DE102012210261A1

DE102012210261A1 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls

Info

Publication number: DE102012210261A1
Application number: DE201210210261
Authority: DE
Inventors: Stefan Schuler
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: DE102012210261B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, wobei das Substrat einen Isolierstoffkörper und eine auf dem Isolierstoffkörper angeordnete elektrisch leitende strukturierte Leitungsschicht aufweist, wobei auf der strukturierten Leitungsschicht ein erster und ein zweiter Leistungshalbleiterschalter angeordnet sind, wobei eine erste Laststromleiterbahn mit einem ersten Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterschalters und ein erster Laststromleiter mit einem zweiten Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine zweite Laststromleiterbahn mit einem ersten Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterschalters und ein zweiter Laststromleiter mit einem zweiten Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine erste Spule unmittelbar neben der ersten Laststromleiterbahn oder dem ersten Laststromleiter angeordnet ist, wobei eine zweite Spule unmittelbar neben der zweiten Laststromleiterbahn oder dem zweiten Laststromleiter angeordnet ist. Die Erfindung ermöglicht eine schnelle Ermittlung der durch die Leistungshalbleiterschalter eines Leistungshalbleitermoduls fließenden Lastströme und/oder der zeitlichen Ableitungen der durch die Leistungshalbleiterschalter eines Leistungshalbleitermoduls fließenden Lastströme.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leistungshalbleitermodulen sind im Allgemeinen auf einem Substrat Leistungshalbleiterschalter und Dioden angeordnet und mittels einer Leiterschicht des Substrats, Bonddrähten und/oder einem Folienverbund miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Leistungshalbleiterschalter liegen dabei im Allgemeinen in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), oder in Form von Thyristoren vor.
Die auf dem Substrat angeordneten Leistungshalbleiterschalter und die Dioden sind dabei häufig elektrisch zu einer einzelnen oder mehreren sogenannten Halbbrückenschaltungen verschalten, die üblicherweise zum Gleich- und Wechselrichten von elektrischen Spannungen und Strömen verwendet werden. Die Leistungshalbleiterbauelemente sind dabei im Allgemeinen auf einem Substrat angeordnet, das in der Regel direkt oder indirekt mit einem Kühlkörper verbunden ist.
Aus der DE 103 55 925 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, bei dem Halbleiterbauelemente mittels eines Folienverbundes elektrisch miteinander verbunden werden.
Insbesondere zur Realisierung von sehr schnell arbeitenden Betriebsfunktionalitäten, wie z.B. Schutzfunktionalitäten, ist bei Leistungshalbleitermodulen eine schnelle Ermittlung der durch die Leistungshalbleiterschalter fließenden hochdynamischen Lastströme und/oder der zeitlichen Ableitungen der Lastströme wünschenswert.
Bei techniküblichen Leistungshalbleitermodulen sind zur Strommessung nach dem Kompensationsprinzip arbeitende Stromsensoren bekannt. Diese Stromsensoren sind zum einen teuer und erlauben zum anderen nur eine relativ langsame Messung der Ströme. Hochdynamische Änderungen (schnelle Stromanstiege oder Stromabfälle) der durch die Leistungshalbleiter fließenden Lastströme sind somit mit diesen Stromsensoren nicht oder nur unzureichend erfassbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine schnelle Ermittlung der durch die Leistungshalbleiterschalter eines Leistungshalbleitermoduls fließenden Lastströme und/oder der zeitlichen Ableitungen der durch die Leistungshalbleiterschalter eines Leistungshalbleitermoduls fließenden Lastströme zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, wobei das Substrat einen Isolierstoffkörper und eine auf dem Isolierstoffkörper angeordnete elektrisch leitende strukturierte Leitungsschicht aufweist, wobei auf der strukturierten Leitungsschicht ein erster und ein zweiter Leistungshalbleiterschalter angeordnet sind und mit der strukturierten Leitungsschicht verbunden sind, wobei ein zweiter Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterschalters mit einem ersten Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine erste Laststromleiterbahn mit einem ersten Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterschalters und ein erster Laststromleiter mit einem zweiten Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine zweite Laststromleiterbahn mit dem ersten Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterschalters und ein zweiter Laststromleiter mit dem zweiten Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, wobei die erste und die zweite Laststromleiterbahn aus der strukturierten Leitungsschicht gebildet sind, wobei eine erste Spule unmittelbar neben der ersten Laststromleiterbahn oder dem ersten Laststromleiter angeordnet ist, wobei eine zweite Spule unmittelbar neben der zweiten Laststromleiterbahn oder dem zweiten Laststromleiter angeordnet ist.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die neben der ersten Laststromleiterbahn angeordnete erste und die neben der zweiten Laststromleiterbahn angeordnete zweite Spule jeweilig aus der strukturierten Leitungsschicht gebildet sind, da sich hierdurch ein besonderes einfacher und zuverlässiger Aufbau des Leistungshalbleitermoduls ergibt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul einen Folienverbund aufweist, der mindestens zwei strukturierte metallische Folienschichten aufweist, wobei zwischen einer ersten und einer zweiten strukturierten metallischen Folienschicht des Folienverbunds eine elektrisch isolierende Folienschicht angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Leistungshalbleiterschalter mit dem Folienverbund verbunden sind, wobei der erste und der zweite Laststromleiter jeweilig aus mindestens einer der strukturierten metallischen Folienschichten des Folienverbunds gebildet sind, wobei die neben dem ersten Laststromleiter angeordnete erste und die neben dem zweiten Laststromleiter angeordnete zweite Spule jeweilig aus mindestens einer der strukturierten metallischen Folienschichten des Folienverbunds gebildet sind. Hierdurch wird ein besonders einfacher und zuverlässiger Aufbau des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine dritte Spule unmittelbar neben der ersten Laststromleiterbahn oder dem ersten Laststromleiter angeordnet ist, wobei die erste Laststromleiterbahn oder der erste Laststromleiter zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist, wobei die erste und die dritte Spule derart miteinander elektrisch leitend verbunden sind, dass wenn ein elektrischer Strom durch die erste Laststromleiterbahn fließt und die erste Laststromleiterbahn zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist oder wenn ein elektrischer Strom durch den ersten Laststromleiter fließt und der erste Laststromleiter zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist, und infolge durch Induktion jeweilig eine Spannung von der ersten und dritten Spule erzeugt wird, die beiden Spannungen sich mit gleichem Vorzeichen addieren. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Störunterdrückung von Störungen, welche von nicht durch die erste Laststromleiterbahn bzw. den ersten Laststromleiter hervorgerufenen Magnetfeldern herrühren, erzielt.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine vierte Spule unmittelbar neben der zweiten Laststromleiterbahn oder dem zweiten Laststromleiter angeordnet ist, wobei die zweite Laststromleiterbahn oder der zweite Laststromleiter zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist, wobei die zweite und die vierte Spule derart miteinander elektrisch leitend verbunden sind, dass wenn ein elektrischer Strom durch die zweite Laststromleiterbahn fließt und die zweite Laststromleiterbahn zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist oder wenn ein elektrischer Strom durch den zweiten Laststromleiter fließt und der zweite Laststromleiter zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist, und infolge durch Induktion jeweilig eine Spannung von der zweiten und vierten Spule erzeugt wird, die beiden Spannungen sich mit gleichem Vorzeichen addieren. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Störunterdrückung von Störungen, welche von nicht durch die zweite Laststromleiterbahn bzw. den zweiten Laststromleiter hervorgerufenen Magnetfeldern herrühren, erzielt.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Leistungshalbleitermoduls mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Erzeugen eines, die zeitliche Ableitung des durch den ersten Leistungshalbleiterschalter fließenden ersten Laststrom angebendes, erstes Differentialstromsignals mittels der ersten Spule oder falls die dritte Spule vorhanden ist, mittels der ersten und der dritten Spule, und Erzeugen eines, die zeitliche Ableitung des durch den zweiten Leistungshalbleiterschalter fließenden zweiten Laststrom angebendes, zweites Differentialstromsignals mittels der zweiten Spule oder falls die vierte Spule vorhanden ist, mittels der zweiten und der vierten Spule.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Ermittlung des ersten Laststroms durch Integrieren des ersten Differentialstromsignals mittels eines ersten Integrierers und Ermittlung des zweiten Laststroms mittels eines zweiten Integrierers durch Integrieren des zweiten Differentialstromsignals erfolgt.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Integrieren des ersten Differentialstromsignals erfolgt, indem ein erstes Integrieren des ersten Differentialstromsignals unmittelbar vor dem Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters beginnt und nach einer ersten Zeitdauer endet und das Integrieren des zweiten Differentialstromsignals erfolgt, indem ein erstes Integrieren des zweiten Differentialstromsignals unmittelbar vor dem Einschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters beginnt und nach einer zweiten Zeitdauer endet. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Störunterdrückung von Störungen, welche von nicht durch die erste Laststromleiterbahn, den ersten Laststromleiter, die zweite Laststromleiterbahn oder den zweiten Laststromleiter hervorgerufenen Magnetfeldern herrühren, erzielt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn unmittelbar vor dem Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters der Integrationswert des ersten und unmittelbar vor dem Einschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters der Integrationswert des zweiten Integrierers zurückgesetzt wird. Durch diese Maßnahme wird die Auswirkung von Mess- bzw. Quantisierungsfehler, die bei einer Integration über einen längeren Zeitraum zu großen Fehlern bei der Ermittlung der Lastströme führen würden, stark reduziert.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Integrieren des ersten Differentialstromsignals erfolgt, indem zusätzlich zum ersten Integrieren des ersten Differentialstromsignals ein zweites Integrieren des ersten Differentialstromsignals erfolgt, wobei das zweite Integrieren des ersten Differentialstromsignals unmittelbar vor dem Ausschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters beginnt und nach einer dritten Zeitdauer endet, und wenn das Integrieren des zweiten Differentialstromsignals erfolgt, indem zusätzlich zum ersten Integrieren des zweiten Differentialstromsignals ein zweites Integrieren des zweiten Differentialstromsignals erfolgt, wobei das zweite Integrieren des zweiten Differentialstromsignals unmittelbar vor dem Ausschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters beginnt und nach einer vierten Zeitdauer endet. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Störunterdrückung von Störungen, welche von nicht durch die erste Laststromleiterbahn oder den ersten Laststromleiter hervorgerufenen Magnetfeldern herrühren, erzielt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn, falls nach dem Integrieren des ersten Differentialstromsignals der erste Laststrom und/oder falls nach dem Integrieren des zweiten Differentialstromsignals der zweite Laststrom einen jeweiligen ersten Grenzwert überschreitet ein jeweiliges Fehlersignal erzeugt wird. Diese Maßnahme ermöglicht eine zuverlässige und schnelle Fehlererkennung.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn, falls der erste und/oder der zweite Laststrom einen jeweiligen zweiten Grenzwert überschreitet, ein jeweiliges Überstromsignal erzeugt wird. Durch diese Maßnahme werden zuverlässig Überströme detektiert.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein externer Laststrom mittels Ermittlung der Differenz von erstem und zweitem Laststrom ermittelt wird. Durch diese Maßnahme wird auf einfache Art und Weise eine Ermittlung des externen Laststroms ermöglicht.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine Ausschaltzeitoptimierung des ersten Leistungshalbleiterschalters anhand des ersten Differentialstromsignals und eine Ausschaltzeitoptimierung des zweiten Leistungshalbleiterschalters anhand des zweiten Differentialstromsignals erfolgen. Hierdurch wird ein Betrieb des ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalters in einem optimierten Betriebspunkt zwischen dem Auftreten von zu hohen Schaltverlusten und dem Auftreten von zu hohen Überspannungen am Leistungshalbleiterschalter ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul eine Steuereinrichtung aufweist, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen des Leistungshalbleitermoduls und umgekehrt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
2 eine schematisierte Ansicht von oben auf ein Substrat eines erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermoduls,
3 eine schematisierte Schnittdarstellung einer erste Ausbildung eines Folienverbunds,
4 eine schematisierte Schnittdarstellung einer zweiten Ausbildung eines Folienverbunds,
5 eine schematisierte Schnittdarstellung einer dritten Ausbildung eines Folienverbunds,
6 eine schematisierte Darstellung einer Ausbildung einer ersten, zweiten, dritten und vierten Spule,
7 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung und
8 ein schematisierter Stromverlauf des ersten Laststroms
In 1 ist ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 dargestellt. Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul 1 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels einen ersten Leistungshalbleiterschalter T1, einen zweiten Leistungshalbleiterschalter T2, eine erste Diode D1, eine zweite Diode D2 und eine Steuereinrichtung 2 auf. Der erste und der zweite Leistungshalbleiterschalter sind beim Ausführungsbeispiel als IGBT ausgebildet. Der erste Leistungshalbleiterschalter T1, der zweite Leistungshalbleiterschalter T2, die erste Diode D1 und die zweite Diode D2 sind dabei elektrisch zu einer sogenannten Halbbrückenschaltung verschalten, d.h. der erste Laststromanschluss C des ersten Leistungshalbleiterschalters T1, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form des Kollektor des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 vorliegt, ist mit der Kathode der ersten Diode D1 elektrisch leitend verbunden und der zweite Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterschalters T1, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form des Emitters des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 vorliegt, ist mit dem ersten Laststromanschluss C des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form des Kollektors des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 vorliegt und mit der Anode A der ersten Diode D1 und mit der Kathode der zweiten Diode D2 elektrisch leitend verbunden, und der zweite Laststromanschluss E des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form des Emitters des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 vorliegt, ist mit der Anode A der zweiten Diode D2 elektrisch leitend verbunden.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das Leistungshalbleitermodul 1 zusätzlich zur dargestellten Halbbrückenschaltung, noch weitere Halbbrückenschaltungen aufweisen kann. So kann das Leistungshalbleitermodul 1 z.B. drei Halbbrückenschaltungen aufweisen mittels derer, durch entsprechende Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltungen, aus der Gleichspannung Us eine 3-phasige Wechselspannung, z.B. zur Ansteuerung eines Elektromotors, erzeugt werden kann.
Das Leistungshalbleitermodul 1 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels mit einer Gleichspannungserzeugungseinrichtung 3, die die Gleichspannung Us erzeugt, und mit einer Last 11, die z.B. in Form eines Elektromotors ausgebildet sein kann, elektrisch leitend verbunden.
Wenn der erste Leistungshalbleiterschalter T1 eingeschaltet ist, fließt ein erster Laststrom IL1 durch den ersten Leistungshalbleiterschalter T1.
Wenn der zweite Leistungshalbleiterschalter T2 eingeschaltet ist, fließt ein zweiter Laststrom IL2 durch den zweiten Leistungshalbleiterschalter T2.
In 2 ist eine schematisierte Ansicht von oben auf ein Substrat des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 dargestellt. Das Substrat weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels einen elektrisch nicht leitenden Isolierstoffkörper 14 und eine auf dem Isolierstoffkörper 14 angeordnete elektrisch leitende strukturierte Leitungsschicht 15 auf, die infolge ihrer Struktur elektrische Leiterbahnen ausbildet. Vorzugsweise weist das Substrat eine weitere elektrisch leitende, vorzugsweise unstrukturierte Leitungsschicht auf, wobei der Isolierstoffkörper 14 zwischen der strukturierten Leitungsschicht 15 und der weiteren Leitungsschicht angeordnet ist. An der weiteren Leitungsschicht ist im Allgemeinen ein Kühlkörper, der zur Kühlung der auf dem Substrat angeordneten Elemente dient, angeordnet. Die weitere Leitungsschicht ist in der in 2 dargestellten Ansicht nicht sichtbar auf der Rückseite des Isolierstoffkörpers 14 angeordnet. Die strukturierte Leitungsschicht 15 und die weitere Leitungsschicht 13 können z.B. aus Kupfer bestehen. Das Substrat kann z.B. in Form eines DCB-Substrats oder in Form eines Insulated Metal Substrats vorliegen.
Der erste und der zweite Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 und die erste und die zweite Diode D1 und D2 sind auf Leiterbahnen auf der strukturierten Leitungsschicht 15 angeordnet und mit der strukturierten Leitungsschicht 15 verbunden. Die jeweilige Verbindung der Leistungshalbleiterschalter und der Dioden mit der strukturierten Leitungsschicht 15 kann dabei z.B. in Form einer Löt- oder einer Sinterverbindung vorliegen. Der erste und der zweite Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 und die erste und die zweite Diode D1 und D2 sind somit mit der strukturierten Leitungsschicht 15 direkt verbunden. Die Leistungshalbleiterschalter und die Dioden sind dabei an ihrer der strukturierten Leitungsschicht 15 zugewandten Seite mit der strukturierten Leitungsschicht 15 verbunden. Beim Ausführungsbeispiel ist dabei der erste Laststromanschluss C des ersten und des zweiten Leistungshalbleiterschalters T1 und T2 und die Kathode der ersten und zweiten Diode D1 und D2 mit der strukturierten Leitungsschicht 15 verbunden.
Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul 1 im Rahmen des Ausführungsbeispiels einen Folienverbund 16 (siehe 3 bis 5) auf, der eine erste strukturierte metallische Folienschicht 17 und eine zweite strukturierte metallische Folienschicht 19, sowie eine zwischen der ersten und eine zweiten metallischen Folienschicht angeordnete elektrisch isolierende Folienschicht 18 aufweist.
In 2 sind nur die erste und die zweite strukturierte metallische Folienschicht 17 und 19 des Folienverbunds 16 dargestellt, während die elektrisch isolierende Folienschicht 18 nicht dargestellt ist. Der Folienverbund 16 ist im Wesentlichen oberhalb des ersten und des zweiten Leistungshalbleiterschalters angeordnet. Die erste und die zweite strukturierte metallische Folienschicht 17 und 19 bilden infolge ihrer Struktur elektrische Leiterbahnen aus, wobei beim Ausführungsbeispiel die Leiterbahnen der zweiten strukturierten metallischen Folienschicht 19 zu Anschlussflächen 30 degeneriert sind. Der Folienverbund weist durch die isolierende Folienschicht 18 verlaufende elektrisch leitende Durchkontaktierungen 20 auf, die die Anschlussflächen 20 mit den über den Anschlussflächen 20 angeordneten jeweiligen Leiterbahnen der ersten strukturierten metallischen Folienschicht 17 elektrisch leitend verbinden.
Die Anschlussflächen 20 sind mit den jeweilig zugeordneten zweiten Lastanschlüssen E des ersten und des zweiten Leistungshalbleiterschalters T1 und T2 und mit den jeweilig zugeordneten Anoden A der ersten und zweiten Dioden D1 und D2 verbunden. Die jeweilige Verbindung der Leistungshalbleiterschalter und der Dioden mit den Anschlussflächen 20 kann dabei z.B. in Form einer Löt- oder einer Sinterverbindung vorliegen.
Erfindungsgemäß ist der zweite Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 mit dem ersten Laststromanschluss C des zweiten Leistungshalbleiterschalter T2 elektrisch leitend verbunden, und eine erste Laststromleiterbahn LB1 mit dem ersten Laststromanschluss C des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 und ein erster Laststromleiter LL1 mit dem zweiten Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch leitend verbunden, und eine zweite Laststromleiterbahn LB2 mit dem ersten Laststromanschluss C des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 und ein zweiter Laststromleiter LL2 mit dem zweiten Laststromanschluss (E) des zweiten Leistungshalbleiterschalters (T2) elektrisch leitend verbunden, wobei die erste und die zweite Laststromleiterbahn LB1 und LB2 aus der strukturierten Leitungsschicht 15 gebildet sind.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Ausdruck, dass zwei Elemente elektrisch leitend verbunden sind, sowohl eine direkte elektrisch leitende Verbindung von zwei Elementen, mittels z.B. einer Löt- oder Sinterverbindung, die zwischen den beiden Elementen angeordnet ist, als auch eine indirekte elektrisch leitende Verbindung, mittels z.B. einem oder mehreren Leitungselementen, wie z.B. einer Leiterbahn, einem Bonddraht oder einem Kabel, die die beiden Elemente elektrisch miteinander verbinden, so dass ein elektrischer Stromfluss zwischen den beiden elektrisch miteinander leitend verbundenen Elementen möglich ist, verstanden wird.
Im Falle des Ausführungsbeispiels liegen der erste und der zweite Laststromleiter LL1 und LL2 in Form von Leiterbahnen vor, die aus der strukturierten metallischen Folienschicht 17 ausgebildet sind. Dies muss nicht notwendigerweise so sein. Der erste und der zweite Laststromleiter LL1 und LL2 können z.B. auch in Form eines anderen Leitungselements, wie z.B. einem Bonddraht oder einem Kabel, vorliegen.
Der erste Laststrom IL1, welcher durch den ersten Leistungshalbleiterschalter T1 fließt, kann, unter Vernachlässigung eines bei manchen Leistungshalbleiterschaltertypen (z.B. Thyristor) vom Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters zum ersten oder zum zweiten Laststromanschluss des Leistungshalbleiter fließenden kleinen Steuerstroms, sowohl auf Seite des ersten Laststromanschlusses C des ersten Leistungshalbleiterschalter T1 als auch auf Seiten des zweiten Laststromanschlusses E des ersten Leistungshalbleiterschalter T2 gemessen werden.
Ebenso kann der zweite Laststrom IL2, welcher durch den ersten Leistungshalbleiterschalter T2 fließt, unter Vernachlässigung eines bei manchen Leistungshalbleiterschaltertypen (z.B. Thyristor) vom Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters zum ersten oder zum zweiten Laststromanschluss des Leistungshalbleiters fließenden kleinen Steuerstroms, sowohl auf Seite des ersten Laststromanschlusses C des zweiten Leistungshalbleiterschalter T1 als auch auf Seite des zweiten Laststromanschlusses E des zweiten Leistungshalbleiterschalter T2 gemessen werden.
Erfindungsgemäß ist, zur Ermittlung der zeitlichen Ableitung des ersten Laststroms IL1, eine erste Spule S1/S1‘ unmittelbar neben der ersten Laststromleiterbahn LB1 oder dem ersten Laststromleiter LL1 angeordnet und, zur Ermittlung der zeitlichen Ableitung des zweiten Laststroms IL2, eine zweite Spule S2/S2‘ unmittelbar neben der zweiten Laststromleiterbahn LB2 oder dem zweiten Laststromleiter LL1 angeordnet.
In 2 sind somit zwei Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Die erste Spule kann in Form der ersten Spule S2 oder in Form der ersten Spule S2‘ vorliegen und die zweite Spule kann in Form der zweiten Spule S2 oder in Form der zweiten Spule S2‘ vorliegen.
Die erste und die zweite Spule weisen vorzugsweise eine einzelne Windung auf, die vorzugsweise in Form einer Leiterschleife vorliegt. Im Ausführungsbeispiel sind, wie in 2 dargestellt, die erste und die zweite Spule S1, S1‘, S2 und S2‘ jeweilig als eine einzelne Leiterschleife ausgebildet.
Die neben der ersten Laststromleiterbahn LB1 angeordnete erste Spule S1 und die neben der zweiten Laststromleiterbahn LB2 angeordnete zweite Spule S2 sind vorzugsweise jeweilig aus der strukturierten Leitungsschicht 15 gebildet. Falls die erste und zweite Spule S1 und S2 dabei mehrere Windungen aufweisen sollen, können die Windungen z.B. in Form einer Spiralwicklung vorliegen, deren im Zentrum der Spirale liegendes Ende, z.B. mittels eines Bonddrahts mit einer außerhalb der Spirale liegenden Leiterbahn der strukturierten Leitungsschicht 15 elektrisch leitend verbunden wird. Weiterhin können aber auch mehrere aus der strukturierten Leitungsschicht 15 gebildete Windungen, mittels z.B. Bonddrähten zu einer Spule elektrisch verschalten werden.
Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul 1 im Rahmen des Ausführungsbeispiels zur elektrischen Verbindung des Leistungshalbleitermoduls 1 mit externen Elementen ein erstes elektrisch leitendes Anschlusselement 51, ein zweites elektrisch leitendes Anschlusselement 52 und ein drittes elektrisch leitendes Anschlusselement 53 auf, die in 2 stark schematisiert gestrichelt dargestellt sind. Das erste elektrisch leitende Anschlusselement 51 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels mit dem positiven Pol der Gleichspannungserzeugungseinrichtung 3, mit dem ersten Laststromanschluss C des erstem Leistungshalbleiterschalters T1 und mit der Katode der ersten Diode D1 elektrisch leitend verbunden. Das erste Anschlusselement 51 ist mit der dem ersten Anschlusselement 51 zugeordneten, aus der strukturierten Leitungsschicht 15 ausgebildeten, Leiterbahn elektrisch leitend verbunden. Das zweite elektrisch leitende Anschlusselement 52 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels mit dem negativen Pol der Gleichspannungserzeugungseinrichtung 3, mit dem zweiten Laststromanschluss E des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 und mit der Anode A der zweiten Diode D2 elektrisch leitend verbunden. Das zweite Anschlusselement 52 mit der dem zweiten Anschlusselement 52 zugeordneten, aus der ersten metallischen Folienschicht 17 ausgebildeten, Leiterbahn elektrisch leitend verbunden. Das dritte elektrisch leitende Anschlusselement 53 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels mit der Last 11, mit dem zweiten Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterschalters T1, mit der Anode A der ersten Diode D1, mit dem ersten Laststromanschluss C des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 und mit der Kathode der zweiten Diode D2 elektrisch leitend verbunden. Das dritte Anschlusselement 53 ist mit der dem dritten Anschlusselement 53 zugeordneten, aus der strukturierten Leitungsschicht 15 ausgebildeten, Leiterbahn elektrisch leitend verbunden. Durch das dritte Anschlusselement 53 fließt der externe Laststrom ILE.
In 3 bis 5 ist eine schematisierte Schnittdarstellung des Folienverbunds 16, eines entlang der in 2 dargestellten Line A bzw. Line B verlaufenden Schnitts dargestellt. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist vorzugsweise, wie in 3 bis 5 dargestellt, einen Folienverbund 16 auf, der mindestens zwei strukturierte metallische Folienschichten aufweist, wobei zwischen einer ersten Folienschicht 17 und einer zweiten strukturierten metallischen Folienschicht 19 des Folienverbunds 16 eine elektrisch isolierende Folienschicht 18 angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 mit dem Folienverbund verbunden sind, wobei der erste und der zweite Laststromleiter LL1 und LL2 jeweilig aus mindestens einer der strukturierten metallischen Folienschichten des Folienverbunds 16 gebildet sind, wobei die neben dem ersten Laststromleiter LL1 angeordnete erste Spule S1‘ und die neben dem zweiten Laststromleiter LL2 angeordnete zweite Spule S2‘ jeweilig aus mindestens einer der strukturierten metallischen Folienschichten des Folienverbunds gebildet sind. Die Folienschichten sind, z.B. mittels einer Klebeverbindung, miteinander verbunden. Die strukturierten metallischen Folienschichten sind elektrisch leitend und können z.B. aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Beim Ausführungsbeispiel weist der Folienverbund 16 die erste und zweite strukturierte metallische Folienschicht 17 und 19 auf, wobei der erste und der zweite Laststromleiter LL1 und LL2 aus der ersten strukturierten metallischen Folienschicht 17 gebildet sind. Selbstverständlich kann der Folienverbund 16 zusätzlich zur ersten und zweiten strukturierten metallischen Folienschicht 17 und 19, noch weitere strukturierte metallische Folienschichten aufweisen.
In 3 ist eine erste Ausbildung des Folienverbunds 16 dargestellt, bei dem die neben dem ersten Laststromleiter LL1 angeordnete erste Spule S1‘ und die neben dem zweiten Laststromleiter LL2 angeordnete zweite Spule S2‘ aus der ersten strukturierten metallischen Folienschicht 17 ausgebildet sind.
In 4 ist eine zweite Ausbildung des Folienverbunds 16 dargestellt, bei dem die neben dem ersten Laststromleiter LL1 angeordnete erste Spule S1‘ und die neben dem zweiten Laststromleiter LL2 angeordnete zweite Spule S2‘ aus der zweiten strukturierten metallischen Folienschicht 19 ausgebildet sind.
In 5 ist eine dritte Ausbildung des Folienverbunds 16 dargestellt, bei dem die neben dem ersten Laststromleiter LL1 angeordnete erste Spule S1‘ und die neben dem zweiten Laststromleiter LL2 angeordnete zweite Spule S2‘ aus der ersten und der zweiten strukturierten metallischen Folienschicht 17 und 19 ausgebildet sind. Vorzugsweise ist dabei eine jeweilige erste Windung der ersten und zweiten Spule S1‘ und S2‘ aus der ersten strukturierten metallischen Folienschicht 17 ausgebildet und eine jeweilige zweite Windung der ersten und zweiten Spule S1‘ und S2‘ aus der zweiten strukturierten metallischen Folienschicht 19 ausgebildet. Die Windungen liegen dabei vorzugsweise in Form von Leiterschleifen vor. Der Folienverbund 16 weist durch die isolierende Folienschicht 18 verlaufende elektrisch leitende, in dem in 5 dargestellten Schnittverlauf nicht zu sehende, Durchkontaktierungen auf, die die jeweilige erste und zweite Windung miteinander verbinden.
Zur Störunterdrückung kann, wie in 6 dargestellt, eine dritte Spule S3/S3‘ unmittelbar neben der ersten Laststromleiterbahn LB1 oder dem ersten Laststromleiter LL1 angeordnet sein, wobei die erste Laststromleiterbahn LB1 oder der erste Laststromleiter LL1 zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist, wobei die erste und die dritte Spule derart miteinander elektrisch leitend verbunden sind, dass wenn ein elektrischer Strom durch die erste Laststromleiterbahn LB1 fließt und die erste Laststromleiterbahn LB1 zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist oder wenn ein elektrischer Strom durch den ersten Laststromleiter LL1 fließt und der erste Laststromleiter LL1 zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist, und durch Induktion eine erste Spannung U1 von der ersten Spule S1/S1‘ und eine zweite Spannung U2 von der dritten Spule S3/S3‘ erzeugt wird, die erste und die zweite Spannung U1 und U2 sich mit gleichem Vorzeichen addieren. Zur Addition der ersten und zweiten Spannung U1 und U2 sind im Ausführungsbeispiel die erste und dritte Spule mittels der Verbindungsleitung 50, die z.B. in Form einer Bondverbindung ausgebildet sein kann, elektrisch leitend miteinander verbunden. Das offene Ende ED der ersten und dritten Spule ist mit einer Steuereinrichtung 2 des Leistungshalbleitermodul 1 elektrisch leitend verbunden. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Störunterdrückung von Störungen, welche von nicht durch die erste Laststromleiterbahn LB1 bzw. den ersten Laststromleiter LL1 hervorgerufenen Magnetfeldern herrühren, erzielt, da in die erste und dritte Spule induzierte Spannungen, welche von Magnetfeldern herrühren, die nicht von dem zwischen der ersten und dritten Spule angeordneten Leitung (erste Laststromleiterbahn LB1 bzw. den ersten Laststromleiter LL1 herrühren, sich bei der Spannungsaddition gegenseitig aufheben. Die dritte Spule S3/S3‘ ist vorzugweise identisch wie die erste Spule S1/S1‘ ausgebildet, so dass insbesondere die bezüglich der ersten Spule S1/S1‘ in den 2 bis 5 beschriebenen Ausbildungen der ersten Spule S1/S1’ auch für die dritte Spule S3/S3‘ zutreffen.
Zur Störunterdrückung kann weiterhin vorzugsweise, wie in 6 dargestellt, eine vierte Spule S4/S4‘ unmittelbar neben der zweiten Laststromleiterbahn LB2 oder dem zweiten Laststromleiter LL2 angeordnet sein, wobei die zweite Laststromleiterbahn LB2 oder der zweite Laststromleiter LL2 zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist, wobei die zweite und die vierte Spule derart miteinander elektrisch leitend verbunden sind, dass wenn ein elektrischer Strom durch die zweite Laststromleiterbahn LB2 fließt und die zweite Laststromleiterbahn LB2 zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist oder wenn ein elektrischer Strom durch den zweiten Laststromleiter LL2 fließt und der zweite Laststromleiter LL2 zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist, und durch Induktion, eine dritte Spannung U3 von der zweiten Spule S2/S2‘ und eine vierte Spannung U4 von der vierten Spule S4/S4‘ erzeugt wird, die dritte und die vierte Spannung U3 und U4 sich mit gleichem
Vorzeichen addieren. Zur Addition der dritten und vierten Spannung U3 und U4 sind im Ausführungsbeispiel die zweite und vierte Spule mittels der Verbindungsleitung 51, die z.B. in Form einer Bondverbindung ausgebildet sein kann, elektrisch leitend miteinander verbunden. Das offene Ende ED der zweiten und vierten Spule ist mit der Steuereinrichtung 2 des Leistungshalbleitermodul 1 elektrisch leitend verbunden. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Störunterdrückung von Störungen, welche von nicht durch die zweite Laststromleiterbahn LB2 bzw. den zweiten Laststromleiter LL2 hervorgerufenen Magnetfeldern herrühren, erzielt, da in die zweite und vierte Spule induzierte Spannungen welche von Magnetfeldern herrühren, die nicht von der zwischen der zweiten und vierten Spule angeordneten Leitung (zweite Laststromleiterbahn LB2 bzw. den zweite Laststromleiter LL2) herrühren, sich bei der Spannungsaddition gegenseitig aufheben. Die vierte Spule S4/S4‘ ist vorzugweise identisch wie die zweite Spule S1/S1‘ ausgebildet, so dass insbesondere die bezüglich der zweiten Spule S2/S2‘ in 2 bis 5 beschriebenen Ausbildungen der zweiten Spule S2/S2’ auch für die vierte Spule S4/S4‘ zutreffen.
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist das Leistungshalbleitermodul 1 eine Steuereinrichtung 2 aus (siehe 1), die Ansteuersignale A1 und A2 zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 erzeugt. Die Ansteuersignale A1 und A2 werden jeweilig zugeordneten Treibern F1 und F2 als Eingangsgröße zugeführt. Der jeweilige Ausgang der Treiber F1 und F2 sind mit dem Steueranschluss G des jeweilig zugeordneten Leistungshalbleiterschalters verbunden, wobei, der Steueranschluss G, im Rahmen des Ausführungsbeispiels, in Form des Gates des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters vorliegt. In Abhängigkeit von dem logischen Signalpegel der Ansteuersignale A1 und A2 erzeugen die Treiber F1 und F2 eine Ausgangsspannung, die ein Ein-oder Ausschalten des jeweilig zugeordneten Leistungshalbleiterschalters bewirkt.
Die Steuereinrichtung 2 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels eine Auswerteschaltung auf, die die von den Spulen erzeugten Signale auswertet und in Abhängigkeit von den von den Spulen erzeugten Signalen Ausgangssignale erzeugt. Ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung ist in 7 dargestellt. In 8 ist ein schematisierter Stromverlauf des ersten Laststroms IL1 über der Zeit t dargestellt. Der Stromverlauf des zweiten Laststroms IL2 verläuft in analoger Form wie der Stromverlauf des ersten Laststroms IL1. Der Stromverlauf des zweiten Laststroms IL2 ist gegenüber dem Stromverlauf des ersten Laststroms IL1 zeitlich versetzt.
Die erste Spule S1/S1‘ oder falls die dritte Spule S3/S3‘ vorhanden ist, die zusammengeschaltete erste und dritte Spule erzeugen ein, die zeitliche Ableitung des durch den ersten Leistungshalbleiterschalter T1 fließenden ersten Laststrom IL1 angebendes, erstes Differentialstromsignal IL1‘. Die zweite Spule S2/S2‘ oder falls die vierte Spule S4/S4‘ vorhanden ist, die zusammengeschaltete zweite und vierte Spule erzeugen ein, die zeitliche Ableitung des durch den zweiten Leistungshalbleiterschalter T2 fließenden zweiten Laststrom IL2 angebendes, zweites Differentialstromsignal IL2.
Es gilt somit: IL1' ~ dIL1 / dt IL2' ~ dIL2 / dt
In der Steuereinrichtung 2 werden das erste und das zweite Differentialstromsignal IL1‘ und IL2‘ digitalisiert und einem jeweilig zugeordneten ersten und zweiten Integrierer 40 und 41 als Eingangsgröße zugeführt. Anschließend erfolgt eine Ermittlung des ersten Laststroms IL1 durch Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL2‘ über der Zeit t mittels des ersten Integrierers 40 und eine Ermittlung des zweiten Laststroms IL2 mittels eines zweiten Integrierers 41 durch Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ über der Zeit t.
Es gilt somit: IL1 ~ ∫IL1'dt IL2 ~ ∫IL2'dt
Vorzugsweise erfolgt das Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘, indem ein erstes Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘ unmittelbar vor dem Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 beginnt und nach einer ersten Zeitdauer VZ1 endet und das Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ erfolgt, indem ein erstes Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ unmittelbar vor dem Einschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 beginnt und nach einer zweiten Zeitdauer endet. Die erste und zweite Zeitdauer weisen dabei vorzugsweise einen derartigen Wert auf, dass das jeweilige erste Integrieren unmittelbar nach dem Einschalten des jeweiligen Leitungshalbleiterschalters endet. Wie in 8 dargestellt beginnt das erste Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘ unmittelbar vor dem Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 zum Zeitpunkt t1 und endet nach der ersten Zeitdauer VZ1 zum Zeitpunkt t2 unmittelbar nach dem Einschalten des ersten Leitungshalbleiterschalters T1. Das erste Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ wird entsprechend dem ersten Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘ durchgeführt. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Störunterdrückung von Störungen, welche von nicht durch die erste Laststromleiterbahn bzw. den ersten Laststromleiter hervorgerufene Magnetfelder herrühren, erzielt, da im Wesentlichen nur der Zeitraum in die Integration miteinfließt, in dem das erste und das zweite Differentialstromsignal IL1‘ und IL2‘ einen hohen positiven Wert aufweisen und somit deutlich über den Störungen liegen und Störeinflüsse, welche in den Zeiträumen auftreten in denen nicht integriert wird, keinen Einfluss auf die Ermittlung des ersten und zweiten Laststroms IL1 und IL2 haben. Der Fehler der hierdurch bei der Ermittlung des ersten und zweiten Laststroms IL1 und IL2 entsteht ist gering.
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird unmittelbar vor dem Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 der Integrationswert des ersten und unmittelbar vor dem Einschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 der Integrationswert des zweiten Integrierers, d.h. des Speicherinhalt des ersten und zweiten Integrierers zurückgesetzt, d.h. vorzugsweise auf einen jeweiligen Wert von Null gesetzt und somit der Speicherinhalt des ersten und zweiten Integrierers 40 und 41 gelöscht. Durch diese Maßnahme wird insbesondere die Auswirkung von Mess- bzw. Quantisierungsfehler, die bei einer Integration über einen längeren Zeitraum zu großen Fehlern bei der Ermittlung der Lastströme führen würden, stark reduziert.
Vorzugseise erfolgt das Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘, indem zusätzlich zu dem oben beschriebenen ersten Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘ ein zweites Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘ erfolgt, wobei das zweite Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘ unmittelbar vor dem Ausschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 beginnt und nach einer dritten Zeitdauer VZ3 endet, und das Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘, indem zusätzlich zum ersten Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ ein zweites Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ erfolgt, wobei das zweite Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ unmittelbar vor dem Ausschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 beginnt und nach einer vierten Zeitdauer endet.
Wie in 8 dargestellt beginnt das zweite Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘ unmittelbar vor dem Ausschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 zum Zeitpunkt t3 und endet nach der dritten Zeitdauer VZ3 zum Zeitpunkt t4 unmittelbar nach dem Ausschalten des ersten Leitungshalbleiterschalters T1. Das zweite Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ wird entsprechend dem zweiten Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘ durchgeführt. Die dritte und vierte Zeitdauer weisen dabei vorzugsweise einen derartigen Wert auf, dass das jeweilige zweite Integrieren unmittelbar nach dem Ausschalten des jeweiligen Leitungshalbleiterschalters endet. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Störunterdrückung von Störungen, welche von nicht durch die erste Laststromleiterbahn bzw. den ersten Laststromleiter hervorgerufene Magnetfelder herrühren, erzielt, da im Wesentlichen nur Zeiträume in die Integration miteinfließen, in denen das erste und zweite Differentialstromsignal IL1‘ und IL2‘ einen hohen positiven oder negativen Wert aufweisen und somit deutlich über den Störungen liegen und Störeinflüsse, welche in den Zeiträumen auftreten in denen nicht integriert wird, keinen Einfluss auf die Ermittlung des ersten und zweiten Laststroms IL1 und IL2 haben. Der Fehler der hierdurch bei der Ermittlung des ersten und zweiten Laststroms IL1 und IL2 entsteht ist gering.
Zur Durchführung der Integration werden dem ersten Integrierer 40 die erste Zeitdauer VZ1, die dritte Zeitdauer VZ3 und das Ansteuersignal A1 als Eingangsgröße zugeführt und dem zweiten Integrierer 41 die zweite Zeitdauer VZ2, die vierte Zeitdauer VZ4 und das Ansteuersignal A2 als Eingangsgröße zugeführt. Wenn das Ansteuersignal A1 bzw. A2 von einem Low-Pegel auf einen High-Pegel wechselt und somit unmittelbar nach dem Wechsel des Signalpegels, der betreffende Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet wird, wird das erste Integrieren des ersten bzw. zweiten Differentialstromsignals gestartet. Wenn das Ansteuersignal A1 bzw. A2 von einem High-Pegel auf einen Low-Pegel wechselt und somit unmittelbar nach dem Wechsel des Signalpegels, der betreffende Leistungshalbleiterschalter ausgeschaltet wird, wird das zweite Integrieren des ersten bzw. zweiten Differentialstromsignals gestartet.
Falls nach dem Integrieren des ersten Differentialstromsignals IL1‘, d.h. nach Durchführung des zweiten Integrierens des ersten Differentialstromsignals IL1‘, der ermittelte erste Laststrom IL1 und/oder falls nach dem Integrieren des zweiten Differentialstromsignals IL2‘, d.h. nach Durchführung des zweiten Integrierens des zweiten Differentialstromsignals IL2‘, der ermittelte zweite Laststrom IL2 einen jeweiligen ersten Grenzwert G1 überschreitet, wird ein jeweiliges Fehlersignal F1 von einer ersten Vergleichseinheit 46 bzw. einer zweiten Vergleichseinheit 47 erzeugt. Da der ermittelte erste und zweite Laststrom dem jeweiligen Integrationswert, d.h. dem Speicherinhalt des jeweiligen Integrierers entsprechen, muss nach dem zweiten Integrieren, wenn kein Fehler beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls vorliegt, der jeweilige Integrationswert einen Wert von annähernd Null aufweisen. Zur Durchführung dieser Überwachungsfunktionalität werden der ersten Vergleichseinheit 46 die dritte Zeitdauer VZ3, der erste Grenzwert G1 und das Ansteuersignal A1 als Eingangsgröße zugeführt und der zweiten Vergleichseinheit 47 die vierte Zeitdauer VZ4, der erste Grenzwert G1 und das Ansteuersignal A2 als Eingangsgröße zugeführt. Wenn das Ansteuersignal A1 bzw. A2 von einem Low-Pegel auf einen High-Pegel wechselt wird nach der Zeitdauer VZ3 bzw. VZ4 überprüft, ob der ermittelte erste bzw. zweite Laststrom, d.h. der jeweilige Integrationswert des ersten und zweiten Integrierers 40 und 41, den jeweilig zugeordneten ersten Grenzwert G1 überschreitet. Wenn der jeweilige erste Grenzwert G1 überschritten wird, wird ein jeweiliges Fehlersignal F1 von der ersten bzw. von der zweiten Vergleichseinheit 46 bzw. 47 erzeugt. Das jeweilige Fehlersignal F1 bewirkt vorzugsweise ein dauerhaftes Ausschalten des ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalters T1 und T2.
Weiterhin wird im Rahmen des Ausführungsbeispiels, falls der erste und/oder der zweite Laststrom IL1 und IL2 einen voreingestellten jeweiligen zweiten Grenzwert G2 überschreitet, ein jeweiliges Überstromsignal Ü1 von einer dritten Vergleichseinheit 45 bzw. von einer vierten Vergleichseinheit 48 erzeugt. Das jeweilige Überstromsignal Ü1 bewirkt vorzugsweise ein dauerhaftes Ausschalten des ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalters T1 und T2.
Bei der in 1 dargestellten Halbbrückenschaltung sind zu keinem Zeitpunkt der erste und der zweite Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 gleichzeitig eingeschaltet, d.h. der erste Laststrom IL1 fließt, wenn der erste Leistungshalbleiterschalter T1 eingeschaltet ist, als externer Laststrom ILE weiter zur externen Last 11 und der zweite Laststrom IL2 fließt, wenn der zweite Leistungshalbleiterschalter T2 eingeschaltet ist, als externer Laststrom ILE ebenfalls weiter zur externen Last 11. In Zeiträumen in denen weder der erste noch der zweite Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet sind fließt der externe Laststrom ILE durch die erste Diode D1 oder durch die zweite Diode D2.
Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der externe Laststrom ILE für die Zeiträume in denen entweder der erste oder der zweite Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist, ermittelt, indem mittels eines Substrahierers 44 die Differenz von erstem und zweitem Laststrom ermittelt wird. Die Differenz von erstem und zweitem Laststrom und das erste und zweite Ansteuersignal A1 und A2 werden im Rahmen des Ausführungsbeispiels einer Berechnungseinheit 49 zugeführt. Wenn der erste oder der zweite Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 eingeschaltet ist, wird die Differenz von erstem und zweitem Laststrom als externer Laststrom ILE am Ausgang Berechnungseinheit 49 ausgegeben. Wenn weder der erste noch der zweite Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist, wird der Wert der Differenz von erstem und zweitem Laststrom, welcher unmittelbar vor dem Ausschalten des zuletzt ausgeschalteten Leistungshalbleiters ermittelt wurde, als externer Laststrom ILE ermittelt und am Ausgang der Berechnungseinheit 49 ausgegeben. Die Ermittlung welcher Leistungshalbleiterschalter gerade ein- oder ausgeschaltet ist erfolgt dabei mittels der beiden Ansteuersignale A1 und A2. Der ermittelte externe Laststrom ILE kann z.B., wenn die Last 11 als Elektromotor ausgebildet ist, zur Regelung des Elektromotors dienen.
Infolge von parasitären Induktivitäten weist beim Ausschalten der ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 die über dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter anliegende Spannung Spannungsspitzen auf, die falls diese zu hoch werden, zu einer Beschädigung oder Zerstörung des betreffenden Leistungshalbleiterschalters führen können. Die Spannungsspitzen sind umso niedriger je langsamer das Ausschalten des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters erfolgt. Je langsamer der jeweilige Leistungshalbleiterschalter ausschaltetet wird, desto größer werden aber die energetischen Verluste die an dem betreffenden Leistungshalbleiterschalter anfallen, was sich negativ auf Wirkungsgrad des Leistungshalbleitermoduls auswirkt. Weiterhin führen die energetischen Verluste an dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter zu einer Erwärmung des Leistungshalbleiterschalters, was bei übermäßiger Erwärmung ebenfalls zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Leistungshalbleiterschalters führen kann.
Vorzugsweise erfolgt deshalb eine Ausschaltzeitoptimierung des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 anhand des ersten Differentialstromsignals IL1‘ mittels einer ersten Ausschaltoptimierungseinheit 42 und eine Ausschaltzeitoptimierung des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 anhand des zweiten Differentialstromsignals IL2‘ mittels einer zweiten Ausschaltoptimierungseinheit 43. Das erste Differentialstromsignal IL1‘ wird der ersten Ausschaltoptimierungseinheit 42 als Eingangsgröße und das zweite Differentialstromsignal IL2‘ wird der zweiten Ausschaltoptimierungseinheit 43 als Eingangsgröße zugeführt. Beim Ausführungsbeispiel wird die über dem ersten Leistungshalbleiterschalter T1 anliegende erste Leistungshalbleiterspannung UT1 (elektrische Potentialdifferenz zwischen ersten und zweiten Laststromanschluss des ersten Leistungshalbleiterschalter T1; siehe 1) und die über dem zweiten Leistungshalbleiterschalter T2 anliegende zweite Leistungshalbleiterspannung UT2 (elektrische Potentialdifferenz zwischen ersten und zweiten Laststromanschluss des zweiten Leistungshalbleiterschalter T2; siehe 1) mit Hilfe einer jeweiligen Spannungsermittlungseinrichtung (z.B. Spannungsgeber) ermittelt und die erste Leistungshalbleiterspannung UT1 der Ausschaltoptimierungseinheit 42 als Eingangsgröße und die zweite Leistungshalbleiterspannung UT2 der Ausschaltoptimierungseinheit 43 als Eingangsgröße zugeführt.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, z.B. mit Hilfe einer Spannungsermittlungseinrichtung (z.B. Spannungsgeber), die Gleichspannung Us zu ermitteln und mit Hilfe der Beziehungen UT1 ≈ Us – M1·IL1′ UT2 ≈ Us – M2·IL2′ die erste und die zweite Leistungshalbleiterspannung UT1 und UT2 näherungsweise für die Ausschaltzeitoptimierung zu ermitteln, wobei die Faktoren M1 und M2 vorzugsweise empirisch ermittelt werden.
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird von der jeweiligen Ausschaltoptimierungseinheit eine Optimierung der Ausschaltzeit des der jeweiligen Ausschaltoptimierungseinheit zugeordneten Leistungshalbleiterschalters unter der Nebenbedingung, dass die Leistungshalbleiterspannung des betreffenden Leistungshalbleiterschalters einen Grenzwert nicht überschreitet, derart durchgeführt, dass die Ausschaltzeit des betreffenden Leistungshalbleiterschalters möglichst klein ist und somit das Differentialstromsignal des betreffenden Leistungshalbleiterschalters beim Ein- und Ausschalten des betreffenden Leistungshalbleiterschalters einen möglichst hohen Wert aufweist. Die erste Ausschaltoptimierungseinheit 42 erzeugt ein erstes Optimierungssignal OS1, das dem Treiber F1 als Eingangsgröße zugeführt wird und die zweite Ausschaltoptimierungseinheit 43 erzeugt ein zweites Optimierungssignal OS2, das dem Treiber F2 als Eingangsgröße zugeführt wird, was in 1 der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Der Treiber F1 verändert im Rahmen des Ausführungsbeispiels die von ihm erzeugte Ausgangsspannung, die ein Ein-oder Ausschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 bewirkt, in Abhängigkeit des ersten Optimierungssignal OS1 um die Ausschaltzeit des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 anzupassen. Der Treiber F2 verändert im Rahmen des Ausführungsbeispiels die von ihm erzeugte Ausgangsspannung, die ein Ein-oder Ausschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 bewirkt, in Abhängigkeit des zweiten Optimierungssignal OS2 um die Ausschaltzeit des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10355925 A1 [0004]

Claims

Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, wobei das Substrat einen Isolierstoffkörper (14) und eine auf dem Isolierstoffkörper (14) angeordnete elektrisch leitende strukturierte Leitungsschicht (15) aufweist, wobei auf der strukturierten Leitungsschicht (15) ein erster und ein zweiter Leistungshalbleiterschalter (T1, T2) angeordnet sind und mit der strukturierten Leitungsschicht (15) verbunden sind, wobei ein zweiter Laststromanschluss (E) des ersten Leistungshalbleiterschalters (T1) mit einem ersten Laststromanschluss (C) des zweiten Leistungshalbleiterschalter (T2) elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine erste Laststromleiterbahn (LB1) mit einem ersten Laststromanschluss (C) des ersten Leistungshalbleiterschalters (T1) und ein erster Laststromleiter (LL1) mit einem zweiten Laststromanschluss (E) des ersten Leistungshalbleiterschalters (T1) elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine zweite Laststromleiterbahn (LB2) mit dem ersten Laststromanschluss (C) des zweiten Leistungshalbleiterschalters (T2) und ein zweiter Laststromleiter (LL2) mit dem zweiten Laststromanschluss (E) des zweiten Leistungshalbleiterschalters (T2) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die erste und die zweite Laststromleiterbahn (LB1, LB2) aus der strukturierten Leitungsschicht (15) gebildet sind, wobei eine erste Spule (S1, S1‘) unmittelbar neben der ersten Laststromleiterbahn (LB1) oder dem ersten Laststromleiter (LL1) angeordnet ist, wobei eine zweite Spule (S2, S2‘) unmittelbar neben der zweiten Laststromleiterbahn (LB2) oder dem zweiten Laststromleiter (LL2) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die neben der ersten Laststromleiterbahn (LB1) angeordnete erste und die neben der zweiten Laststromleiterbahn (LB2) angeordnete zweite Spule (S1, S2) jeweilig aus der strukturierten Leitungsschicht (15) gebildet sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (1) einen Folienverbund (16) aufweist, der mindestens zwei strukturierte metallische Folienschichten (17, 19) aufweist, wobei zwischen einer ersten und einer zweiten strukturierten metallischen Folienschicht (17, 19) des Folienverbunds (16) eine elektrisch isolierende Folienschicht (18) angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Leistungshalbleiterschalter (T1, T2) mit dem Folienverbund (16) verbunden sind, wobei der erste und der zweite Laststromleiter (LL1, LL2) jeweilig aus mindestens einer der strukturierten metallischen Folienschichten (17, 19) des Folienverbunds (16) gebildet sind, wobei die neben dem ersten Laststromleiter (LL1) angeordnete erste (S1‘) und die neben dem zweiten Laststromleiter angeordnete zweite Spule (S2‘) jeweilig aus mindestens einer der strukturierten metallischen Folienschichten (17, 19) des Folienverbunds (16) gebildet sind.
Leitungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Spule (S3, S3‘) unmittelbar neben der ersten Laststromleiterbahn (LB1) oder dem ersten Laststromleiter (LL1) angeordnet ist, wobei die erste Laststromleiterbahn (LB1) oder der erste Laststromleiter (LL1) zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist, wobei die erste und die dritte Spule derart miteinander elektrisch leitend verbunden sind, dass wenn ein elektrischer Strom durch die erste Laststromleiterbahn (LB1) fließt und die erste Laststromleiterbahn (LB1) zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist oder wenn ein elektrischer Strom durch den ersten Laststromleiter (LL1) fließt und der erste Laststromleiter (LL1) zwischen der ersten und dritten Spule angeordnet ist, und infolge durch Induktion jeweilig eine Spannung von der ersten und dritten Spule erzeugt wird, die beiden Spannungen (U1, U2) sich mit gleichem Vorzeichen addieren.
Leitungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Spule (S4, S4‘) unmittelbar neben der zweiten Laststromleiterbahn (LB2) oder dem zweiten Laststromleiter (LL2) angeordnet ist, wobei die zweite Laststromleiterbahn (LB2) oder der zweite Laststromleiter (LL2) zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist, wobei die zweite und die vierte Spule derart miteinander elektrisch leitend verbunden sind, dass wenn ein elektrischer Strom durch die zweite Laststromleiterbahn (LB2) fließt und die zweite Laststromleiterbahn (LB2) zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist oder wenn ein elektrischer Strom durch den zweiten Laststromleiter (LL2) fließt und der zweite Laststromleiter (LL2) zwischen der zweiten und vierten Spule angeordnet ist, und infolge durch Induktion jeweilig eine Spannung von der zweiten und der vierten Spule erzeugt wird, die beiden Spannungen (U3, U4) sich mit gleichem Vorzeichen addieren.
Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Leistungshalbleitermoduls (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Erzeugen eines, die zeitliche Ableitung des durch den ersten Leistungshalbleiterschalter (T1) fließenden ersten Laststrom (IL1) angebendes, erstes Differentialstromsignal (IL1‘) mittels der ersten Spule (S1, S1‘) oder falls die dritte Spule (S3, S3‘) vorhanden ist, mittels der ersten und der dritten Spule, und Erzeugen eines, die zeitliche Ableitung des durch den zweiten Leistungshalbleiterschalter (T2) fließenden zweiten Laststrom (IL2) angebendes, zweites Differentialstromsignals (IL2‘) mittels der zweiten Spule (S2, S2‘) oder falls die vierte Spule (S4, S4‘) vorhanden ist, mittels der zweiten und der vierten Spule.
Verfahren nach Anspruch 6, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt: b) Ermittlung des ersten Laststroms (IL1) durch Integrieren des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) mittels eines ersten Integrierers (40) und Ermittlung des zweiten Laststroms (IL2) mittels eines zweiten Integrierers (41) durch Integrieren des zweiten Differentialstromsignals (IL2‘).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrieren des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) erfolgt, indem ein erstes Integrieren des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) unmittelbar vor dem Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters (T1) beginnt und nach einer ersten Zeitdauer (VZ1) endet und das Integrieren des zweiten Differentialstromsignals (IL2‘) erfolgt, indem ein erstes Integrieren des zweiten Differentialstromsignals (IL2‘) unmittelbar vor dem Einschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters (T2) beginnt und nach einer zweiten Zeitdauer endet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor dem Einschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters (T1) der Integrationswert des ersten (40) und unmittelbar vor dem Einschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters (T2) der Integrationswert des zweiten Integrierers (41) zurückgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrieren des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) erfolgt, indem zusätzlich zum ersten Integrieren des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) ein zweites Integrieren des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) erfolgt, wobei das zweite Integrieren des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) unmittelbar vor dem Ausschalten des ersten Leistungshalbleiterschalters (T1) beginnt und nach einer dritten Zeitdauer (VZ3) endet, und dass das Integrieren des zweiten Differentialstromsignals (IL2‘) erfolgt, indem zusätzlich zum ersten Integrieren des zweiten Differentialstromsignals (IL2‘) ein zweites Integrieren des zweiten Differentialstromsignals erfolgt (IL2‘), wobei das zweite Integrieren des zweiten Differentialstromsignals (IL2‘) unmittelbar vor dem Ausschalten des zweiten Leistungshalbleiterschalters (T2) beginnt und nach einer vierten Zeitdauer endet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass falls nach dem Integrieren des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) der erste Laststrom (IL1) und/oder falls nach dem Integrieren des zweiten Differentialstromsignals (IL2‘) der zweite Laststrom (IL2) einen jeweiligen ersten Grenzwert (G1) überschreitet ein jeweiliges Fehlersignal (F1, F2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass falls der erste und/oder der zweite Laststrom (IL1, IL2) einen jeweiligen zweiten Grenzwert (G2) überschreitet, ein jeweiliges Überstromsignal (Ü1, Ü2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein externer Laststrom (ILE) mittels Ermittlung der Differenz von erstem und zweitem Laststrom (IL1, IL2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausschaltzeitoptimierung des ersten Leistungshalbleiterschalters (T1) anhand des ersten Differentialstromsignals (IL1‘) und eine Ausschaltzeitoptimierung des zweiten Leistungshalbleiterschalters (T2) anhand des zweiten Differentialstromsignals (IL2‘) erfolgen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Leistungshalbleitermodul eine Steuereinrichtung (2) aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 14 ausgebildet ist.