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Die Erfindung betrifft eine zumindest einen Leistungshalbleiter umfassende Leistungselektronikschaltung, zum Beispiel eine Umrichterschaltung, sowie einen Umrichter und dessen Umrichterschaltung mit einer Leistungselektronikschaltung.
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Halbleiter, speziell Leistungshalbleiter, Leistungshalbleiterschalter und elektrische Schaltungen mit Leistungshalbleitern oder Leistungshalbleiterschaltern, zum Beispiel sogenannten IGBTs, sind an sich bekannt. Ein Anwendungsfall für Leistungshalbleiterschalter und elektrische Schaltungen mit Leistungshalbleiterschaltern sind sogenannte Umrichter, also Gleichrichter, Wechselrichter und Frequenzumrichter.
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Durch zu hohe Ströme oder zu hohe Frequenzen oder auch durch Defekte in den Halbleiterschichten sogar bei nicht zu hohen Strömen und nicht zu hohen Frequenzen können Leistungshalbleiter und Leistungshalbleiterschalter – im Folgenden zusammenfassend als Halbleiterbauelemente bezeichnet – zerstört werden. Im Falle einer solchen Zerstörung eines Halbleiterbauelements ist üblicherweise die gesamte Funktion einer Schaltung oder eines Geräts mit einer solchen Schaltung infrage gestellt.
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Bei einem derartigen Fehlerfall ist nicht vorhersehbar, welchen Zustand das jeweilige defekte Halbleiterbauelement einnimmt. Das Halbleiterbauelement kann aufgrund des Defekts leitend (durchlegiert) oder nicht leitend (offen) sein. Zur Erkennung eines jeweiligen Zustands eines defekten Halbleiterbauelements ist eine sehr schnelle Detektion und Ansteuerung erforderlich, um gegebenenfalls ein aufgrund eines Defekts dauerhaft leitendes Halbleiterbauelement mit Hilfe weiterer Schalter, also zum Beispiel entweder weiterer Halbleiterbauelemente in Form von Leistungshalbleiterschaltern oder mechanischer Schalter, zum Beispiel Schützen, vom jeweiligen System abzutrennen. Eine diesbezügliche Schutzeinrichtung vergrößert allerdings die Anzahl notwendiger Bauteile und erhöht den jeweils benötigten Bauraum, im Falle von Schützen sogar um ein Vielfaches. Wenn keine derartige Schutzeinrichtung oder vergleichbare Schutzmaßnahmen vorhanden sind, treten im Fehlerfall unkontrollierte Ausgleichsströme auf. So können im Falle eines defekten sowie aufgrund des Defekts leitenden Halbleiterbauelements weitere Halbleiterbauelemente und die jeweilige Schaltung insgesamt, also zum Beispiel ein Umrichter, zerstört werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung anzugeben, insbesondere eine im Bereich der Leistungselektronik verwendbare Schaltung, die geeignet ist, selbst bei einem im Betrieb auftretenden Defekt eines von der Schaltung umfassten Halbleiterbauelements die ursprüngliche Funktion aufrecht zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer redundanten Leistungselektronikschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Leistungselektronikschaltung umfasst in einer Parallelschaltung zumindest zwei gleiche oder zumindest gleichartige Leistungshalbleiter, wobei in Reihe zu jedem Leistungshalbleiter eine Sicherung geschaltet ist. Aufgrund der Parallelschaltung umfasst die Leistungselektronikschaltung die jeweiligen Leistungshalbleiter in redundanter Form, so dass die Leistungselektronikschaltung insgesamt als redundante Leistungselektronikschaltung bezeichnet werden kann.
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Die Bezeichnung der von der Leistungselektronikschaltung umfassten Leistungshalbleiter als gleich oder zumindest gleichartig bedeutet, dass es sich um jeweils gleiche Leistungshalbleitertypen handelt, also zum Beispiel jeweils um MOSFETs, IGBTs oder Leistungsdioden, sowie dass die parallel geschalteten Leistungshalbleiter hinsichtlich ihrer Stromtragfähigkeit gleich oder zumindest im Rahmen üblicher Toleranzen gleich sind.
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Den bei der redundanten Leistungselektronikschaltung parallel geschalteten Halbleiterbauelementen ist in jedem Parallelzweig jeweils eine eigene Sicherung zugeordnet, insbesondere ein Sicherung in Form einer Schmelzsicherung. Jede Sicherung ist so dimensioniert, dass bei einem aufgrund eines Kurzschlussfehlers eines Halbleiterbauelements resultierenden Kurzschlussstrom dieses automatisch von den anderen noch funktionierenden Halbleiterbauelementen getrennt wird und danach die Schaltung weiterbetrieben werden kann. Die parallel geschalteten Halbleiterbauelemente selbst sind bevorzugt so dimensioniert, dass bei einem Ausfall eines oder mehrerer Halbleiterbauelemente die verbleibenden, noch funktionierenden Halbleiterbauelemente in Kombination eine jeweils benötigte Stromtragfähigkeit besitzen, so dass der jeweilige Laststrom weiterhin über die verbleibenden Halbleiterbauelemente fließen kann und damit die Gesamtfunktionalität der jeweiligen Schaltung gewährleistet ist. Für den Fall, dass die Stromtragfähigkeit der verbleibenden Halbleiterbauelemente für den vorgesehenen Nennstrom nicht ausreicht, kann die jeweilige Schaltung immerhin noch mit reduzierter Leistung weiterbetrieben werden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels der Parallelschaltung und der in jedem Parallelzweig vorhandenen Sicherung ein defektes Halbleiterbauelement automatisch von der restlichen Schaltung getrennt werden kann und der Betrieb der Schaltung und deren ursprüngliche Funktionalität ansonsten weiter gewährleistet ist. Je nach Art und Anzahl der Halbleiterbauelemente ist die weitere Funktion gegebenenfalls ohne Einschränkungen gewährleistet. Zumindest ist die weitere Funktion mit reduzierter Leistung gewährleistet.
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Aus der
EP 0 989 611 A ist ein Ansatz bekannt, bei dem ein aufgrund des Defekts eines Halbleiterbauelements fließender Kurzschlussstrom verwendet wird, um angesichts des Defekts einen gewünschten Zustand zu erreichen. Dort wird das defekte Halbleiterbauelement durch Aufschmelzen einer speziellen Leitungsschicht in einen definierten Kurzschluss gebracht. Bei dem Ansatz gemäß der Erfindung soll dagegen ein Kurzschluss vermieden werden und mittels der Parallelschaltung und der in jedem Zweig vorhandenen Sicherung erfolgt bei einem defekten Halbleiterbauelement und einem daraufhin fließenden Kurzschlussstrom ein Auslösen der Sicherung des jeweils betroffenen Parallelzweigs, womit der aufgrund des Defekts bestehende Kurzschluss aufgehoben wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
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Schaltungen entsprechend dem hier vorgeschlagenen Ansatz kommen speziell für Anwendungen, bei denen eine hohe Ausfallsicherheit im Vordergrund steht oder sogar garantiert werden muss, in Betracht, zum Beispiel bei Antrieben von Elektro- oder Elektrohybridfahrzeugen, Schienenfahrzeugen sowie bei Antrieben zur Verwendung in der Prozess-, Produktions- und Energietechnik.
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Bei einer besonderen Ausführungsform einer redundanten Leistungselektronikschaltung handelt es sich entsprechend bei den parallel geschalteten Leistungshalbleitern um Leistungshalbleiterschalter in Form von IGBTs, MOSFETs oder dergleichen. Solche Leistungshalbleiterschalter sind als elektronische Schalter in Umrichtern an sich bekannt. Mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz lässt sich die Ausfallsicherheit einer Umrichterschaltung oder eines Antriebs mit einer solchen Umrichterschaltung signifikant erhöhen.
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Bei einer redundanten Leistungselektronikschaltung mit derartigen Leistungshalbleiterschaltern, zum Beispiel IGBTs, die jeweils einen Gateanschluss, einen Kollektoranschluss und einen Emitteranschluss aufweisen, sind im Rahmen der Parallelschaltung einerseits die Kollektoranschlüsse und die Emitteranschlüsse zu einem gemeinsamen Kollektor- bzw. Emitteranschluss und andererseits die Gateanschlüsse zu einem gemeinsamen Gateanschluss der redundanten Leistungselektronikschaltung zusammengeführt. Die Ansteuerung aller von der Leistungselektronikschaltung umfassten und parallel geschalteten Leistungshalbleiterschalter erfolgt demnach über den einen zentralen Gateanschluss der Leistungselektronikschaltung. Die Leistungselektronikschaltung selbst fungiert damit wie ein einzelner Leistungshalbleiterschalter und ist genau wie dieser innerhalb einer umgebenden Schaltung angeschlossen und ansteuerbar.
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Speziell bei einer Leistungselektronikschaltung mit parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern, zum Beispiel IGBTs oder MOSFETs, ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine Stromtragfähigkeit jedes einzelnen von der Parallelschaltung umfassten Leistungshalbleiterschalters so gewählt ist, dass bei einem Defekt eines Leistungshalbleiterschalters oder mehr als eines Leistungshalbleiterschalters der verbleibende Leistungshalbleiterschalter oder die verbleibenden Leistungshalbleiterschalter eine für einen erwarteten Laststrom ausreichende Stromtragfähigkeit aufweist bzw. aufweisen. Dann kann die Leistungselektronikschaltung auch im Falle eines Defekts eines oder mehrerer Leistungshalbleiterschalter ohne Einschränkungen weiterbetrieben werden, so dass zum Beispiel keine Reduzierung des Laststroms notwendig ist und zum Beispiel bei einem Antrieb mit einem Umrichter mit zumindest einer solchen Leistungselektronikschaltung kein verringertes Drehmoment resultiert.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Leistungselektronikschaltung fungiert in jedem Parallelzweig jeweils zumindest ein Bonddraht als Sicherung. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein ohnehin notwendiger Anschluss der parallel geschalteten Leistungshalbleiter mittels Bonddrähten einfach und gut automatisierbar herstellbar ist und dass solche Bonddrähte jetzt eine Mehrfachfunktion erhalten, nämlich einerseits als Anschluss- und Kontaktelemente und andererseits als Sicherungen fungieren. Eine separate Sicherung in jedem Parallelzweig ist damit nicht mehr erforderlich.
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Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der redundanten Leistungselektronikschaltung sind eine dieser zugeordnete oder davon umfasste Überwachungseinrichtung und Mittel zur Erfassung einer Klemmenspannung sowie eines Klemmenstroms der Leistungselektronikschaltung vorgesehen, wobei mittels der Überwachungseinrichtung Messwerte zur Klemmenspannung und zum Klemmenstrom mit vorgegebenen oder vorgebbaren Erwartungswerten vergleichbar sind und wobei in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal ausgebbar ist. Mittels einer solchen Überwachungseinrichtung ist automatisch ein im Betrieb auftretender Defekt eines oder mehrerer Leistungshalbleiter erkennbar und mittels eines durch die Überwachungseinrichtung ausgebbaren Ausgangssignals ist zum Beispiel ein Anzeigeelement, zum Beispiel eine Leuchtdiode, ansteuerbar. Ein solches Anzeigeelement macht einen Verwender der Leistungselektronikschaltung oder einer Schaltung oder eines Geräts mit einer Mehrzahl solcher Leistungselektronikschaltungen auf den Defekt aufmerksam und ermöglicht speziell im Falle mehrerer Leistungselektronikschaltungen eine leichte Lokalisierung der betroffenen Leistungselektronikschaltung.
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Eine Leistungselektronikschaltung der hier und im Folgenden beschriebenen Art kommt besonders auch zur Verwendung in einem Umrichter, insbesondere einem Umrichter in Form eines Gleichrichters, Wechselrichters und Frequenzumrichters, in Betracht. Insofern ist die Erfindung auch ein Umrichter mit zumindest einer redundanten Leistungselektronikschaltung der hier und im Folgenden beschriebenen Art.
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Bei einer besonderen Ausführungsform eines Umrichters mit zumindest einer Halbbrückenschaltung sind zwei in der oder jeder Halbbrückenschaltung in Serie geschaltete Leistungselektronikschaltungen der hier und im Folgenden beschriebenen Art vorgesehen. Bekanntlich ist bei einer Halbbrückenschaltung mit elektronisch ansteuerbaren Schaltern üblicherweise immer nur entweder der eine oder der andere elektronische Schalter angesteuert. Bei einer als elektronischer Schalter fungierenden Leistungselektronikschaltung der hier und im Folgenden beschriebenen Art ergibt sich im Falle eines Defekts in einer der Leistungselektronikschaltungen und einer Ansteuerung der anderen Leistungselektronikschaltung ein Kurzschlussstrom über die jeweilige Halbbrücke, so dass mit einer Auslösung der dem betroffenen Leistungshalbleiter zugeordneten Sicherung gerechnet werden kann. Auf diese Weise wird der von dem Defekt betroffene Leistungshalbleiter von der Gesamtschaltung, also der Umrichterschaltung, abgetrennt. Die Funktion der betroffenen Halbbrücke bleibt dabei erhalten. Damit bleibt auch die Funktion der Umrichterschaltung insgesamt erhalten und zum Beispiel ein Antrieb mit Umrichterschaltung bleibt ebenfalls in Betrieb.
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Die hier vorgeschlagene Leistungselektronikschaltung und einzelne oder kombinierte Ausführungsformen derselben sind nicht auf eine Verwendung im Bereich der Leistungselektronik beschränkt, so dass die Erfindung allgemein auch eine Schaltung mit den hier und im Folgenden beschriebenen Merkmalen ist und vorteilhaft eine erhöhte Ausfallsicherheit einer umgebenden Gesamtschaltung gewährleistet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung,
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2 eine weitere Ausführungsform der Schaltung gemäß 1,
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3 bis 5 weitere Ausführungsformen der Schaltung gemäß 1,
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6 eine Halbbrückenschaltung mit zwei Teilschaltungen gemäß 1 sowie
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7 eine Schaltung gemäß 1 mit einer dieser zugeordneten Überwachungseinrichtung.
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Die Darstellung in 1 zeigt eine zwei Halbleiterbauelemente 10, nämlich zwei sogenannte IGBTs (IGBT1, IGBT2), genauer zwei IGBTs mit jeweils einer antiparallelen Freilaufdiode, umfassende Leistungselektronikschaltung 12, die im Folgenden kurz nur als Schaltung 12 bezeichnet wird. Die beiden Halbleiterbauelemente 10 sind innerhalb der Schaltung 12 parallel geschaltet und in jedem Parallelzweig 14 ist mit dem jeweiligen Halbleiterbauelement 10 eine Sicherung 16 (F1, F2) in Reihe geschaltet.
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Jeder von der Schaltung 12 umfasste IGBT umfasst in an sich bekannter Art und Weise einen Gateanschluss, einen Kollektoranschluss und einen Emitteranschluss. Aufgrund der Parallelschaltung der hier als Beispiel für grundsätzlich beliebige Halbleiterbauelemente 10 verwendeten IGBTs weist die Schaltung 12 insgesamt selbst auch einen Gateanschluss 20, einen Kollektoranschluss 22 und einen Emitteranschluss 24 auf. Die Schaltung 12 mit zumindest zwei parallel geschalteten IGBTs kann also genau wie ein einzelner IGBT angeschlossen und angesteuert werden. Für eine jeweilige umgebende Schaltung, zum Beispiel eine Umrichterschaltung, ist es unerheblich, ob ein einzelner IGBT oder eine Schaltung 12 der in 1 gezeigten Art angesteuert wird.
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Die Darstellung in 2 entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 1 und zeigt, dass die Anzahl der Parallelzweige 14 und die Anzahl der parallelgeschalteten Halbleiterbauelemente 10 grundsätzlich beliebig ist. In jedem Fall umfasst jeder Parallelzweig 14 ein Halbleiterbauelement 10 und eine damit in Serie geschaltete Sicherung 16. Die Parallelzweige 14 der Schaltung 12 sind demnach funktional identisch und die Schaltung 12 realisiert insgesamt die Funktion eines der in allen Parallelzweigen platzierten Halbleiterbauelemente 10.
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Die Parallelschaltung der Halbleiterbauelemente 10 bewirkt eine Redundanz der Halbleiterbauelemente 10. Im Falle eines Defekts eines der Halbleiterbauelemente 10 derart, dass das Halbleiterbauelement 10 leitend wird und seine eigentliche Funktion verliert, fließt dauerhaft ein Strom, zum Beispiel ein Kurzschlussstrom, durch den jeweiligen Parallelzweig 14 mit dem defekten Halbleiterbauelement 10. Bei einer entsprechenden Stromstärke, also zumindest bei einem Kurzschlussstrom, führt dies zu einer Auslösung der Sicherung 16 in dem jeweiligen Parallelzweig 14. Damit ist der Parallelzweig 14 elektrisch aufgetrennt und in der Schaltung 12 funktionslos. Das defekte Halbleiterbauelement 10 wird also automatisch von der Schaltung 12 getrennt. Mit dem Ansprechen (Durchbrennen) der Sicherung 16 wird der kurzzeitig fließende Strom/Kurzschlussstrom unmittelbar unterbrochen. Danach teilt sich der durch die Schaltung 12 fließende Strom auf die verbleibenden Parallelzweige 14 auf. Aufgrund der funktionalen Identität aller Parallelzweige 14 bleibt auch nach dem Ausfall eines Halbleiterbauelements 10 oder ggf. mehrerer Halbleiterbauelemente 10 die Funktionalität der Schaltung 12 erhalten.
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Die resultierende Schaltung 12 kann – zum Beispiel bei IGBTs als Halbleiterbauelementen 10 – als redundanter IGBT oder als redundanter IGBT mit erhöhter Ausfallsicherheit bezeichnet werden. Die Funktion der Schaltung 12 insgesamt ist identisch mit der Funktion jedes von den zumindest zwei Parallelzweigen 14 umfassten einzelnen Halbleiterbauelements 10, so dass die Schaltung 12 insgesamt wie ein einzelner IGBT fungiert. Indem diese Funktion der Schaltung 12 auch bei einem Defekt eines der parallel geschalteten Halbleiterbauelemente 10 oder ggf. mehrerer derartiger Halbleiterbauelemente 10 erhalten bleibt, ist die erhöhte Ausfallsicherheit gewährleistet.
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Die Darstellungen in 3, 4 und 5 zeigen, dass es auf die Art des jeweiligen Halbleiterbauelements 10 nicht ankommt, solange sich in allen Parallelzweigen 14 gleiche Halbleiterbauelemente 10, speziell auch hinsichtlich ihrer jeweiligen Strombelastbarkeit gleiche oder zumindest im Rahmen üblicher Toleranzen gleiche Halbleiterbauelemente 10, befinden.
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In der Darstellung in 3 sind insofern – nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 und den dortigen IGBTs (IGBT1, IGBT2 bzw. IGBT1, IGBT2 .. IGBTn) – Dioden (HL1, HL2 .. HLn) als ein weiteres Beispiel für nach dem hier vorgeschlagenen Ansatz redundierbare Halbleiterbauelemente 10 gezeigt. Die Darstellung in 4 zeigt schließlich ein symbolisch in Form eines konventionellen Schalters dargestelltes schaltbares Halbleiterbauelement 10 (HL1, H2 .. HLn), um die Anwendbarkeit des hier vorgeschlagenen Ansatzes für grundsätzlich beliebige Halbleiterbauelemente 10 und ausdrücklich auch für eine redundante Ausführung von nicht zur Verwendung im Bereich der Leistungselektronik vorgesehenen Halbleiterbauelementen 10 nochmals zu unterstreichen. Des Weiteren kommt es – wie die Darstellung in 5 veranschaulicht – auch nicht darauf an, wie die Serienschaltung jeweils eines (schaltbaren oder nicht schaltbaren) Halbleiterbauelements 10 (HL1, H2 .. HLn) und jeweils einer Sicherung 16 (F1, F2 .. Fn) in den einzelnen Parallelzweigen 14 realisiert ist. In den Darstellungen in den 1 bis 4 war eine Platzierung der Sicherungen 16 an einem oberen Kontaktpunkt des jeweiligen Halbleiterbauelementes 10 gezeigt. Die Darstellung in 5 zeigt eine alternative und gleichwertige Ausführungsform mit am unteren Kontaktpunkt der Halbleiterbauelemente 10 platzierten Sicherungen 16.
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Die Darstellung in 6 zeigt eine Halbbrückenschaltung (Halbbrücke) 30, wie sie zum Beispiel in einer Ausgangsstufe eines Umrichters zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine verwendbar ist. Die gezeigte Halbbrücke 30 umfasst zwei Schaltungen 12 gemäß 1 mit jeweils zwei IGBTs (IGBT1, IGBT2; IGBT3, IGBT4). Grundsätzlich kommen für jede Schaltung 12 gemäß 2, 4 und 5 auch mehr als jeweils zwei IGBTs in Betracht. Jede der zwei Schaltungen 12 wird im Folgenden kurz als redundanter IGBT bezeichnet.
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Bei der in 6 gezeigten Situation wird davon ausgegangen (linke Seite der Darstellung), dass in dem oberen redundanten IGBT einer der beiden IGBTs, hier der IGBT mit der Bezeichnung IGBT2, ausfällt und dauerhaft leitend wird. Sobald daraufhin ausschließlich der untere redundante IGBT aufgrund einer Ansteuerung an dessen Gateeingang 20 eingeschaltet wird, fließt aufgrund der anliegenden Zwischenkreisspannung UDC ein hoher Kurzschlussstrom iKS durch den oberen redundanten IGBT und durch den unteren redundanten IGBT. Im oberen redundanten IGBT wird der gesamte Kurzschlussstrom iKS über das dortige defekte Halbleiterbauelement 10 (IGBT2) und die damit in Serie geschaltete Sicherung 16 (F2) fließen. Der Kurzschlussstrom iKS löst diese Sicherung 16 (F2) aus. Im unteren redundanten IGBT teilt sich der Kurzschlussstrom iKS auf die hier zwei Parallelzweige 14 auf und die dortigen Sicherungen 16 (F3, F4) lösen nicht aus. Nachdem die Sicherung 16 (F2) in genau dem Parallelzweig 14 mit dem defekten Halbleiterbauelement 10 (IGBT2) ausgelöst hat, ist das defekte Halbleiterbauelement 10 (IGBT2) von der restlichen Schaltung 12, 30 getrennt, wie dies auf der rechten Seite der Darstellung in 6 gezeigt ist. Der weitere Betrieb der Halbbrückenschaltung 30 ist damit trotz des ausgefallenen Halbleiterbauelements 10 noch möglich.
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Als Sicherung oder Sicherungen 16 kommt bzw. kommen bei allen hier beschriebenen Ausführungsformen geeignet dimensionierte, zur Kontaktierung des jeweiligen Halbleiterbauelements 10 bestimmte Bonddrähte (nicht separat gezeigt) oder sonstige Leiterbahnen in Betracht. Die Verwendung eines Bonddrahts oder einer sonstigen Leiterbahn wird im Folgenden – aber ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit – am Beispiel eines Bonddrahts beschrieben. Ein solcher Bonddraht fungiert bei einer entsprechenden Stromstärke wie der Schmelzleiter einer Schmelzsicherung. Entsprechend brennt dieser bei einem Strom oberhalb eines durch die Dimensionierung und die Materialeigenschaften des Bonddrahts bestimmten Schwellwerts durch und trennt damit den jeweiligen Parallelzweig 14 mit dem angeschlossenen (in Serie geschalteten) Halbleiterbauelement 10 auf und im Ergebnis das Halbleiterbauelement 10 aus der jeweiligen Gesamtschaltung. Damit ist dieselbe Funktion wie bei einer Schmelzsicherung erreicht.
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Die Darstellung in 7 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung 12 gemäß 1 mit einer integrierten Strom- und Spannungsmessung. Anstelle von zwei Parallelzweigen 14 kommen auch mehr als zwei Parallelzweige 14 und anstellte von IGBTs kommen auch andere Halbleiterbauelemente 10 in Betracht. Bei einem Ausfall eines der redundanten Halbleiterbauelemente 10 ändert sich das Klemmenverhalten der Schaltung 12, zum Beispiel in Form eines Zusammenbrechens der Spannung zwischen dem Kollektoranschluss 22 und dem Emitteranschluss 24 bis zum Auslösen der jeweiligen Sicherung 16. Wenn die Spannung zwischen dem Kollektoranschluss 22 und dem Emitteranschluss 24 (oder allgemein die Klemmenspannung) sowie der Strom am Kollektoranschluss 22 (oder allgemein der Klemmenstrom) bekannt sind und zum Beispiel mittels einer auch als Überwachungseinrichtung fungierenden Treiberschaltung 32 mit jeweils aufgenommenen Messwerten (in der Darstellung durch entsprechende Messeinrichtungen, nämlich einen Spannungsmesser und einen Strommesser, veranschaulicht) verglichen werden, kann automatisch bestimmt werden, ob eines der redundanten Halbleiterbauelemente 10 ausgefallen ist.
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Eine Kombination der Funktionalität zur Ansteuerung eines redundanten IGBTs sowie zur Überwachung der davon umfassten IGBTs und entsprechend die Verwendung einer Treiberschaltung 32 auch als Überwachungseinrichtung ist vorteilhaft, weil der Treiberschaltung 32 die oben genannten Messwerte üblicherweise ohnehin vorliegen, so dass nur ein minimaler Aufwand zu deren Überwachung der Messwerte in Relation zu jeweils erwarteten Werten (Erwartungswerte) erforderlich ist. Zudem liegen der Treiberschaltung 32 die Schaltzeitpunkte und damit die Zeiten, in denen die Spannung zwischen dem Kollektoranschluss 22 und dem Emitteranschluss 24 ohnehin aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung verschwindet oder im Wesentlichen verschwindet, vor, so dass die Überwachung ohne besonderen zusätzlichen Aufwand außerhalb der Aktivierungszeiten erfolgen kann. Die Treiberschaltung 32 oder eine sonstige Überwachungseinrichtung geben in Abhängigkeit vom Ergebnis des jeweiligen Vergleichs ein Ausgangssignal 34 aus, das einen eventuellen Defekt eines von der jeweils zugehörigen Schaltung 12 umfassten Halbleiterbauelements 10 anzeigt. Aufgrund eines solchen Ausgangssignals 34 kann ein Anzeigeelement, zum Beispiel eine Leuchtdiode (nicht gezeigt), angesteuert werden. Aufgrund der Überwachung kann zeitnah ein Austausch einer von einem Defekt eines Halbleiterbauelements 10 oder mehrerer Halbleiterbauelemente 10 betroffenen Schaltung 12 erfolgen. Bis dahin ist die weitere Funktionalität der Schaltung 12 aufgrund der davon umfassten redundanten Halbleiterbauelemente 10 jedenfalls gewährleistet.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Vorgeschlagen wird eine Schaltung 12, die in zumindest zwei Parallelzweigen 14 jeweils gleiche Halbleiterbauelemente 10 und jeweils eine damit in Serie geschaltete Sicherung 16 umfasst. Die resultierende Schaltung 12 realisiert die Funktionalität der parallel geschalteten Halbleiterbauelemente 10. Ein Defekt eines der Halbleiterbauelemente 10 kann bei einem dann fließenden Strom zum Auslösen der mit dem defekten Halbleiterbauelement 10 in Serie geschalteten Sicherung 16 führen. Mit dem Auslösen der Sicherung 16 wird das defekte Halbleiterbauelement 10 aus der Schaltung 12 getrennt und die Funktion der Schaltung 12 bleibt mit dem oder den verbleibenden Parallelzweig(en) 14 erhalten. Die Schaltung 12 kommt zur Verwendung in vielfältigster Form in Betracht. Neben der dargestellten speziellen Ausführungsform einer Verwendung in einer Halbbrücke 30 oder einem Umrichter mit mehreren solchen Halbbrücken 30 kommt zum Beispiel auch eine Verwendung in einem sogenannten Inverswandler (Buck-Boost Converter) oder in einem Hochsetzsteller (Boost-Converter) in Betracht, wo eine Schaltung 12 mit mehreren schaltbaren Halbleiterbauelementen 10 an die Stelle eines üblicherweise dort jeweils vorgesehenen einfachen elektronischen Schalters tritt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leistungshalbleiter / Halbleiterbauelement
- 12
- Leistungselektronikschaltung / Schaltung
- 14
- Parallelzweig
- 16
- Sicherung
- 18
- (frei)
- 20
- Gateanschluss
- 22
- Kollektoranschluss
- 24
- Emitteranschluss
- 26
- (frei)
- 28
- (frei)
- 30
- Halbbrückenschaltung / Halbbrücke
- 32
- Treiberschaltung
- 34
- Ausgangssignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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