kleiner ist als der Betrag der ersten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_l/dt und als der Betrag der dritten mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_3/dt. Auch so wird eine schnelle Entsättigung des

Leistungshalbleiterbauelements erreicht .

Es wurde ein Verfahren zum Abschalten eines bipolaren schaltbaren Leistungshalbleiterbauelements sowie eine zugehörige

Ansteuerschaltung für das Leistungshalbleiterbauelement beschrieben. Damit können insbesondere stromrichterinterne Fehler (Kurzschlüsse) in modularen Multilevel-Stromrichtern sicher abgeschaltet werden, auch wenn die

Leistungshalbleiterbauelemente dieser modularen

Multilevel-Stromrichter mit einer erhöhten

Gate-Emitter-Spannung (VGE > 18 V) betrieben werden. Wenn ein solcher modularer Multilevel-Stromrichter nämlich einen internen Fehler hat (zum Beispiel einen Überschlag über die Module einer Ebene eines Stromrichterturms,

„Etagenüberschlag") , dann tritt für mehrere in der

Kurzschlussschleife vorhandene Module ein sogenannter „failure under load" (Kurzschluss Typ 2) auf. Eine nicht rechtzeitige Abschaltung eines solchen Fehlers könnte hohe Folgeschäden verursachen, zum Beispiel könnten die sich in der

Kurzschlussschleife befindlichen Module zerstört werden. Dieser Fehler kann mittels des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Ansteuerschaltung abgeschaltet werden, so dass eine Gefährdung der Leistungshalbleiterbauelemente verringert wird. Die eigentliche Erkennung des Kurzschlusses als solche erfolgt mit etablierten und bekannten Methoden, wie

beispielsweise anhand einer Messung des durch die Module fließenden Stromes oder anhand einer Schätzung dieses Stromes.

Bei dem beschriebenen Verfahren erfolgt unmittelbar auf das Abschaltsignal hin eine schnelle Verringerung der

Gate-Emitter-Spannung . Dabei wird die Gate-Emitter-Spannung mit einer vorgegebenen ersten mittleren

Spannungsänderungsgeschwindigkeit dVGE_l/dt schnell bis zu dem zweiten Spannungswert V2 reduziert. Die Größe der mittleren Spannungsänderungsgeschwindigkeiten lässt sich bei der

Ansteuerschaltung gemäß Figur 7 durch die Größe der Widerstände RGoff, SC, RGoff, soft und RGoffl einstellen. Über die Wahl der Spannungsänderungsgeschwindigkeiten ist ein kontrollierter Einfluss auf die Entsättigung des

Leistungshalbleiterbauelements 703 möglich.

Vorteilhaft ist insbesondere die Verringerung der

Gate-Emitter-Spannung auf das Abschaltsignal A hin mittels mehrerer verschiedener Spannungsänderungsgeschwindigkeiten (Steigungen) . Dadurch wird eine schnelle Entsättigung des Leistungshalbleiterbauelements sichergestellt und daher der Spitzenwert des Kurzschlussstromes reduziert. Jede der drei Spannungsänderungsgeschwindigkeiten kann individuell

eingestellt mittels der Widerstände der Ansteuerschaltung 701 und/oder der Versorgungsspannungen. Dadurch kann zum einen eine schnelle und sichere Abschaltung des Kurzschlussstromes erreicht werden, gleichzeitig aber auch ein sanfter Übergang zwischen dem Wartezeitabschnitt (t4-t5) und dem dritten Zeitabschnitt (t5-t6) des sanften endgültigen Abschaltens des

Leistungshalbleiterbauelements .

Die drei verschiedenen Spannungsänderungsgeschwindigkeiten, die jeweils einzeln eingestellt werden können, ermöglichen eine gute Steuerbarkeit des Abschaltverfahrens und insbesondere einen nahezu fließenden Übergang zwischen der Entsättigung des Leistungshalbleiterbauelements und dem darauf folgenden endgültigen Abschalten des Leistungshalbleiterbauelements.

Es wurde ein Verfahren und eine Ansteuerschaltung beschrieben, mit denen ein Leistungshalbleiterbauelement auch dann sicher abgeschaltet werden kann, wenn dieses mit einer hohen

Gate-Emitter-Spannung über 18 V betrieben wird und ein

Kurzschluss auftritt.