DE102020006870A1 - Monitoring device for a semiconductor electric power device - Google Patents

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Stefan Fandel
Martin Schäffler
Michael Arnegger
Matthias Selig
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung (100) für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung (50) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, wobei die Halbleiterleistungsvorrichtung (50) wenigstens umfasst ein Leistungshalbleiterelement (10), und einen elektrischen Schutzpfad (12) zum Schutz des Leistungshalbleiterelements (10) vor Überspannungseffekten, wobei der Schutzpfad (12) eine in Serie mit einem elektrischen Widerstand (16) verschaltete Diode (14) aufweist. Dabei ist eine Überwachungseinheit (20) zur Überwachung eines zeitlichen Spannungsverlaufs an dem Widerstand (16) vorgesehen, wobei die Überwachungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, bei einer Abweichung des Spannungsverlaufs an dem Widerstand (16) von einem charakteristischen Spannungsverlauf einen sicheren Zustand (S2) der Halbleiterleistungsvorrichtung (50) zu bewirken.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Überwachungsvorrichtung (100).The invention relates to a monitoring device (100) for an electrical semiconductor power device (50) of an electrically operable vehicle, the semiconductor power device (50) comprising at least one power semiconductor element (10) and an electrical protection path (12) for protecting the power semiconductor element (10) from overvoltage effects , wherein the protective path (12) has a diode (14) connected in series with an electrical resistor (16). A monitoring unit (20) is provided for monitoring a voltage curve over time at the resistor (16), the monitoring unit (20) being designed to set a safe state (S2 ) of the semiconductor power device (50). The invention further relates to a method for operating such a monitoring device (100).

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Überwachungsvorrichtung für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs.The invention relates to a monitoring device for an electrical semiconductor power device of an electrically operable vehicle and a method for operating a monitoring device for an electrical semiconductor power device of an electrically operable vehicle.

In einem Motorinverter eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs werden sehr hohe elektrische Leistungen umgesetzt. dabei wird im Inverter die Gleichstrom-(DC)-Leistung in eine Wechselstrom-(AC)-Leistung gewandelt.Very high electrical power is converted in a motor inverter of an electrically operated vehicle. the direct current (DC) power is converted into alternating current (AC) power in the inverter.

Bei Invertern werden häufig Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) als Leistungshalbleiterelemente eingesetzt. IGBTs werden zum Steuern von elektrischen Strömen mit hoher Leistung verwendet. Typische Anwendungen für IGBTs können Induktionserwärmung, Motorantriebe und Elektrofahrzeuge sein. Ein IGBT ist gegenüber Überspannungsbedingungen empfindlich. Daher sollte ein Treiber für IGBTs eine Robustheit des resultierenden Systems bezüglich Überspannung gewährleisten.Inverters often use insulated gate bipolar transistors (IGBTs) as power semiconductor elements. IGBTs are used to control high power electric currents. Typical applications for IGBTs can be induction heating, motor drives and electric vehicles. An IGBT is sensitive to overvoltage conditions. Therefore, a driver for IGBTs should ensure robustness of the resulting system with regard to overvoltage.

Die DE 102017002573 A1 offenbart eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern einer Halbleiterleistungsvorrichtung, z.B. eines IGBTs, die einen ersten Anschluss, der für eine Verbindung zu einem ersten Anschluss der Leistungsvorrichtung ausgelegt ist, einen Gate-Anschluss, der zum Bereitstellen eines Ansteuersignals für einen Gate-Anschluss der Leistungsvorrichtung ausgelegt ist, und einen Sensor zum Detektieren von Überspannungsbedingungen am ersten Anschluss der Leistungsvorrichtung umfasst, wobei die Ansteuerschaltung zum Modifizieren des Ansteuersignals ausgelegt ist, wenn der Sensor eine Indikation einer Überspannungsbedingung detektiert, und wobei die Ansteuerschaltung einschließlich des Sensors auf einem einzelnen Substrat integriert ist.. the DE 102017002573 A1 discloses a drive device for driving a semiconductor power device, for example an IGBT, comprising a first terminal designed for connection to a first terminal of the power device, a gate terminal designed for providing a drive signal for a gate terminal of the power device, and a sensor for detecting overvoltage conditions at the first terminal of the power device, wherein the drive circuitry is configured to modify the drive signal when the sensor detects an indication of an overvoltage condition, and wherein the drive circuitry including the sensor is integrated on a single substrate.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungsvorrichtung für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung anzugeben, um mögliche Schäden an Leistungshalbleiterelementen zu vermeiden.An object of the invention is to provide a monitoring device for a semiconductor electric power device in order to prevent possible damage to power semiconductor elements.

Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Überwachungsvorrichtung für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung anzugeben.A further object is to specify a method for operating such a monitoring device for a semiconductor electric power device.

Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.The aforementioned objects are solved with the features of the independent claims.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.Favorable configurations and advantages of the invention result from the further claims, the description and the drawing.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Überwachungsvorrichtung für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Halbleiterleistungsvorrichtung wenigstens umfasst ein Leistungshalbleiterelement, und einen elektrischen Schutzpfad zum Schutz des Leistungshalbleiterelements vor Überspannungseffekten, wobei der Schutzpfad eine in Serie mit einem elektrischen Widerstand verschaltete Diode aufweist. Dabei ist eine Überwachungseinheit zur Überwachung eines zeitlichen Spannungsverlaufs an dem Widerstand vorgesehen, wobei die Überwachungseinheit dazu ausgebildet ist, bei einer Abweichung des Spannungsverlaufs an dem Widerstand von einem charakteristischen Spannungsverlauf einen sicheren Zustand der Halbleiterleistungsvorrichtung zu bewirken.According to one aspect of the invention, a monitoring device for an electrical semiconductor power device of an electrically operable vehicle is proposed, the semiconductor power device comprising at least one power semiconductor element and an electrical protection path for protecting the power semiconductor element from overvoltage effects, the protection path having a diode connected in series with an electrical resistance . A monitoring unit is provided for monitoring a voltage profile over time at the resistor, the monitoring unit being designed to bring about a safe state of the semiconductor power device if the voltage profile at the resistor deviates from a characteristic voltage profile.

Bei Ausschaltvorgängen in einem IGBT des Inverters eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs können durch das Auflösen des induktiven Kommutierungskreises Spannungsspitzen auftreten. Sobald diese Spannungsspitzen eine kritische Spannung z.B. an einem IGBT übersteigen, wird deshalb üblicherweise ein sogenannter Schutzpfad aktiviert. Dieser Schutzpfad bewirkt, dass, sobald die Kollektor-Emitter-Spannung einen bestimmten Spannungswert erreicht, kurz die Gate-Spannung am IGBT aktiviert wird. Der sehr kurze Impuls, ca. 50 - 70 Nanosekunden, bewirkt, dass die Kollektor-Emitter-Spannung am IGBT gedämpft wird. Der IGBT, der bei Überschreitung der maximalen Kollektor-Emitter-Spannung irreversibel geschädigt wird, kann somit über den Schutzpfad geschützt werden. Der wesentliche Teil des Schutzpfades besteht häufig aus einer sehr schnellen Diode, die im Sperrbereich betrieben wird, eine sogenannte Suppressordiode. Ändert sich die Charakteristik der Diode, so kann es im ungünstigsten Fall zu einem Brückenkurzschluss zwischen sogenannten High-Side IGBTs und den Low-Side IGBTs der Halbleiterleistungsvorrichtung kommen. Dadurch kann die Halbleiterleistungsvorrichtung irreparabel geschädigt werden.During switch-off processes in an IGBT of the inverter of an electrically operable vehicle, voltage peaks can occur due to the dissolution of the inductive commutation circuit. As soon as these voltage peaks exceed a critical voltage, e.g. at an IGBT, a so-called protection path is usually activated. This protection path causes the gate voltage on the IGBT to be activated briefly as soon as the collector-emitter voltage reaches a certain voltage value. The very short pulse, around 50 - 70 nanoseconds, causes the collector-emitter voltage on the IGBT to be dampened. The IGBT, which is irreversibly damaged if the maximum collector-emitter voltage is exceeded, can thus be protected via the protection path. The essential part of the protection path often consists of a very fast diode that is operated in the blocking range, a so-called suppressor diode. If the characteristic of the diode changes, then in the worst case a bridge short circuit can occur between the so-called high-side IGBTs and the low-side IGBTs of the semiconductor power device. This can irreparably damage the semiconductor power device.

Durch die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung kann eine Änderung in der Charakteristik der Diode frühzeitig erkannt und die Halbleiterleistungsvorrichtung in einen sicheren Zustand versetzt werden. So können Schäden an dem Leistungshalbleiterelement und Folgeschäden an der Halbleiterleistungsvorrichtung vorteilhaft vermieden werden.With the monitoring device according to the invention, a change in the characteristic of the diode can be detected at an early stage and the semiconductor power device can be put into a safe state. In this way, damage to the power semiconductor element and consequential damage to the semiconductor power device can advantageously be avoided.

Um eine Schädigung des Motorinverters, bzw. einer Halbleiterleistungsvorrichtung des Motorinverters zu vermeiden, wird der Schutzpfad durch Bestimmen des Spannungsabfalls an einem elektrischen Widerstand überwacht. Ist die Diode in Ordnung, ergibt sich immer der gleiche Spannungsverlauf über den Widerstand. Eine Auswertelogik in der Überwachungseinheit kann somit den charakteristischen Spannungsverlauf bei jedem Schaltvorgang, bei dem die Diode öffnet, abgleichen. Ändert sich die Charakteristik der Diode, so ändert sich auch der charakteristische Spannungsverlauf am Widerstand. Die Auswertelogik bemerkt die Änderung und leitet umgehend den sicheren Zustand der Halbleiterleistungsvorrichtung ein. Weitere Schäden an dem Leistungshalbleiterelement, bzw. der Halbleiterleistungsvorrichtung können dadurch vermieden werden.In order to avoid damaging the motor inverter or a semiconductor power device of the motor inverter, the protection path is monitored by determining the voltage drop across an electrical resistor. If the diode is OK, the voltage is always the same walk over the resistance. An evaluation logic in the monitoring unit can thus adjust the characteristic voltage curve for each switching operation in which the diode opens. If the characteristic of the diode changes, the characteristic voltage curve across the resistor also changes. The evaluation logic notices the change and immediately initiates the safe state of the semiconductor power device. Further damage to the power semiconductor element or the semiconductor power device can be avoided as a result.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann das Leistungshalbleiterelement ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate sein, wobei der Schutzpfad zwischen einem Kollektor und einem Gate des Bipolartransistors ausgebildet sein kann. Der Schutzpfad bewirkt, dass, sobald die Kollektor-Emitter-Spannung einen bestimmten Spannungswert erreicht, kurz die Gate-Spannung am IGBT aktiviert wird. Der sehr kurze Impuls, ca. 50 - 70 Nanosekunden, bewirkt, dass die Kollektor-Emitter-Spannung am IGBT gedämpft wird. Der IGBT, der bei Überschreitung der maximalen Kollektor-Emitter-Spannung irreversibel geschädigt wird, kann somit über den Schutzpfad geschützt werden.According to an advantageous embodiment of the monitoring device, the power semiconductor element can be a bipolar transistor with an insulated gate, it being possible for the protective path to be formed between a collector and a gate of the bipolar transistor. The protection path causes the gate voltage on the IGBT to be activated briefly as soon as the collector-emitter voltage reaches a certain voltage value. The very short pulse, around 50 - 70 nanoseconds, causes the collector-emitter voltage on the IGBT to be dampened. The IGBT, which is irreversibly damaged if the maximum collector-emitter voltage is exceeded, can thus be protected via the protection path.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann der Spannungsverlauf an dem Widerstand bei jedem Öffnungsvorgang der Diode durch die Überwachungseinheit bestimmbar sein. Dadurch kann mit hoher Sicherheit möglichst umgehend eine Änderung in der Charakteristik der Diode erkannt werden, sodass mögliche Schäden an dem Leistungshalbleiterelement vermieden werden können, indem die Halbleiterleistungsvorrichtung in einen sicheren Zustand versetzt wird.According to an advantageous embodiment of the monitoring device, the voltage curve across the resistor can be determined by the monitoring unit each time the diode opens. As a result, a change in the characteristic of the diode can be recognized as promptly as possible with a high degree of certainty, so that possible damage to the power semiconductor element can be avoided by putting the semiconductor power device in a safe state.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Überwachungsvorrichtung für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Halbleiterleistungsvorrichtung wenigstens umfasst ein Leistungshalbleiterelement, und einen elektrischen Schutzpfad zum Schutz des Leistungshalbleiterelements vor Überspannungseffekten, wobei der Schutzpfad eine in Serie mit einem elektrischen Widerstand verschaltete Diode aufweist. Dabei ist eine Überwachungseinheit zur Überwachung eines zeitlichen Spannungsverlaufs an dem Widerstand vorgesehen ist.According to a further aspect of the invention, a method for operating a monitoring device for an electrical semiconductor power device of an electrically operable vehicle is proposed, the semiconductor power device comprising at least one power semiconductor element and an electrical protection path for protecting the power semiconductor element from overvoltage effects, the protection path being in series with a has electrical resistance connected diode. A monitoring unit is provided for monitoring a voltage profile over time at the resistor.

Das Verfahren umfasst wenigstens die Schritte Bestimmen eines Spannungsverlaufs an dem Widerstand durch die Überwachungseinheit; Vergleichen des Spannungsverlaufs mit einem charakteristischen Spannungsverlauf; Falls der Spannungsverlauf nicht von dem charakteristischen Spannungsverlauf abweicht, Fortsetzen des Normalbetriebs der Halbleiterleistungsvorrichtung; anderenfalls Versetzen der Halbleiterleistungsvorrichtung in einen sicheren Zustand.The method comprises at least the steps of determining a voltage profile across the resistor by the monitoring unit; Comparing the voltage curve with a characteristic voltage curve; If the voltage waveform does not deviate from the characteristic voltage waveform, continuing normal operation of the semiconductor power device; otherwise putting the semiconductor power device in a safe state.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Bestimmen eines Spannungsverlaufs an dem Widerstand durch die Überwachungseinheit bei jedem Öffnen der Diode erfolgen. Dadurch kann mit hoher Sicherheit möglichst umgehend eine Änderung in der Charakteristik der Diode erkannt werden, sodass mögliche Schäden an dem Leistungshalbleiterelement vermieden werden können, indem die Halbleiterleistungsvorrichtung in einen sicheren Zustand versetzt wird.According to an advantageous embodiment of the method, the monitoring unit can determine a voltage profile at the resistor each time the diode opens. As a result, a change in the characteristic of the diode can be recognized as promptly as possible with a high degree of certainty, so that possible damage to the power semiconductor element can be avoided by putting the semiconductor power device in a safe state.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können eine Kennlinie und/oder ein Kennlinienfeld des charakteristischen Spannungsverlaufs in der Überwachungseinheit gespeichert sein. Dadurch steht einer Auswertelogik in der Überwachungseinheit jeweils die richtige Kennlinie, bzw. das richtige Kennlinienfeld für einen Vergleich des gemessenen Spannungsverlaufs an dem Widerstand mit einem Soll-Spannungsverlauf zur Verfügung. Dadurch können Änderungen in der Charakteristik der Diode frühzeitig erkannt werden, sodass mögliche Schäden an dem Leistungshalbleiterelement vermieden werden können, indem die Halbleiterleistungsvorrichtung in einen sicheren Zustand versetzt wirdAccording to an advantageous embodiment of the method, a characteristic curve and/or a family of characteristic curves of the characteristic voltage curve can be stored in the monitoring unit. As a result, the correct characteristic curve or the correct family of characteristics is available to an evaluation logic in the monitoring unit for a comparison of the measured voltage curve at the resistor with a setpoint voltage curve. As a result, changes in the characteristic of the diode can be detected early, so that possible damage to the power semiconductor element can be avoided by putting the semiconductor power device in a safe state

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages result from the following description of the drawings. In the drawings an embodiment of the invention is shown. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into further meaningful combinations.

Dabei zeigen:

  • 1 eine Systemübersicht einer Überwachungsvorrichtung für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 2 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Betreiben einer Überwachungsvorrichtung nach 1.
show:
  • 1 a system overview of a monitoring device for a semiconductor electric power device of an electrified vehicle according to an embodiment of the invention; and
  • 2 a flowchart of the method according to an embodiment of the invention for operating a monitoring device 1 .

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.In the figures, the same or similar components are denoted by the same reference symbols. The figures only show examples and are not to be understood as limiting.

1 zeigt eine Systemübersicht einer Überwachungsvorrichtung 100 für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung 50 eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Systemübersicht zeigt eine rein schematische Darstellung der Überwachungsvorrichtung am Beispiel einer Halbleiterleistungsvorrichtung 50 mit einem Leistungshalbleiterelement 10, welches einen Kollektor 10, ein Gate G und einen Emitter E aufweist. 1 shows a system overview of a monitoring device 100 for an electrical semi conductor power device 50 of an electrified vehicle according to an embodiment of the invention. The system overview shows a purely schematic representation of the monitoring device using the example of a semiconductor power device 50 with a power semiconductor element 10 which has a collector 10, a gate G and an emitter E.

Die Halbleiterleistungsvorrichtung 50, beispielsweise für einen Motorinverter eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs umfasst das Leistungshalbleiterelement 10, und einen elektrischen Schutzpfad 12 zum Schutz des Leistungshalbleiterelements 10 vor Überspannungseffekten. Der Schutzpfad 12 weist eine mit einem elektrischen Widerstand 16 in Serie verschaltete Diode 14 auf.The semiconductor power device 50, for example for a motor inverter of an electrically operable vehicle, comprises the power semiconductor element 10 and an electrical protection path 12 for protecting the power semiconductor element 10 from overvoltage effects. The protective path 12 has a diode 14 connected in series with an electrical resistor 16 .

Das Leistungshalbleiterelement 10 ist ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Der Schutzpfad 12 ist zwischen dem Kollektor C und dem Gate G des Bipolartransistors ausgebildet.The power semiconductor element 10 is an insulated gate bipolar transistor (IGBT). The protection path 12 is formed between the collector C and the gate G of the bipolar transistor.

Eine Überwachungseinheit 20 ist zur Überwachung eines zeitlichen Spannungsverlaufs an dem Widerstand 16 vorgesehen. Die Überwachungseinheit 20 kann dazu eine Auswertelogik mit einem Mikrocontroller aufweisen, um die Messung des Spannungsabfalls an dem Widerstand 16 vorzunehmen und auszuwerten. Die Messung des Spannungsabfalls an dem Widerstand 16 geschieht über zwei Signalleitungen 22, 24.A monitoring unit 20 is provided for monitoring a voltage curve over time at the resistor 16 . For this purpose, the monitoring unit 20 can have evaluation logic with a microcontroller in order to measure and evaluate the voltage drop across the resistor 16 . The voltage drop across the resistor 16 is measured via two signal lines 22, 24.

Die Überwachungseinheit 20 ist dazu ausgebildet, bei einer Abweichung des Spannungsverlaufs an dem Widerstand 16 von einem charakteristischen Spannungsverlauf die Halbleiterleistungsvorrichtung 50 in einen sicheren Zustand S2 zu versetzen. Der Spannungsverlauf an dem Widerstand 16 kann dazu vorteilhaft bei jedem Öffnungsvorgang der Diode 14 durch die Überwachungseinheit 20 bestimmt werden.The monitoring unit 20 is designed to put the semiconductor power device 50 into a safe state S2 if the voltage profile at the resistor 16 deviates from a characteristic voltage profile. For this purpose, the voltage curve across the resistor 16 can advantageously be determined by the monitoring unit 20 during each opening process of the diode 14 .

Weicht der von der Überwachungseinheit 20 gemessene Spannungsverlauf an dem Widerstand nicht von in der Überwachungseinheit 20 gespeicherten charakteristischen Spannungsverläufen ab, so signalisiert die Überwachungseinheit 20 mit einem ersten Signal 30 für ordnungsgemäßen Spannungsverlauf, dass die Halbleiterleistungsvorrichtung 50 im Normalbetrieb S1 weiter betrieben werden kann.If the voltage curve across the resistor measured by monitoring unit 20 does not deviate from the characteristic voltage curves stored in monitoring unit 20, then monitoring unit 20 uses a first signal 30 for a correct voltage curve to signal that semiconductor power device 50 can continue to be operated in normal operation S1.

Weicht der gemessene Spannungsverlauf dagegen von den gespeicherten charakteristischen Spannungsverläufen ab, so signalisiert die Überwachungseinheit 20 mit einem zweiten Signal 32 für nicht ordnungsgemäßen Spannungsverlauf, dass die Halbleiterleistungsvorrichtung 50 in einen sicheren Zustand versetzt wird. Weitere Benachrichtigungen können beispielsweise an ein zentrales Steuergerät im Fahrzeug und/oder an den Fahrer des Fahrzeugs ausgegeben werden.If, on the other hand, the measured voltage curve deviates from the stored characteristic voltage curves, the monitoring unit 20 uses a second signal 32 for an improper voltage curve to signal that the semiconductor power device 50 is switched to a safe state. Further notifications can be output, for example, to a central control device in the vehicle and/or to the driver of the vehicle.

2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Betreiben einer Überwachungsvorrichtung 100 nach 1. 2 FIG. 1 shows a flowchart of the method according to an embodiment of the invention for operating a monitoring device 100. FIG 1 .

Das Verfahren zum Betreiben der Überwachungsvorrichtung 100 sieht folgende Schritte vor.The method for operating the monitoring device 100 provides the following steps.

In einem ersten Schritt S100 wird durch die Überwachungseinheit 20 kontinuierlich ein Spannungsverlauf an dem elektrischen Widerstand 16 bestimmt, welcher mit einer Diode 14 in dem Schutzpfad 12 der Halbleiterleistungsvorrichtung 50 in Serie verschaltet ist.In a first step S100, the monitoring unit 20 continuously determines a voltage profile at the electrical resistor 16, which is connected in series to a diode 14 in the protection path 12 of the semiconductor power device 50.

Nach jeder Messung des Spannungsverlaufs wird im folgenden Schritt S102 der Spannungsverlauf mit einem in der Überwachungseinheit 20 gespeicherten charakteristischen Spannungsverlauf verglichen. Dazu kann beispielsweise eine Kennlinie und/oder ein Kennlinienfeld des charakteristischen Spannungsverlaufs in der Überwachungseinheit 20 gespeichert sein.After each measurement of the voltage profile, the voltage profile is compared with a characteristic voltage profile stored in the monitoring unit 20 in the following step S102. For this purpose, for example, a characteristic curve and/or a family of characteristic curves of the characteristic voltage curve can be stored in the monitoring unit 20 .

Falls der Spannungsverlauf nicht von dem charakteristischen Spannungsverlauf abweicht, wird der Normalbetrieb S1 der Halbleiterleistungsvorrichtung 50 in Schritt S104 fortgesetzt und die kontinuierliche Überwachung des Spannungsverlaufs an dem Widerstand 16 in Schritt S100 wieder aufgenommen.If the voltage curve does not deviate from the characteristic voltage curve, the normal operation S1 of the semiconductor power device 50 is continued in step S104 and the continuous monitoring of the voltage curve across the resistor 16 is resumed in step S100.

Falls der Spannungsverlauf von dem charakteristischen Spannungsverlauf abweicht, wird in Schritt S106, die Halbleiterleistungsvorrichtung 50 in einen sicheren Zustand S2 versetzt.If the voltage profile deviates from the characteristic voltage profile, in step S106, the semiconductor power device 50 is placed in a safe state S2.

Vorteilhaft kann der Spannungsverlauf an dem Widerstand durch die Überwachungseinheit 20 bei jedem Öffnen der Diode 14 erfolgen.Advantageously, the voltage curve at the resistor can be carried out by the monitoring unit 20 each time the diode 14 opens.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Leistungshalbleiterelementpower semiconductor element
1212
Schutzpfadprotection path
1414
Diodediode
1616
WiderstandResistance
2020
Überwachungseinheitmonitoring unit
2222
Abgrifftap
2424
Abgrifftap
3030
erstes Signal für ordnungsgemäßen Spannungsverlauffirst signal for proper voltage progression
3232
zweites Signal für nicht ordnungsgemäßen Spannungsverlaufsecond signal for incorrect voltage curve
5050
Halbleiterleistungsvorrichtungsemiconductor power device
100100
Überwachungsvorrichtung monitoring device
CC
Kollektorcollector
EE
Emitteremitter
GG
GateGate
S1S1
Normalbetriebnormal operation
S2S2
Sicherer ZustandSafe condition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102017002573 A1 [0004]DE 102017002573 A1 [0004]

Claims (6)

Überwachungsvorrichtung (100) für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung (50) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, wobei die Halbleiterleistungsvorrichtung (50) wenigstens umfasst - ein Leistungshalbleiterelement (10), und - einen elektrischen Schutzpfad (12) zum Schutz des Leistungshalbleiterelements (10) vor Überspannungseffekten, wobei der Schutzpfad (12) eine in Serie mit einem elektrischen Widerstand (16) verschaltete Diode (14) aufweist, wobei eine Überwachungseinheit (20) zur Überwachung eines zeitlichen Spannungsverlaufs an dem Widerstand (16) vorgesehen ist, wobei die Überwachungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, bei einer Abweichung des Spannungsverlaufs an dem Widerstand (16) von einem charakteristischen Spannungsverlauf einen sicheren Zustand (S2) der Halbleiterleistungsvorrichtung (50) zu bewirken.Monitoring apparatus (100) for an electric semiconductor power device (50) of an electrified vehicle, the semiconductor power device (50) comprising at least one - a power semiconductor element (10), and - an electrical protection path (12) for protecting the power semiconductor element (10) from overvoltage effects, the protection path (12) having a diode (14) connected in series with an electrical resistor (16), a monitoring unit (20) for monitoring a time voltage curve is provided at the resistor (16), the monitoring unit (20) being designed to bring about a safe state (S2) of the semiconductor power device (50) if the voltage curve at the resistor (16) deviates from a characteristic voltage curve. Spannungsbegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Leistungshalbleiterelement (10) ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist, und wobei der Schutzpfad (12) zwischen einem Kollektor (C) und einem Gate (G) des Bipolartransistors ausgebildet ist.voltage limiting device claim 1 wherein the power semiconductor element (10) is an insulated gate bipolar transistor, and wherein the protection path (12) is formed between a collector (C) and a gate (G) of the bipolar transistor. Spannungsbegrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungsverlauf an dem Widerstand (16) bei jedem Öffnungsvorgang der Diode (14) durch die Überwachungseinheit (20) bestimmbar ist.Voltage-limiting device according to one of the preceding claims, in which the voltage curve across the resistor (16) can be determined by the monitoring unit (20) during each opening process of the diode (14). Verfahren zum Betreiben einer Überwachungsvorrichtung (100) für eine elektrische Halbleiterleistungsvorrichtung (50) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterleistungsvorrichtung (50) wenigstens umfasst - ein Leistungshalbleiterelement (10), und - einen elektrischen Schutzpfad (12) zum Schutz des Leistungshalbleiterelements (10) vor Überspannungseffekten, wobei der Schutzpfad (12) eine in Serie mit einem elektrischen Widerstand (16) verschaltete Diode (14) aufweist, wobei eine Überwachungseinheit (20) zur Überwachung eines zeitlichen Spannungsverlaufs an dem Widerstand (16) vorgesehen ist, wobei das Verfahren wenigstens die Schritte umfasst - Bestimmen eines Spannungsverlaufs an dem Widerstand (16) durch die Überwachungseinheit (20); - Vergleichen des Spannungsverlaufs mit einem charakteristischen Spannungsverlauf; - Falls der Spannungsverlauf nicht von dem charakteristischen Spannungsverlauf abweicht, Fortsetzen des Normalbetriebs (S1) der Halbleiterleistungsvorrichtung (50); anderenfalls - Versetzen der Halbleiterleistungsvorrichtung (50) in einen sicheren Zustand (S2).Method of operating a monitoring device (100) for an electric semiconductor power device (50) of an electrified vehicle according to any one of the preceding claims, wherein the semiconductor power device (50) comprises at least - a power semiconductor element (10), and - an electrical protection path (12) for protecting the power semiconductor element (10) from overvoltage effects, the protection path (12) having a diode (14) connected in series with an electrical resistor (16), a monitoring unit (20) for monitoring a time Voltage curve is provided at the resistor (16), the method comprising at least the steps - Determining a voltage profile across the resistor (16) by the monitoring unit (20); - Comparing the voltage curve with a characteristic voltage curve; - If the voltage curve does not deviate from the characteristic voltage curve, continuation of normal operation (S1) of the semiconductor power device (50); otherwise - placing the semiconductor power device (50) in a safe state (S2). Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen eines Spannungsverlaufs an dem Widerstand durch die Überwachungseinheit (20) bei jedem Öffnen der Diode (14) erfolgt.procedure after claim 4 , wherein the determination of a voltage profile across the resistor by the monitoring unit (20) takes place each time the diode (14) opens. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Kennlinie und/oder ein Kennlinienfeld des charakteristischen Spannungsverlaufs in der Überwachungseinheit (20) gespeichert ist.procedure after claim 4 or 5 , A characteristic curve and/or a family of characteristic curves of the characteristic voltage profile being stored in the monitoring unit (20).
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