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Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiterschaltung und ein Verfahren zum Betrieb einer Leistungshalbleiterschaltung.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leistungshalbleitereinrichtungen sind im Allgemeinen auf einem Substrat Leistungshalbleiterbauelemente, wie z.B. Leistungshalbleiterschalter und Dioden angeordnet und mittels einer Leiterschicht des Substrats, sowie 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) vor.
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Die auf dem Substrat angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente sind dabei häufig elektrisch zu einer einzelnen oder mehreren sogenannten Halbbrückenschaltungen verschalten, die z.B. zum Gleich- und Wechselrichten von elektrischen Spannungen und Strömen verwendet werden.
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Bei hohen Lastströmen ist es dabei oft erforderlich, wenn die Stromtragefähigkeit eines einzelnen Leistungshalbleiterschalters nicht ausreichend ist, mehrere Leistungshalbleiterschalter elektrisch parallel zu schalten und diese zeitsynchron anzusteuern, so dass diese zusammen einen Hochleistungshalbleiterschalter bilden. Dabei werden techniküblich alle parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter zeitsynchron ein- und ausschaltet um eine gleichmäßige Stromaufteilung auf die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter zu erzielen.
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Insbesondere im Fehlerfall fließen oftmals hohe elektrische Ströme durch die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter. Die parasitären Induktivitäten der elektrischen Zuleitungen zu den Leistungshalbleiterschalter führen beim Ausschalten der parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter, aufgrund der insbesondere im Fehlerfall häufig auftretenden hohen elektrische Ströme, zu hohen elektrischen Spannungen an den parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern, was zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Leistungshalbleiterschalter führen kann. Um die im Fehlerfall auftretende hohe elektrische Spannungsbelastung der Leistungshalbleiterschalter zu reduzieren, werden techniküblich die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter nur mit einer relativ niedriger Ausschaltgeschwindigkeit ausgeschaltet, so dass die Ausschaltgeschwindigkeit im Allgemeinen deutlich niedriger ist als die Einschaltgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterschalter. Die unterschiedliche Einschalt- bzw. Ausschaltgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterschalter wird dabei bei einer Ausbildung der Leistungshalbleiterschalter als IGBT, z.B. mittels unterschiedlicher Ein- und Ausschaltgatevorwiderstände realisiert. Die Verringerung der Ausschaltgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterschalter um Überspannungen an den Leistungshalbleitern zu vermeiden, führt zu einer Erhöhung der an den Leistungshalbleiterschaltern auftretenden Schaltverluste, was von Nachteil ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung bei einer Leistungshalbleiterschaltung mit elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern, die beim Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter auftretende elektrische Spannungsbelastung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleiterschaltung aufweisend,
- • elektrisch parallel geschaltete Leistungshalbleiterschalter, die jeweilig einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss und einen Steueranschluss aufweisen, wobei die ersten Laststromanschlüsse der Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die zweiten Laststromanschlüsse der Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und
- • eine Ansteuereinrichtung, die zur Ansteuerung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter von der Ansteuereinrichtung zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend ausgeschaltet werden.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Leistungshalbleiterschaltung, wobei die Leistungshalbleiterschaltung elektrisch parallel geschaltete Leistungshalbleiterschalter aufweist, die jeweilig einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss und einen Steueranschluss aufweisen, wobei die ersten Laststromanschlüsse der Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die zweiten Laststromanschlüsse der Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend ausgeschaltet werden.
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Durch die Erfindung kann die Ausschaltgeschwindigkeit der Leistungshalbleiterschalter erhöht werden, was zu einer Reduzierung der an den Leistungshalbleiterschaltern auftretenden Schaltverluste führt.
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Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen der Leistungshalbleiterschaltung und umgekehrt.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Leistungshalbleiterschaltung eine Überstromdetektionseinrichtung, die zur Detektion eines durch einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter fließenden Überstroms ausgebildet ist, aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter von der Ansteuereinrichtung bei Detektion eines Überstroms zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend ausgeschaltet werden. Hierdurch kann die bei einem Fehlerfall, beim Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter, auftretende hohe elektrische Spannungsbelastung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter deutlich reduziert werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter von der Ansteuereinrichtung bei Detektion eines Überstroms zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend ausgeschaltet werden und die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter von der Ansteuereinrichtung bei keiner Detektion eines Überstroms zeitlich synchron ausgeschaltet werden. Hierdurch kann die bei einem Fehlerfall, beim Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter, auftretende hohe elektrische Spannungsbelastung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter deutlich reduziert werden, während im Normalbetrieb der Leistungshalbleiterschaltung, die Leistungshalbleiterschaltung sich wie eine technikübliche Leistungshalbleiterschaltung verhält.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Überstromdetektionseinrichtung eine erste Überstromdetektionseinheit aufweist, wobei die erste Überstromdetektionseinheit zur Detektion des durch einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter fließenden Überstroms, die zwischen ersten und zweiten Laststromanschluss anliegende elektrische Leistungshalbleiterschalterspannung des betreffenden Leistungshalbleiterschalter überwacht und falls die Leistungshalbleiterschalterspannung im eingeschalteten Zustand des betreffenden Leistungshalbleiterschalters einen Grenzwert überschreitet, einen durch den einen Leistungshalbleiterschalter fließenden Überstrom detektiert. Hierdurch kann zuverlässig und schnell ein durch einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter fließender Überstrom detektiert werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass der betreffende Leistungshalbleiterschalter als erster der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter ausgeschaltet wird. Hierdurch wird ein schnelleres Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters, der einen Überstrom aufweist, gewährleistet.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Überstromdetektionseinrichtung eine zweite Überstromdetektionseinheit aufweist, wobei die zweite Überstromdetektionseinheit zur Detektion des durch den einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter fließenden Überstroms, einen durch eine Gesamtlaststromleitung, welche mit den ersten oder zweiten Laststromanschlüssen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend verbunden ist, fließenden Gesamtlaststrom ermittelt und wenn der Gesamtlaststrom einen Grenzwert überschreitet einen durch den einen Leistungshalbleiterschalter fließenden Überstrom detektiert. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise zuverlässig ein durch einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter fließender Überstrom detektiert werden.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung eine Ansteuereinheit und für die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter jeweilig eine dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter zugeordnete Treibereinheit aufweist, wobei die jeweilige Treibereinheit elektrisch leitend mit dem Steueranschluss des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters verbunden ist, wobei die Ansteuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass wenn von der ersten Überstromdetektionseinheit ein Überstrom detektiert wird, von der Treibereinheit des Leistungshalbleiterschalters bei dem der Überstrom detektiert wird, der betreffende Leistungshalbleiterschalter unmittelbar ausgeschaltet wird und von der Ansteuereinheit ein zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgendes Ausschalten der übrigen elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter veranlasst wird, oder im Falle des Vorhandenseins von nur zwei elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern von der Ansteuereinheit ein mit einem voreingestellten zeitlichen Versatz zum Ausschalten des elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalters bei dem ein Überstrom detektiert wurde, nachfolgendes Ausschalten des elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalters bei dem kein Überstrom detektiert wurde, veranlasst wird. Die Ansteuereinrichtung ist solchermaßen besonders einfach aufgebaut. Durch die zentralisierte Veranlassung des hintereinander Ausschaltens der übrigen elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander in der Ansteuereinheit, müssen besonders wenig Signale innerhalb der Ansteuereinrichtung zwischen den Elementen der Ansteuereinrichtung übertragen werden, so dass die Ansteuereinrichtung besonderes einfach ausgebildet ist. Die jeweilige Treibereinheit ist vorzugsweise von der Ansteuereinheit elektrisch potentialgetrennt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung eine Ansteuereinheit und für die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter jeweilig eine dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter zugeordnete Treibereinheit (2) aufweist, wobei die jeweilige Treibereinheit elektrisch leitend mit dem Steueranschluss des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters verbunden ist, wobei die Ansteuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass wenn von der ersten Überstromdetektionseinheit ein Überstrom detektiert wird, von der Ansteuereinheit ein zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgendes Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter veranlasst wird.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung eine Ansteuereinheit und für die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter eine dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter zugeordnete jeweilige Treibereinheit aufweist, wobei die jeweilige Treibereinheit elektrisch leitend mit dem Steueranschluss des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters verbunden ist, wobei die Ansteuereinheit derart ausgebildet ist, dass wenn von der zweiten Überstromdetektionseinheit ein Überstrom detektiert wird, von der Ansteuereinheit ein zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgendes Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter veranlasst wird. Durch die zentralisierte Veranlassung des hintereinander Ausschaltens der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander in der Ansteuereinheit, müssen besonders wenig Signale innerhalb der Ansteuereinrichtung zwischen den Elementen der Ansteuereinrichtung übertragen werden, so dass die Ansteuereinrichtung besonderes einfach ausgebildet ist. Die jeweilige Treibereinheit ist vorzugsweise von der Ansteuereinheit elektrisch potentialgetrennt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der jeweilige zeitliche Versatz zwischen hintereinander folgend ausschaltenden elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern gleich lang ist, da die Ansteuereinrichtung dann besonders einfach aufgebaut ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Leistungshalbleitereinrichtung und eine übergeordnete Steuereinrichtung
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In 1 ist eine Leistungshalbleitereinrichtung 1 dargestellt, die beispielhaft in Form einer sogenannten 1-phasigen Brückenschaltung ausgebildet ist. Die Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels sechs Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6 auf. Den Leistungshalbleiterschalten T1 bis T6 sind beim Ausführungsbeispiel jeweilig eine Freilaufdiode 3 elektrisch antiparallel geschaltet, wobei zu jedem Leistungshalbleiterschalter auch mehrere Freilaufdioden elektrisch antiparallel geschaltet sein können. Im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispiels erzeugt die Leistungshalbleitereinrichtung 1 aus einer zwischen den Gleichspannungsanschlüssen DC+ und DC– eingespeisten Gleichspannung am Wechselspannungsanschluss AC eine Wechselspannung.
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Die Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung 8 auf. Die Leistungshalbleiterschaltung 8 weist die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 auf, die jeweilig einen ersten Laststromanschluss C, einen zweiten Laststromanschluss E und einen Steueranschluss G aufweisen, wobei die ersten Laststromanschlüsse C der Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die zweiten Laststromanschlüsse E der Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung 8 weist weiterhin eine Ansteuereinrichtung 9, die zur Ansteuerung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 und T3 ausgebildet ist, auf. Die Ansteuereinrichtung 9 weist vorzugsweise eine Ansteuereinheit 4 und für die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 eine dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter zugeordnete jeweilige Treibereinheit 2 und eine jeweilige erste Überstromdetektionseinheit 5 auf, wobei die jeweilige Treibereinheit 2 elektrisch leitend mit dem Steueranschluss G des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1, T2 und T3 verbunden ist.
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Die Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist weiterhin eine weitere erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung auf. Die weitere Leistungshalbleiterschaltung weist die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T4, T5 und T6 auf, die jeweilig einen ersten Laststromanschluss C, einen zweiten Laststromanschluss E und einen Steueranschluss G aufweisen, wobei die ersten Laststromanschlüsse C der Leistungshalbleiterschalter T4, T5 und T6 elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die zweiten Laststromanschlüsse E der Leistungshalbleiterschalter T4, T5 und T6 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die weitere erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung weist weiterhin eine weitere Ansteuereinrichtung, die zur Ansteuerung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T4, T5 und T6 ausgebildet ist, auf. Die weitere Ansteuereinrichtung weist vorzugsweise eine weitere Ansteuereinheit und für die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T4, T5 und T6 eine dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter zugeordnete jeweilige Treibereinheit 7 und eine jeweilige erste Überstromdetektionseinheit 6 auf, wobei die jeweilige Treibereinheit 7 elektrisch leitend mit dem Steueranschluss G des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T4, T5 und T6 verbunden ist. Die jeweilige erste Überstromdetektionseinheit 6 ist dabei analog der jeweiligen ersten Überstromdetektionseinheit 5 ausgebildet. Die weitere Ansteuereinheit ist analog der Ansteuereinheit 4 ausgebildet, wobei der Übersichtlichkeit, die weitere Ansteuereinheit in 1 nicht dargestellt ist. Die weitere Leistungshalbleiterschaltung ist analog der Leistungshalbleiterschaltung 8 ausgebildet, so dass die Folgende auf die erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung 8 bezogene Beschreibung in analoger Weise auch für die erfindungsgemäße weitere Leistungshalbleiterschaltung und ihre Elemente gilt.
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Es sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung mindestens zwei elektrisch parallel geschaltete Leistungshalbleiterschalter aufweist und selbstverständlich noch mehr wie die drei im Ausführungsbeispiel elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 aufweisen kann. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels liegt der erste Laststromanschluss C in Form des Kollektors des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters und der zweite Laststromanschluss E in Form des Emitters des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters und der Steueranschluss G in Form des Gate des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters vor. Die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter liegen vorzugsweise in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), wobei im Rahmen des Ausführungsbeispiels die Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 in Form von IGBTs vorliegen.
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Die elektrischen Zuleitungen zu den Leistungshalbleiterschaltern T1, T2 und T3 weisen parasitäre Induktivitäten Ls auf. Insbesondere im Fehlerfall fließen oftmals hohe elektrische Ströme durch die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3. Die parasitären Induktivitäten Ls der elektrischen Zuleitungen zu den Leistungshalbleiterschalter führen beim Ausschalten der parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3, aufgrund er im Fehlerfall häufig auftretenden hohen elektrische Ströme, zu hohen elektrischen Spannungen an den parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern, was zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Leistungshalbleiterschalter führen kann. Anstatt wie beim Stand der Technik, die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiter T1, T2 und T3 zeitlich synchron auszuschalten, werden bei der vorliegenden Erfindung, die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend ausgeschaltet. Dies führt dazu, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur jeweils ein Teil des Gesamtlaststroms Iac, welcher durch die Leistungshalbleiterschaltung 8 fließt, ausgeschaltet wird. Beim Ausführungsbeispiel wird solchermaßen nur 1/3 des Gesamtlaststroms Iac zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeschaltet. Die elektrischen Spannungen, die beim Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 zu einem bestimmten Zeitpunkt von den in den horizontalen Stromzweigen angeordneten parasitären Induktivitäten Ls erzeugt werden, sind somit deutlich reduziert, da die Stromänderungsgeschwindigkeit in den betreffenden horizontalen Stromzweigen deutlich gegenüber einem synchronen Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 reduziert ist.
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Die Leistungshalbleiterschaltung 8 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels eine Überstromdetektionseinrichtung auf, die zur Detektion eines durch einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 oder T3 fließenden Überstroms ausgebildet ist. Die Überstromdetektionseinrichtung weist vorzugsweise eine erste Überstromdetektionseinheit 5 auf. Durch die Leistungshalbleiterschalter T1, T2 bzw. T3 fließt jeweilig ein Leistungshalbleiterlaststrom I1, welcher von der jeweiligen ersten Überstromdetektionseinheit 5 auf einen Überstrom überwacht wird. Die jeweilige erste Überstromdetektionseinheit 5 ist vorzugsweise mit dem ersten und zweiten Laststromanschluss C und E des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1, T2 bzw. T3 elektrisch leitend verbunden. Die jeweilige erste Überstromdetektionseinheit 5 überwacht zur Detektion eines durch einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 bzw. T3 fließenden Überstroms, die zwischen ersten und zweiten Laststromanschluss C und E anliegende elektrische Leistungshalbleiterschalterspannung U1 des ihr zugeordneten Leistungshalbleiterschalters T1, T2 bzw. T3. Falls die Leistungshalbleiterschalterspannung U1 im eingeschalteten Zustand des betreffenden Leistungshalbleiterschalters T1, T2 bzw. T3 einen Grenzwert überschreitet, wird ein durch den betreffenden Leistungshalbleiterschalter T1, T2 bzw. T3 fließender Überstrom von der jeweiligen ersten Überstromdetektionseinheit 5 detektiert. Da bei einem Leistungshalbleiterschalter ein hoher durch den Leistungshalbleiterschalter vom ersten zum zweiten Laststromanschluss des Leistungshalbleiterschalters fließender elektrischer Strom im eingeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterschalter zu einer hohen Leistungshalbleiterschalterspannung U1 des betreffenden Leistungshalbleiterschalters führt, kann somit eine sehr schnell arbeitende Überstromüberwachung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 realisiert werden. Wenn die erste Überstromdetektionseinheit 5 einen Überstrom detektiert, wird von ihr ein Überstromfehlersignal F erzeugt und an die der ersten Überstromdetektionseinheit 5 zugeordnete Treibereinheit 2 übermittelt. Es sei dabei angemerkt, dass auch z.B. nur die Leistungshalbleiterschalterspannung U1 bei einem einzelnen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter mittels einer ersten Überstromdetektionseinheit 5 überwacht werden kann. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass wenn ein Überstrom bei einem einzelnen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter ein Überstrom detektiert wird, der Überstrom auch bei den anderen elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter auftritt, so dass die Überwachung auf das Vorhandensein eines Überstroms bei einem einzelnen der Leistungshalbleiterschalter ausreicht.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Überstromdetektionseinrichtung eine zweite Überstromdetektionseinheiten 5' auf, die ebenfalls, wie die erste Überstromdetektionseinheiten 5, einen durch einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 oder T3 fließenden Überstrom detektiert, dies aber auf andere Weise wie die die erste Überstromdetektionseinheiten 5 durchführt. Die zweite Überstromdetektionseinheit 5' ermittelt zur Detektion des durch den einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 oder T3 fließenden Überstroms, einen durch eine Gesamtlaststromleitung 11, welche mit den zweiten Laststromanschlüssen C und E der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 elektrisch leitend verbunden ist, fließenden Gesamtlaststrom Iac der Leistungshalbleiterschaltung 8. Der Gesamtlaststrom Iac entspricht dabei der Summe der durch die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 fließenden jeweiligen Leistungshalbleiterlastströme I1 der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3, wenn die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 eingeschaltet sind. Beim Ausführungsbeispiel sind die Leistungshalbleiterschalter T4, T5 und T6 ausgeschaltet, wenn die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 eingeschaltet sind, um einen Brückenkurzschluss zu vermeiden. Wenn der Gesamtlaststrom Iac einen Grenzwert überschreitet, wird von der zweiten Überstromdetektionseinheit 5' ein durch einen der Leistungshalbleiterschalter T1, T2 bzw. T3 fließender Überstrom detektiert. Dabei wird davon ausgegangen, dass wenn beim Gesamtlaststrom Iac ein Überstrom auftritt, zumindest bei einem der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 ein Überstrom auftritt. Wenn die zweite Überstromdetektionseinheit 5' einen Überstrom detektiert, wird von ihr ein Überstromfehlersignal S erzeugt und an die Ansteuereinrichtung 9 und insbesondere an die Ansteuereinheit 4 übermittelt. Zur Ermittlung des Gesamtlaststrom Iac weist die Überstromdetektionseinrichtung vorzugsweise einen Strommesseinrichtung 10 auf, die den gemessenen Gesamtlaststrom Iac an die zweite Überstromdetektionseinheit 5' übermittelt. Die Strommesseinrichtung 10 führt vorzugsweise auch eine elektrische Potentialtrennung zwischen ihrem Messausgangssignal und dem zu messenden elektrischen Strom durch.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Gesamtlaststromleitung 11 mit den zweiten Laststromanschlüssen E der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 elektrisch leitend verbunden. Die Gesamtlaststromleitung kann aber z.B. auch in Form der Gesamtlaststromleitung 12 vorliegen, die mit dem ersten Laststromanschlüssen C der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 elektrisch leitend verbunden ist, wobei in diesem Fall der Gesamtlaststrom in Form des durch die Gesamtlaststromleitung 12 fließenden Gesamtlaststroms Idc der Leistungshalbleiterschaltung 8 vorliegt. Der Gesamtlaststrom Idc entspricht dabei der Summe der durch die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter fließenden jeweiligen Leistungshalbleiterlastströme I1 der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3, wenn die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 eingeschaltet sind. Wenn der Gesamtlaststrom Idc einen Grenzwert überschreitet wird von der zweiten Überstromdetektionseinheit 5' ein durch einen der Leistungshalbleiterschalter fließender Überstrom detektiert. Dabei wird davon ausgegangen, dass wenn beim Gesamtlaststrom Idc ein Überstrom auftritt, zumindest bei einem der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 ein Überstrom auftritt. Der Gesamtlaststrom Idc kann dabei mittels einer Strommesseinrichtung gemessen werden und der zweiten Überstromdetektionseinheit 5' als Eingangsgröße zugeführt werden, was der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt ist.
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Zur Steuerung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3, d.h. des Ein- und Ausschaltens der Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3, wird von einer übergeordneten Steuerung 13 eine Steuersignal AS erzeugt und an die Leistungshalbleitereinrichtung 1 und insbesondere an die Ansteuereinheit 4 der Ansteuereinrichtung 9 übermittelt. Die Ansteuereinheit 4 erzeugt im Rahmen des Ausführungsbeispiels, im Normalbetrieb, d.h. wenn kein Überstrom in einem der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 detektiert wird, in abhängig des Steuersignals AS für die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 ein jeweiliges Ansteuersignal A und übermittelt dies an eine dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter T1, T2 oder T3 zugeordnete jeweilige Treibereinheit 2. Die Treibereinheiten 2 sind dabei vorzugsweise von der Ansteuereinheit 4, z.B. mittels Optokoppler und/oder induktiven Übertragern, elektrisch potential getrennt, was in 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Weiterhin wird zur Steuerung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T4, T5 und T6, d.h. des Ein- und Ausschaltens der Leistungshalbleiterschalter T4, T5 und T6, von der übergeordneten Steuerung 13 ein weiteres Steuersignal erzeugt und an die weitere Ansteuereinheit der weiteren Ansteuereinrichtung übermittelt, was in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
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Die jeweilige Treibereinheit 2 ist elektrisch leitend mit dem Steueranschluss G und vorzugsweise mit dem zweiten Laststromanschluss E des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1, T2 und T3 verbunden. In Abhängigkeit des Ansteuersignals A wird, wenn die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 eingeschaltet werden sollen, von der jeweiligen Treibereinheit 2 eine gegenüber dem zweiten Lastanschluss E des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1, T2 bzw. T3 positive Ausgangsspannung Ua erzeugt und zum Steueranschluss G des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1, T2 bzw. T3 geführt und wenn die Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 ausgeschaltet werden sollen, wird von der jeweiligen Treibereinheit 2 eine gegenüber dem zweiten Lastanschluss E des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1, T2 bzw. T3 negative Ausgangsspannung Ua erzeugt und zum Steueranschluss G des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters geführt. Das Einschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 wird vorzugsweise zeitlich synchron ausgeführt. Im Normalbetrieb, d.h. bei keiner Detektion eines Überstroms in einem der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3, erfolgt vorzugsweise das Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 zeitlich synchron.
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Es sei dabei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung, z.B. aufgrund von Bauteiltoleranzen und/oder unterschiedlichen Leitungslängen und/oder unterschiedlicher Leitungsinduktivitäten, eventuell vorhandene geringfüge Zeitunterschiede der Ausschaltzeitpunkte der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter, welche auch beim zeitlich synchronen Ausschalten der Leistungshalbleiterschalter auftreten können, vernachlässigt werden und im Sinne der Erfindung nicht als jeweiliger zeitlicher Versatz des Ausschaltens der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter angesehen werden.
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Erfindungsgemäß werden von der Ansteuereinrichtung 9, die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 von der Ansteuereinrichtung 9 bei Detektion eines Überstroms bei einem der der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend ausgeschaltet. Der zeitliche Versatz zwischen zwei unmittelbar hintereinander folgend ausschaltenden Leistungshalbleiterschalter liegt vorzugsweise in einem Bereich von 300ns bis 1000ns und beträgt beim Ausführungsbeispiel z.B. 500ns. Die zeitlichen Versätze zwischen hintereinander folgend ausschaltenden elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern sind vorzugsweise gleich lang, können aber durchaus auch unterschiedlich sein.
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Falls die Leistungshalbleiterschalterspannung U1 im eingeschalteten Zustand des betreffenden Leistungshalbleiterschalters T1, T2 oder T3 einen Grenzwert überschreitet, wird ein durch den betreffenden Leistungshalbleiterschalter T1, T2 oder T3 fließender Überstrom von der jeweiligen ersten Überstromdetektionseinheit 5 detektiert. Wenn die betreffende erste Überstromdetektionseinheit 5 einen Überstrom detektiert wird von ihr ein Überstromfehlersignal F erzeugt und an die der ersten Überstromdetektionseinheit 5 zugeordnete Treibereinheit 2 übermittelt. Die betreffende Treibereinheit 2 schaltet vorzugsweise bei Empfang des Überstromfehlersignal F unmittelbar den ihr zugeordneten Leistungshalbleiterschalter aus und übermittelt das Überstromfehlersignal F an die Ansteuereinheit 4. Das Fehlersignal F wird somit von der Treibereinheit 2 des Leistungshalbleiterschalters T1, T2 bzw.T3 bei dem der Überstrom detektiert wird, an die Ansteuereinheit 4 übermittelt. Von der Ansteuereinheit 4 wird ein zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgendes Ausschalten der übrigen elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter veranlasst. Die Ansteuereinheit 4 erzeugt hierzu entsprechend dem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend für die übrigen elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter entsprechend zueinander zeitversetzte Ansteuersignale A, die mittels der betreffenden Treibereinheiten 2, ein Ausschalten der übrigen elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter bewirken. Der Leistungshalbleiterschalter, bei dem der Überstrom detektiert wurde, wird in Rahmen des Ausführungsbeispiels als erster der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter ausgeschaltet. Wenn z.B. ein Überstrom beim Leistungshalbleiterschalter T1 festgestellt wird, wird zuerst der Leistungshalbleiterschalter T1 ausgeschaltet. Anschließend wird beim Ausführungsbeispiel nach einem zeitlichen Versatz von z.B. 500ns. der Leistungshalbleiterschalter T2 ausgeschaltet und nach einem weiteren zeitlichen Versatz von z.B. 500ns der Leistungshalbleiterschalter T3 ausgeschaltet. Wenn z.B. ein Überstrom beim Leistungshalbleiterschalter T2 festgestellt wird, wird zuerst der Leistungshalbleiterschalter T2 ausgeschaltet. Anschließend wir nach einem zeitlichen Versatz von z.B. 500ns. der Leistungshalbleiterschalter T1 ausgeschaltet und nach einem weiteren zeitlichen Versatz von z.B. 500ns der Leistungshalbleiterschalter T3 ausgeschaltet. Die jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versätze sind dabei im Allgemeinen in der Ansteuereinrichtung 9 und beim Ausführungsbeispiel in der Ansteuereinheit 4 hinterlegt und können in Ihrer zeitlichen Dauer auch unterschiedlich sein.
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Alternativ hierzu wäre es auch möglich, dass das Überstromfehlersignal F von der betreffenden ersten Überstromdetektionseinheit 5 vorzugsweise direkt an die Ansteuereinheit 4 übermittelt wird und diese entsprechend zueinander zeitversetzte Ansteuersignale A für alle elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter erzeugt, die mittels der betreffenden Treibereinheiten 2, ein zueinander zeitversetztes Ausschalten aller elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter bewirken. In diesem Fall ist der elektrisch parallel geschaltete Leistungshalbleiterschalter bei dem der Überstrom detektiert wird, nicht unbedingt der erste Leistungshalbleiterschalter der ausgeschaltet wird. Das zeitversetzte Ausschalten der Leistungshalbleiterschalter kann in diesem Fall z.B. nach einem vorgegebenen Ablauf erfolgen, so dass z.B. immer der Leistungshalbleiterschalter T1 zuerst ausgeschaltet wird, dann zeitversetzt der Leistungshalbleiterschalter T2 ausgeschaltet wird und anschließend zeitversetzt der Leistungshalbleiterschalter T3 ausgeschaltet wird.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist, wie schon beschrieben, die Überstromdetektionseinrichtung weiterhin eine zweite Überstromdetektionseinheit 5' auf, wobei die zweite Überstromdetektionseinheit 5' zur Detektion des durch den einen der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter fließenden Überstroms, den durch die Gesamtlaststromleitung 11, welche mit den zweiten Laststromanschlüssen E der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 elektrisch leitend verbunden ist, fließenden Gesamtlaststrom Iac ermittelt und wenn der Gesamtlaststrom Iac einen Grenzwert überschreitet, ein durch einen der Leistungshalbleiterschalter T1, T2 oder T3 fließender Überstrom detektiert. Es wird dabei davon ausgegangen, dass wenn der Gesamtlaststrom Iac einen Überstrom aufweist, zumindest bei einem der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 oder T3 ein Überstrom auftritt.
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Wenn von der zweiten Überstromdetektionseinheit 5' ein Überstrom detektiert wird, wird von der zweiten Überstromdetektionseinheit 5' ein Überstromfehlersignal S erzeugt und an Ansteuereinheit 4 übermittelt. Die Ansteuereinheit 4 veranlasst bei Empfang des Überstromfehlersignal S ein zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgendes Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3. Die Ansteuereinheit 4 erzeugt hierzu entsprechend einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend für die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 entsprechend zueinander zeitversetzte Ansteuersignale A, die mittels der betreffenden Treibereinheiten 2, ein Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter bewirken. Das zeitversetzte Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter T1, T2 und T3 erfolgt dabei vorzugsweise nach einem vorgegebenen Ablauf, so dass z.B. immer der Leistungshalbleiterschalter T1 zuerst ausgeschaltet wird, dann zeitversetzt (z.B. nach 500ns) der Leistungshalbleiterschalter T2 ausgeschaltet wird und anschließend zeitversetzt (z.B. nach weiteren 500ns) der Leistungshalbleiterschalter T3 ausgeschaltet wird.
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Es sei angemerkt, dass die Ansteuereinheit weiterhin auch derart ausgebildet sein kann, dass diese auch im Normalbetrieb der Leistungshalbleiterschaltung 8, d.h. wenn kein Überstrom in einem der der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter detektiert wird, die elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter zeitlich mit einem jeweiligen voreingestellten zeitlichen Versatz zueinander, hintereinander folgend ausgeschaltet. Hierdurch kann auch eine im Normalbetrieb der Leistungshalbleiterschaltung beim Ausschalten der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter auftretende elektrische Spannungsbelastung der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter reduziert werden.
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Es sei weiterhin angemerkt, dass jeder der elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleiterunterschaltern bestehen kann, wobei die Leistungshalbleiterunterschalter vorzugsweise in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vorliegen. Die Steueranschlüsse der Leistungshalbleiterunterschalter, welche einen Leistungshalbleiterschalter bilden, sind dabei elektrisch miteinander verbunden und bilden zusammen den Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters. Die ersten Laststromanschlüsse der Leistungshalbleiterunterschalter, welche einen Leistungshalbleiterschalter bilden, sind dabei elektrisch miteinander verbunden und bilden zusammen den ersten Laststromanschluss C des Leistungshalbleiterschalters. Weiterhin sind die zweiten Laststromanschlüsse der Leistungshalbleiterunterschalter, welche einen Leistungshalbleiterschalter bilden, dabei elektrisch miteinander verbunden und bilden zusammen den zweiten Laststromanschluss E des Leistungshalbleiterschalters.
