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Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Halbbrückenschaltung.
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Aus der
EP 2 615 467 B1 ist eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Halbbrückenschaltung bekannt, bei der eine Ermittlung der Temperaturen der IGBTs der Halbbrückenschaltung beim Ausschaltvorgang der IGBTS anhand einer Auswertung des Verlaufs der Gate-Emitter-Spannung des jeweiligen IGBTS erfolgt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Leistungshalbleiterschalter aufweisenden Halbbrückenschaltung zu schaffen, wobei die Temperatur mindestens eines der Leistungshalbleiterschalter zuverlässig ermittelt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Halbbrückenschaltung, die einen ersten und einen zweiten Leistungshalbleiterschalter aufweist, wobei die Halbbrückenschaltung, dazu ausgebildet ist, dass über ihr im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung eine Zwischenkreisspannung anliegt, wobei der jeweilige Leistungshalbleiterschalter einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss und einen Steueranschluss aufweist, mit Ansteuereinrichtungen, die jeweilig dazu ausgebildet sind am Steueranschluss des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters eine jeweilige Ansteuerspannung in Abhängigkeit eines jeweiligen Steuersignals zum Ein- und Ausschalten des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen und mit einer mit dem ersten Leistungshalbleiterschalter elektrisch leitend verbundenen Temperaturermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Leistungshalbleiterschaltertemperatur des ersten Leistungshalbleiterschalters, wobei die Temperaturermittlungseinrichtung aufweist:
- - eine Stromsignalermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist anhand eines durch den ersten Leistungshalbleiterschalter fließenden Laststroms ein zu dem Laststrom proportionales Laststrommesssignal und ein Laststromänderungssignal zu ermitteln, das eine zeitliche Änderung des Laststroms angibt,
- -eine Zwischenkreisspannungsermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist anhand der Zwischenkreisspannung ein zur Zwischenkreisspannung proportionales Zwischenkreisspannungsmesssignal zu ermitteln,
- -eine Temperaturermittlungseinheit, die dazu ausgebildet ist, anhand des Laststrommesssignals, des Laststromänderungssignals und des Zwischenkreisspannungsmesssignals die Leistungshalbleiterschaltertemperatur zu ermitteln.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Temperaturermittlungseinheit die Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt, indem sie bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters einen Laststrommesssignalbezugswert, der einem Laststrommesssignalwert des Laststrommesssignals zum Zeitpunkt des Beginns des Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters oder zu einem Zeitpunkt, insbesondere kurz, vor diesem entspricht, ermittelt, und indem sie bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters den während des Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters auftretenden maximalen Laststromänderungssignalwert des Laststromänderungssignals ermittelt, und indem sie anhand des Laststrommesssignalbezugswerts, des maximalen Laststromänderungssignalwerts und eines Zwischenkreisspannungsmesssignalwerts der Zwischenkreisspannungsmesssignals die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm ermittelt. Hierdurch kann die Leistungshalbleiterschaltertemperatur bei jedem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters zuverlässig ermittelt werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Temperaturermittlungseinheit die Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt, indem sie bei einem Einschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters einen Laststrommesssignalbezugswert, der einem Laststrommesssignalwert des Laststrommesssignals zum Zeitpunkt des Endes des Einschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters oder zu einem Zeitpunkt, insbesondere kurz, nach diesem entspricht, ermittelt, und indem sie bei einem Einschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters den während des Einschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters auftretenden maximalen Laststromänderungssignalwert des Laststromänderungssignals ermittelt, und indem sie anhand des Laststrommesssignalbezugswerts, des maximalen Laststromänderungssignalwerts und eines Zwischenkreisspannungsmesssignalwerts der Zwischenkreisspannungsmesssignals die Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt. Hierdurch kann die Leistungshalbleiterschaltertemperatur bei jedem Einschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters zuverlässig ermittelt werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Temperaturermittlungseinheit eine Funktionalität aufweist, in der zu hinterlegten Laststrommesssignalbezugsnennwerten, hinterlegten maximalen Laststromänderungssignalnennwerten und hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwerten zugehörige Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwerte hinterlegt sind, wobei die Temperaturermittlungseinheit mittels dieser Funktionalität anhand des Laststrommesssignalbezugswerts, des maximalen Laststromänderungssignalwerts und des Zwischenkreisspannungsmesssignalwerts die Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise die Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt werden.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Temperaturermittlungseinheit dem jeweiligen Laststrommesssignalbezugswert einen jeweilig hinterlegten Laststrommesssignalbezugsnennwert, dem jeweiligen maximalen Laststromänderungssignalwert einen jeweilig hinterlegten maximalen Laststromänderungssignalnennwert und dem jeweiligen Zwischenkreisspannungsmesssignalwert einen jeweilig hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwert zuordnet und den zu diesen hinterlegten Nennwerten zugeordneten hinterlegten Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwert als Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt. Hierdurch kann auf besonders einfache Art und Weise die Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt werden.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Temperaturermittlungseinheit das Verhältnis von Laststrommesssignalbezugswert zu maximalen Laststromänderungssignalwert oder von maximalen Laststromänderungssignalwert zu Laststrommesssignalbezugswert ermittelt, wobei die Temperaturermittlungseinheit eine Funktionalität aufweist, in der zu hinterlegten Nennverhältnissen und hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwerten zugehörige Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwerte hinterlegt sind, wobei die Temperaturermittlungseinheit mittels dieser Funktionalität anhand des Verhältnisses und des Zwischenkreisspannungsmesssignalwerts die Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt. Hierdurch kann die Leistungshalbleiterschaltertemperatur effektiv ermittelt werden.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Temperaturermittlungseinheit dem jeweiligen Verhältnis ein jeweilig hinterlegtes Nennverhältnis und dem jeweiligen Zwischenkreisspannungsmesssignalwert einen jeweilig hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwert zuordnet und den zu diesem hinterlegten Nennverhältnis und diesem hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwert zugeordneten hinterlegten Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwert als Leistungshalbleiterschaltertemperatur ermittelt. Hierdurch kann die Leistungshalbleiterschaltertemperatur besonders effektiv ermittelt werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Stromsignalermittlungseinrichtung eine zu den Lastromanschlüssen des ersten Leistungshalbleiterschalters elektrisch in Reihe geschaltete Strommesseinrichtung aufweist, die das Laststrommesssignal erzeugt und eine Lastromänderungsermittlungseinheit aufweist, die aus dem Laststrommesssignal die zeitliche Änderung des Laststroms ermittelt und als Laststromänderungssignal ausgibt. Hierdurch kann die zeitliche Änderung des Laststroms ein sehr genau ermittelt werden.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Leistungshalbleitereinrichtung eine mit einem der Lastromanschlüsse des ersten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbundene Leitung aufweist, wobei ein Abschnitt der Leitung eine parasitäre Induktivität aufweist, wobei die Stromsignalermittlungseinrichtung eine Spannungserfassungseinrichtung aufweist, die eine über der parasitären Induktivität abfallende elektrische Induktivitätsspannung erfasst und aus der Induktivitätsspannung das Laststromänderungssignal ermittelt und ausgibt, wobei die Stromsignalermittlungseinrichtung eine Laststromermittlungseinrichtung aufweist, die anhand des Laststromänderungssignals das Laststrommesssignal ermittelt und ausgibt. Hierdurch können die zeitliche Änderung des Laststroms und der Laststrom auf einfache Art und Weise ermittelt werden.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der erste Leistungshalbleiterschalter einen Sense-Emitteranschluss aufweist, der dazu ausgebildet ist, dass durch ihn ein Bruchteil des Laststroms fließt, wobei die Stromsignalermittlungseinrichtung einen mit dem Sense-Emitteranschluss elektrisch leitend verbunden elektrischen Widerstand aufweist, wobei die Stromsignalermittlungseinrichtung eine Spannungserfassungseinrichtung aufweist, die eine über dem Widerstand abfallende elektrische Widerstandsspannung erfasst und aus der Widerstandsspannung das Laststrommesssignal ermittelt und ausgibt, wobei die Stromsignalermittlungseinrichtung eine Lastromänderungsermittlungseinheit aufweist, die aus dem Laststrommesssignal die zeitliche Änderung des Laststroms ermittelt und als Laststromänderungssignal ausgibt. Hierdurch können die zeitliche Änderung des Laststroms und der Laststrom relativ genau ermittelt werden.
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Es sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter einem maximalen Laststromänderungssignalwert des Laststromänderungssignals, wenn das Laststromänderungssignal negativ ist (beim Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters), der höchste Wert des Laststromänderungssignals in negativer Richtung, wie z.B. in 2 dargestellt, verstanden wird und wenn das Laststromänderungssignal positiv ist (beim Einschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters), der höchste Wert des Laststromänderungssignals in positiver Richtung verstanden wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Halbbrückenschaltung, mit Ansteuereinrichtungen und mit einer Temperaturermittlungseinrichtung,
- 2 schematisierte zeitliche Verläufe von in der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung auftretenden Signalen,
- 3 eine weitere erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Halbbrückenschaltung, mit Ansteuereinrichtungen und mit einer Temperaturermittlungseinrichtung, und
- 4 eine weitere erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Halbbrückenschaltung, mit Ansteuereinrichtungen und mit einer Temperaturermittlungseinrichtung.
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In 1, 3 und 4 ist jeweilig eine erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung 1 mit einer Halbbrückenschaltung 12, mit Ansteuereinrichtungen 2 und 2' und mit einer Temperaturermittlungseinrichtung 6 dargestellt. In 2 sind die schematisierten zeitlichen Verläufe von in der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 auftretenden Signalen dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist eine Halbbrückenschaltung 12, hier eine 2-Levelhalbbrückenschaltung, auf. Die Halbbrückenschaltung 12 weist bei den Ausführungsbeispielen einen ersten und einen zweiten Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 auf. Der jeweilige Leistungshalbleiterschalter T1 bzw. T2 weist einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss (C,E) und einen Steueranschluss (G) auf. Der zweite Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 ist mit dem ersten Laststromanschluss C des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 elektrisch leitend verbunden. Die Halbbrückenschaltung 12 weist weiterhin einen Positivpotentialanschluss DC+, der mit dem ersten Laststromanschluss C des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch leitend verbunden ist, einen Negativpotentialanschluss DC-, der mit dem zweiten Laststromanschluss E des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 elektrisch leitend verbunden ist und einen Wechselpotentialanschluss AC, der mit dem zweiten Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch leitenden verbunden ist, auf. Es sei angemerkt, dass die Halbbrückenschaltung 12 der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 auch als Multilevelhalbbrückenschaltung, insbesondere als 3-Level-Halbbrückenschaltung ausgebildet sein kann. Die Halbbrückenschaltung 12 braucht somit nicht notwendiger Weise die dargestellte 2-Levelhalbbrückenschaltungstopologie aufweisen, sondern kann auch eine andere Halbbrückenschaltungstopologie aufweisen. Die Halbbrückenschaltung 12 kann noch mehr als die beiden dargestellten Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 aufweisen. Dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter T1 bzw. T2 ist vorzugsweise jeweilig eine Diode D1 bzw. D2 antiparallel geschaltet. Die Halbbrückenschaltung 12 ist dazu ausgebildet, dass über ihr im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1 eine Zwischenkreisspannung Udc anliegt. Mittels Halbbrückenschaltungen kann aus der Zwischenkreisspannung Udc eine 1-phasige oder mehrphasige Wechselspannung erzeugt werden oder aus einer 1-phasigen oder mehrphasigen Wechselspannung die Zwischenkreisspannung Udc erzeugt werden. Die Zwischenkreisspannung Udc ist als Gleichspannung ausgebildet. Bei den Ausführungsbeispielen liegt zwischen dem Positivpotentialanschluss DC+ und dem Negativpotentialanschluss DC- die Zwischenkreisspannung Udc an. Der jeweilige Leistungshalbleiterschalter T1 bzw. T2 liegt im Allgemeinen in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vor. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass bei den Ausführungsbeispielen der jeweilige Leistungshalbleiterschalter T1 bzw. T2 in Form eines IGBTs vorliegt und der erste Laststromanschluss C in Form des Kollektors des IGBTs und der zweite Laststromanschluss E in Form des Emitters des IGBTs und der Steueranschluss G in Form des Gates des IGBTs vorliegt.
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Die Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist weiterhin Ansteuereinrichtungen 2 und 2' auf, die jeweilig dazu ausgebildet sind am Steueranschluss G des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1 bzw. T2 eine jeweilige Ansteuerspannung Ua1 bzw. Ua2 in Abhängigkeit eines jeweiligen Steuersignals A1 bzw. A2 zum Ein- und Ausschalten des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1 bzw. T2 zu erzeugen. Das jeweilige Steuersignal A1 bzw. A2 wird bei den Ausführungsbeispielen von einer in 1, 3 und 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten übergeordneten Steuerung derart erzeugt, dass der erste und zweite Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1 zueinander alternierend ein- und ausschaltet werden. Im Rahmen der Ausführungsbeispiele nimmt die jeweilige Ansteuerspannung Ua1 bzw. Ua2 einen positiven Spannungswert zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T1 und einen negativen Spannungswert zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T1 an. Das jeweilige Steuersignal A1 bzw. A2 liegt in Form eines Einschaltbefehls (z.B. in Form einer am Eingang der jeweiligen Ansteuereinrichtung 2 bzw. 2' anstehenden logischen „1“) vor, der der jeweiligen Ansteuereinrichtung 2 bzw. 2' signalisiert, dass der jeweilige Leistungshalbleiterschalters T1 bzw. T2 eingeschaltet werden soll, oder in Form eines Ausschaltbefehls (z.B. in Form einer am Eingang der jeweiligen Ansteuereinrichtung 2 bzw. 2' anstehenden logischen „0“) vor, der der jeweiligen Ansteuereinrichtung 2 bzw. 2' signalisiert, dass der jeweilige Leistungshalbleiterschalter T1 bzw. T2 ausgeschaltet werden soll.
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Die Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist weiterhin eine mit dem ersten Leistungshalbleiterschalter T1 elektrisch leitend verbundene Temperaturermittlungseinrichtung 6 zur Ermittlung der Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 auf. Die Temperaturermittlungseinrichtung 6 weist eine Stromsignalermittlungseinrichtung 5a, 5b bzw. 5c auf, die dazu ausgebildet ist anhand eines durch den ersten Leistungshalbleiterschalter T1 fließenden Laststroms I ein zu dem Laststrom I proportionales Laststrommesssignal Im und ein Laststromänderungssignal Im' zu ermitteln, das eine zeitliche Änderung des Laststroms I angibt. Der Laststrom I fließt vom ersten zum zweiten Laststromanschluss C und E durch den Leistungshalbleiterschalter T1 hindurch, wobei bei vorhanden sein eines Sense-Emitteranschlusses SE, wie in 4 dargestellt, ein Bruchteil des Laststroms I durch den Sense-Emitteranschluss SE fließt.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich die jeweilige erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung 1, bzw. genauer ausgedrückt, dass sich die jeweilige Temperaturermittlungseinrichtung 6, bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 3 und 4 nur in der Ausbildung der jeweiligen Stromsignalermittlungseinrichtung 5a, 5b bzw. 5c unterscheiden, wobei im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 4 der erste Leistungshalbleiterschalter T1 gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 3 einen zusätzlichen Sense-Emitteranschluss SE aufweist, durch den ein Bruchteil des Laststroms I fließt.
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Die Temperaturermittlungseinrichtung 6 weist weiterhin eine Zwischenkreisspannungsermittlungseinrichtung 13 auf, die dazu ausgebildet ist anhand der Zwischenkreisspannung Udc ein zur Zwischenkreisspannung Udc proportionales Zwischenkreisspannungsmesssignal Udcm zu ermitteln. Die Zwischenkreisspannungsermittlungseinrichtung 13 gibt das Zwischenkreisspannungsmesssignal Udcm aus. Die Zwischenkreisspannungsermittlungseinrichtung 13 liegt in Form einer Gleichspannungsmesseinrichtung vor.
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Die Temperaturermittlungseinrichtung 6 weist weiterhin eine Temperaturermittlungseinheit 14 auf, die dazu ausgebildet ist, anhand des Laststrommesssignals Im, des Laststromänderungssignals Im' und des Zwischenkreisspannungsmesssignals Udcm die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm zu ermitteln. Hierdurch wird eine sehr zuverlässige Ermittlung der Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm, d.h. hier der Sperrschichttemperatur des ersten Leistungshalbleiterschalters T1, erzielt. Die Temperaturermittlungseinrichtung 6 gibt vorzugsweise die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm an die übergeordnete Steuerung aus, die vorzugsweise bei einer zu hohen Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm eine Abschaltung aller Leistungshalbleiterschalter der Halbbrückenschaltung bewirkt.
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In 2 sind die schematisierten zeitlichen Verläufe von in der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 auftretenden Signalen bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 schematisiert dargestellt. Die Ansteuereinrichtung 2 erniedrigt, bei Empfang eines Ausschaltbefehls, ab dem Zeitpunkt t0 die Ansteuerspannung Ua1 von einem positiven Spannungswert, bei dem der erste Leistungshalbleiterschalters T1 eingeschaltet ist, auf einem negativen Spannungswert, bei dem der erste Leistungshalbleiterschalters T1 ausgeschaltet ist, so dass der Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 ab dem Zeitpunkt t0 beginnt. Da die Gate-Emitter-Kapazität des bei den Ausführungsbeispielen als IGBT ausgebildeten ersten Leistungshalbleiterschalters T1 von der Ansteuereinrichtung 2 umgeladen werden muss, dauert es eine gewisse Zeitdauer bis nach dem Zeitpunkt t0 der Laststrom I sinkt. Mit Im1 ist der zeitliche Verlauf des Laststroms I bzw. des Laststrommesssignals Im und mit Im'1 ist der zeitliche Verlauf des Laststromänderungssignals Im' bezeichnet, die sich bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 bei einer Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm von 25°C, bei einem Zwischenkreisspannungsmesssignalwert des Zwischenkreisspannungsmesssignals Udcm, der proportional einer Zwischenkreisspannung Udc von 660V entspricht und bei einen Laststrommesssignalbezugswert, der dem Laststrommesssignalwert Im(t0) des Laststrommesssignals Im zum Zeitpunkt (t0) des Beginns des Ausschaltvorgangs, hier proportional einem Laststrom I von 400A, einspricht, bei den Ausführungsbeispielen ergeben. Mit Im'2 ist der zeitliche Verlauf des Laststromänderungssignals Im' bezeichnet, der sich bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 bei einer Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm von 150°C, bei einem Zwischenkreisspannungsmesssignalwert des Zwischenkreisspannungsmesssignals Udcm, der proportional einer Zwischenkreisspannung von 660V entspricht und bei einem Laststrommesssignalbezugswert, der dem Laststrommesssignalwert Im(t0) des Laststrommesssignals Im zum Zeitpunkt t0 des Beginns des Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters T1, hier proportional einem Laststrom I von 400A, einspricht, bei den Ausführungsbeispielen ergibt. Der sich bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 ergebende maximale Laststromänderungssignalwert Im'max des Laststromänderungssignals Im' ist anhängig von der Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm und sinkt mit zunehmender Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm. Bei einer Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm von 25°C beträgt der maximale Laststromänderungssignalwert Im'max1 und bei einer Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm von 150°C beträgt der maximale Laststromänderungssignalwert Im'max2. Der sich bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 ergebende maximale Laststromänderungssignalwert Im'max des Laststromänderungssignals Im' ist somit ein Maß für die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm des ersten Leistungshalbleiterschalters T1, anhand sich dessen die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 ermittelt werden kann. Der maximale Laststromänderungssignalwert Im'max hängt jedoch nicht nur von der Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 ab, sondern auch von der Höhe des Zwischenkreisspannungsmesssignals Udcm beim Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1, d.h. von der Höhe der Zwischenkreisspannung Udc, und von der Höhe des Laststrommesssignalbezugswerts, d.h. von der Höhe des Laststrommesssignalwerts Im(t0) des Laststrommesssignals zum Zeitpunkt t0 des Beginns des Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters T1. Mit zunehmenden Zwischenkreisspannungsmesssignal Udcm, d.h. mit zunehmender Zwischenkreisspannung Udc, erhöht sich der maximale Laststromänderungssignalwert Im'max. Mit zunehmenden Laststrommesssignalbezugswert, d.h. mit zunehmenden Laststrommesssignalwert Im(t0) des Laststrommesssignals zum Zeitpunkt t0 des Beginns des Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 erhöht sich der maximale Laststromänderungssignalwert Im'max.
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Die Temperaturermittlungseinheit 14 kann die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm ermitteln, indem sie bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 einen Laststrommesssignalbezugswert, der dem Laststrommesssignalwert Im(t0) des Laststrommesssignals Im zum Zeitpunkt t0 des Beginns des Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 oder zu einem Zeitpunkt, insbesondere kurz, vor diesem, entspricht, ermittelt, und indem sie bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 den während des Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 auftretenden maximalen Laststromänderungssignalwert Im'max des Laststromänderungssignals Im' ermittelt, und indem sie anhand des Laststrommesssignalbezugswerts, des maximalen Laststromänderungssignalwerts Im'max und eines vorzugsweise beim Ausschaltvorgang oder, insbesondere kurz, vor dem Ausschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 auftretenden Zwischenkreisspannungsmesssignalwerts der Zwischenkreisspannungsmesssignals Udcm, die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm ermittelt. Der Ausschaltvorgang ist beendet, wenn der Laststrom I einen Wert von annähernd Null erreicht hat.
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Alternativ oder zusätzlich kann, was in 2 nicht dargestellt ist, die Temperaturermittlungseinheit 14 die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm ermittelt, indem sie bei einem Einschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 einen Laststrommesssignalbezugswert, der dem Laststrommesssignalwert des Laststrommesssignals Im zum Zeitpunkt des Endes des Einschaltvorgangs oder zu einem Zeitpunkt, insbesondere kurz, nach diesem, entspricht, ermittelt, und indem sie bei einem Einschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 den während des Einschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 auftretenden maximalen Laststromänderungssignalwert Im'max des Laststromänderungssignals Im' ermittelt, und indem sie anhand des Laststrommesssignalbezugswerts, des maximalen Laststromänderungssignalwerts Im'max und eines vorzugsweise beim Einschaltvorgang oder, insbesondere kurz, vor dem Einschaltvorgang des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 auftretenden Zwischenkreisspannungsmesssignalwert der Zwischenkreisspannungsmesssignals Udcm die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm ermittelt.
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Die Ansteuereinrichtung 2 sendet hierzu bei den Ausführungsbeispielen ein Schaltsignal S an die Temperaturermittlungseinheit 14, dass den Beginn und das Ende eines Ein- oder Ausschaltvorgangs des ersten Leistungshalbleiterschalter T1 anzeigt.
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Die Temperaturermittlungseinheit 14 kann eine Funktionalität aufweisen, in der zu hinterlegten Laststrommesssignalbezugsnennwerten, hinterlegten maximalen Laststromänderungssignalnennwerten und hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwerten zugehörige Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwerte hinterlegt sind, wobei die Temperaturermittlungseinheit 14 mittels dieser Funktionalität anhand des Laststrommesssignalbezugswerts, des maximalen Laststromänderungssignalwerts Im'max und des Zwischenkreisspannungsmesssignalwerts die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm ermittelt. Die hinterlegten Laststrommesssignalbezugsnennwerte, hinterlegten maximalen Laststromänderungssignalnennwerte, hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwerte und die zugehörigen hinterlegten Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwerte werden hierzu im Vorfeld empirisch ermittelt und in der Temperaturermittlungseinrichtung 6, z.B. in Form einer Tabelle, abgespeichert. Jeder hinterlegten Kombination aus den hinterlegten Laststrommesssignalbezugsnennwerten, den hinterlegten maximalen Laststromänderungssignalnennwerten und den Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwerten ist jeweilig ein hinterlegter Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwert zugeordnet. Die Temperaturermittlungseinheit 14 kann dem jeweiligen Laststrommesssignalbezugswert einen jeweilig hinterlegten Laststrommesssignalbezugsnennwert, dem jeweiligen maximalen Laststromänderungssignalwert (Im'max) einen jeweilig hinterlegten maximalen Laststromänderungssignalnennwert und dem jeweiligen Zwischenkreisspannungsmesssignalwert einen jeweilig hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwert zuordnen und den zu diesen hinterlegten Nennwerten zugeordneten hinterlegten Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwert als Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm ermitteln.
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Alternativ kann die Temperaturermittlungseinheit 14 das Verhältnis von Laststrommesssignalbezugswert zu maximalen Laststromänderungssignalwert Im'max oder von maximalen Laststromänderungssignalwert Im'max zu Laststrommesssignalbezugswert ermittelt, wobei die Temperaturermittlungseinheit 14 eine Funktionalität aufweist, in der zu hinterlegten Nennverhältnissen und hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwerten zugehörige Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwerte hinterlegt sind, wobei die Temperaturermittlungseinheit 14 mittels dieser Funktionalität anhand des Verhältnisses und des Zwischenkreisspannungsmesssignalwerts die Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm ermittelt. Die Temperaturermittlungseinheit 14 ordnet vorzugsweise dem jeweiligen Verhältnis ein jeweilig hinterlegtes Nennverhältnis und dem jeweiligen Zwischenkreisspannungsmesssignalwert einen jeweilig hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwert zu und ermittelt den zu diesem hinterlegten Nennverhältnis und diesem hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwert zugeordneten hinterlegten Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwert als Leistungshalbleiterschaltertemperatur Tm. Die hinterlegten Nennverhältnisse, die hinterlegten Zwischenkreisspannungsmesssignalnennwerte und die zugehörigen hinterlegten Leistungshalbleiterschaltertemperaturnennwerte werden hierzu im Vorfeld empirisch ermittelt und in der Temperaturermittlungseinrichtung 6, z.B. in Form einer Tabelle, abgespeichert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Stromsignalermittlungseinrichtung 5a eine zu dem ersten und zweiten Laststromanschlüssen C und E des Leistungshalbleiterschalter T1 elektrisch in Reihe geschaltete Strommesseinrichtung 3 auf, die ein zum Laststrom I proportionales Laststrommesssignal Im erzeugt und eine Laststromänderungsermittlungseinheit 4 auf, die aus dem Laststrommesssignal Im die zeitliche Änderung des Laststroms I ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt. Die Strommesseinrichtung 3 kann z.B. als elektrischer Shuntwiderstand oder als Stromwandler, insbesondere als Gleichstromwandler, ausgebildet sein. Die Laststromänderungsermittlungseinheit 4 kann aus dem Laststrommesssignal Im, die zeitliche Änderung des Laststroms I ermitteln und als Laststromänderungssignal Im' ausgeben, indem sie z.B. die zeitliche Ableitung (dlm/dt) des Laststrommesssignals Im ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt oder indem sie fortlaufend die Differenz (Im(t+ta)-Im(t); ta: zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Messwerten) von aufeinanderfolgenden zeitlich konstant beabstandeten Messwerten des Laststrommesssignals Im ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt. Es sei angemerkt, dass, falls notwendig, die Laststromänderungsermittlungseinheit 4 auch Mittel zur Potentialtrennung des Laststromänderungssignals Im' vom Messstromsignal Im und/oder Mittel zur Pegelanpassung des Laststromänderungssignals Im' an einen Eingangspegel der Temperaturermittlungseinheit 14 aufweisen kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist die Leistungshalbleitereinrichtung 1 eine mit dem zweiten Laststromanschlüsse E des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch verbundene Leitung 9 auf, wobei ein Abschnitt der Leitung 9 eine parasitäre Induktivität Ls aufweist. Alternativ könnte die Leitung 9 auch mit dem ersten Laststromanschlüsse C des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch leitend verbunden sein. Die Stromsignalermittlungseinrichtung 5b weist eine Spannungserfassungseinrichtung 7 auf, die eine über der parasitären Induktivität Ls abfallende elektrische Induktivitätsspannung Us erfasst und aus der Induktivitätsspannung Us das Laststromänderungssignal Im' ermittelt und ausgibt. Die Induktivitätsspannung Us ergibt sich zu Us = Ls·dl/dt, so dass die Induktivitätsspannung Us der zeitlichen Ableitung des Laststroms I entspricht. Die Stromsignalermittlungseinrichtung 5b weist weiterhin eine Laststromermittlungseinrichtung 15 aufweist, die anhand des Laststromänderungssignals Im', z.B. durch Integration des Laststromänderungssignals Im' über der Zeit, das Laststrommesssignal Im ermittelt und ausgibt. Es sei angemerkt, dass, falls notwendig, die Spannungserfassungseinrichtung 7 auch Mittel zur Potentialtrennung des Laststromänderungssignals Im' von der Induktivitätsspannung Us und/oder Mittel zur Pegelanpassung des Laststromänderungssignals Im' an einen Eingangspegel der Temperaturermittlungseinheit 14 und/oder der Laststromermittlungseinrichtung 15 aufweisen kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 weist der erste Leistungshalbleiterschalter T1 einen Sense-Emitteranschluss SE auf, der dazu ausgebildet ist, dass durch ihn ein Bruchteil des Laststroms I fließt. Leistungshalbleiterschalter mit einem Sense-Emitteranschluss sind allgemein bekannter Stand der Technik. Die Stromsignalermittlungseinrichtung 5c weist einen mit dem Sense-Emitteranschluss SE elektrisch verbunden elektrischen Widerstand R auf. Der Bruchteil des Laststroms I, der durch den Sense-Emitteranschluss SE fließt, fließt auch durch den Widerstand R. Weiterhin weist die Stromsignalermittlungseinrichtung 5c eine Spannungserfassungseinrichtung 8 auf, die eine über dem Widerstand R abfallende elektrische Widerstandsspannung Ur erfasst und aus der Widerstandsspannung Ur das Laststrommesssignal Im ermittelt und ausgibt. Die Stromsignalermittlungseinrichtung 5c weist weiterhin eine Lastromänderungsermittlungseinheit 11 auf, die aus dem Laststrommesssignal Im die zeitliche Änderung des Laststroms I ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt.
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Die Lastromänderungsermittlungseinheit 11 kann aus dem Laststrommesssignal Im die zeitliche Änderung des Laststroms I ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgeben, indem sie z.B. die zeitliche Ableitung (dlm/dt) des Laststrommesssignals Im ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt oder indem sie fortlaufend die Differenz (Im(t+ta)-Im(t); ta: zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Messwerten) von aufeinanderfolgenden zeitlich konstant beabstandeten Messwerten des Laststrommesssignals Im ermittelt und als Laststromänderungssignal Im' ausgibt. Es sei angemerkt, dass, falls notwendig, die Spannungserfassungseinrichtung 8 auch Mittel zur Potentialtrennung des Laststrommesssignals Im von der Widerstandsspannung Ur und/oder Mittel zur Pegelanpassung des Laststrommesssignals Im an einen Eingangspegel der Temperaturermittlungseinheit 14 und/ oder der Lastromänderungsermittlungseinheit 11 aufweisen kann.
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Es sei angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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