Die Kurzschlüsse von IGBT und Diode im Active-Neutral-Point-Clamped-Dreipunktumrichter
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den auftretenden Halbleiterkurzschlüssen im Active-Neutral-Point-Clamped-Dreipunktumrichter im Megawattbereich, beispielsweise einsetzbar in Windkraftanlagen oder Schiffsantrieben. Umrichter in solchen Umgebungen haben den inerten Nachteil, dass nach einem Kurzschluss ein einfacher Austausch des Systems nicht möglich ist. Weiterhin birgt ein Durchbruch eines Halbleiters, der dadurch einen Kurzschluss auslöst, die Gefahr, dass weitere Bauelemente zerstört werden und Folgeschäden an der gesamten Anlage entstehen. Um diese Problematik umgehen zu können, muss erst einmal verstanden werden, welche Fehler im ANPC-Dreipunktumrichter möglich sind. Daher hat diese Arbeit die Aufgabe, für alle möglichen Schaltkombinationen im Umrichter zu untersuchen, welcher Durchbruch eines Halbleiters dabei eintreten kann und welche Kurzschlüsse sich daraus schlussendlich ergeben werden.
Anhand von Messungen in einem praxisnahen Teststand wird aufgezeigt, dass sich die Kurzschlüsse im Umrichter in grob fünf Kategorien aufteilen lassen. Zuerst gibt es die Gruppe der vier schon weitläufig beschriebenen Halbleiterfehler aus dem gewöhnlichen Zweipunktumrichter. Zu diesen Fehlern, die nur einen Halbleiter betreffen, kommen zusätzlich die neuen Kurzschlüsse als nächste Kategorie, bei denen die freien Ladungsträger im Bauteil einen Fehlerfall ermöglichen. Dabei wird die Variante für die Diode erstmalig im Rahmen dieser Arbeit beschrieben. Weitere Untersuchungen zeigen die Auswirkungen von Kurzschlüssen, wenn mehr als ein Halbleiter daran beteiligt ist. Während die Serienschaltung zweier Bauteile im Fehlerfall in den meisten Fällen noch eine starke Analogie zu den vorherigen Fehlern aufweist, ist dies bei den zwei anderen Varianten nicht mehr gegeben. Die Parallelschaltung zweier Kurzschlusspfade, welche erst-malig in dieser Arbeit beschrieben wird, führt zu einer Interaktion der betroffenen Halbleiter untereinander. Eine Verzerrung der Strom- und Spannungsverläufe im Kontrast zu den bekannten Fällen ist das Resultat. Als letzte Kategorie können im ANPC-Dreipunktumrichter Situationen auftreten, bei der beim Fehlereintritt ein Halbleiter mit mehr Spannung belastet werden würde, als er sperren kann. Dieses Problem kann durch Schutzbeschaltung gelöst werden, verursacht dann aber einen Kurzschluss über mindestens drei Halbleiter.
Die vorgestellten Fälle werden messtechnisch untersucht, um aufzeigen zu können, wie die Halbleiter in bis dato unbekannten Kurzschlusssituationen reagieren. Darüber hinaus ermöglicht die Analyse aller Kurzschlüsse im ANPC-Dreipunktumrichter Erkenntnisse, wie Fehlervarianten in anderen Mehrpunktumrichter ausfallen werden.