Stoßstromanwendungen von Leistungshalbleitern im Überspannungsschutz

Schork, Franz GND

Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit lag im Aufzeigen neuartiger Schutzkonzepte für den Überspannungsschutz durch den Einsatz von Leistungshalbleitern. Dieses Ziel konnte durch die Qualifizierung in Frage kommender Halbleiterbauelementtypen wie Dioden, Thyristoren, MOSFETs, IGBTs und MCTs sowie die Vorstellung und Realisierung des Schutzkonzeptes der gesteuerten Quer- und Längsimpedanzen erfüllt werden. Die Grundlage hierfür bildeten die präsentierten Ausführungen zu den Bedrohungsparametern für den Überspannungsschutz. Im AC-Netz und DC-Netz wird der genormte Stand zusammengefasst und gerade im Bereich der Bedrohungen durch temporäre Überspannungen (TOV) bislang nicht behandelte Situationen aufgezeigt. Die Untersuchung und Qualifizierung der gezeigten Leistungshalbleiter ergab bei ausschließlicher Bewertung der Ableitfähigkeit eine Leistungsfähigkeit heutiger Typ-3-SPDs. Es konnte gezeigt werden, dass die für den Überspannungsschutz wichtigen Eigenschaften von Leistungshalbleitern nicht auf das Ableitvermögen zu beschränken sind. Gerade durch das schnelle und gezielte Schaltverhalten von Leistungshalbleitern ist es möglich, neue Schutzkonzepte zu realisieren, die mit Standardbauelementen des Überspannungsschutzes nicht umgesetzt werden können. Hier hat sich das Konzept der gesteuerten Längs- und Querimpedanzen als übergeordneter Ansatz bewährt, auf dessen Basis alle vorgestellten Schutzkonzepte zurückgeführt werden können. Zu dem Konzept zählen beispielsweise die Erweiterung des Schutzbereichs von SPDs mit niedrigem Schutzpegel bei gleichzeitiger TOV-Festigkeit sowie die Schutzpegelanpassung an die aktuelle Netzspannung oder die Steuerung von Feinschutzelementen. Aus der Bewertung der Schutzkonzepte haben sich der kombinierte Überstrom- und Überspannungsschutz im DC-Netz sowie der TOV-Schutz im AC-Netz als Konzept mit dem höchsten Mehrwert für den Überspannungsschutz herausgestellt. Diese beiden Konzepte wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit realisiert. Die gezeigten Schutzkonzepte stellen für den Überspannungsschutz eine große Weiterentwicklung dar und rechtfertigen den Einsatz von Leistungshalbleitern. In Überspannungsschutzanwendungen ist daher die Verbreitung von Leistungshalbleitern mehr und mehr zu erwarten und dies nicht nur, wie in heutigen SPDs, für Hilfsfunktionen, sondern zukünftig auch als Hauptelement in einer eigenständigen Schutzlösung.

The objective of the thesis was to show new overvoltage protection concepts based on power electronics. This aim was achieved by qualifying power electronic components like diodes, thyristors, IGBTs, MOSFETs and MCTs and introducing the protection concept of the controlled serial and parallel impedance. The base is provided by an overview of standardized risk parameters for overvoltage applications in AC grids and DC grids. The risk of temporary overvoltage (TOV) is discussed in detail. Here threatening TOV situations were shown which are not named in the known standards. The qualification of power electronic devices for overvoltage protection shown in this work leads to an application of power electronic devices in type 3 SPDs, as far as the discharge capability is taken as dominant factor. It is shown that the use of power electronics cannot be restricted only to the surge current capability. Especially the fast and specific switching characteristic of power electronics leads to protection concepts which cannot be realized with standard components of overvoltage protection. Here the concept of controlled serial and parallel impedances can be seen as superior method. All shown protection schemes can be attributed to this base concept. This method allows the enlargement of the protective distances of SPDs by low protection level and simultaneous TOV withstand capability as well as the protection level adjustment to the nominal grid voltage. The control of the fine protection element and therefore the upgrade of the protection concept to applications with higher nominal currents are also based on the concept of the controlled serial and parallel impendences. The valuation of the protection concepts leads to the conclusion that the combined overvoltage and overcurrent concept for DC systems and the TOV protection with the ability of an emergency power supply are the concepts with the widest protection properties. Therefore, these to concepts has been realized in this work. The shown protection concepts are an evolutionary step for overvoltage protection and justify the use of power electronics in overvoltage protection applications. Therefore, the distribution of power electronics in overvoltage protection applications will be seen in the future even though surge current capability is limited.

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Schork, Franz: Stoßstromanwendungen von Leistungshalbleitern im Überspannungsschutz. Ilmenau 2019.

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