Frag den Schulz! Es darf kaputt gehen – wenn es richtig kaputt geht

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Leistungselektronik steuert und wandelt Energie, Schutzfunktionen folgen jedoch anderen Prinzipien. Wenn Halbleiter selbst altern und ausfallen können, stellt sich die Frage nach ihrer Eignung für sicherheitskritische Schutzbeschaltungen.

Elektronische Komponenten werden üblicherweise so ausgelegt, dass sich über ein wahrscheinliches Lastprofil die gewünschte Lebensdauer ergibt. Die bei weitem am häufigsten mit Leistungselektronik zu bewältigende Aufgabe ist die Wandlung von Energie. Inverter wandeln die DC-Spannung von Solarzellen in netzkompatible Wechselspannung um, Batterieladegeräte tun genau das Gegenteil. Wechselrichter versetzen uns in die Lage, die in Frequenz und Amplitude starre Versorgung aus dem Netz den Bedingungen und Anforderungen der Applikation anzupassen.

Es gibt nur wenige Anwendungen, in denen nicht die Kontrolle der Applikation im Sinne von Regelung des Energiebedarfs das Ziel ist. Speziell der Einsatz von Halbleitern zum Schutz von Applikationen regelt nicht die Energieübertragung. Die Frage, die sich aus dieser Art des Einsatzes ergibt, ist: Wenn Halbleiter altern und früher oder später versagen – wie können Sie sich dann für den Einsatz in so etwas kritischem wie Schutzbeschaltung eignen? Um das zu beleuchten, muss erst einmal geklärt sein, was die Schutzbeschaltung erreichen soll und welche Funktion sie hierzu übernehmen muss.

Halbleiter als Ersatz für Schmelzsicherungen

Die Idee ist verblüffend einfach: Man ersetzt eine Schmelzsicherung durch einen Halbleiter, den man im Fall eines zu hohen Stromes abschalten kann. Im Vergleich zur Sicherung erlaubt das, den Strom bereits lange vor Erreichen des Kurzschlussstromniveaus abzuschalten, was alle Komponenten der nachgeschalteten Applikation entlastet. Nach einer Prüfung und Beseitigung des Fehlers kann das System erneut in Betrieb genommen werden, das schützende Element bleibt dabei unbeschädigt. Im Gegensatz zu einer Schmelzsicherung kann der Halbleiterschalter also wiederholt zum Einsatz kommen. Man spricht auch von einem Solid-State Circuit-Breaker (SSCB).

Diese Unterbrecher haben die Aufgabe, Applikation und Personen vor der Einwirkung elektrischer Energie zu schützen, wie es Sicherungen auch tun. Geht die elektrische Funktion durch Alterung oder Überlastung verloren ist es wichtig, dass sich der Zustand eines offenen Schalters ergibt, das Fehlerbild muss also sein „open on fail“. Aufbauten mit Bonddrähten eignen sich für diesen Ansatz. Im Fehlerfall, in dem ein großer Strom den Halbleiter zerstört, übernehmen die Bonddrähte die Aufgabe der Sicherung. Sie schmelzen durch den zu hohen Strom und öffnen damit den Stromkreis permanent.

SSCB eignen sich nicht nur für DC-Kreise, über entsprechende Anordnungen lassen sich auch Wechselspannungssysteme mit dieser Technologie ausstatten. Sogar für die Mittelspannung bis jenseits der 40 kV wird über solche Systeme zum Ersatz mechanischer Unterbrecher nachgedacht. Um den Energiefluss in beide Richtungen gewährleisten zu können, werden bidirektionale Schalter benötigt. Diese lassen sich aus zwei gegenläufig kontaktierten IGBTs und deren Freilaufdioden aufbauen. Die am weitesten verbreitete Möglichkeit ist die Anordnung mit gemeinsamen Emittern oder Common Emitter, die in Bild 1 dargestellt ist. Der Strom kann durch je einen IGBT und die jeweils gegenüberliegende Freilaufdiode in beide Richtungen fließen, die Spannung kann durch Ausschalten der IGBTs in beide Richtungen gesperrt werden.

Ein solcher Schalter hat die Aufgabe, in Mittelspannungseinrichtungen einen Überstrom zu trennen. Hier sind die Anforderungen aber andere. „Open on Fail“ bedeutet, dass die zu schützende Leitung bis zum Ersetzen des Schalters nicht zur Verfügung stehen würde, was für Übertragungsleitungen in der Mittelspannung nicht tolerierbar ist. Im Gegenzug würde ein einzelner Schalter mit der Funktion „Short on Fail“ dazu führen, dass man die Leitung nicht mehr abschalten kann. Trotzdem ist dies die bevorzugte Variante, weil die elektrische Funktion der Trennung durch mehrere in Reihe geschaltete Einheiten umgesetzt wird.

Da für die Erreichung der Sperrspannung eines 40 kV-Netzes ohnehin mehr als nur ein Schalter benötigt wird, installiert man eine sogenannte N+1-Redundanz. Hierbei werden N Schalter zur Erfüllung der Funktion benötigt, ein weiterer wird als redundanter Schalter hinzugefügt. Bild 3 zeigt einen solchen Aufbau für den Einsatz an einem 40 kV-Netz.

Fällt eine der in Reihe geschalteten Baugruppen aus muss sichergestellt sein, dass sie dabei eine gut leitende, dauerhafte Verbindung erzeugt. Druckkontaktierte Halbleiter, auch als Presspacks bezeichnet, erfüllen diese Anforderung. Im Fehlerfall legiert der Halbleiter durch und es kommt zu einer soliden Kontaktierung der beiden Kontaktplatten. Dieser Zustand bleibt stabil erhalten.

Die verbleibenden Baugruppen erfüllen weiterhin die elektrische Funktion, über ein Monitoring der Spannung an jeder Baugruppe kann der Fehler erkannt und gemeldet werden. Ein Austausch ist dann mit der nächsten planmäßigen Wartung möglich und der einzelne Fehler führt nicht zum Ausfall der Einrichtung.

Der Halbleiter als Brechstange

Im ungestörten Betrieb bleibt die auch Crowbar genannte Einrichtung deaktiviert, im Fehlerfall übernimmt der Halbleiter eine Schutzfunktion, indem er bei einem detektierten Fehlerfall den Strom in einen sicheren Pfad umleitet, was schematisch in Bild 4 zu sehen ist.

Im Gegensatz zu öffnenden Schaltern erzeugt die Crowbar gezielt einen Kurzschlusstrom. Die zu schützende Applikation ist umgehend spannungsfrei und vorgelagerte Schutzelemente – Sicherungen oder Circuit Breaker – erhalten wertvolle Zeit, den Abschaltvorgang vorzunehmen.

Durch das Einschalten der Crowbar entsteht ein niederimpedanter Pfad. Die Spannung an der Applikation wird augenblicklich auf nahe null reduziert, der Fehlerstrom in der Applikation bricht ein, die Einrichtung ist geschützt.

Die Auslegung einer Crowbar kann dabei zwei Strategien verfolgen:

• 1. Die Halbleiter werden so groß ausgelegt, dass die vorgelagerte Schutzeinrichtung aktiv werden kann, bevor die Halbleiter durch die hohe thermische Belastung geschädigt, oder zerstört werden.

• 2. Die Halbleiter werden deutlich kleiner – und damit kostengünstiger – ausgelegt, was bedeutet, dass sie den zu erwartenden Strom nicht ohne Beschädigung überstehen. Ist sichergestellt, dass das Fehlerbild „short on fail“ ist und der Halbleiter durch die hohe Energie nicht mechanisch zerstört wird, bleibt der gewünschte Strompfad erhalten und die Crowbar schützt die Applikation weiterhin bis vorgelagerte Schutzeinrichtungen wie Sicherungen oder Unterbrecher die Spannung abschalten.

In beiden Fällen schützt die Crowbar die Applikation so lange, bis vorgelagerte Schutzeinrichtungen wie Sicherungen oder Unterbrecher die Spannung abschalten.

Der zweite Fall findet nur dann Anwendung, wenn Schmelzsicherungen als trennendes Element vorgesehen sind. Im Fehlerfall werden dann sowohl die Sicherungen als auch die Crowbar ausgetauscht.

Speziell für diesen Fall wurden Druckkontakt-Halbleiter entwickelt, die mehr Energie aufnehmen können, bevor es zum Gehäusebruch und damit zur mechanischen Zerstörung des Bauteils kommt. Im Datenblatt findet man hierzu den i²t-Wert, bei dem das Bauelement durchlegiert.

In beiden Fällen ist wichtig, dass hier eine Anwendung der Gattung „Puls-Power“ vorliegt. Da die Datenblattwerte Angaben für den Dauerbetrieb sind, können Sie nicht für die Auslegung in diesen Applikationen herangezogen werden. Hierfür bedarf es einer genauen thermischen Betrachtung, zu der individuelle Anforderungen in Zusammenarbeit mit dem Halbleiterhersteller zu prüfen sind.

Fazit

Halbleiter versagen durch Alterung oder durch Überlastung. Beides lässt sich durch entsprechende Auslegung beherrschen, um die erwartete Lebensdauer zu erreichen. In Sonderfällen muss der Verlust der elektrischen Eigenschaften bereits im Design mit einbezogen werden, um einen zuverlässigen Betrieb auch im Fehlerfall bewerkstelligen zu können. Der Markt bietet hierzu in allen Leistungsklassen geeignete Halbleiterlösungen, die selbst extreme Fälle bedienen können.  (mr)

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