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Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiterschaltung und Verfahren zur Parametrierung einer Steuereinrichtung einer Leistungshalbleiterschaltung.
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Aus der
DE 10 2015 120 166 B3 ist eine Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter bekannt, die den durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Laststrom überwacht. Wenn der durch den Leistungshalbleiterschalter fließende Laststrom im eingeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterschalters, z.B. bei einem Kurzschluss, sehr groß wird, steigt die zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss des Leistungshalbleiterschalters anliegende Leistungshalbleiterschalterhauptspannung stark an, was zu einem Spannungsanstieg einer zur Leistungshalbleiterschalterhauptspannung korrespondierenden Überwachungsspannung der Steuereinrichtung führt. Wenn die Überwachungsspannung einen Spannungsgrenzwert übersteigt, wird von einer Überstromdetektionsschaltung der Steuereinrichtung ein Überstromdetektionssignal erzeugt, das ein Abschalten des Leistungshalbleiterschalters bewirkt. Der Leistungshalbleiterschalter wird hierdurch vor dem durch ihn fließenden Überstrom geschützt. Die Höhe der im Fehlerfall, z.B. bei einem Kurzschluss, sich bei einem bestimmten durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Kurzschlussstrom ergebenden Leistungshalbleiterschalterhauptspannung ist, aufgrund von Bauteil- bzw. Fertigungstoleranzen der Leistungshalbleiterschalter, nicht einheitlich. Um bei einem Stromrichter, der mehrere Leistungshalbleiterschalter aufweist, sicherzustellen, dass keine der Überstromdetektionsschaltungen eine Fehlauslösung aufgrund von Bauteil- bzw. Fertigungstoleranzen der Leistungshalbleiterschalter erzeugt, muss der Spannungsgrenzwert somit bei allen Überstromdetektionsschaltungen bzw. für alle Leistungshalbleiterschalter relativ hoch gewählt werden, was bei einem Fehlerfall das Risiko von zu späten oder keinen Auslösungen der Überstromdetektionsschaltungen erhöht.
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Aus der
DE 10 2017 122 765 A1 ist eine Anordnung mit einer Schwellenwerterzeugungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, basierend auf einem Ausgangssignal eines Temperatursensors, der sich in der Nähe eines Leistungstransistors befindet, und einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor einen Schwellenwert zu erzeugen, und mit einer Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Schwellenwert und einer Schalterspannung, die zwischen einer Source und einem Drain oder einem Kollektor und einem Emitter des Leistungstransistors detektiert wird, einen Zustand zu hoher Leistung eines Leistungstransistors festzustellen, bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer Steuereinrichtung und ein Verfahren zur Parametrierung einer Steuereinrichtung einer Leistungshalbleiterschaltung zu schaffen, bei dem eine individuelle Anpassung der Ansprechschwelle einer Überstromdetektionsschaltung der Steuereinrichtung an den Leistungshalbleiterschalter, zur Detektion eines durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Überstroms, ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleiterschaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter, der einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss und einen Steueranschluss aufweist, und mit einer Steuereinrichtung, die mit dem ersten und zweiten Laststromanschluss und mit dem Steueranschluss elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung eine Ansteuereinrichtung und eine Überstromdetektionsschaltung aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist an dem Steueranschluss eine Ansteuerspannung zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen, wobei die Überstromdetektionsschaltung einen Spannungsgrenzwertermittlungsmodus und einen Überwachungsmodus aufweist, wobei die Überstromdetektionsschaltung dazu ausgebildet ist, im Spannungsgrenzwertermittlungsmodus bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter, den maximalen Spannungswert einer Überwachungsspannung, die zu einer zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss anliegenden Leistungshalbleiterschalterhauptspannung korrespondiert, zu ermitteln und als Spannungsgrenzwert abzuspeichern, und im Überwachungsmodus bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter die Überwachungsspannung zu ermitteln und, wenn die Überwachungsspannung bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter den Spannungsgrenzwert überschreitet, ein Überstromdetektionssignal zu erzeugen.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Leistungshalbleiterschaltung ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen des Verfahrens und umgekehrt.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, bei Vorhandensein des Überstromdetektionssignals, eine Ansteuerspannung zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen. Hierdurch wird der Leistungshalbleiterschalter vor einem Überstrom zuverlässig geschützt.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Überstromdetektionsschaltung durch einen Spannungsgrenzwertermittlungsbefehl in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzbar ist. Hierdurch kann die Überstromdetektionsschaltung auf einfache Art und Weise von Extern in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzt werden.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Spannungsgrenzwertermittlungsbefehl in Form eines Spannungsgrenzwertermittlungssignals oder in Form eines Eingabeparameters vorliegt. Hierdurch kann die Überstromdetektionsschaltung auf besonders einfache Art und Weise von Extern in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzt werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Überstromdetektionsschaltung dazu ausgebildet ist, bei Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls, den Spannungsgrenzwert abzuspeichern. Mittels des Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls kann das Abspeichern des Spannungsgrenzwerts besonders einfach initiiert werden.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Überstromdetektionsschaltung dazu ausgebildet ist, dass nach Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls und Abspeicherung des Spannungsgrenzwerts, die Überstromdetektionsschaltung nicht erneut in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzbar ist. Die Überstromdetektionsschaltung kann hierdurch nur einmal in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzt werden. Hierdurch wird zuverlässig verhindert, dass im Betrieb der Leistungshalbleiterschaltung auftretende EMV-Störungen zu einem ungewollten Versetzen der Überstromdetektionsschaltung in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus führen können.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, dass wenn die Überstromdetektionsschaltung im Spannungsgrenzwertermittlungsmodus ist, die Ansteuereinrichtung eine Ansteuerspannung zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters erzeugt. Hierdurch wird eine besonders einfache Parametrierung der Steuereinrichtung bzw. Ermittlung des Spannungsgrenzwerts ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Parametrierung einer Steuereinrichtung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) Versetzen der Überstromdetektionsschaltung in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus und Einschalten des Leistungshal bleiterschalters,
- b) Erzeugen eines zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss fließenden elektrischen Stroms, wobei die Stromstärke des Stroms einen Wert ausweist, bei dessen Überschreitung die Überstromdetektionsschaltung im Überwachungsmodus ein Überstromdetektionssignal erzeugen soll,
- c) Ermitteln und Abspeichern des Spannungsgrenzwerts in der Steuereinrichtung.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn in einem weiteren Verfahrensschritt d) ein Versetzen der Überstromdetektionsschaltung in den Überwachungsmodus erfolgt.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Verfahrensschritt d) gleichzeitig mit dem Abspeichern des Spannungsgrenzwerts in der Steuereinrichtung im Verfahrensschritt c) erfolgt. Hierdurch wird die Überstromdetektionsschaltung zeitnah in den Überwachungsmodus versetzt.
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Weiterhin erweist sich eine Stromrichtereinrichtung mit einer ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung, wobei die Leistungshalbleiterschalter der Leistungshalbleiterschaltungen zu einer 3-Phasigen-Brückenschaltung elektrisch verschaltet sind, wobei der erste Laststromanschluss des ersten, zweiten und dritten Leistungshalbleiterschalters mit einem Positivpotentialanschluss elektrisch leitend verbunden ist und der zweite Laststromanschluss des vierten, fünften und sechsten Leistungshalbleiterschalters mit einem Negativpotentialanschluss elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Steuereinrichtungen der Leistungshalbleiterschaltungen gemeinsam in einem mit einem IC-Gehäuse gehausten integrierten Schaltkreis realisiert sind, wobei eine erste Steuereinrichtung mit dem Steueranschluss des ersten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist und eine erste Diode aufweist, deren dem ersten Leistungshalbleiterschalter elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit einem ersten Anschluss des integrierten Schaltkreises elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine zweite Steuereinrichtung mit dem Steueranschluss des zweiten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist und eine zweite Diode aufweist, deren dem zweiten Leistungshalbleiterschalter elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit dem ersten Anschluss des integrierten Schaltkreises elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine dritte Steuereinrichtung mit dem Steueranschluss des dritten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist und eine dritte Diode aufweist, deren dem dritten Leistungshalbleiterschalter elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit dem ersten Anschluss des integrierten Schaltkreises elektrisch leitend verbunden ist, wobei der erste Anschluss des integrierten Schaltkreises mit den ersten Laststromanschlüssen des ersten, zweiten und dritten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine vierte Steuereinrichtung mit dem Steueranschluss des vierten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist und eine vierte Diode aufweist, deren dem vierten Leistungshalbleiterschalter elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit einem zweiten Anschluss des integrierten Schaltkreises elektrisch leitend verbunden ist, wobei der zweite Anschluss des integrierten Schaltkreises mit dem ersten Laststromanschluss des vierten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine fünfte Steuereinrichtung mit dem Steueranschluss des fünften Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist und eine fünfte Diode aufweist, deren dem fünften Leistungshalbleiterschalter elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit einem dritten Anschluss des integrierten Schaltkreises elektrisch leitend verbunden ist, wobei der dritte Anschluss des integrierten Schaltkreises mit dem ersten Laststromanschluss des fünften Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, wobei eine sechste Steuereinrichtung mit dem Steueranschluss des sechsten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist und eine sechste Diode aufweist, deren dem sechsten Leistungshalbleiterschalter elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit einem vierten Anschluss des integrierten Schaltkreises elektrisch leitend verbunden ist, wobei der vierte Anschluss des integrierten Schaltkreises mit dem ersten Laststromanschluss des sechsten Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist, als vorteilhaft, da dann die Stromrichtereinrichtung besonders platzsparend ausgebildet ist.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die jeweilige Steuereinrichtung einen jeweiligen Gatevorwiderstand aufweist, über den der jeweilige übrige Teil der jeweiligen Steuereinrichtung mit dem Steueranschluss des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters elektrisch leitend verbunden ist. Hierdurch sind die Gatevorwiderstände Bestandteil des integrierten Schaltkreises, so dass der Platzbedarf für die Gatevorwiderstände sehr klein ist.
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Ferner erweist sich als vorteilhaft, wenn die Anschlüsse des integrierten Schaltkreises in Form von aus dem IC-Gehäuse herausragenden elektrisch leitenden Pins oder Bumps vorliegen. Hierdurch wird eine besonders platzsparende Stromrichtereinrichtung geschaffen.
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Es sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter dem Ausdruck, dass eine elektrische zweite Größe zu einer elektrischen ersten Größe korrespondiert, gemeint ist, dass unter Vernachlässigung eines eventuell vorhandenen Offsets, welche die zweite Größe zur ersten Größe aufweisen kann, zumindest in einem bestimmten Wertebereich der ersten Größe die zweite Größe zumindest näherungsweise proportional zur ersten Größe ist.
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Weiterhin sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter einem integrierten Schaltkreis sowohl ein in einem einzelnen gehausten Chip monolithisch integriert ausgebildeter Schaltkreis verstanden wird, als auch ein Schaltkreis, der mittels mehrere in einem gemeinsamen IC-Gehäuse angeordnete miteinander elektrisch verbundene Chips realisiert ist. Der intergierte Schaltkreis kann in Form eines ASIC vorliegen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und mit einer Steuereinrichtung und
- 2 eine Stromrichtereinrichtung mit erfindungsgemäßen Leistungshal bleiterschaltungen.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschaltung 1 mit einem Leistungshalbleiterschalter T, der einen ersten und einen zweiten Laststromanschluss C und E und einen Steueranschluss G aufweist und mit einer Steuereinrichtung 2, die mit dem ersten und zweiten Laststromanschluss C und E und mit dem Steueranschluss G elektrisch leitend verbunden ist, dargestellt. Der zweite Laststromanschluss E bildet im Rahmen des Ausführungsbeispiels das elektrische Bezugspotential BP der Steuereinrichtung 2.
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Der Leistungshalbleiterschalter T liegt vorzugsweise in Form eines Transistors, wie z.B. eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder eines MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vor. Im Rahmen der Ausführungsbeispiele liegt der Leistungshalbleiterschalter T in Form eines IGBTs vor, wobei der erste Laststromanschluss C in Form des Kollektors des IGBTs, 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 Steuereinrichtung 2 weist eine Ansteuereinrichtung 3 und eine Überstromdetektionsschaltung 4 auf. Die Ansteuereinrichtung 3 ist dazu ausgebildet an dem Steueranschluss G eine Ansteuerspannung Ua zur Ansteuerung des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen.
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Die Ansteuereinrichtung 3 erzeugt hierzu, in Abhängigkeit von einem Steuersignal A, welches vorzugsweise von einer übergeordneten Steuerung (nicht dargestellt) erzeugt wird, die Ansteuerspannung Ua am Steueranschluss G des Leistungshalbleiterschalters T. Bei den Ausführungsbeispielen erzeugt die Ansteuereinrichtung 3 eine Ansteuerspannung Ua von 15V zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T und eine Ansteuerspannung Ua von -8V zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T. Der Leistungshalbleiterschalter T schaltet sich in Abhängigkeit vom Spannungswert der Ansteuerspannung Ua ein und aus.
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Die Überstromdetektionsschaltung 4 weist einen Spannungsgrenzwertermittlungsmodus und einen Überwachungsmodus auf. Die Überstromdetektionsschaltung 4 ist dazu ausgebildet, im Spannungsgrenzwertermittlungsmodus bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter T den maximalen Spannungswert einer Überwachungsspannung Um, die zu einer zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss C und E anliegenden Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce korrespondiert, zu ermitteln und als Spannungsgrenzwert Ugw abzuspeichern, und im Überwachungsmodus bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter T die Überwachungsspannung Um zu ermitteln, und wenn die Überwachungsspannung Um bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter T den Spannungsgrenzwert Ugw überschreitet, ein Überstromdetektionssignal FS auszugeben. Im Spannungsgrenzwertermittlungsmodus wird, z.B. vor Auslieferung der Leistungshalbleiterschaltung durch den Hersteller, der für den betreffenden Leistungshalbleiterschalter T individuell gültige Spannungsgrenzwert Ugw ermittelt und in der Steuereinrichtung 2, genauer ausgedrückt in der Überstromdetektionsschaltung 4, abgespeichert. Im Überwachungsmodus wird von der Überstromdetektionsschaltung 4 der durch den Leistungshalbleiterschalter T hindurchfließende elektrische Strom I überwacht und wenn dieser eine bestimmte Stromstärke, die durch den Spannungsgrenzwert Ugw festgelegt ist, überschreitet, ein Überstromdetektionssignal FS erzeugt. Durch den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus wird eine individuelle Anpassung des Spannungsgrenzwerts Ugw, d.h. der Ansprechschwelle der Überstromdetektionsschaltung 4, an den betreffenden Leistungshalbleiterschalter T zur Detektion eines durch den Leistungshalbleiterschalter T fließenden Überstroms ermöglicht.
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Die Ansteuereinrichtung 3 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, bei Vorhandensein des Überstromdetektionssignals FS eine Ansteuerspannung Ua zum Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T zu erzeugen, so dass der Leistungshalbleiterschalter T, wenn der durch ihn fließende Strom I, z.B. bei einem Kurzschluss, sehr groß wird, ausgeschaltet wird.
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Die Überstromdetektionsschaltung 4 wird vorzugsweise durch einen Spannungsgrenzwertermittlungsbefehl SB in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzt. Der Spannungsgrenzwertermittlungsbefehl SB kann, z.B. wie beim Ausführungsbeispiel, in Form eines Spannungsgrenzwertermittlungssignals vorliegen. Das Spannungsgrenzwertermittlungssignal kann z.B. von einer externen Parametriereinrichtung zur Parametrierung der Steuereinrichtung 2 erzeugt werden. Alternativ kann der Spannungsgrenzwertermittlungsbefehl SB, z.B. auch in Form eines Eingabeparameters, welcher z.B. mittels eines mit der Steuereinrichtung 2 verbundenen Computers von einem Benutzer eingegeben wird, vorliegen.
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Die Überstromdetektionsschaltung 4 speichert vorzugsweise bei Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls SB, den Spannungsgrenzwert Ugw ab. Die Überstromdetektionsschaltung 4 ermittelt den Spannungsgrenzwert Ugw solange sie in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzt ist, d.h. beim Ausführungsbeispiel im Zeitraum von der Erteilung des Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls SB bis zum Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls SB. Bei Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls SB wird die Überstromdetektionsschaltung 4 wieder in den Überwachungsmodus zurückversetzt. Wenn die Überstromdetektionsschaltung 4 nicht in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzt ist, dann befindet sie sich im Überwachungsmodus. Die Überstromdetektionsschaltung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, dass nach Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls SB und Abspeicherung des Spannungsgrenzwerts Ugw die Überstromdetektionsschaltung 4 nicht erneut in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzbar ist. Die Überstromdetektionsschaltung 4 kann somit vorzugsweise nur einmal in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus versetzt werden. Hierdurch wird zuverlässig verhindert, dass im Betrieb der Leistungshalbleiterschaltung auftretende EMV-Störungen zu einem ungewollten Versetzen der Überstromdetektionsschaltung 4 in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus führen können.
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Um eine besonders einfache Parametrierung der Steuereinrichtung 2, genauer ausgedrückt, ein besonders einfaches Ermitteln des Spannungsgrenzwerts Ugw zu ermöglichen, kann die Steuereinrichtung 2 dazu ausgebildet sein, dass wenn die Überstromdetektionsschaltung 4 im Spannungsgrenzwertermittlungsmodus ist, die Ansteuereinrichtung 3 eine Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T erzeugt. Die Steuereinrichtung 2 erzeugt in diesem Fall unabhängig vom Steuersignal A eine Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T. Die Ansteuereinrichtung 3 kann hierzu den Spannungsgrenzwertermittlungsbefehl SB als Eingangsgröße empfangen, was in 1 gestrichelt gezeichnet dargestellt ist. Eine Erzeugung des Steuersignals A zur Parametrierung der Steuereinrichtung 2 bzw. zur Ermittlung des Spannungsgrenzwerts Ugw kann somit entfallen.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Überstromdetektionsschaltung 4 eine Diode D, ein Peak-Hold-Glied 5, einen Vergleicher 6, eine Spannungsquelleneinrichtung 7 mit einem Speicher 7' zum Abspeichern des Spannungsgrenzwerts Ugw, ein Blockierungsglied 8, einen ersten Wechselschalter S1, einen zweiten Wechselschalter S2 und einen Betriebswiderstand Rb auf. Die Diode D dient zur Entkopplung der Überstromdetektionsschaltung 4 vom ersten Laststromanschluss C, wenn der Leistungshalbleiterschalter T ausgeschaltet ist und infolge die Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce einen hohen Spannungswert aufweisen kann. Die Kathode der Diode D ist mit dem ersten Laststromanschluss C elektrisch leitend verbunden. Die Anode der Diode D ist über den Betriebswiderstand Rb mit einer Versorgungsspannungsquelle, die eine Versorgungsspannung Uv erzeugt, elektrisch leitend verbunden. Die Versorgungsspannungsquelle ist in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter T korrespondiert eine an der Anode der Diode D anliegende Überwachungsspannung Um mit der zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss C und E anliegenden Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce. Unter Vernachlässigung der in Durchlassrichtung über der Diode D abfallenden Spannung ist die Überwachungsspannung Um bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter T proportional zur Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce. Das Peak-Hold-Glied 5 ermittelt den maximalen Spannungswert der an seinem Eingang K anliegenden Überwachungsspannung Um und gibt kurzfristig den maximalen Spannungswert in Form einer entsprechenden Spannung deren Höhe dem maximalen Spannungswert entspricht, an seinem Ausgang Z aus. Der maximale Spannungswert wird hierbei kurzfristig im Peak-Hold-Glied 5, z.B. durch einen Kondensator des Peak-Hold-Glieds 5, analog zwischengespeichert.
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Bei Vorhandensein des Spannungsgrenzwertermittlungssignals SB sind der erste und zweite Wechselschalter S1 und S2 in Schalterstellung b geschaltet, ansonsten in Schalterstellung a. Der Vergleicher 6 vergleicht die an seinem ersten Eingang E1 anliegende Spannung mit der an seinem zweiten Eingang E2 anliegende Spannung und gibt an seinem Ausgang ein Ansprechsignal SG aus, wenn die an seinem Eingang E1 anliegende Spannung höher ist als die an seinem zweiten Eingang E2 anliegende Spannung. Die Spannungsquelleneinrichtung 7 erzeugt bei Empfang des Spannungsgrenzwertermittlungssignals SB an ihrem Ausgang eine Grenzwertspannung Ug und passt den Spannungswert der Grenzwertspannung Ug solange an, bis bei geringen Änderungen des Spannungswerts der Grenzwertspannung Ug das Spannungsgrenzwertermittlungssignal SB hin- und herschwankend von dem Vergleicher 6 erzeugt wird und wieder nicht erzeugt wird. Der Spannungswert der Grenzwertspannung Ug entspricht dann dem vom Peak-Hold-Glied 5 ermittelten maximalen Spannungswert der Überwachungsspannung Um. Bei Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungssignals S speichert die Spannungsquelleneinrichtung 7 den solchermaßen ermittelten Spannungswert der Grenzwertspannung Ug als Spannungsgrenzwert Ugw dauerhaft in einem Speicher 7' der Spannungsquelleneinrichtung 7 ab und erzeugt fortan eine Grenzwertspannung Ug, deren Spannungswert dem Spannungsgrenzwert Ugw entspricht. Der Spannungsgrenzwert Ugw, d.h. die Ansprechschwelle der Überstromdetektionsschaltung 4, kann somit individuell an den betreffenden Leistungshalbleiterschalter T angepasst werden. Es sei angemerkt, dass die Ermittlung des Spannungsgrenzwert Ugw von der Spannungsquelleneinrichtung 7 in Verbindung mit dem Vergleicher 6 nach dem SAR-Prinzip (Successive Approximation Register) erfolgen kann.
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Wenn das Spannungsgrenzwertermittlungssignal SB nicht vorhanden ist, dann befindet sich die Überstromdetektionsschaltung 4 im Überwachungsmodus und der erste und zweite Wechselschalter S1 und S2 sind in Schalterstellung a geschaltet. Wenn der Spannungswert der Überwachungsspannung Um den Spannungsgrenzwert Ugw überschreitet, erzeugt der Vergleicher 6 das Ansprechsignal SG, das über den zweiten Schalter S2 vom Blockierungsglied 8 empfangen wird. Das Blockierungsglied 8 leitet das Ansprechsignal SG als Überstromdetektionssignal FS an die Ansteuereinrichtung 3 weiter, wenn der Leistungshalbleiterschalter T eingeschaltet ist. Wenn der Leistungshalbleiterschalter T ausgeschaltet ist, wird das Ansprechsignal SG vom Blockierungsglied 8 blockiert, d.h. an die Ansteuereinrichtung 3 nicht weitergeleitet, um Fehlauslösungen der Überstromdetektionsschaltung 4 zu verhindern. Das Blockierungsglied 8 empfängt hierzu als weitere Eingangsgröße das Steuersignal A. Wenn das Blockierungsglied 8 ein Steuersignal A zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T empfängt, wird nach Ablauf einer Verzögerungszeitdauer der Leistungshalbleiterschalter T vom Blockierungsglied 8 als eingeschaltet angesehen.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur Parametrierung der Steuereinrichtung der Leistungshalbleiterschaltung 1 beschrieben.
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In einem ersten Verfahrensschritt a) erfolgt ein Versetzen der Überstromdetektionsschaltung 4 in den Spannungsgrenzwertermittlungsmodus und ein Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T. Hierzu wird, vorzugsweise von einer externen Parametriereinrichtung, ein Spannungsgrenzwertermittlungsbefehl SB an die Überstromdetektionsschaltung 4 übermittelt und ein Steuersignal A zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T an die Ansteuereinrichtung 3 gesendet. Um eine besonders einfache Parametrierung der Steuereinrichtung 2, genauer ausgedrückt, ein besonders einfaches Ermitteln des Spannungsgrenzwerts Ugw zu ermöglichen, kann die Steuereinrichtung 2 dazu ausgebildet sein, dass wenn die Überstromdetektionsschaltung 4 im Spannungsgrenzwertermittlungsmodus ist, die Ansteuereinrichtung 3 eine Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T erzeugt. Die Steuereinrichtung 2 erzeugt in diesem Fall unabhängig vom Steuersignal A eine Ansteuerspannung Ua zum Einschalten des Leistungshalbleiterschalters T.
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In einem weiteren Verfahrensschritt b) erfolgt ein Erzeugen zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss C und E fließenden elektrischen Stroms, d.h. eines vom ersten zum zweiten Laststromanschluss C, E oder vom zweiten zum ersten Lastanschluss E, C fließenden elektrischen Stroms I, wobei die Stromstärke des Stroms I einen Wert ausweist, bei dessen Überschreitung die Überstromdetektionsschaltung 4 im Überwachungsmodus ein Überstromdetektionssignal FS erzeugen soll. Der Strom I weist vorzugsweise einen impulsförmigen, insbesondere einen rechteckimpulsförmigen, Verlauf auf. Hierzu wird vorzugsweise an dem ersten oder zweiten Laststromanschluss C oder E eine externe Stromquelle 9 angeschlossen, die den durch den Leistungshalbleiterschalter T fließenden Strom I erzeugt. Der Strom I erzeugt die zwischen dem ersten und zweiten Laststromanschluss C und E anliegende Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce. Weiterhin bildet sich die zur Leistungshalbleiterschalterhauptspannung Uce korrespondierende Überwachungsspannung Um aus. Die Überstromdetektionsschaltung 4, genauer ausgedrückt das Peak-Hold-Glied 5, ermittelt den maximalen Spannungswert der Überwachungsspannung Um.
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In einem weiteren Verfahrensschritt c) erfolgt ein Ermitteln und Abspeichern des Spannungsgrenzwerts Ugw in der Steuereinrichtung 2, insbesondere in der Überstromdetektionsschaltung 4. Durch das Vorhandensein des Spannungsgrenzwertermittlungssignals SB sind der erste und zweite Wechselschalter S1 und S2 in Schalterstellung b geschaltet. Der Vergleicher 6 vergleicht die an seinem ersten Eingang E1 anliegende Spannung mit der an seinem zweiten Eingang E2 anliegenden Spannung und gibt an seinem Ausgang das Ansprechsignal SG aus, wenn die an seinem Eingang E1 anliegende Spannung höher ist, als die an seinem zweiten Eingang E2 anliegende Spannung. Die Spannungsquelleneinrichtung 7 erzeugt bei Empfang des Spannungsgrenzwertermittlungssignals SB an ihrem Ausgang eine Grenzwertspannung Ug und passt den Spannungswert der Grenzwertspannung Ug solange an, bis bei geringen Änderungen des Spannungswerts der Grenzwertspannung Ug das Spannungsgrenzwertermittlungssignal SB hin- und herschwankend von dem Vergleicher 6 erzeugt wird und wieder nicht erzeugt wird. Der Spannungswert der Grenzwertspannung Ug entspricht dann dem vom Peak-Hold-Glied 5 ermittelten maximalen Spannungswert der Überwachungsspannung Um. Anschließend wird das Spannungsgrenzwertermittlungssignal S nicht mehr an die Überstromdetektionsschaltung 4 übermittelt, so dass die Spannungsquelleneinrichtung 7 den solchermaßen ermittelten Spannungswert der Grenzwertspannung Ug als Spannungsgrenzwert Ugw dauerhaft dem Speicher 7' der Spannungsquelleneinrichtung 7 abspeichert und fortan eine Grenzwertspannung Ug, deren Spannungswert dem Spannungsgrenzwert Ugw entspricht, erzeugt und dem zweiten Eingang E2 des Vergleichers 6 als Eingangsgröße zuführt. Weiterhin wird durch den Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungssignal SB die Überstromdetektionsschaltung 4 in den Überwachungsmodus versetzt. Es sei angemerkt, dass das Abspeichern des Spannungsgrenzwerts Ugw in der Steuereinrichtung 2 nicht notwendigerweise vom Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungssignals S getriggert sein muss, sondern auch durch ein vorzugsweise weiteres externes Signal getriggert sein kann, so dass das Versetzen der Überstromdetektionsschaltung 4 in den Überwachungsmodus auch erst in einem weiteren Verfahrensschritt d) durch Wegfall des Spannungsgrenzwertermittlungssignals SB erfolgen kann, nachdem der Spannungsgrenzwert Ugw abgespeichert wurde.
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In 2 ist eine besonders vorteilhafte Ausbildung einer Stromrichtereinrichtung 31 mit einer ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschaltung dargestellt.
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Die Leistungshalbleiterschalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 der Leistungshalbleiterschaltungen sind zu einer 3-Phasigen-Brückenschaltung 10 elektrisch verschaltet, wobei der erste Laststromanschluss C des ersten, zweiten und dritten Leistungshalbleiterschalters T1, T2 und T3 mit einem Positivpotentialanschluss DC+ der 3-Phasigen-Brückenschaltung 10 elektrisch leitend verbunden ist und der zweite Laststromanschluss E des vierten, fünften und sechsten Leistungshalbleiterschalters T4, T5 und T6 mit einem Negativpotentialanschluss DCder 3-Phasigen-Brückenschaltung 10 elektrisch leitend verbunden ist. Die 3-Phasige-Brückenschaltung 10 weist weiterhin einen ersten, zweiten und dritten Wechselpotentialanschluss AC1, AC2 und AC3 auf. Der erste Wechselpotentialanschluss AC1 ist mit dem zweiten Laststromanschluss E des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch leitend verbunden. Der zweite Wechselpotentialanschluss AC2 ist mit dem zweiten Laststromanschluss E des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 elektrisch leitend verbunden. Der dritte Wechselpotentialanschluss AC3 ist mit dem zweiten Laststromanschluss E des dritten Leistungshalbleiterschalters T3 elektrisch leitend verbunden.
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Die Steuereinrichtungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 der Leistungshalbleiterschaltungen sind gemeinsam in einem mit einem IC-Gehäuse gehausten integrierten Schaltkreis 9 realisiert. Die Anschlüsse A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10 und A11 des integrierten Schaltkreises 9 liegen im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form von aus dem IC-Gehäuse herausragenden elektrisch leitenden Pins oder Bumps vor. Die Steuereinrichtungen 21, 22, 23, 24, 25, 26 entsprechen jeweilig der Steuereinrichtung 2 gemäß 1. Eine erste Steuereinrichtung 21 ist mit dem Steueranschluss G des ersten Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch leitend verbunden und weist eine erste Diode D1 auf, deren dem ersten Leistungshalbleiterschalter T1 elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit einem ersten Anschluss A1 des integrierten Schaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden ist. Eine zweite Steuereinrichtung 22 ist mit dem Steueranschluss G des zweiten Leistungshalbleiterschalters T2 elektrisch leitend verbunden und weist eine zweite Diode D2 auf, deren dem zweiten Leistungshalbleiterschalter T2 elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit dem ersten Anschluss A1 des integrierten Schaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden ist. Eine dritte Steuereinrichtung 23 ist mit dem Steueranschluss G des dritten Leistungshalbleiterschalters T3 elektrisch leitend verbunden und weist eine dritte Diode D3 auf, deren dem dritten Leistungshalbleiterschalter T3 elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit dem ersten Anschluss A1 des integrierten Schaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden ist. Der erste Anschluss A1 des integrierten Schaltkreises 9 ist mit den ersten Laststromanschlüssen C des ersten, zweiten und dritten Leistungshalbleiterschalters T1, T2 und T3 elektrisch leitend verbunden. Da die erste, zweite und dritte Diode D1, D2 und D3 Bestandteil der Steuereinrichtungen 21, 22 und 23 sind und somit im integrierten Schaltkreis 9 realisiert sind, benötigt der intergierte Schaltkreis 9 nur einen einzigen Anschluss A1 zur elektrischen Verbindung der ersten, zweiten und dritten Diode D1, D2 und D3 mit dem Positivpotentialanschluss DC+, so dass das IC-Gehäuse einen geringen Platzbedarf aufweist.
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Eine vierte Steuereinrichtung 24 ist mit dem Steueranschluss G des vierten Leistungshalbleiterschalters T4 elektrisch leitend verbunden und weist eine vierte Diode D4 auf, deren dem vierten Leistungshalbleiterschalter T4 elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit einem zweiten Anschluss A2 des integrierten Schaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden ist. Der zweite Anschluss A2 des integrierten Schaltkreises 9 ist mit dem ersten Laststromanschluss C des vierten Leistungshalbleiterschalters T4 elektrisch leitend verbunden. Eine fünfte Steuereinrichtung 25 ist mit dem Steueranschluss G des fünften Leistungshalbleiterschalters T5 elektrisch leitend verbunden und weist eine fünfte Diode D5 auf, deren dem fünften Leistungshalbleiterschalter T5 elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit einem dritten Anschluss A3 des integrierten Schaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden ist. Der dritte Anschluss A3 des integrierten Schaltkreises 9 ist mit dem ersten Laststromanschluss C des fünften Leistungshalbleiterschalters T5 elektrisch leitend verbunden. Eine sechste Steuereinrichtung 26 ist mit dem Steueranschluss G des sechsten Leistungshalbleiterschalters T6 elektrisch leitend verbunden und weist eine sechste Diode D6 auf, deren dem sechsten Leistungshalbleiterschalter T6 elektrisch zugewandter Diodenanschluss mit einem vierten Anschluss A4 des integrierten Schaltkreises 9 elektrisch leitend verbunden ist, wobei der vierte Anschluss A4 des integrierten Schaltkreises 9 mit dem ersten Laststromanschluss C des sechsten Leistungshalbleiterschalters T6 elektrisch leitend verbunden ist. Somit sind die Dioden D1, D2, D3, D4, D5 und D6 Bestandteil des integrierten Schaltkreises 9, so dass der Platzbedarf für die Dioden D1, D2, D3, D4, D5 und D6 sehr klein ist.
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Die jeweilige Steuereinrichtung 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26 weist vorzugsweise einen jeweiligen Gatevorwiderstand R1, R2, R3, R4, R5 bzw. R6 auf, über den der jeweilige übrige Teil 21', 22', 23', 24', 25' bzw. 26' der jeweiligen Steuereinrichtung 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26 mit dem Steueranschluss G des jeweiligen Leistungshalbleiterschalters T1, T2, T3, T4, T5 bzw. T6 elektrisch leitend verbunden ist. Somit sind die Gatevorwiderstände R1, R2, R3, R4, R5 und R6 Bestandteil des integrierten Schaltkreises 9, so dass der Platzbedarf für die Gatevorwiderstände R1, R2, R3, R4, R5 und R6 sehr klein ist.
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Der intergierte Schaltkreis 9 weist vorzugsweise eine Primärseite 32 und eine von der Primärseite galvanisch oder hochohmig getrennte Sekundärseite 33 auf. Die Steuereinrichtungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 sind vorzugsweise auf der Sekundärseite 33 angeordnet. Die Sekundärseite 33 ist mit den Leistungshalbleiterschalter T1, T2, T3, T4 T5 und T6 elektrisch leitend verbunden. Die Primärseite 32 weist vorzugsweise eine Signalanpassungsschaltung 30 auf, die die Signalpegel der von ihr empfangenen und den Steuereinrichtungen 21, 22, 23, 24, 25 und 26 zugeordneten Spannungsgrenzwertermittlungsbefehle SB und Steuersignale A anpasst und der jeweiligen Steuereinrichtung 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26 den ihr jeweilig zugeordneten Spannungsgrenzwertermittlungsbefehl SB und das ihr jeweilig zugeordnete Steuersignal A übermittelt.
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Es sei angemerkt, dass die jeweilige Steuereinrichtung 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26 auch intern eine Primärseite und eine von der Primärseite galvanisch oder hochohmig getrennte Sekundärseite aufweisen kann. Die Primärseite weist in diesem Fall vorzugsweise eine Signalanpassungsschaltung auf, die den Signalpegel des von ihr empfangenen Spannungsgrenzwertermittlungsbefehls SB und des Steuersignals A anpasst und an die Sekundärseite, die mit dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter T1, T2, T3, T4 T5 bzw. T6 elektrisch leitend verbunden ist, übermittelt.
