Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens

Bei Leistungshalbleiterbauelementen können im Fehlerfall Lichtbögen auftreten, welche erhebliche Schäden verursachen. Durch einen brennenden Lichtbogen bzw. ein daraus

entstehendes Feuer in einem das Leistungshalbleiterbauelement umgebenden Gehäuse kann nicht nur das

Leistungshalbleiterbauelement zerstört werden, sondern es kann auch das Gehäuse zerstört und daraufhin die Umgebung des Gehäuses in Mitleidenschaft gezogen werden. Schließlich kann die gesamte leistungselektronische Anlage, in der sich das Leistungshalbleiterbauelement befindet, verunreinigt, beschädigt oder sogar zerstört werden.

Ein Beispiel hierfür ist ein modularer Multilevel- Stromrichter, der eine Reihe von Modulen aufweist. In jedem Modul befinden sich ein oder mehrere

Leistungshalbleiterbauelemente. Die Module sind als

zweipolige Module ausgeführt, haben also zwei Anschlüsse. Zwischen den beiden Anschlüssen ist ein Überbrückungsschalter zum Überbrücken des Moduls bei Auftreten eines Fehlers in dem Modul angeordnet .

Sobald ein Fehler in dem Modul erkannt wird, wird der

Überbrückungsschalter geschlossen, um das Modul zu

überbrücken (kurzzuschließen) . Dann fließt der Strom über den Überbrückungsschalter und nicht länger durch das fehlerhafte Modul. Falls der Überbrückungsschalter jedoch aus irgendeinem Grund nicht schließt, dann fließt der Strom weiterhin über das Leistungshalbleiterbauelement des Moduls, und an diesem Leistungshalbleiterbauelement kann ein Lichtbogen entstehen bzw. weiterbrennen. Ein solcher Lichtbogen zerstört binnen kürzester Zeit das Leistungshalbleiterbauelement sowie die in der Umgebung befindlichen Bauelemente. Nach einigen Sekunden wird der Lichtbogen in der Regel auch ein Kapselungsgehäuse zerstören, welches das Leistungshalbleiterbauelement umgibt. Sobald das Kapselungsgehäuse zerstört ist, treten auch

Schäden außerhalb des Kapselungsgehäuses auf. In der Folge muss der gesamte Multilevelstromrichter abgeschaltet und repariert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine leistungselektronische Anlage anzugeben, mit denen das Auftreten eines Lichtbogens bei einem

Leistungshalbleiterbauelement erkannt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und durch eine leistungselektronische Anlage nach den

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

Patentansprüchen angegeben.

Offenbart wird ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens bei einem Leistungshalbleiterbauelement (insbesondere bei einem Leistungshalbleiterbauelement einer Hochspannungsanlage oder eines Stromrichters) , bei dem eine dem

Leistungshalbleiterbauelement zugeordnete Bauelement- Steuereinheit über einen ersten optischen Kommunikationspfad Nachrichten zu einer übergeordneten Steuereinheit überträgt, wobei bei dem Verfahren

- von dem Lichtbogen ausgesendetes Licht mittels eines zweiten optischen Kommunikationspfads zu dem ersten optischen Kommunikationspfad übertragen wird,

- dieses Licht in den ersten optischen Kommunikationspfad (optisch) eingekoppelt wird,

- durch dieses eingekoppelte Licht die von der Bauelement- Steuereinheit über den ersten optischen Kommunikationspfad zu der übergeordneten Steuereinheit stattfindende

Nachrichtenübertragung gestört wird, und

- von der übergeordneten Steuereinheit aufgrund dieser gestörten Nachrichtenübertragung der Lichtbogen erkannt wird. Von der übergeordneten Steuereinheit wird also aufgrund der gestörten Nachrichtenübertragung erkannt, dass ein Lichtbogen brennt. Das Leistungshalbleiterbauelement kann insbesondere in einem Kapselungsgehäuse angeordnet sein. Dabei ist

besonders vorteilhaft, dass das von dem Lichtbogen

ausgesendete Licht in den ersten optischen Kommunikationspfad eingekoppelt wird. Es wird also der erste optische

Kommunikationspfad zusätzlich dazu genutzt, dass von dem Lichtbogen ausgesendete Licht zu der übergeordneten

Steuereinheit zu übertragen. Dadurch wird kein weiterer optischer Kommunikationspfad zu der übergeordneten

Steuereinheit benötigt. Bei dem oftmals erheblichen Abstand zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und der

übergeordneten Steuereinheit können dadurch erhebliche Kosten für einen weiteren optischen Kommunikationspfad vermieden werden .

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass von der

übergeordneten Steuereinheit erst dann (aufgrund der

gestörten Nachrichtenübertragung) der (brennende) Lichtbogen erkannt wird, wenn die von der Bauelement-Steuereinheit über den ersten optischen Kommunikationspfad zu der übergeordneten Steuereinheit stattfindende Nachrichtenübertragung mindestens 2 Sekunden lang gestört ist, insbesondere mindestens 4

Sekunden lang gestört ist. Dadurch wird vorteilhafterweise vermieden, dass ein kurzzeitig brennender Lichtbogen, der bald wieder verlischt, als Lichtbogen erkannt wird, und daraufhin den Lichtbogen betreffende Aktionen ausgelöst werden. Wenn der Lichtbogen nach kurzer Zeit verlischt, insbesondere nach einigen hundert Millisekunden, sind

derartige spezielle Aktionen nicht notwendig.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass das

Leistungshalbleiterbauelement und ein Eingang des zweiten optischen Kommunikationspfads in einem Kapselungsgehäuse angeordnet sind, und mittels des zweiten optischen

Kommunikationspfads das von dem Lichtbogen ausgesendete Licht aus dem Kapselungsgehäuse herausgeleitet wird. Ein derartiges Kapselungsgehäuse schützt die Umgebung des

Leistungshalbleiterbauelements bei einem Fehler des

Leistungshalbleiterbauelements. Insbesondere ist ein solches Kapselungsgehäuse in der Lage, einem an dem

Leistungshalbleiterbauelement brennenden Lichtbogen einige Sekunden lang zu widerstehen. Ein dauerhaft brennender Lichtbogen würde jedoch das Kapselungsgehäuse zerstören. Daher muss ein dauerhaft brennender Lichtbogen erkannt werden, bevor er das Kapselungsgehäuse durchgebrannt hat.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass das von dem

Lichtbogen ausgesendete Licht gesammelt und in den zweiten optischen Kommunikationspfad eingeleitet wird (insbesondere in einen Eingang des zweiten optischen Kommunikationspfads eingeleitet wird) mittels einer lichtsammelnden Optik.

Dadurch wird mehr Licht mittels des zweiten optischen

Kommunikationspfads zu dem ersten optischen

Kommunikationspfad übertragen, so dass die Erkennung des Lichtbogens mit einer großen Zuverlässigkeit erfolgt.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass die lichtsammelnde Optik an dem zweiten optischen Kommunikationspfad angeordnet ist, insbesondere an dem Eingang des zweiten optischen

Kommunikationspfads angeordnet ist. Dadurch bilden die lichtsammelnde Optik und der zweite optische

Kommunikationspfad eine Einheit; diese Einheit kann

vergleichsweise einfach in der Nähe des

Leistungshalbleiterbauelements montiert werden.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass der erste optische Kommunikationspfad und/oder der zweite optische

Kommunikationspfad jeweils als ein Lichtwellenleiter ausgestaltet ist. Lichtwellenleiter sind am Markt in

ausreichender Menge und Qualität verfügbar.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass das

Leistungshalbleiterbauelement ein

Leistungshalbleiterbauelement eines Moduls eines modularen Multilevelstromrichters ist. Dann ist die Bauelement- Steuereinheit insbesondere eine modulinterne Steuereinheit und die übergeordnete Steuereinheit ist insbesondere eine modulexterne Steuereinheit. Die übergeordnete Steuereinheit ist dann einer Vielzahl von Modulen zugeordnet; die

übergeordnete Steuereinheit steuert die Vielzahl von Modulen. Die übergeordnete Steuereinheit wird im Wesentlichen auf Erdpotential betrieben; die Bauelement-Steuereinheit wird auf dem elektrischen Potential des jeweiligen Moduls betrieben. Das Verfahren ist also insbesondere bei einem modularen

Multilevelstromrichter vorteilhaft einsetzbar. Ein derartiger modularer Multilevelstromrichter weist nämlich in der Regel eine große Anzahl von Modulen auf. Wenn von jedem Modul des modularen Multilevelstromrichters ein zusätzlicher optischer Kommunikationspfad zu der übergeordneten Steuereinheit verlegt werden müsste (um einen eventuell in dem Modul auftretenden Lichtbogen zu erkennen) , dann wäre eine große Anzahl zusätzlicher optischer Kommunikationspfade notwendig. Dies würde erhebliche Kosten verursachen. Bei dem

beschriebenen Verfahren können diese Kosten vermieden werden, weil der (sowieso zur Nachrichtenübertragung zwischen der BauelementSteuereinheit und der übergeordneten Steuereinheit vorhandene) erste optische Kommunikationspfad zusätzlich dazu genutzt wird, einen Lichtbogen zu erkennen.

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass das Modul zwei Anschlüsse aufweist, zwischen denen ein Überbrückungsschalter zum Überbrücken des Moduls bei Auftreten eines Fehlers in dem Modul angeordnet ist. Mittels eines derartigen

Überbrückungsschalters kann im Fehlerfall das fehlerbehaftete Modul überbrückt (kurzgeschlossen) werden. Nach dem

Überbrücken des Moduls mittels des Überbrückungsschalters verlischt ein ggf. bei dem Leistungshalbleiterbauelement des Moduls brennender Lichtbogen. Wenn der Überbrückungsschalter innerhalb einer kurzen Zeitspanne (oftmals im Bereich von wenigen Millisekunden bis zu wenigen hundert Millisekunden) schließt, dann brennt der Lichtbogen nur eine sehr kurze Zeit und erlischt danach von selbst. Ein derart kurzzeitig

brennender Lichtbogen braucht nicht unbedingt zusätzlich erkannt zu werden, weil keine zusätzlichen Aktionen notwendig sind. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund der Überbrückungsschalter im Fehlerfall versagt und nicht

schließt, dann würde der Lichtbogen bei dem

Leistungshalbleiterbauelement des Moduls weiterbrennen und große Schäden verursachen. Also ist insbesondere bei einem Versagen des Überbrückungsschalters das Verfahren zum

Erkennen des Lichtbogens mit Vorteil anwendbar.

Offenbart wird weiterhin eine leistungselektronische Anlage, mit einem Leistungshalbleiterbauelement, mit einer dem

Leistungshalbleiterbauelement zugeordnete Bauelement- Steuereinheit (zum Ansteuern des

Leistungshalbleiterbauelements) , wobei die Bauelement- Steuereinheit (zum Zwecke der Nachrichtenübertragung) mittels eines ersten optischen Kommunikationspfads mit einer

übergeordneten Steuereinheit verbunden ist, und mit einem zweiten optischen Kommunikationspfad, der eine Übertragung von Licht von dem Leistungshalbleiterbauelement zu dem ersten optischen Kommunikationspfad ermöglicht, wobei

- der zweite optische Kommunikationspfad so ausgestaltet ist, dass er von einem (im Fehlerfall) bei dem

Leistungshalbleiterbauelement brennenden Lichtbogen

ausgesendetes Licht zu dem ersten optischen

Kommunikationspfad überträgt und in den ersten optischen Kommunikationspfad (optisch) einkoppelt (einspeist) . Die leistungselektronische Anlage kann insbesondere eine

Hochspannungsanlage oder ein Stromrichter sein.

Der zweite optische Kommunikationspfad überträgt also von dem Lichtbogen, der im Fehlerfall bei dem

Leistungshalbleiterbauelement brennt, ausgesendetes Licht zu dem ersten optischen Kommunikationspfad und koppelt dieses Licht in den ersten optischen Kommunikationspfad (optisch) ein. Dabei ist es ausreichend, wenn der zweite optische

Kommunikationspfad einen (insbesondere kleinen) Teil des gesamten von dem Lichtbogen ausgesendeten Lichts zu dem ersten optischen Kommunikationspfad überträgt. Der zweite optische Kommunikationspfad ist an den ersten optischen

Kommunikationspfad optisch angekoppelt. Der zweite optische Kommunikationspfad verläuft insbesondere von dem Leistungshalbleiterbauelement zu dem ersten optischen

Kommunikationspfad. Im Falle eines brennenden Lichtbogens stört also die Lichtübertragung mittels des zweiten optischen Kommunikationspfads die von der Bauelement-Steuereinheit zu der übergeordneten Steuereinheit über den ersten optischen Kommunikationspfad stattfindende Nachrichtenübertragung.

Diese Störung der Nachrichtenübertragung ermöglicht es der übergeordneten Steuereinheit, den brennenden Lichtbogen zu erkennen .

Die leistungselektronische Anlage kann so ausgestaltet sein, dass das Leistungshalbleiterbauelement und ein Eingang des zweiten optischen Kommunikationspfads in einem

Kapselungsgehäuse angeordnet sind und der zweite optische Kommunikationspfad aus dem Kapselungsgehäuse herausführt.

Die lichtsammelnde Optik kann auch so ausgestaltet sein, dass sie von dem Lichtbogen ausgesendetes Licht sammelt und in den zweiten optischen Kommunikationspfad einleitet (insbesondere in einen Eingang des zweiten optischen Kommunikationspfads einleitet) .

Die leistungselektronische Anlage kann auch so ausgestaltet sein, dass die lichtsammelnde Optik an dem zweiten optischen Kommunikationspfad angeordnet ist, insbesondere an dem

Eingang des zweiten optischen Kommunikationspfads angeordnet ist .

Die leistungselektronische Anlage kann so ausgestaltet sein, dass der erste optische Kommunikationspfad und/oder der zweite optische Kommunikationspfad jeweils als ein

Lichtwellenleiter ausgestaltet ist.

Die leistungselektronische Anlage kann auch so ausgestaltet sein, dass das Leistungshalbleiterbauelement ein

Leistungshalbleiterbauelement eines Moduls eines modularen Multilevelstromrichters ist. Die leistungselektronische Anlage kann so ausgestaltet sein, dass das Modul zwei Anschlüsse aufweist, zwischen denen ein Überbrückungsschalter zum Überbrücken des Moduls bei

Auftreten eines Fehlers in dem Modul (modulinterner Fehler) angeordnet ist.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene

leistungselektronische Anlage weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf.

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 Ausführungsbeispiel einer

leistungselektronischen Anlage in Form eines

Multilevelstromrichters , in

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls der

leistungselektronischen Anlage, in

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Moduls der leistungselektronischen Anlage, in

Figur 4 ein Ausschnitt aus der leistungselektronischen

Anlage mit einem beispielhaften Verfahrensablauf, und in

Figur 5 ein weiterer Ausschnitt aus der

leistungselektronischen Anlage mit einem beispielhaften Verfahrensablauf dargestellt .

In Figur 1 ist ein Multilevelstromrichter 1 als

Ausführungsbeispiel für eine leistungselektronischen Anlage 1 dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten

Wechselspannungsanschluss 7 und einen dritten

Wechselspannungsanschluss 9 auf. Der erste

Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite

Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 3. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten

Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungsanschluss 16 ist ein positiver

Gleichspannungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss.

Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte

Wechselspannungsanschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten

Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte

Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31.

Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten

Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften

Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten

Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasenmodulzweigs 21 und das dem dritten

Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges

Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.

Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer Modulanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im

Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer Modulanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind drei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen

Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut .

Im linken Bereich der Figur 1 ist schematisch eine

übergeordnete Steuereinheit /Steuereinrichtung 35 (zentrale Steuereinheit /Steuereinrichtung 35) für die Module 1_1 bis 6_n dargestellt. Von dieser übergeordneten Steuereinheit 35 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über jeweils einen optischen Kommunikationspfad 37 (eine optische Kommunikationsverbindung 37) zu den einzelnen Modulen

übertragen. Die einzelnen Module übertragen optische

Nachrichten bzw. optische Signale über jeweils einen

optischen Kommunikationspfad 38 (eine optische

Kommunikationsverbindung 38) zu der übergeordneten

Steuereinheit 35. Die optischen Kommunikationspfade 37 und 38 können zum Beispiel jeweils als ein Lichtwellenleiter

ausgebildet sein. Die optischen Kommunikationspfade 37 und 38 sind beispielhaft nur für die Module 1_1, 1_4 und 4_5

dargestellt; zu den anderen Modulen sind gleichartige optischen Kommunikationspfade 37 und 38 installiert.

Beispielsweise sendet die übergeordneten Steuereinheit 35 an die einzelnen Module jeweils eine Nachricht mit einem

Sollwert für den Schaltzustand der elektronischen

Schaltelemente der Module. Die einzelnen Module antworten mit einer Antwortnachricht, mit der sie den Schaltzustand ihrer elektronischen Schaltelemente an die übergeordneten

Steuereinheit 35 übertragen.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Moduls 200 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei dem Modul kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln. Es können auch mehrere oder alle Module des modularen

Multilevelstromrichters 1 so ausgestaltet sein wie das dargestellte Modul 200. Das Modul 200 ist als ein

Halbbrücken-Modul 200 ausgestaltet. Das Modul 200 weist ein erstes (abschaltbares) elektronisches Schaltelement 202

(erstes abschaltbares Halbleiterventil 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 auf. Weiterhin weist das Modul 200 ein zweites (abschaltbares) elektronisches

Schaltelement 206 (zweites abschaltbares Halbleiterventil 206) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 sowie einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines Kondensators 210 auf. Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind jeweils als ein IGBT ( insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster Modulanschluss 212 angeordnet. An dem Anschluss des zweiten elektronischen Schaltelements 206, welcher dem

Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter

Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 elektrisch verbunden; ein zweiter Anschluss des

Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten elektronischen Schaltelements 202, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt.

Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel

geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten

elektronischen Schaltelement 202 und dem zweiten

elektronischen Schaltelement 206. Durch entsprechende

Ansteuerung des ersten elektronischen Schaltelements 202 und des zweiten elektronischen Schaltelements 206 mittels der übergeordneten Steuereinheit 35 des Stromrichters kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 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. Der

Energiespeicher kann ein Kondensator sein (oder eine

Zusammenschaltung aus mehreren Kondensatoren) ; die Spannung des Energiespeichers ist dann die Kondensatorspannung (oder die GesamtSpannung der Zusammenschaltung) . Das erste

elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind jeweils ein

Leistungshalbleiterbauelement, an dem im Fehlerfall ein

Lichtbogen entstehen kann.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 300 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei dem Modul 300 kann es sich beispielsweise um eines der in Figur 1 dargestellten Module 1_1 ... 6_n handeln. Es können auch mehrere oder alle Module des modularen

Multilevelstromrichters 1 so ausgestaltet sein wie das dargestellte Modul 300.

Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202, zweiten elektronischen Schaltelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und

Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 300 ein drittes elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes elektronisches Schaltelement 306 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite

Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen

Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt (Verbindungspunkt) einer elektrischen

Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten elektronischen Schaltelement 306.

Das Modul der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken-Modul 300. Dieses Vollbrücken-Modul 300 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier elektronischen Schaltelemente zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210, die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 300 die Polarität der

Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Multilevelstromrichter

1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 200, nur Vollbrücken- Module 300 oder auch Halbbrücken-Module 200 und Vollbrücken- Module 300 aufweisen.

In Figur 4 ist ein Ausschnitt aus der leistungselektronischen Anlage 1 dargestellt. Dabei ist beispielhaft das Modul 1_4, sowie das Nachbarmodul 1_3 (das heißt, dass zu dem Modul 1_4 in der elektrischen Reihenschaltung benachbarte Modul 1_3) dargestellt sowie die übergeordnete Steuereinheit 35.

Das Modul 1_4 ist im Ausführungsbeispiel als ein

Halbbrückenmodul ausgestaltet und weist die bereits aus Figur

2 bekannten Elemente 202, 204, 206, 208, 210, 212 und 215 auf. Zwischen dem ersten elektrischen Modulanschluss 212 und dem zweiten elektrischen Modulanschluss 215 ist ein Überbrückungsschalter 405 angeordnet. Mittels dieses

Überbrückungsschalters 405 kann das Modul 1_4 bei Auftreten eines Fehlers überbrückt (kurzgeschlossen) werden.

Das erste elektronische Schaltelement 202 ist im

Ausführungsbeispiel ein Leistungshalbleiterbauelement 202. Dieses Leistungshalbleiterbauelement 202 (und auch das zweite elektronische Schaltelement 206, welches ebenfalls ein

Leistungshalbleiterbauelement 206 darstellt) werden mittels der Bauelement-Steuereinheit 408 angesteuert. Die Bauelement- Steuereinheit 408 ist Bestandteil des Moduls 1_4 und wird auf dem elektrischen Potential des Moduls 1_4 betrieben. Die Leitungen zwischen der Bauelement-Steuereinheit 408 und den Leistungshalbleiterbauelementen 202 und 206 sind als

elektrische (galvanische) Leitungen ausgeführt. Die

Bauelement-Steuereinheit 408 kommuniziert über den ersten optischen Kommunikationspfad 38 mit der übergeordneten

Steuereinheit 35. Dazu sendet die Bauelement-Steuereinheit 408 Nachrichten N über den ersten optischen

Kommunikationspfad 38 zu der übergeordneten Steuereinheit 35. Die übergeordnete Steuereinheit 35 sendet über einen dritten optischen Kommunikationspfad 37 Nachrichten N' an die

Bauelement-Steuereinheit 408. Der erste optische

Kommunikationspfad 38 und/oder der dritte optische

Kommunikationspfad 37 sind im Ausführungsbeispiel als

Lichtwellenleiter ausgestaltet. Dadurch wird eine elektrische Potentialtrennung zwischen der Bauelement-Steuereinheit 408 und der übergeordneten Steuereinheit 35 erreicht. Die

übergeordnete Steuereinheit 35 ist im Wesentlichen auf

Erdpotential angeordnet, wohingegen die Bauelement- Steuereinheit 408 auf dem elektrischen Potential des Moduls 1_4 angeordnet ist. Dadurch können sich erhebliche

Potentialdifferenzen zwischen der Bauelement-Steuereinheit 408 und der übergeordneten Steuereinheit 35 ergeben.

Der Überbrückungsschalter 405 wird von einer

Überbrückungsschalter-Steuereinheit 418 angesteuert. Bei Auftreten eines Fehlers in dem Modul 1_4 sendet die Überbrückungsschalter-Steuereinheit 418 ein entsprechendes Signal/Nachricht an den Überbrückungsschalter 405, woraufhin der Überbrückungsschalter 405 schließt. Das korrekte

Schließen des Überbrückungsschalters 405 wird von einer

Prüfschaltung 421 überwacht, welche in dem Nachbarmodul 1_3 angeordnet ist. Das Nachbarmodul 1_3 (genauer gesagt, die Prüfschaltung 421 des Nachbarmoduls 1_3) ist mit der

Bauelement-Steuereinheit 408 des Moduls 1_4 mittels optischer Kommunikationspfade 424 verbunden. Innerhalb des Moduls 1_4 ist die Bauelement-Steuereinheit 408 mit der

Überbrückungsschalter-Steuereinheit 418 mittels einer

elektrischen (galvanischen) Kommunikationsverbindung 427 elektrisch verbunden.

Das erste Leistungshalbleiterbauelement 202, das zweite

Leistungshalbleiterbauelement 206 sowie die beiden Dioden 204 und 208 sind in einem Kapselungsgehäuse 430 angeordnet. In dem Kapselungsgehäuse 430 ist weiterhin ein Eingang 433 eines zweiten optischen Kommunikationspfades 436 angeordnet. Der zweite optische Kommunikationspfad 436 erstreckt sich zu dem ersten optischen Kommunikationspfad 38. An einem

Einkopplungspunkt 439 ist der zweite optische

Kommunikationspfad 436 an den ersten optischen

Kommunikationspfad 38 angekoppelt. Daher kann der zweite optische Kommunikationspfad 436 Licht in den ersten optischen Kommunikationspfad 38 einkoppeln.

Der Einkopplungspunkt 439, an dem das Licht von dem zweiten optischen Kommunikationspfad 436 in den ersten optischen Kommunikationspfad 38 eingekoppelt wird, kann unterschiedlich realisiert sein. Beispielsweise kann der Einkopplungspunkt 439 eine optische Weiche aufweisen oder die beiden

Kommunikationspfade 436 und 38 können ineinander übergehen.

Im Normalbetrieb kommuniziert die Bauelement-Steuereinheit 408 mittels der über den ersten optischen Kommunikationspfad 38 gesendeten Nachrichten N und der über den dritten

optischen Kommunikationspfad 37 gesendeten Nachrichten N' mit der übergeordneten Steuereinheit 35. Die Nachrichten N und N' sind beispielsweise als sogenannte Nachrichtentelegramme ausgestaltet, das heißt, diese Nachrichten weisen eine bestimmte Struktur auf, welche sowohl von der Bauelement- Steuereinheit 408 als auch von der übergeordneten

Steuereinheit 35 verstanden wird. Die Nachrichten N und N' werden mittels Licht über die optischen Kommunikationspfade 38 und 37 übertragen.

Wenn im Modul 1_4 ein Fehler auftritt, dann kann dieser

Fehler dazu führen, dass beispielsweise das erste

Leistungshalbleiterbauelement 202 nicht mehr korrekt

abgeschaltet werden kann und daraufhin (aufgrund des großen durch das Leistungshalbleiterbauelement 202 fließenden Stroms und einer daraus resultierenden thermischen Überlastung und Zerstörung des Leistungshalbleiterbauelements 202) ein

Lichtbogen 442 an dem Leistungshalbleiterbauelement 202 auftritt. Dieser Lichtbogen 442 würde im Ausführungsbeispiel den Kollektor und den Emitter des

Leistungshalbleiterbauelements 202 elektrisch miteinander verbinden. Solange dieser Lichtbogen 442 im Inneren des

Kapselungsgehäuses 430 brennt, hält sich der Schaden in

Grenzen. Wenn jedoch der Lichtbogen 442 langzeitig brennt, dann zerstört er das Kapselungsgehäuse 430 und der Lichtbogen (bzw. das im Kapselungsgehäuse 430 brennende Feuer) greift zunächst auf das Modul 1_4 und später auf außerhalb des

Moduls 1_4 angeordnete Teile des Stromrichters über. Dann können großflächige Defekte und/oder Verschmutzungen des Multilevel-Stromrichters auftreten, was kostspielige

Reparaturarbeiten nach sich ziehen kann.

Sobald der Lichtbogen 442 brennt, sendet der Lichtbogen Licht aus. Bei diesem von dem Lichtbogen 442 ausgesendeten Licht kann es sich beispielsweise um UV-Licht handeln oder um das breitere Licht-Spektrum eines Feuers. Ein Teil des von dem Lichtbogen 442 ausgesendeten Lichts gelangt zu einer

lichtsammelnden Optik 446, welche an dem Eingang 433 des zweiten optischen Kommunikationspfads 436 angeordnet ist. Insbesondere kann die lichtsammelnde Optik 446 an dem zweiten optischen Kommunikationspfad 436 bzw. an dem Eingang 433 des zweiten optischen Kommunikationspfades 436 befestigt sein.

Die Optik 446 sammelt das Licht und leitet das Licht L in den Eingang 433 des zweiten optischen Kommunikationspfads 436 ein .

Die lichtsammelnde Optik 446 kann auf verschiedene Art und Weise ausgestaltet sein: beispielsweise als eine optische Linse (Sammellinse) oder als eine Scheibe, die am Rand mit einem Reflektor versehen ist und die das Licht in den Eingang 433 des zweiten optischen Kommunikationspfades 436 einspeist.

Der zweite optische Kommunikationspfad 436 überträgt das von dem Lichtbogen 442 stammende Licht L zu dem ersten optischen Kommunikationspfad 38 und koppelt dieses Licht L an dem

Einkoppelungspunkt 439 in den ersten optischen

Kommunikationspfad 38 ein. Mittels des zweiten optischen Kommunikationspfads 436 wird also ein kleiner Teil des von dem Lichtbogen/Feuer 442 stammenden Lichts L aus dem (in der Regel undurchsichtigen) Kapselungsgehäuse 430 herausgeleitet und zu dem ersten optischen Kommunikationspfad 38 übertragen.

Daraufhin wird durch dieses von dem Lichtbogen 442 stammende Licht L die Nachrichtenübertragung N zwischen der Bauelement- Steuereinheit 408 und der übergeordneten Steuereinheit 35 gestört. Solange der Lichtbogen 442 brennt, wird mittels des zweiten optischen Kommunikationspfads 436 ein dauerhaftes Lichtsignal L (Dauerlicht L, Störlicht L) in den ersten optischen Kommunikationspfad 38 eingekoppelt/eingespeist . Dieses Licht L wird mittels des ersten optischen

Kommunikationspfads 38 zu der übergeordneten Steuereinheit 35 geleitet. Dieses dauerhafte Lichtsignal L stört die über den ersten optischen Kommunikationspfad 38 stattfindende

Nachrichtenübertragung. Bei dieser Nachrichtenübertragung wird nämlich kein dauerhaftes Lichtsignal verwendet

(dauerlichtfreie Nachrichtenübertragung) . Sobald die

übergeordnete Steuereinheit 35 das dauerhafte Lichtsignal L detektiert, erkennt die übergeordnete Steuereinheit 35, dass ein Lichtbogen brennt. Anhand des Auftretens des dauerhaften Lichtsignals L wird also der Lichtbogen erkannt. Die

übergeordnete Steuereinheit 35 erkennt aufgrund der durch das Licht L gestörten Nachrichtenübertragung, dass in dem Modul 1_4 ein Lichtbogen brennt. Daraufhin gibt die übergeordnete Steuereinheit 35 ein entsprechendes Fehlersignal aus.

Insbesondere gibt die übergeordnete Steuereinheit 35 erst nach einer Verzögerungszeit das Fehlersignal aus. Dieses Fehlersignal kann (insbesondere „UND"-verknüpft mit einem oder mehreren anderen Signalen) die Abschaltung des

Stromrichters auslösen. Das Fehlersignal kann insbesondere die Information „Modul-Überbrückungsschalter ist nicht geschlossen" beinhalten, da ein dauerhaft brennender

Lichtbogen nur bei nicht geschlossenem Überbrückungsschalter 405 auftreten kann.

Optional kann das Verfahren auch so ablaufen, dass die übergeordnete Steuereinheit 35 erst dann den brennenden

Lichtbogen erkennt und also auch erst dann das Fehlersignal ausgibt, wenn die von der Bauelement-Steuereinheit 408 zu der übergeordneten Steuereinheit 35 stattfindende

Nachrichtenübertragung N mindestens 2 Sekunden lang gestört ist, insbesondere mindestens 4 Sekunden lang gestört ist.

Wenn nämlich die Störung der Nachrichtenübertragung innerhalb der ersten 2 Sekunden bzw. innerhalb der ersten 4 Sekunden wieder beendet ist, dann bedeutet dies, dass der Lichtbogen 442 innerhalb der 2 bzw. 4 Sekunden wieder erloschen ist. In diesem Fall braucht die übergeordnete Steuereinheit 35 kein Fehlersignal auszugeben, weil der Lichtbogen 442 innerhalb dieser kurzen Zeitspanne (2 bzw. 4 Sekunden) innerhalb des Kapselungsgehäuses 430 verbleiben würde uns somit keine größeren Schäden zu erwarten sind. Insbesondere verlischt der Lichtbogen 442 dann, wenn der Überbrückungsschalter 405 geschlossen wird.

Das beschriebene Verfahren kann insbesondere mit Vorteil angewendet werden, wenn das Nachbarmodul 1_3 des Moduls 1_4 bereits früher ausgefallen und daher nicht mehr

funktionsfähig ist. Dann kann mittels der Prüfschaltung 421 nicht mehr erkannt werden, ob der Überbrückungsschalter 405 (im Fehlerfall) ordnungsgemäß schließt. Mittels des

beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Anlage kann jedoch auch in einem derartigen Fall mittels des zweiten optischen Kommunikationspfads 436 zuverlässig erkannt werden, ob bei einem Leistungshalbleiterbauelement des Moduls ein Lichtbogen brennt. Wenn ein Lichtbogen erkannt wird, dann kann die übergeordnete Steuereinheit 35 ein entsprechendes Fehlersignal ausgeben, woraufhin geeignete Maßnahmen

ergriffen werden können. Beispielsweise kann in einem

derartigen Fall das betroffene Phasenmodul des Stromrichters oder der gesamte Stromrichter (im Allgemeinen also die gesamte leistungselektronische Anlage) abgeschaltet werden, um eine Ausbreitung des Schadens aus dem Modul 1_4 heraus zu verhindern .

In Figur 5 sind noch einmal die Schritte des Verfahrens zum Erkennen des Lichtbogens in einer anderen Darstellungsform gezeigt. Es ist deutlich zu erkennen, wie das von dem

Lichtbogen 242 ausgesendete Licht (genauer gesagt, ein Teil L des von dem Lichtbogen 242 ausgesendete Lichts) über den zweiten optischen Kommunikationspfad 436 zu dem ersten optischen Kommunikationspfad 38 übertragen und in diesen ersten optischen Kommunikationspfad 38

eingekoppelt/eingeleitet wird. Das Licht L überlagert die optischen Nachrichten N, die von der Bauelement-Steuereinheit 408 über den ersten optischen Kommunikationspfad 38 zu der übergeordneten Steuereinheit 35 übertragen werden. Dadurch wird die Nachrichtenübertragung von der Bauelement- Steuereinheit 408 zu der übergeordneten Steuereinheit 35 gestört. Aufgrund dieser Störung erkennt die übergeordnete Steuereinheit 35, dass der Lichtbogen 442 brennt.

Dabei ist insbesondere der Einkopplungspunkt 439 näher an der Bauelement-Steuereinheit 408 angeordnet als an der

übergeordneten Steuereinheit 35. Der Einkopplungspunkt 439 ist also benachbart zu dem Modul 1_4 angeordnet. Dadurch braucht der zweite optische Kommunikationspfad 436 nur eine geringe Länge aufweisen im Vergleich zur Länge des ersten optischen Kommunikationspfads 38. Beispielsweise kann der erste optische Kommunikationspfad 38 mindestens 10 Mal länger sein als der zweite optische Kommunikationspfad 436.

Insbesondere kann der erste optische Kommunikationspfad 38 zwischen 10 und 1000 Mal länger sein als der zweite optische Kommunikationspfad 436.

Im Ausführungsbeispiel kommunizieren die Bauelement- Steuereinheit 408 und die übergeordnete Steuereinheit 35 mittels zweier optischer Kommunikationspfade 38 und 37 miteinander. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Bauelement-Steuereinheit 408 jedoch auch mittels eines einzigen (bidirektionalen) optischen Kommunikationspfades mit der übergeordneten Steuereinheit 35 kommunizieren. Diese Kommunikation/Nachrichtenübertragung wird dann (wie oben beschrieben) durch die Einkopplung des von dem Lichtbogen 442 stammenden Lichts L in diesen bidirektionalen optischen

Kommunikationspfad gestört.

Es wurde ein Verfahren und eine leistungselektronische Anlage beschrieben, mit denen sicher und zuverlässig das Auftreten eines Lichtbogens erkannt werden kann.